1第一章纳米物理基本概念与纳米材料 1讲

1、纳米材料物理基础,第一讲,2015,级物理学硕士,2016,年,3,月,物理与微电子科学学院,School of Physics and Microelectronics,Science,讲课内容,第一讲,第一章,纳米物理基本概念与纳米材料,2,周,第二章,纳米材料的制备方法,4,人,3-4,周,第三章,纳米材料的表征方法,4,人,5-6,周,第四章,纳米材料的力学性能,4,人,7-8,周,第五章,纳米材料的热学性能,4,人,9-10,周,第六章,纳米材料的电学性能,4,人,11-12,周,第七章,纳米材料的磁学性能,4,人,13-14,周,第八章,纳米材料的光学性能,4,人,16-17,周,

2、上课安排,共分四个组，每组四位学生，主题见上页,每组选一位组长，负责内容协调,成绩构成,上课签到,30,课堂讲解,30,结题报告,40,上课安排及成绩构成,1,纳米物理一些基本概念,2,纳米材料的基本单元,3,由纳米基本单元构筑的纳米材料,4,纳米材料研究的三个阶段,1.1,纳米、纳米科技、纳米物理,1.2,纳米材料,纳米,长度单位,1nm=10,9,m,纳米科学,研究,nm,尺度，原子、分子和其它物质运动、变化规律,纳米技术,用该规律，在,nm,尺度对原子、分子操纵和加工,不仅尺度纳米化，使人类迈入新微观世界，物质运动受,量子原理,主宰,特点,交叉、综合性,现代科学,量子力学、介观物理、混沌

3、物理、分子生物学）和,现代技术,计算机，扫描探针显微，电子束和电镜、激光和核分析技术）结合产,物。纳米科技与其它,交叉,引发新学科、技术,nm,电子学,nm,生物学,nm,材料学,nm,机械学,nm,光子学,nm,材料和器件,分支学科交点,纳米物理,分支，研究原子以上,100nm,以下,nm,世界（介观）物理问题及,应用科学,研究对象,至少一维度,100nm,以下原子或分子集合体,任务,研究,nm,材料与结构物理制备法，探索原子或分子性质反应规律,纳米材料,至少一维,nm,尺度，或它们为基本单元构成特殊性能,材料,分类,按维数，三类,1,零维：空间,三维,均在纳米尺度，纳米尺度颗粒、原子团簇,

4、2,一维：空间,二维,处纳米尺度，纳米丝、纳米棒、纳米管,3,二维：空间,一维,处纳米尺度，超薄膜,表示,Low dimentional nanomaterials,0D, 1D, 2D,零维,一维,二维,1,纳米物理一些基本概念,2,纳米材料的基本单元,3,由纳米基本单元构筑的纳米材料,4,纳米材料研究的三个阶段,1.1,纳米、纳米科技、纳米物理,1.2,纳米材料,按形状,1,nm,颗粒和粉体,nm,管,nm,线,nm,棒,nm,带,nm,片,nm,薄膜,介孔材料,nm,针,nm,孔洞,nm,电缆,nm,角,nanoparicles, nanotubes, nanowires, nanoro

5、ds, nanobelts, nanoplatelets,nano-films, mesoporous materials, nanosheets, nanoneedles, nanocable,nanohorns,2,纳米棒、丝与线,Aspect Ratio,纵横比,Length/diameter,AR,小,纳米棒,length1,m,AR,大,纳米丝、线,length1,m,1,纳米物理一些基本概念,2,纳米材料的基本单元,3,由纳米基本单元构筑的纳米材料,4,纳米材料研究的三个阶段,1.1,纳米、纳米科技、纳米物理,1.2,纳米材料,团簇,clusters,纳米粒子,nanopartic

