納米材料的研究進展

1納米科技的起源與發展歷程材料是時間的象征。它是先進科學技術和現代文明的重要物質基礎之一。隨著現代科學技術的迅速發展,對各類材料的要求愈來愈高,納米材料就是在這種高技術需求的背景下產生的。1959年,諾貝爾物理獎獲得者費曼(Feynman)在美國加州理工學院召開的美國物理學會年會上做了題為《在底部還有很大空間》的演講。他從“由下而上的方法”出發,提出從單個分子甚至原子開始進行組裝,以達到設計要求。他說道,“至少依我看來,物理學的規律不排除一個原子一個原子地制造物品的可能性?！辈㈩A言,“當我們對細微尺寸的物體加以控制的話,將極大的擴充我們獲得物性的范圍”。他所說的物體就是現在的納米,這一預言被科學界視為納米材料萌芽的標志,費曼并不知道怎么去實現納米技術。20世紀70年代,科學家開始從不同角度提出有關納米科技的構想,1974年,科學家唐尼古奇最早使用納米技術一詞描述精密機械加工。20世紀70年代后期,麻省理工學院德雷克斯勒教授提倡納米科技的研究,但當時多數主流科學家對此持懷疑態度。納米科技的迅速發展是在80年代末90年代初。80年代初德國材料科學家格萊特(Gleiter)教授利用惰性氣體凝集的方法制備出納米顆粒,并用X射線衍射等測試其內部結構,對納米材料的結構和性能作了綜合報道,提出了納米晶體的概念,成為了納米材料的創始者。1982年,科學家發明了研究納米的重要工具——掃描隧道顯微鏡,揭示了一個可見的原子、分子世界,對納米科技發展產生了積極的促進作用。隨后,美國、德國和日本科學家先后制成多種納米材料粉末及燒結塊體材料,開始了納米材料及技術的研究時代。為了總結和交流納米材料的研究成果,推動納米技術的發展,1990年7月在美國召開了“第一屆納米科學與技術討論會”,這是納米材料發展的一個里程碑。以后,各國科學家積極參與了對納米材料物理和化學性能的研究,不斷地發現納米材料的特殊性能,使之成為材料科學領域研究的熱點。納米材料對新材料的設計和發展以及人們對固體材料本質結構性能的認識都具有十分重要的價值,因此被科學家們譽為“21世紀最有前途的材料”。事實上,世界上早就有納米材料存在,天體的隕石碎片,人體和獸類的牙齒都是由納米微粒構成的。而浩瀚的海洋則是一個龐大超微粒的聚集場所。據研究認為中國古代字畫之所以歷經千年而不褪色,是因為所用的墨是由納米級的碳黑組成。中國古代銅鏡表面的防銹層也被證明是由納米氧化錫顆粒構成的薄膜。只是當時的人們沒有清楚的了解而已。到80年代科學家才驚奇地發現,由幾個到幾千個原子組成的納米顆粒既不同于宏觀的大塊物體,也不同于單個的原子和分子,而是一個頗具“個性”的奇特的群體。2納米晶體結構的結構納米級的顆粒是由數目極少的原子或分子組成的原子群或分子群,是一種典型的介觀系統。因此,從結構上看,它是由兩種組元構成的,即材料的體相組元晶體原子和界面組元晶界。若是常規材料,截面應該是一個完整的晶體結構,但對于納米晶來說,由于晶粒尺寸小,界面組元在整個材料中所占的比例極大,晶界缺陷所占的體積比也相當大,盡管每個單獨的分界面可能具有一個二維局部或局域的有序結構,但從一個局部界面到另一個局部界面的周期不同,由所有這樣的界面原子組成的界面,其原子排列方式均不同。因此,在整體上構成了一種與晶態和玻璃態均有較大差別的、嶄新的微觀結構。由于納米粒子的這種特殊類型的結構,導致納米材料具有一系列新異的物理、化學特性,而且這些特性是其他固體材料或常規材料根本所不具有的特性。3納米特征3.1德布羅意波長的影響當超細微粒子尺寸與光波波長及傳導電子德布羅意波長以及超導態的相干長度或透射深度等尺寸相當或更小時,周期性的邊界條件將被破壞從而產生一系列新奇的性質。