纳米尺度的电磁现象1

1、纳米尺度的电磁现象纳米尺度的电磁现象 自然自然杂志资深编缉菲尔杂志资深编缉菲尔- -斯祖罗米表示：斯祖罗米表示：“尽尽管真正意义的微型计算机还需几年时间才能制成，但管真正意义的微型计算机还需几年时间才能制成，但纳米技术在计算机领域的应用意味着今后人们的日常纳米技术在计算机领域的应用意味着今后人们的日常生活将发生巨大的变化，装有纳米计算机芯片的电灯生活将发生巨大的变化，装有纳米计算机芯片的电灯可以完全实现智能化，根据居室的自然照明情况自动可以完全实现智能化，根据居室的自然照明情况自动调节亮度，调节亮度，。”在研制纳米计算机方面做出很大贡献的研究人员在研制纳米计算机方面做出很大贡献的研究人员包括美

2、国哈佛大学的包括美国哈佛大学的Yu HuangYu Huang及其同事，他们研制的及其同事，他们研制的微型电线是普通电线的千分之一，可以轻松地安装到微型电线是普通电线的千分之一，可以轻松地安装到硅芯片上硅芯片上. . 纳米技术领域获得多项重大成果纳米技术领域获得多项重大成果 继在继在2000年开发出一批纳米级装置后，年开发出一批纳米级装置后，科学家今年再进一步将这些纳米装置连接成科学家今年再进一步将这些纳米装置连接成为可以工作的电路，这包括纳米导线、以纳为可以工作的电路，这包括纳米导线、以纳米碳管和纳米导线为基础的逻辑电路、以及米碳管和纳米导线为基础的逻辑电路、以及只使用一个分子晶体管的可计算

3、电路。分子只使用一个分子晶体管的可计算电路。分子水平计算技术的飞跃水平计算技术的飞跃 有可能为未来诞生极有可能为未来诞生极微小但极快速的分子计算机铺平道路。微小但极快速的分子计算机铺平道路。纳米材料纳米材料纳米尺度的电现象纳米尺度的电现象纳米尺度的磁现象纳米尺度的磁现象纳米材料纳米材料发展历史发展历史纳米结构单元纳米结构单元纳米材料的基本特性纳米材料的基本特性 诺贝尔奖获得者诺贝尔奖获得者Feynman在六在六十年代曾经预言：如果我们对物体十年代曾经预言：如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的微小规模上的排列加以某种控制的话，我们就能使物体得到大量的异话，我们就能使物体得到大量的异乎寻常

4、的特性，就会看到材料的性乎寻常的特性，就会看到材料的性能产生丰富的变化。能产生丰富的变化。 1984年德国萨尔兰大学的年德国萨尔兰大学的Gleiter以及美国阿贡实验室的以及美国阿贡实验室的Siegel相继成功地制得了纯物质的纳米细相继成功地制得了纯物质的纳米细粉。粉。Gleiter在高真空的条件下将粒在高真空的条件下将粒径为径为6nm的的Fe粒子原位加压成形，粒子原位加压成形，烧结得到纳米微晶块体，从而使纳烧结得到纳米微晶块体，从而使纳米材料进入了一个新的阶段。米材料进入了一个新的阶段。 1985年，英国年，英国Kroto等采用激光加等采用激光加热石墨蒸发并在甲苯中形成碳的团簇，热石墨蒸发并

5、在甲苯中形成碳的团簇，质谱分析发现质谱分析发现C60和和C70的新的谱线的新的谱线. C60具有高稳定性的新奇结构，它是具有高稳定性的新奇结构，它是由由32面体构成，其中有面体构成，其中有20个六边形和个六边形和12个五边形所构成个五边形所构成 纯纯C60固体是绝缘体，用碱金属掺杂固体是绝缘体，用碱金属掺杂之后就成为具有金属性的导体，适当的之后就成为具有金属性的导体，适当的掺杂成分可以使掺杂成分可以使C60固体成为超导体。固体成为超导体。从此，对从此，对 C60的研究热潮应运而来。的研究热潮应运而来。 1990年年7月在美国召开的第一届国际纳月在美国召开的第一届国际纳米科学技术会议，正式宣布纳