6、le,一维纳米材料,1D,量子阱、量子线、量子点,纳米孔洞,nanopores, mesoporous,新化学物种,20,世纪,80,年代发现,团簇,几至几百个原子聚集体,粒径,或,1nm,Fe,n,n, m,含原子,数,Cu,n,S,m,C,n,H,m,和碳族,C60,C70,等,物质第五态（四态准,晶、等离子、非晶态,2.1,团簇,clusters,2.2,纳米粒子,Nanoparticles,2.3,一维纳米材料,One dimentional (1D) nanomaterials,2.4,量子阱、量子线、量子点,2.5,纳米孔,nanopores, mesoporous,1,纳米物理一

7、些基本概念,2,纳米材料的基本单元,3,由纳米基本单元构筑的纳米材料,4,纳米材料研究的三个阶段,1,纳米物理一些基本概念,2,纳米材料的基本单元,3,由纳米基本单元构筑的纳米材料,4,纳米材料研究的三个阶段,苯,2.1,团簇,clusters,2.2,纳米粒子,Nanoparticles,2.3,一维纳米材料,One dimentional (1D) nanomaterials,2.4,量子阱、量子线、量子点,2.5,纳米孔,nanopores, mesoporous,1,纳米物理一些基本概念,2,纳米材料的基本单元,3,由纳米基本单元构筑的纳米材料,4,纳米材料研究的三个阶段,埃克森美孚,

8、2.1,团簇,clusters,2.2,纳米粒子,Nanoparticles,2.3,一维纳米材料,One dimentional (1D) nanomaterials,2.4,量子阱、量子线、量子点,2.5,纳米孔,nanopores, mesoporous,1,纳米物理一些基本概念,2,纳米材料的基本单元,3,由纳米基本单元构筑的纳米材料,4,纳米材料研究的三个阶段,石墨烯,金刚石,富勒烯,巴基球富勒烯,富勒烯管,2.1,团簇,clusters,2.2,纳米粒子,Nanoparticles,2.3,一维纳米材料,One dimentional (1D) nanomaterials,2.4,

9、量子阱、量子线、量子点,2.5,纳米孔,nanopores, mesoporous,C60,结构,12,个五元环和,20,个六元环组成球,形,32,面体，外形足球,六元环每个,C,原子双键与其他,C,原子结合，形,成类苯环,键不同石墨,sp,2,杂化轨道形成,键，不同金刚石,sp,3,杂化轨道形成,键，以,sp,2.28,杂化轨道,s 30,p 70,形成,键,C60,两,键夹角,106,1,纳米物理一些基本概念,2,纳米材料的基本单元,3,由纳米基本单元构筑的纳米材料,4,纳米材料研究的三个阶段,2.1,团簇,clusters,2.2,纳米粒子,Nanoparticles,2.3,一维纳米材

10、料,One dimentional (1D) nanomaterials,2.4,量子阱、量子线、量子点,2.5,纳米孔,nanopores, mesoporous,C,60,固体,绝缘体,碱金属掺杂,金属导体,掺杂,C,60,为,超导体,Hebard,发现,T,c,18K,的,K,3,C,60,超导体；变掺杂，获,T,c,更高超导体,Cs,2,Rb C,60,为,33K,Rb,2.7,Tl,2.2,C,60,为,45K,掺杂,C,60,T,c,高仅次铜氧化物超导体,C,60,固体低温,铁磁性,1,纳米物理一些基本概念,2,纳米材料的基本单元,3,由纳米基本单元构筑的纳米材料,4,纳米材料研究

11、的三个阶段,2.1,团簇,clusters,2.2,纳米粒子,Nanoparticles,2.3,一维纳米材料,One dimentional (1D) nanomaterials,2.4,量子阱、量子线、量子点,2.5,纳米孔,nanopores, mesoporous,1992,瑞士联邦大学,D.Vgarte,高强度电子束对,C,棒长,t,照射，发现多层相套巴基球，结构像洋葱,巴基,葱,Buckyonlons,70,多层（图,5,C80,1,纳米物理一些基本概念,2,纳米材料的基本单元,3,由纳米基本单元构筑的纳米材料,4,纳米材料研究的三个阶段,2.1,团簇,clusters,2.2,纳