3.1.1金屬超微顆粒尺寸對光反射率的影響納米金屬的光吸收性顯著增強。粒度越小,光反射率越低。所有的金屬在超微顆粒狀態都呈現為黑色。尺寸越小,顏色愈黑。金屬超微顆粒對光的反射率通?？傻陀?%,約幾微米的厚度就能完全消光。相反,一些非金屬材料在接近納米尺度時,出現反光現象。納米TiO2、納米SiO2、納米Al2O3等對大氣中紫外光具有很強的吸收性。3.1.2顆粒尺寸對金相的影響固態物質超細微化后其熔點顯著降低。當顆粒小于10nm數量級時尤為顯著。例如,金的常規熔點為1064℃,當顆粒尺寸減小到2nm尺寸時熔點僅為327℃左右;銀的常規熔點為670℃,而超微銀顆粒的熔點可低于100℃。3.1.3高矯頑力磁顆粒小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料有顯著的不同,大塊的純鐵矯頑力約為80A/m,而當顆粒尺寸減小到20nm以下時,其矯頑力可增加1千倍,當顆粒尺寸約小于6nm時,其矯頑力反而降低到零,呈現出超順磁性。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性,已做成高貯存密度的磁記錄磁粉,大量應用于磁帶、磁盤、磁卡等。利用超順磁性,人們已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。3.1.4納米陶瓷材料納米材料的強度、硬度和韌性明顯提高。納米銅的強度比常態提高5倍;納米金屬比常態金屬硬3-5倍。納米陶瓷材料具有良好的韌性,因為納米材料具有大的界面,界面的原子排列相當混亂,原子在外力變形的條件下很容易遷移,因此表現出甚佳的韌性與一定的延展性。例如,氟化鈣納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。3.2納米粒子的表面作用與宏觀物體相比,納米粒子因為表面原子數目增多,比表面積增大。這會導致無序度增加,同時晶體的對稱性變差,其部分能帶被破壞,因而出現了界面效應。較大的比表面積和小尺寸的納米粒子,導致位于表面的原子占有相當大的比例,原子配位不足,表面原子的配位不飽和性導致大量的懸空鍵和不飽和鍵,表面能高,因而這些表面原子具有高的活性。納米材料較高的化學活性,使其具有了較大的擴散系數,大量的界面為原子擴散提供了高密度的短程快擴散路徑。這種表面原子的活性就是表面效應。納米粒子的表面界面效應,主要表現為:(1)熔點降低,這是由于表面原子存在振動弛豫,即振幅增大,頻率減小;(2)比熱增大。3.3宏觀量子隧道效應和矢量尺寸效應量子隧道效應是從量子力學的粒子具有波粒二象性的觀點出發的,解釋粒子能夠穿越比總能量高的勢壘,這是一種微觀現象。近年來,發現一些宏觀量(如微顆粒的磁化強度和量子相干器的磁通量等)也具有隧道效應,稱為宏觀量子隧道效應。用此概念可以定性解釋納米鎳晶粒在低溫下繼續保持超順磁性現象。量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應將是未來微電子器件的基礎,或者說它確立了現存微電子器件進一步微型化的極限。如在制造半導體集成電路時,當電路的尺寸接近波長時,電子借助隧道效應而溢出器件,器件便無法工作。經典電路的物理極限尺寸大約為0.25μm。3.4介電限域效應隨著納米晶粒粒徑的不斷減小和比表面積不斷增加,其表面狀態的改變將會引起微粒性質的顯著變化。例如,當在半導體納米材料表面修飾一層某種介電常數較小的介質時,相對于裸露在半導體納米材料周圍的其他介質而言,被包覆的納米材料中電荷載體的電力