6、米材料科米科学技术会议，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。学为材料科学的一个新分支。 会上正式提出纳米材料学、纳米生物学会上正式提出纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学和纳米机械学的概念，并、纳米电子学和纳米机械学的概念，并决定出版决定出版纳米结构材料纳米结构材料、纳米生纳米生物学物学和和纳米技术纳米技术的正式学术刊物的正式学术刊物。 1994年在美国波士顿召开的年在美国波士顿召开的MRS秋季会议上正式提出纳米材秋季会议上正式提出纳米材料工程料工程 纳米材料研究的基础上通过纳米纳米材料研究的基础上通过纳米合成、纳米添加发展新型的纳米材料合成、纳米添加发展新型的纳米材料. 现在，人们关注

7、纳米尺度颗粒、现在，人们关注纳米尺度颗粒、原子团簇、纳米丝、纳米棒、纳米原子团簇、纳米丝、纳米棒、纳米管、纳米电缆和纳米组装体系。管、纳米电缆和纳米组装体系。 纳米组装体系是以纳米颗粒、纳纳米组装体系是以纳米颗粒、纳米丝或纳米管为基本单元在一维、米丝或纳米管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系，如人造超原子体系、米结构的体系，如人造超原子体系、介孔组装体系、有序阵列等。介孔组装体系、有序阵列等。C纳米管纳米管和和C60球球H2原子和C纳米管多层C纳米管C纳米索线纳米索线纳米多层管纳米多层管C脚手架脚手架C60晶体管晶体管纳米变阻箱纳米变阻箱

8、 第一阶段（第一阶段（19901990年以前）年以前） 主要是在实验室探索用各种手段制备各主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体（包括种材料的纳米颗粒粉体，合成块体（包括薄膜），研究评估表征的方法，探索纳米薄膜），研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能。对纳米材料不同于常规材料的特殊性能。对纳米颗粒和纳米块体材料结构的研究在颗粒和纳米块体材料结构的研究在80年代年代末期一度形成热潮。研究的对象一般局限末期一度形成热潮。研究的对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这在单一材料和单相材料，国际上通常把这类纳米材料称纳米晶或纳米相材料。类纳米材料称

9、纳米晶或纳米相材料。 第二阶段（第二阶段（19941994年前）年前） 人们关注的热点是如何利用纳米材料人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料，通常采用纳米微粒与设计纳米复合材料，通常采用纳米微粒与纳米微粒复合，纳米微粒与常规块体复合纳米微粒复合，纳米微粒与常规块体复合及发展复合材料的合成及物性的探索一度及发展复合材料的合成及物性的探索一度成为纳米材料研究的主导方向。成为纳米材料研究的主导方向。 第三阶段（从第三阶段（从19941994年到现在）年到现在） 纳米组装体系、人工组装合成的纳米纳米组装体系、人工组

10、装合成的纳米结构的材料体系越来越受到人们的关注，结构的材料体系越来越受到人们的关注，正在成为纳米材料研究的新的热点。正在成为纳米材料研究的新的热点。 构成纳米结构块体、薄膜、多层膜以及纳构成纳米结构块体、薄膜、多层膜以及纳米结构的基本单元有下述几种米结构的基本单元有下述几种： 团簇团簇 原子团簇是一类新发现的化学物种，是在原子团簇是一类新发现的化学物种，是在20世纪世纪80年代才出现的，原子团簇是指几个至几年代才出现的，原子团簇是指几个至几百个原子的聚集体（粒径小于或等于百个原子的聚集体（粒径小于或等于 1nm），），如如Fen，CunSm，CnHm和碳簇（和碳簇（C60, C70和富勒烯和富

11、勒烯等）等。等）等。 绝大多数原子团簇的结构不清楚，但已知有绝大多数原子团簇的结构不清楚，但已知有线状、层状、管状、洋葱状、骨架状、球状等线状、层状、管状、洋葱状、骨架状、球状等等等MgH2 块体块体鲱骨状鲱骨状轨道状轨道状层状层状Cu分形状分形状多孔状多孔状Au-足球状足球状洋葱状洋葱状 纳米微粒 纳米微粒是指颗粒尺寸为纳米量级的超细微粒，它的尺度大于原子簇，小于通常的微粉通常，把仅包含几个到数百个原子或尺度小于1nm的粒子称为“簇”，它是介于单个原子与固态之间的原子集合体。纳米微粒一般在 1100nm之间，有人称它为超微粒子。纳米微粒是肉眼和一般显微镜看不见的微小粒子。 日本名古屋大学上田