12、米粒子,Nanoparticles,2.3,一维纳米材料,One dimentional (1D) nanomaterials,2.4,量子阱、量子线、量子点,2.5,纳米孔,nanopores, mesoporous,1,纳米物理一些基本概念,2,纳米材料的基本单元,3,由纳米基本单元构筑的纳米材料,4,纳米材料研究的三个阶段,2.1,团簇,clusters,2.2,纳米粒子,Nanoparticles,2.3,一维纳米材料,One dimentional (1D) nanomaterials,2.4,量子阱、量子线、量子点,2.5,纳米孔,nanopores, mesoporous,埃克森

13、美孚,1,纳米物理一些基本概念,2,纳米材料的基本单元,3,由纳米基本单元构筑的纳米材料,4,纳米材料研究的三个阶段,2.1,团簇,clusters,2.2,纳米粒子,Nanoparticles,2.3,一维纳米材料,One dimentional (1D) nanomaterials,2.4,量子阱、量子线、量子点,2.5,纳米孔,nanopores, mesoporous,1,纳米物理一些基本概念,2,纳米材料的基本单元,3,由纳米基本单元构筑的纳米材料,4,纳米材料研究的三个阶段,2.1,团簇,clusters,2.2,纳米粒子,Nanoparticles,2.3,一维纳米材料,One

14、dimentional (1D) nanomaterials,2.4,量子阱、量子线、量子点,2.5,纳米孔,nanopores, mesoporous,2.1,团簇,clusters,2.2,纳米粒子,Nanoparticles,2.3,一维纳米材料,One dimentional (1D) nanomaterials,2.4,量子阱、量子线、量子点,2.5,纳米孔,nanopores, mesoporous,1,纳米物理一些基本概念,2,纳米材料的基本单元,3,由纳米基本单元构筑的纳米材料,4,纳米材料研究的三个阶段,1,纳米物理一些基本概念,2,纳米材料的基本单元,3,由纳米基本单元构筑

15、的纳米材料,4,纳米材料研究的三个阶段,2.1,团簇,clusters,2.2,纳米粒子,Nanoparticles,2.3,一维纳米材料,One dimentional (1D) nanomaterials,2.4,量子阱、量子线、量子点,2.5,纳米孔,nanopores, mesoporous,纳米晶,1,纳米物理一些基本概念,2,纳米材料的基本单元,3,由纳米基本单元构筑的纳米材料,4,纳米材料研究的三个阶段,2.1,团簇,clusters,2.2,纳米粒子,Nanoparticles,2.3,一维纳米材料,One dimentional (1D) nanomaterials,2.4,

16、量子阱、量子线、量子点,2.5,纳米孔,nanopores, mesoporous,1,纳米物理一些基本概念,2,纳米材料的基本单元,3,由纳米基本单元构筑的纳米材料,4,纳米材料研究的三个阶段,2.1,团簇,clusters,2.2,纳米粒子,Nanoparticles,2.3,一维纳米材料,One dimentional (1D) nanomaterials,2.4,量子阱、量子线、量子点,2.5,纳米孔,nanopores, mesoporous,2.1,团簇,clusters,2.2,纳米粒子,Nanoparticles,2.3,一维纳米材料,One dimentional (1D)

17、nanomaterials,2.4,量子阱、量子线、量子点,2.5,纳米孔,nanopores, mesoporous,1,纳米物理一些基本概念,2,纳米材料的基本单元,3,由纳米基本单元构筑的纳米材料,4,纳米材料研究的三个阶段,1,纳米物理一些基本概念,2,纳米材料的基本单元,3,由纳米基本单元构筑的纳米材料,4,纳米材料研究的三个阶段,2.1,团簇,clusters,2.2,纳米粒子,Nanoparticles,2.3,一维纳米材料,One dimentional (1D) nanomaterials,2.4,量子阱、量子线、量子点,2.5,纳米孔,nanopores, mesoporo

