納米材料和納米結(jié)構(gòu)鄭州大學(xué)2021-2021學(xué)年第二學(xué)期課程2007級應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)李新建物理工程學(xué)院材料物理教育部重點實驗室電話：67766629電子郵件：辦公地址：南校區(qū)物理科研樓320房間個人介紹1、施利毅，納米材料，上海，華東理工大學(xué)出版社〔2007年1月〕2、ZhonglinWang(EditorinChief),HandbookofnanophaseandNanostructuredMaterials---Synthesis，Beijing,TsinghuaUniversityPress(March,2003)3、朱靜等，納米材料和納米器件，北京，清華大學(xué)出版社〔2003年4月〕4、J.H.芬德勒〔美〕著，項金鐘，吳興惠譯，納米粒子與納米結(jié)構(gòu)薄膜，北京，化學(xué)工業(yè)出版社〔2003年8月〕5、張金中，王中林，劉俊，陳少偉，劉剛玉著，曹茂盛，曹傳寶譯，自組裝納米結(jié)構(gòu)，北京，化學(xué)工業(yè)出版社〔2005年1月〕6、陳敬中，劉劍洪，納米材料科學(xué)導(dǎo)論，高等教育出版社〔2006年8月〕7、圖書館可以檢索到的所有相關(guān)書籍、綜述性文獻課程主要參考書主要內(nèi)容納米材料的根本概念納米材料的主要制備技術(shù)納米材料的結(jié)構(gòu)及其表征技術(shù)納米材料的物理性能納米材料的應(yīng)用授課方法：講述+專題講座課程的主要內(nèi)容及授課方法當(dāng)代納米科技與納米材料

---內(nèi)涵、意義與挑戰(zhàn)

李新建

材料物理教育部重點實驗室

2021年03月03日關(guān)于物理學(xué)：一個錯誤但曾經(jīng)流行的觀念目前有一個廣為流行但是非常錯誤的觀念：那就是認為物理學(xué)作為一個有根底科學(xué)意義和探索價值的研究領(lǐng)域已經(jīng)大為過時。然而真正的事實是，在現(xiàn)代物理學(xué)領(lǐng)域，亟待我們?nèi)ネ姨剿鞯目茖W(xué)規(guī)律和我們已經(jīng)探知的科學(xué)規(guī)律一樣多。----JohnMaddox，?Nature?雜志前主編材料研究的重要性納米材料的研究歷史納米材料的科學(xué)內(nèi)涵納米材料的研究意義納米材料面臨的挑戰(zhàn)報告內(nèi)容第一局部