12、良二给纳米微粒下了一个定义：用电子显微镜（用电子显微镜（TIM）能看到的微粒称为纳米微粒。能看到的微粒称为纳米微粒。 145个原子组成的1.9 nm 的半导体纳米颗粒 人造原子 人造原子（artificial atoms）有时称为量子点，所谓人造原子是由一定数量的实际原子组成的聚集体，它们的尺寸小于100nm。 从维数来看，包括准零维的量子点、准一维的量子棒和准二维的量子圆盘，甚至把100nm左右的量子器件也看成人造原子。 人造原子与真正原子的差别人造原子与真正原子的差别： 人造原子含有一定数量的真正原子；人造原子含有一定数量的真正原子； 人造原子的形状和对称性是多种多样，真正的原人造原子的形

13、状和对称性是多种多样，真正的原子可以用简单的球形和立方形来描述，而人造原子可以用简单的球形和立方形来描述，而人造原子不局限于这些简单的形状，除了高对称性的量子不局限于这些简单的形状，除了高对称性的量子点外，尺寸小于子点外，尺寸小于100nm的低对称性复杂形状的的低对称性复杂形状的微小体系都可以称为人造原子；微小体系都可以称为人造原子； 人造原子电子间强交互作用比实际原子复杂得多；人造原子电子间强交互作用比实际原子复杂得多； 实际原子中电子受原子核吸引作轨道运动，而人实际原子中电子受原子核吸引作轨道运动，而人造原子中电子是处于抛物线形的势阱中。造原子中电子是处于抛物线形的势阱中。 纳米管、纳米棒

14、、纳米丝和同轴纳米电缆纳米管、纳米棒、纳米丝和同轴纳米电缆 早在早在 1970年法国的奥林大学（年法国的奥林大学（University of Orleans）的）的 Endo首次用气相生长技术制成了直径首次用气相生长技术制成了直径为为7nm的碳纤维，遗憾的是，他没有对这些碳纤维的碳纤维，遗憾的是，他没有对这些碳纤维的结构进行细致地评估和表征。的结构进行细致地评估和表征。 1991年，美国海军实验室一个研究组提交一篇年，美国海军实验室一个研究组提交一篇理论性文章，预计了一种碳纳米管的电子结构，但理论性文章，预计了一种碳纳米管的电子结构，但当时认为近期内不可能合成碳纳米管。当时认为近期内不可能合成

15、碳纳米管。 同年同月日本同年同月日本NEC公司饭岛等发现纳米碳管，公司饭岛等发现纳米碳管，立刻引起了许多科技领域的科学家们极大关注。立刻引起了许多科技领域的科学家们极大关注。 1996年，美国著名的诺贝尔奖金获得者斯莫利年，美国著名的诺贝尔奖金获得者斯莫利（Smalley）等合成了成行排列的单壁碳纳米管束，）等合成了成行排列的单壁碳纳米管束，每一束中含有许多碳纳米管，这些碳纳米管的直径每一束中含有许多碳纳米管，这些碳纳米管的直径分布很窄分布很窄1991年日本年日本NEC公司公司饭岛等发现纳米碳管，饭岛等发现纳米碳管，立刻引起了许多科技立刻引起了许多科技领域的科学家们极大领域的科学家们极大关注关

16、注 Nature (1991) 碳纳米管是由多个碳纳米管是由多个碳原子六方点阵的同轴碳原子六方点阵的同轴圆柱面套构而成的空心圆柱面套构而成的空心小管，其中石墨层可以小管，其中石墨层可以因卷曲方式不同而具有因卷曲方式不同而具有手性。碳纳米管的直径手性。碳纳米管的直径一般为几纳米至几十纳一般为几纳米至几十纳米，长度为几至几十微米，长度为几至几十微米。米。 碳纳米管可以因直径碳纳米管可以因直径或手性的不同而呈现很或手性的不同而呈现很好的金属导电性或半导好的金属导电性或半导体性。体性。 具有极好的可弯折性具有极好的可弯折性具有极好的可扭曲性具有极好的可扭曲性碳纳米管可以制作成两维数据存储系统碳纳米管可