18、us,1,纳米物理一些基本概念,2,纳米材料的基本单元,3,由纳米基本单元构筑的纳米材料,4,纳米材料研究的三个阶段,2.1,团簇,clusters,2.2,纳米粒子,Nanoparticles,2.3,一维纳米材料,One dimentional (1D) nanomaterials,2.4,量子阱、量子线、量子点,2.5,纳米孔,nanopores, mesoporous,1,纳米物理一些基本概念,2,纳米材料的基本单元,3,由纳米基本单元构筑的纳米材料,4,纳米材料研究的三个阶段,2.1,团簇,clusters,2.2,纳米粒子,Nanoparticles,2.3,一维纳米材料,One

19、dimentional (1D) nanomaterials,2.4,量子阱、量子线、量子点,2.5,纳米孔,nanopores, mesoporous,1,纳米物理一些基本概念,2,纳米材料的基本单元,3,由纳米基本单元构筑的纳米材料,4,纳米材料研究的三个阶段,2.1,团簇,clusters,2.2,纳米粒子,Nanoparticles,2.3,一维纳米材料,One dimentional (1D) nanomaterials,2.4,量子阱、量子线、量子点,2.5,纳米孔,nanopores, mesoporous,1,纳米物理一些基本概念,2,纳米材料的基本单元,3,由纳米基本单元构筑

20、的纳米材料,4,纳米材料研究的三个阶段,2.1,团簇,clusters,2.2,纳米粒子,Nanoparticles,2.3,一维纳米材料,One dimentional (1D) nanomaterials,2.4,量子阱、量子线、量子点,2.5,纳米孔,nanopores, mesoporous,量子点,量子力学,quantum mechanics,出发,电子粒子与波动性，电子物质波特性取决费米,波长,Fermi wavelength,F,块材，电子,远,块材尺寸，量子限效应不显著,某维度尺寸,一,电子只在另两维度构成二,维空间自由运动,量子阱,quantum well,另维度,一,电子只

21、在一维方向运动,量子,线,quantum wire,三维度都,一波长,量子点,并非,100nm,材料是量子点,关键尺寸电子在材料内,F,决定,电子,F,在半导体内较在金属内长得多，半导体,GaAs(100,F,40nm,铝金属只,0.36nm,2.1,团簇,clusters,2.2,纳米粒子,Nanoparticles,2.3,一维纳米材料,One dimentional (1D) nanomaterials,2.4,量子阱、量子线、量子点,2.5,纳米孔,nanopores, mesoporous,1,纳米物理一些基本概念,2,纳米材料的基本单元,3,由纳米基本单元构筑的纳米材料,4,纳米材

22、料研究的三个阶段,1,纳米物理一些基本概念,2,纳米材料的基本单元,3,由纳米基本单元构筑的纳米材料,4,纳米材料研究的三个阶段,2.1,团簇,clusters,2.2,纳米粒子,Nanoparticles,2.3,一维纳米材料,One dimentional (1D) nanomaterials,2.4,量子阱、量子线、量子点,2.5,纳米孔,nanopores, mesoporous,1,纳米物理一些基本概念,2,纳米材料的基本单元,3,由纳米基本单元构筑的纳米材料,4,纳米材料研究的三个阶段,2.1,团簇,clusters,2.2,纳米粒子,Nanoparticles,2.3,一维纳米材

23、料,One dimentional (1D) nanomaterials,2.4,量子阱、量子线、量子点,2.5,纳米孔,nanopores, mesoporous,1,纳米物理一些基本概念,2,纳米材料的基本单元,3,由纳米基本单元构筑的纳米材料,4,纳米材料研究的三个阶段,2.1,团簇,clusters,2.2,纳米粒子,Nanoparticles,2.3,一维纳米材料,One dimentional (1D) nanomaterials,2.4,量子阱、量子线、量子点,2.5,纳米孔,nanopores, mesoporous,1,纳米物理一些基本概念,2,纳米材料的基本单元,3,由纳米