材料研究的重要性主導(dǎo)21世紀科學(xué)與技術(shù)的四個關(guān)鍵領(lǐng)域

信息科學(xué)InformationScience

生命科學(xué)LifeScience

環(huán)境科學(xué)EnvironmentScience

納米科技Nanoscience&Nanotechnology材料是現(xiàn)代文明開展的根底和先驅(qū)石器時代〔theStoneAge〕：石材

陶器時代〔thePotteryAge〕：陶器

青銅器時代〔theBronzeAge〕：青銅

工業(yè)革命時代〔theIndustrialRevolution〕：鋼鐵信息時代〔theInformationAge〕：晶體硅第二局部

納米材料的研究歷史納米科技的提出：一個神奇的夢想人物：Richard.P.Feynman(1965年Nobel物理獎得主)時間：1959年12月25日地點：美國加州理工學(xué)院Thereisaplentyofroomsatthebottom納米概念的提出、建立與開展1959年，R.P.Feynman發(fā)表有關(guān)納米科技的著名演講1962年，日本物理學(xué)家Kubo,建立Kubo理論1974年，日本物理學(xué)家Taniguchi提出納米技術(shù)〔Nanotechnology〕的概念1981年，德國物理學(xué)家H.Gleiter提出固體納米結(jié)構(gòu)〔NanostructureofSolid〕的概念1990年，第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會議〔美國，巴爾的摩〕標(biāo)準(zhǔn)納米科技四大領(lǐng)域：納米電子學(xué)、納米機械學(xué)、納米生物學(xué)、納米材料學(xué)納米制備與測試技術(shù)開展遠古以來自然界天然形成的納米材料，人類無意識制造及使用的納米材料與技術(shù)等1931年，英國物理學(xué)家E.Ruska和M.Knoll創(chuàng)造電子顯微鏡1968年，美國貝爾實驗室A.Y.Cho和J.Arthur創(chuàng)造分子束外延技術(shù)1981年，德國物理學(xué)家H.Gleiter創(chuàng)造金屬納米粉體真空蒸法冷凝制備法1982年，IBM實驗室G.Buining,H.Rohrer(Nobel物理獎得主〕創(chuàng)造掃描隧道顯微鏡〔STM〕1985年，日本物理學(xué)家H.W.Kroto創(chuàng)造富勒烯制備技術(shù)1990年，英國物理學(xué)家L.T.Canham創(chuàng)造納米多孔硅制備技術(shù)1991年，日本物理學(xué)家SumioLijirma創(chuàng)造碳納米管制備技術(shù)1998年，荷蘭物理學(xué)家C.Dekker制備出基于碳納米管的納米晶體管1999年，美國物理學(xué)家J.M.Tour和M.A.Reed制備出納米單分子開關(guān)進入21世紀以來，納米功能材料與器件研究飛速開展納米制備與測試技術(shù)開展〔2〕納米制備與測試技術(shù)開展〔3〕單晶硅外表原子排列由C60分子在單晶銅外表做成的納米算盤納米制備與測試技術(shù)開展〔3〕用掃描隧道顯微鏡的針尖在銅外表上搬運和操縱48個鉛原子，使它們排成圓形。制備與測試技術(shù)開展〔4〕第一次納米研究熱潮的到來2000年美國啟動納米技術(shù)促進方案N.Lane科學(xué)技術(shù)總統(tǒng)助理“如果人們問我哪個科學(xué)和工程領(lǐng)域最有可能在未來產(chǎn)生突破性成就，我認為會是納米科學(xué)和工程〞。W.J.Clinton美國總統(tǒng)“我正在支持一項對美國未來經(jīng)濟和開展將產(chǎn)生深遠影響的納米技術(shù)，它是21世紀最重要、應(yīng)該優(yōu)先開展的方案……〞。美國政府發(fā)布“國家納米技術(shù)建議〔NNI〕〞；同時，成立隸屬于美國國家技術(shù)委員會〔NCT〕的國家納米科學(xué)、工程與技術(shù)分委員會〔SNSET〕第一次納米研究熱潮的到來〔2〕日本、德國立即出臺相應(yīng)研究方案日本政府要像抓微電子技術(shù)那樣很抓納米技術(shù)……，把開展納米技術(shù)作為21世紀前20年日本的立國之本。德國政府納米技術(shù)是21世紀高科技的制高點。宣布成立跨部門的六大科學(xué)研究中心,協(xié)作開展納米技術(shù)。第一次納米研究熱潮的到來〔3〕其他國家行動印度要像抓軟件產(chǎn)業(yè)那樣，快速開展納米技術(shù)。

韓國2001年成為對納米技術(shù)投入增長最快的國家。第一次納米研究熱潮的到來〔4〕中國：決戰(zhàn)納米時代2000年7月中央政治局全體委員聽取中科院有關(guān)納米技術(shù)的報告，提出決戰(zhàn)納米時代的指示國內(nèi)研究已經(jīng)具備一定的根底，建立了一定的國際影響宣布成立國家納米科技中心目標(biāo)：建立中國自己的納米科技創(chuàng)新體系第三局部