17、以制作成两维数据存储系统 (1015 bytes/cm2 compared to the current state of the 108 bytes/cm2) .l。 碳纳米管的强度比钢高100多倍，杨氏模量估计可高达5 TPa， 这是目前可制备出的具有最高比强度的材料，而比重却只有钢的1/6；同时碳纳米管还具有极高的韧性，十分柔软。它被认为是未来的 “超级纤维”，是复合材料中极好的加强材料。Another long single carbon nanotube (multiwalled carbon nanotube) attached to 4 gold contacts from ab

18、ove. This time, the inner two contacts are spaced by more than 1 micrometer. 纳米棒、纳米丝和纳米线纳米棒、纳米丝和纳米线 准一维实心的纳米材料是指在两维方向上为纳米尺度，长度比上述两维方向上的尺度大得多，甚至为宏观量的新型纳米材料 纵横比（长度与直径的比率）小的称为纳米棒，纵横比大的称作纳米丝至今，关于纳米棒与纳米丝之间并没有一个统一的标准，通常把长度小于 1mm的纳米丝称为纳米棒，长度大于 1mm的称为纳米丝线半导体和金属纳米线通常称为量子线纳米棒纳米棒氮化硅纳米丝SANDWICHMicroscopy method

19、s reveal abrupt interfaces in an InAs/InP (green and orange, respectively) nanowire Au nanocontacts The pictures show two different examples of final configurations just before rupture of the contact.人工组装合成的纳米结构的体系人工组装合成的纳米结构的体系纳米齿轮纳米齿轮T形和形和Y形结形结宏观量子隧道效应小尺寸效应小尺寸效应表面效应表面效应l 电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效电子具有粒

20、子性又具有波动性，因此存在隧道效应。近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗应。近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显磁通量等亦显示出隧道效应示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。，称之为宏观的量子隧道效应。l量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础，或者它确立了现存微电子、光电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。一步微型化时必须要考虑上述的

21、量子效应。l例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在大概在025微米。目前研制的量子共振隧穿晶体微米。目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件。管就是利用量子效应制成的新一代器件。l介于原子、分子与大块固体之间的纳米颗粒，大介于原子、分子与大块固体之间的纳米颗粒，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级；能级块材料中连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗

22、粒尺寸减小而增大。当热能、电场间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应。为量子尺寸效应。 l 例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数缘体，磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波有关，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现。长方向的移动，这就是量子尺寸效应的

23、宏观表现。因此，对超微颗粒在低温条件下必须考虑量子效因此，对超微颗粒在低温条件下必须考虑量子效应，原有宏观规律已不再成立。应，原有宏观规律已不再成立。 随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。质的变化称为小尺寸效应。 特殊的光学性质特殊的光学性质 当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈

24、现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于于l，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。用于红外敏感元件、红外隐身技术等

25、。 特殊的热学性质特殊的热学性质 固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。纳米量级时尤为显著。 例如，金的常规熔点为例如，金的常规熔点为1064，当颗粒尺寸减小，当颗粒尺寸减小到到10纳米尺寸时，则降低纳米尺寸时，则降低27，2纳米尺寸时的熔点纳米尺寸时的熔点仅为仅为327左右；银的常规熔点为左右；银的常规熔点为670，而超微银颗，而超微银颗粒的熔点可低于粒的熔点可低于100。 因此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧因此，超细银粉制

26、成的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超细银粉浆料，可使膜厚均匀，覆至可用塑料。采用超细银粉浆料，可使膜厚均匀，覆盖面积大，既省料又具高质量。超微颗粒熔点下降的盖面积大，既省料又具高质量。超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力。例如，在钨性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力。例如，在钨颗粒中附加颗粒中附加0.10.5重量比的超微镍颗粒后，可重量比的超微镍颗粒后，可使烧结温度从使烧结温度从3000降低到降低到12001300，以致可在，以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。较低的

27、温度下烧制成大功率半导体管的基片。l 特殊的磁学性质特殊的磁学性质 l 人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。磁性超下能辨别方向，具有回归的本领。磁性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘，生活在微颗粒实质上是一个生物磁罗盘，生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。通过电子显微镜的研究表明，在趋磁底。通过电子显微镜的研究表明，在趋磁细菌体内通常含有直径约为细菌

28、体内通常含有直径约为 210-2微米的微米的磁性氧化物颗粒。磁性氧化物颗粒。 小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，大块的纯铁矫顽力约为大块的纯铁矫顽力约为 80安米，而当颗粒尺寸安米，而当颗粒尺寸减小到减小到 210-2微米以下时，其矫顽力可增加微米以下时，其矫顽力可增加1千千倍，若进一步减小其尺寸，大约小于倍，若进一步减小其尺寸，大约小于 610-3微米微米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已作成利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已作成高贮存密度的磁记录磁粉

