第六章-纳米材料.ppt

第六章纳米材料 本章内容6 1纳米科技及纳米材料应用进展6 2纳米材料的制备6 3纳米结构测试技术6 4纳米材料的应用 6 1纳米科技及纳米材料应用进展21世纪 信息科学技术和生命科学技术是科学技术发展的主流 它们的发展将使这些科学技术逐步走向更好 更快 更强和更加对环境友好的境地 一种非常普遍的观点认为 信息和生命科学技术能够进一步发展的共同基础是纳米科学技术 纳米技术作为一种最具有市场应用潜力的新兴科学技术 其潜在的重要性毋庸置疑 一些发达国家都投入大量的资金进行研究工作 如美国最早成立了纳米研究中心 日本文教科部把纳米技术 列为材料科学的四大重点研究开发项目之一 在德国 以汉堡大学和美因茨大学为纳米技术研究中心 政府每年出资6500万美元支持微系统的研究 在国内 许多科研院所 高等院校也组织科研力量 开展纳米技术的研究工作 并取得了一定的研究成果 主要如下 定向纳米碳管阵列的合成 由中国科学院物理研究所解思深研究员等完成 他们利用化学气相法高效制备出孔径约20纳米 长度约100微米的碳纳米管 并由此制备出纳米管阵列 其面积达3毫米 3毫米 碳纳米管之间间距为100微米 氮化镓纳米棒的制备 由清华大学范守善教授等完成 他们首次利用碳纳米管制备出直径3 40纳米 长度达微米量级的半导体氮化镓一维纳米棒 并提出碳纳米管限制反应的概念 并与美国斯坦福大学戴宏杰教授合作 在国际上首次实现硅衬底上碳纳米管阵列的自组织生长 准一维纳米丝和纳米电缆 由中国科学院固体物理研究所张立德研究员等完成 他们利用碳热还原 溶胶 凝胶软化学法并结合纳米液滴外延等新技术 首次合成了碳化钽纳米丝外包绝缘体SiO2纳米电缆 用催化热解法制成纳米金刚石 由中国科学技术大学的钱逸泰等完成 他们用催化热解法使四氯化碳和钠反应 以此制备出了金刚石纳米粉 但是 同国外发达国家的先进技术相比 我们还有很大的差距 总之 纳米技术正成为各国科技界所关注的焦点 正如钱学森院士所预言的那样 纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点 会是一次技术革命 从而将是21世纪的又一次产业革命 扫描隧道显微镜在纳米科技中占有重要的地位 它贯穿到这7个相对独立的分支领域中 6 1 2纳米材料的种类纳米材料是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的材料 它包含了三个层次 即 纳米微粒 纳米固体和纳米组装体系 纳米组装体系又可以分为纳米阵列体系 介孔组装体系和薄膜镶嵌体系 6 1 3纳米材料的特异性能纳米结构材料的特性是由所组成微粒的尺寸 相组成和界面这三个方面的相互作用来决定的 纳米微粒是由有限数量的原子或分子组成的 保持原来物质的化学性质并处于亚稳状态的原子团或分子团 当物质的线度减小时 其表面原子数的相对比例增大 使单原子的表面能迅速增大 进入纳米尺度时 此种形态的变化反馈到物质结构和性能上 就会显示出奇异的效应 这里介绍几种最基本的物理效应 1 小尺寸效应纳米材料中的微粒尺寸小到与光波波长或德布罗意波波长 超导态的相干长度等物理特征相当或更小时 晶体周期性的边界条件被破坏 非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小 使得材料的声 光 电 磁 热 力学等特性表现出改变而导致出现新的特性 人们把纳米颗粒的小尺寸所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应 金的熔点1064oC 10nm1037oC 2nm327oC银的熔点690oC 超细银粉100oC 2 表面效应 3 宏观量子隧道效应 6 2纳米材料的制备纳米材料的形态和状态取决于纳米材料的制备方法 新材料制备工艺和设备的设计 研究和控制对纳米材料的微观结构和性能具有重要的影响 6 2 1纳米粉体的合成 纳米 微米复合材料可细分为晶内型纳米复合材料和晶界型纳米复合材料两大类 但是实际制备中往往二者兼而有之 很难获得单纯一种纳米相处于晶内或晶界的纳米 微米复合材料 详见结构示意图6 2 1 6 2 2纳米复合材料的制备 6 2 3碳纳米管的制备日本NEC公司基础研究实验室的电镜专家SumioIijima博士也许是第一个看见碳纳米管的人 但绝不是第一个制造者 事实上 旧石器时代的古人也许不知不觉地在他们山洞取暖的火中已经制备出了极少量的碳纳米管 