納米材料的科學(xué)內(nèi)涵人類認識自然的尺度范疇宇觀尺度：距地球最遠星系約220億光年宏觀尺度：肉眼可見范圍，約10-4m以上介觀尺度：包括微米、亞微米、納米和團簇原子原子核尺度：10-15m---10-10m根本粒子尺度：10-19m，包括夸克、輕子納米科學(xué)與技術(shù)的根本特征與特點學(xué)科交叉性納米科學(xué)與技術(shù)是基于納米尺度的物理、化學(xué)、生物學(xué)、材料學(xué)、制造、信息、環(huán)境、能源等多學(xué)科構(gòu)成的一個新興學(xué)科交叉體系。學(xué)科的層次納米科學(xué)與技術(shù)是涉及根本原理、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用的科學(xué)技術(shù)體系，可大致分為根底、技術(shù)和應(yīng)用三個層次。納米科學(xué)與技術(shù)的根本特征與特點〔2〕學(xué)科研究與開展的根本內(nèi)涵納米科學(xué)與技術(shù)的研究和開展是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它主要包括五個方面：〔1〕由根底研究支撐的創(chuàng)新思想和概念；〔2〕由工藝、技術(shù)研究支撐的技術(shù)革命和革新；〔3〕測試、表征以及納米標(biāo)準(zhǔn)的建立和完善；〔4〕技術(shù)成果產(chǎn)業(yè)化的組織和實施；〔5〕技術(shù)成果市場的開拓和開展。學(xué)科的根本技術(shù)根底和支撐納米科學(xué)與技術(shù)的根本根底和支撐是納米材料和納米器件。納米科學(xué)、納米技術(shù)及其學(xué)科分類納米科學(xué)研究納米尺度范疇內(nèi)原子、分子和其他類型物質(zhì)運動和變化規(guī)律的科學(xué)納米技術(shù)在納米尺度范疇內(nèi)對原子、分子等進行操縱和加工的技術(shù)學(xué)科分類納米科學(xué)與納米技術(shù)無法截然分開。目前，按照研究內(nèi)容，獲得普遍認可的分支學(xué)科大致包括：納米材料學(xué)、納米電子學(xué)、納米光子學(xué)、納米機械學(xué)、納米摩擦學(xué)、納米生物學(xué)、納米加工學(xué)、納米檢測與表征等；納米材料與器件是上述所有分支學(xué)科的共同交叉點納米材料的定義納米材料是指材料的根本結(jié)構(gòu)單元至少有一維的特征尺寸介于1~100nm，并由于納米尺寸效應(yīng)〔nanoscalesizeeffect〕、外表/界面效應(yīng)〔surface/interfaceeffect〕和量子限域效應(yīng)〔quantumconfinementeffect〕而表現(xiàn)出奇異的、不同于相應(yīng)的體材料所具備的物理或化學(xué)特性的材料或材料體系。納米材料的分類〔幾何形狀與維度〕納米顆粒與粉體〔零維〕納米線與納米管〔一維〕納米帶〔二維〕納米薄膜〔二維〕多孔材料納米結(jié)構(gòu)材料有機分子材料納米材料的分類〔幾何形狀與維度〕薄膜、量子線和量子點：截面示意圖薄膜量子線量子點納米材料的分類〔幾何形狀與維度〕鉑催化劑納米顆粒：形貌與電子衍射納米材料的分類〔幾何形狀與維度〕碳納米管納米材料的分類〔幾何形狀與維度〕納米管與納米線〔a〕CVD多壁碳納米管，〔b〕GaN納米線，〔c〕SiC納米線納米材料的分類〔幾何形狀與維度〕ZnO納米帶寬度、厚度均為nm量級，長度mm量級多孔氧化鋁納米材料的分類〔幾何形狀與維度〕納米材料的分類〔幾何形狀與維度〕多孔材料：MCM-41分子篩納米材料的分類〔幾何形狀與維度〕GaAs/InAs多層膜量子點納米材料的分類〔幾何形狀與維度〕納米結(jié)構(gòu)材料的分類示意圖納米材料的根本結(jié)構(gòu)特征納米材料的根本物理特性1.