29、，大量应用于磁带、磁高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性，人们盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性，人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。l 特殊的力学性质特殊的力学性质 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，

30、因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性，使移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。美国学者报道氟陶瓷材料具有新奇的力学性质。美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬35倍。至于倍。至于金属一陶瓷等复合纳米材料则可在更大的范围内金属一陶瓷等复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性

31、质，其应用前景十分宽广。改变材料的力学性质，其应用前景十分宽广。 超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。电性能、声学特性以及化学性能等方面。 球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积体积）与直径成反比。随着颗粒直（表面积体积）与直径成反比。随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。对直径大于子所占的百分数将会显著地增加。对直径

32、大于 0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计，当尺寸小微米的颗粒表面效应可忽略不计，当尺寸小于于 0.1微米时，其表面原子百分数激剧增长，甚微米时，其表面原子百分数激剧增长，甚至至1克超微颗粒表面积的总和可高达克超微颗粒表面积的总和可高达100米米2，这，这时的表面效应将不容忽略。时的表面效应将不容忽略。 超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的，若用高倍率电子显微镜对金超微颗不同的，若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒进行电视摄像，实时观察发现这些颗粒没粒进行电视摄像，实时观察发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成有固定的形态，随着时间的变化会自动

33、形成各种形状（如立方八面体，十面体，二十面各种形状（如立方八面体，十面体，二十面体多晶等），它既不同于一般固体，又不同体多晶等），它既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。在电子显微镜的电于液体，是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾沸腾”状态，尺寸大于状态，尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性，这时微颗粒具有稳定的结结构的不稳定性，这时微颗粒具有稳定的结构状态。构状态。 超微颗粒的表面具有很高的活性，超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧

34、。如要防止自燃，可采用表面包覆或有意如要防止自燃，可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成识地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层，确保表面稳一层极薄而致密的氧化层，确保表面稳定化。利用表面活性，金属超微颗粒可定化。利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。以及低熔点材料。基本电特性基本电特性库仑堵塞库仑堵塞量子点量子点纳米电子学纳米电子学纳米晶体管纳米晶体管信息产业信息产业单电子单电子 器件器件磁电子磁电子 器件器件过滤器过滤器截止器截止器谐振器谐振器微电容微电容微电极微电极自旋电自旋电子器件

35、子器件共振隧共振隧穿器件穿器件光电子光电子 器件器件巨磁电巨磁电阻器件阻器件量子点和分量子点和分子电子器件子电子器件纳米结构器纳米结构器件纳米加工件纳米加工 纳米技术纳米技术新工业革命的主导技术新工业革命的主导技术高集成、高空间分辨率，存储密度：高集成、高空间分辨率，存储密度：1000GB 计算速度提高计算速度提高1001000倍、功率增加倍、功率增加1000倍倍，能耗降低一百万倍，芯片尺寸降低，能耗降低一百万倍，芯片尺寸降低1001000倍倍电导电导介电特性介电特性压电效应压电效应电导是常规金属和合金材料一个重要的性电导是常规金属和合金材料一个重要的性质纳米材料的出现，人们对电导（电阻）的研

36、究质纳米材料的出现，人们对电导（电阻）的研究又进入了一个新的层次由于纳米构中庞大体积百又进入了一个新的层次由于纳米构中庞大体积百分数的界面使平移周期在一定范围内遭到严重的破分数的界面使平移周期在一定范围内遭到严重的破坏颗粒尺寸愈小，电子平均自由程愈短，这种材坏颗粒尺寸愈小，电子平均自由程愈短，这种材料偏移理想周期场就愈严重，这就带来了一系列的料偏移理想周期场就愈严重，这就带来了一系列的问题：问题：（i）纳米金属和合金与常规材料金属与合金电）纳米金属和合金与常规材料金属与合金电 导（电阻）行为是否相同导（电阻）行为是否相同?（ii）纳米材料电导（电阻）与温度的关系有什）纳米材料电导（电阻）与温度