被加热分解的碳原子在碳灰中重新结合起来 形成各种各样的产物 一些是非晶渣块 另一些是巴基球或巴基管 6 3纳米结构测试技术1981年 物理学家G Hinning和H Rohrer发明了扫描隧道显微 简称STM ScanningTunnelingMicroscopy 使人类第一次进入原子世界 1986年他们为此获得诺贝尔物理奖 1986年 诺贝尔奖获得者Binnig Quate和Gerberd在斯坦福大学发明了原子力显微镜 简称AFM AtomicForceMicroscope 它不仅可以观察导体的表面形貌 而且可以观察非导体的表面形貌 弥补了STM只能直接观察导体和半导体之不足 图6 3 1所示为STM的基本原理图 在经典力学中 当势垒的高度比粒子的能量大时 粒子是无法越过势垒的 然而 根据量子力学原理 此时粒子穿过势垒出现在势垒另一侧的几率并不为零 这种现象称为隧道效应 当针尖和试样面间距离足够小时 0 4nm 在针尖和试样面间施加一偏置电压 便会产生隧道效应 电子在针尖和试样面之间流动 形成隧道电流 高分辨率 横向可达0 1nm 纵向可达0 01nm 探针尖和材料之间加以高压 可以从材料表面吸起一个个原子 附着在针尖上 图6 3 2所示为AFM的基本原理示意图 在悬臂梁上装有微反射镜 AFM是基于原子间力的理论 它是利用一个对力敏感的探针探测针尖与样品之间的相互作用力来实现表面成像的 由于试样面原子排列产生 凸凹不平 当探针在水平方扫描时 针尖同试样面间的距离在垂直方向便会产生变化 由固体物理学理论可知 当探针针尖同试样面很近时 其间会产生原子间力 基于STM理论 人们又发明了一系列新型的显微镜 这些显微镜包括 激光力显微镜 LFM 摩擦力显微镜 磁力显微镜 MFM 静电力显微镜 扫描隧道显微镜 弹道电子发射显微镜 BEEM 扫描隧道电位仪 STP 扫描离子电导显微镜 SICM 扫描近场光学显微镜 SNOM 和扫描超声显微镜等 基于这些显微镜的探测技术统称为扫描探针显微技术 SPM 6 3 2常用仪器1 激光检测原子力显微镜2 低温扫描隧道显微镜3 真空扫描隧道显微镜4 弹道电子发射显微镜 BEEM 直接对表面下界面电子性质进行谱学研究 并能以高分辨率成像的实验技术 BEEM 6 3 3检测技术的应用研究扫描探针显微技术 SPM 所具有的共同特点是都有一个很细的针尖用作探针 观察 操纵 1 STM技术的应用研究扫描探测显微镜不仅是人们认识纳米世界的工具 还可以用来制造纳米结构 改造世界 例如 借助它能够通过一个超级尖端来施加电压 准确地移动原子或分子 把不同的分子彼此连接起来 这些分子在自然状态下本来可能永远也不能相结合 构筑出全新的物质 在超高真空中 用STM技术移动Si 111 面上的原子形成 中国 字样 原子操作过程的STM像 由于STM对工作环境的要求相当宽松 可以在大气 真空 溶液 低温 高温等各种环境下工作 这使得STM技术可以广泛地应用于表面化学研究 例如 可以原位研究表面上发生的各种化学反应 研究各种表面吸咐和表面催化问题 直接在溶液中考察电化学沉积和电化学腐蚀过程等 2 AFM技术的应用研究AFM是依靠尖端曲率半径很小的微悬臂针尖接触在表面上进行成像 所得到的图像是针尖与样品真实形貌卷积后的结果 如图6 3 7所示 实线代表样品的真实形貌 虚线就是针尖扫描所得到的表观图像 利用AFM针尖与样品之间的相互作用力可以搬动样品表面的原子分子 实现原子分子操纵 而且可以利用此作用力改变样品的结构 从而对其性质进行调制 目前AFM对于碳纳米管和生物分子的操纵研究较多 无数的生命过程 如DNA复制 蛋白质合成 信息传递等都是由分子间力控制的 而AFM对微小相互作用力的灵敏度使其成为探测这些相互作用的有效工具 单分子力谱和高分辨成像的结合使得分析生物分子的分子内 分子间作用力成为可能 很多科学家利用功能化AFM针尖来研究单个生物分子的力学性质 6 4纳米材料的应用6 4 1纳米材料在高科技中的地位 图6 4 1新型纳米材料硬盘 容量增加100多倍 图6 4 2颗粒比较 左图为现在存储器介质的表面 右图为新材料的表面 磁化颗粒更小 并且排列均匀 纳米半导体微粒是在纳米尺度原子和分子的集合体 这个过去从来没有被人们注意的非宏观 非微观的中间层次出现许多新问题 例如电子的平均自由程比传统固体短 周期性被破坏 过去建立在平移周期上对电子的布洛赫波已不适用 建立在亚微米范围内的半导体p n结理论对于小于10nm的微粒已经失效 对纳