納米尺寸效應(yīng):隨著顆粒尺寸變小，晶體傳統(tǒng)的周期性邊界條件將被破壞，在一定條件下會引起材料的物理性質(zhì)發(fā)生質(zhì)的改變,出現(xiàn)新的效應(yīng)。這種由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為量子尺寸效應(yīng)。舉例:如材料的光吸收會顯著增加,所有的金屬將失去光澤而變?yōu)楹谏怀瑢?dǎo)相向正常相轉(zhuǎn)變;磁性產(chǎn)生質(zhì)變；熔點降低等。具體例子：如金納米顆粒熔點為600K，而金的體材料熔點為1337K；納米銀的熔點可降低到l00℃。此特性為粉末冶金工業(yè)提供了新上藝。納米材料的根本物理特性〔2〕2.量子限域效應(yīng)各種元素的原子具有特定的光譜線，如鈉原子具有黃色的光譜線。由無數(shù)的原子構(gòu)成固體時，單獨原子的能級就并合成能帶，由于電子數(shù)目很多，能帶中能級的間距很小，因此可以看作是連續(xù)的。能帶理論能成功解釋金屬、半導(dǎo)體、絕緣體之間的聯(lián)系與區(qū)別。原子固體能級填充原子、大塊晶體、和納米晶的能態(tài)納米晶納米材料的根本物理特性〔2〕對介于原子、分子與大塊固體之間的納米晶體，大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級；能級間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。Kubo早在1962年就從理論上給出了能級間距和金屬顆粒直徑的關(guān)系:當(dāng)熱能、電場能或者磁場能比平均的能級間距還小時，就會呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子限域效應(yīng)。如導(dǎo)電的金屬在納米顆粒時可以變成絕緣體，而半導(dǎo)體納米體系的發(fā)光譜線會產(chǎn)生向短波長方向的移動。納米材料的根本物理特性〔2〕舉例：CdS/硅納米孔柱陣列納米材料的根本物理特性〔2〕納米材料的根本物理特性〔3〕3.外表與界面效應(yīng)金屬的納米粒子在空氣中會燃燒，無機材料的納米粒子暴露在大氣中會吸附氣體并與氣體進行反響。粒徑(nm)2nm5nm10nm100nm原子總數(shù)Ｎ3504000300003×106表面原子百分數(shù)8640202比表面積(m2/g)450180909尺寸小，外表大，活性高。納米材料的根本物理特性〔4〕4.宏觀量子隧道效應(yīng)材料中作為根本粒子之一的電子既具有粒子性，又具有波動性，這就是微觀粒子的波粒二象性。而量子隧道效應(yīng)那么是所有量子力學(xué)體系的根本特性之一。納米材料是一個典型的量子力學(xué)體系。因此，宏觀量子隧道效應(yīng)將會成為未來微電子、光電子器件的根底；同時，它也給出了微電子器件進一步微型化的物理極限。在制造半導(dǎo)體集成電路時，當(dāng)電路的尺寸接近電子波長時，電子就會發(fā)生隧道效應(yīng)而使器件無法正常工作。理論預(yù)測說明，經(jīng)典電路的極限尺寸大概為35nm,而目前大規(guī)模集成電路的線寬已經(jīng)到達70nm。科學(xué)家們已經(jīng)成功研制出的單電子晶體管〔量子共振隧穿晶體管〕就是利用量子效應(yīng)制成的新一代器件，并有望成為新一代計算機的根底。納米材料的根本物理特性〔4〕舉例：庫倫阻塞效應(yīng)與單電子器件(a)-(b)