24、基本单元构筑的纳米材料,4,纳米材料研究的三个阶段,2.1,团簇,clusters,2.2,纳米粒子,Nanoparticles,2.3,一维纳米材料,One dimentional (1D) nanomaterials,2.4,量子阱、量子线、量子点,2.5,纳米孔,nanopores, mesoporous,人造原子,1,纳米物理一些基本概念,2,纳米材料的基本单元,3,由纳米基本单元构筑的纳米材料,4,纳米材料研究的三个阶段,2.1,团簇,clusters,2.2,纳米粒子,Nanoparticles,2.3,一维纳米材料,One dimentional (1D) nanomateria

25、ls,2.4,量子阱、量子线、量子点,2.5,纳米孔,nanopores, mesoporous,1,纳米物理一些基本概念,2,纳米材料的基本单元,3,由纳米基本单元构筑的纳米材料,4,纳米材料研究的三个阶段,2.1,团簇,clusters,2.2,纳米粒子,Nanoparticles,2.3,一维纳米材料,One dimentional (1D) nanomaterials,2.4,量子阱、量子线、量子点,2.5,纳米孔,nanopores, mesoporous,2.1,团簇,clusters,2.2,纳米粒子,Nanoparticles,2.3,一维纳米材料,One dimentiona

26、l (1D) nanomaterials,2.4,量子阱、量子线、量子点,2.5,纳米孔,nanopores, mesoporous,1,纳米物理一些基本概念,2,纳米材料的基本单元,3,由纳米基本单元构筑的纳米材料,4,纳米材料研究的三个阶段,纳米固体由纳米颗粒构成体相材料，含块体和薄膜,纳米颗粒为单元沿一维方向排成纳米丝，二维空间排形成纳米薄膜,三维空间堆积成纳米块体,分类,构成,nm,固体,nm,颗粒结构状态,nm,晶体材料,nm,非晶材料,nm,颗粒组成,nm,金属,nm,离子晶体,nm,半导体,nm,陶瓷材料,纳米颗粒相数,单相,nm,颗粒构成固体,nm,相材料,nanophase,

27、materials,每个,nm,颗粒由两相构成相应,nm,复相材料,nanomultiphase materials,3.1,纳米固体,3.2,纳米复合材料,3.3,纳米结构体系,1,纳米物理一些基本概念,2,纳米材料的基本单元,3,由纳米基本单元构筑的纳米材料,4,纳米材料研究的三个阶段,1,纳米物理一些基本概念,2,纳米材料的基本单元,3,由纳米基本单元构筑的纳米材料,4,纳米材料研究的三个阶段,3.1,纳米固体,3.2,纳米复合材料,3.3,纳米结构体系,3.1,纳米固体,3.2,纳米复合材料,3.3,纳米结构体系,1,纳米物理一些基本概念,2,纳米材料的基本单元,3,由纳米基本单元构筑

28、的纳米材料,4,纳米材料研究的三个阶段,1,纳米物理一些基本概念,2,纳米材料的基本单元,3,由纳米基本单元构筑的纳米材料,4,纳米材料研究的三个阶段,3.1,纳米固体,3.2,纳米复合材料,3.3,纳米结构体系,纳米结构,纳米组装材料体系或纳米尺度图案材料,nm,尺度物质单元为基础，一定规律构筑或营造新体系，一维、二,维和三维，纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶体系,单元,nm,颗粒，团簇、纳米管、纳米棒、纳米丝及纳米孔洞,研究特点,强调人们意愿设计、组装、创造新体系，有目的使该,体系有人们希望特性。美加利福尼亚大学洛伦兹伯克力国家实验,室自然论文：纳米尺度图案材料是现代材料化学和物理学前,沿课题。纳米结构组装体系为纳米材料研究前沿主导方向,1,纳米物理一些基本概念,2,纳米材料的基本单元,3,由纳米基本单元构筑的纳米材料,4,纳米材料研究的三个阶段,3.1,纳米固体,3.2,纳米复合材料,3.3,纳米结构体系,1,纳米物理一些基本