系統(tǒng)能量增加，庫倫阻塞效應(yīng)

(c)-(d)

系統(tǒng)能量不變，隧穿效應(yīng)發(fā)生納米材料的根本物理特性〔4〕在兩個電極中間的絕緣層的中間再做一個電極II，使之帶半個電荷，那么兩邊的電極會各感應(yīng)出半個符號相反的電荷。如此，可以通過電極II上電壓的變化來控制隧穿效應(yīng)的發(fā)生。納米材料的根本物理特性〔4〕納米材料的制備技術(shù)納米材料兩個制備理念從大到小:固體微米顆粒納米顆粒從小到大:原子團簇納米顆粒納米材料的制備技術(shù)〔2〕(按物態(tài)分類)氣相法液相法固相法蒸發(fā)-冷凝法化學(xué)氣相反應(yīng)法溶膠-凝膠法沉淀法噴霧法非晶晶化法機械粉碎(高能球磨)法固態(tài)反應(yīng)法第四局部

納米材料的研究意義納米材料是二十一世紀的主導(dǎo)技術(shù)工業(yè)革命以來已經(jīng)歷了三次主導(dǎo)技術(shù)，引發(fā)了三次工業(yè)革命什么是主導(dǎo)技術(shù)？科學(xué)革命技術(shù)革命產(chǎn)業(yè)革命第一次產(chǎn)業(yè)革命(1734-1834〕納米材料是二十一世紀的主導(dǎo)技術(shù)主導(dǎo)技術(shù)：蒸汽機科學(xué)根底：牛頓力學(xué)、熱力學(xué)、能量轉(zhuǎn)化與守恒原理納米材料是二十一世紀的主導(dǎo)技術(shù)第二次產(chǎn)業(yè)革命〔1835-1914〕科學(xué)根底：電的發(fā)現(xiàn)、電磁場理論主導(dǎo)技術(shù)：電氣化技術(shù)、發(fā)電機、電動機、電力傳輸、無線電通訊納米材料是二十一世紀的主導(dǎo)技術(shù)第三次產(chǎn)業(yè)革命〔1945-2021？〕科學(xué)根底：量子理論、能帶理論、半導(dǎo)體制備技術(shù)、硅平面工藝主導(dǎo)技術(shù)：微電子技術(shù)、計算機技術(shù)納米材料是二十一世紀的主導(dǎo)技術(shù)三次產(chǎn)業(yè)革命的啟示1、每次產(chǎn)業(yè)革命都會造就一、二個新的先進國家；2、主導(dǎo)技術(shù)都經(jīng)歷孕育期、生長期、高速開展期、穩(wěn)定期，主導(dǎo)技術(shù)的生命周期約50-60年；3、在主導(dǎo)技術(shù)的穩(wěn)定期都開始蘊育下一個主導(dǎo)技術(shù)；4、主導(dǎo)技術(shù)都會帶動產(chǎn)業(yè)革命，先從傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造開始，并逐漸形成新的產(chǎn)業(yè)群。納米材料是二十一世紀的主導(dǎo)技術(shù)為什么納米技術(shù)會引發(fā)新的產(chǎn)業(yè)革命科學(xué)根底中間領(lǐng)域的重大發(fā)現(xiàn)納米技術(shù)的產(chǎn)業(yè)革命科學(xué)框架的建立納米材料是二十一世紀的主導(dǎo)技術(shù)納米科學(xué)涉及幾乎所有關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域制高點n-電子學(xué)n-加工n-生物技術(shù)根底n-材料n-器件科學(xué)根底納米物理納米化學(xué)納米力學(xué)納米材料是二十一世紀的主導(dǎo)技術(shù)納米技術(shù)—新工業(yè)革命的主導(dǎo)技術(shù)存儲密度：1061011=10萬個磁盤讀寫速度：1GB20GB20世紀微米技術(shù)是科技開展的制高點,是工業(yè)革命的主導(dǎo)技術(shù)。納米材料是二十一世紀的主導(dǎo)技術(shù)高集成、高空間分辨率，存儲密度：1000GB

計算速度提高100~1000倍、功率增加1000倍，能耗降低一百萬倍，芯片尺寸降低100~1000倍納米技術(shù)21世紀

DNA芯片納米材料是二十一世紀的主導(dǎo)技術(shù)納米材料是二十一世紀的主導(dǎo)技術(shù)

生物單分子探測納米材料是二十一世紀的主導(dǎo)技術(shù)納米材料是二十一世紀的主導(dǎo)技術(shù)節(jié)省能源利用資源優(yōu)化環(huán)境新工業(yè)革命納米材料是二十一世紀的主導(dǎo)技術(shù)醫(yī)療藥物環(huán)境能源宇航交通生物農(nóng)業(yè)電子器件計算機國家安全新材料制造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)納米技術(shù)對關(guān)鍵問題的影響力推動GDP快速增長名人預(yù)測名人預(yù)測

中國在21世紀魔術(shù)般的成為超級先進國家，納米技術(shù)是可選擇的重要途徑。喬納森.斯彭斯--美國耶魯大學(xué)中國現(xiàn)代史教授羅雷爾--諾貝爾物理獎獲得者七十年度重視微米技術(shù)的國家都已成為發(fā)達國家,現(xiàn)在重視納米技術(shù)的國家有可能成為下一世紀的先進國家第五局部

納米材料面臨的挑戰(zhàn)21世紀，高科技產(chǎn)業(yè)如信息、生物技術(shù)、資源環(huán)境、新型能源、宇航、海洋和新材料等領(lǐng)域都面臨著新的挑戰(zhàn)，納米技術(shù)的切入，使這些高科技領(lǐng)域的開展出現(xiàn)新的機遇，蘊藏著巨大的潛力。水平和機遇太陽能>30%

電能水平和機遇能源新能源發(fā)現(xiàn)：

非可燃氣體NT

可燃氣體提高能量轉(zhuǎn)化效率

氫能源利用

熱能提高10%

電能

化學(xué)能長壽高效

電能

海底天然氣利