37、的关系有什 么差别么差别?（iii）电子在纳米结构体系中的运动和散射有什）电子在纳米结构体系中的运动和散射有什 么新的特点么新的特点?Gleiter等对纳米金属等对纳米金属Cu，Pd，Fe块体的电块体的电阻与温度关系，电阻温度系数与颗粒尺寸的关阻与温度关系，电阻温度系数与颗粒尺寸的关系进行了系统的研究表明：随颗粒尺寸减小，系进行了系统的研究表明：随颗粒尺寸减小，电阻温度系数下降，与常规粗晶基本相似其电阻温度系数下降，与常规粗晶基本相似其差别在于纳米材料的电阻高于常规材料，电阻差别在于纳米材料的电阻高于常规材料，电阻温度系数强烈依赖于晶粒尺寸当颗粒小于某温度系数强烈依赖于晶粒尺寸当颗粒小于某一临

38、界尺寸（电子平均自由程）时，电阻温度一临界尺寸（电子平均自由程）时，电阻温度系数可能由正变负。系数可能由正变负。例如，纳米银细粒径和构成粒子的晶粒直径分别减小至等于或小于18nm和11nm时， 室温以下的电阻随温度上升呈线性下降，即电阻温度系数a由正变负。 介电特性是材料的基本物性介电特性是材料的基本物性, 电介质材料中电介质材料中介电常数和介电耗损是最重要的物理特性介电常数和介电耗损是最重要的物理特性. 常规材料的极化都与结构的有序相联系，而常规材料的极化都与结构的有序相联系，而纳米材料在结构上与常规粗晶材料存在很大的差纳米材料在结构上与常规粗晶材料存在很大的差别它的介电行为（介电常数、介电

39、损耗）有自别它的介电行为（介电常数、介电损耗）有自己的特点。主要表现在介电常数和介电损耗与颗己的特点。主要表现在介电常数和介电损耗与颗粒尺寸有很强的依赖关系。电场频率对介电行为粒尺寸有很强的依赖关系。电场频率对介电行为有极强的影响。有极强的影响。 目前，对于不同粒径的纳米非晶氨化硅、纳目前，对于不同粒径的纳米非晶氨化硅、纳米米 a aA12O3、纳米、纳米TiO2锐钛矿、金红石和纳米锐钛矿、金红石和纳米 Si块材的介电行为的研究已获得了一些结果，归块材的介电行为的研究已获得了一些结果，归纳起来有以下几点：纳起来有以下几点： （1）纳米材料的介电常数）纳米材料的介电常数e e或相对介电常数或相对

40、介电常数e er随测量频率减小呈明显的上升趋势。随测量频率减小呈明显的上升趋势。 （3）纳米）纳米a aA12O3块体的介电损耗频率谱上出现块体的介电损耗频率谱上出现一个损耗峰损耗峰的峰位随粒径增大移向高频。一个损耗峰损耗峰的峰位随粒径增大移向高频。7nm27nm84nm258nm 某些晶体受到机械作用（应力或应变）在其某些晶体受到机械作用（应力或应变）在其两端出现符号相反束缚电荷的现象称压电效应。两端出现符号相反束缚电荷的现象称压电效应。具有压电效应的物体称为压电体。具有压电效应的物体称为压电体。 早在早在1894年，年，Voigt就指出，在就指出，在 32种点群的种点群的晶体中，仅有晶体中

41、，仅有 20种非中心对称点群的晶体才可种非中心对称点群的晶体才可能具有压电效应，但至今压电性的微观理论研能具有压电效应，但至今压电性的微观理论研究方面还存在许多问题，无法与实验结果一致，究方面还存在许多问题，无法与实验结果一致， 但压电效应实质上是由晶体介质极化引起。但压电效应实质上是由晶体介质极化引起。 我国科技工作在我国科技工作在 LICVD纳米非晶氨化硅块纳米非晶氨化硅块体上观察到强的压电效应，并指出制备块状试体上观察到强的压电效应，并指出制备块状试样条件对压电常数的影响相大。压强为样条件对压电常数的影响相大。压强为60MPa的纳米非晶氮化硅试样具有最高的压电的纳米非晶氮化硅试样具有最高

42、的压电常数。常数。 库仑堵塞效应是库仑堵塞效应是20世纪世纪80年代介观领域所发年代介观领域所发现的极其重要的物理现象之一当体系的尺度进现的极其重要的物理现象之一当体系的尺度进入到纳米级，体系是电荷入到纳米级，体系是电荷“量子化量子化”的，即充电的，即充电和放电过程是不连续的，充入一个电子所需的能和放电过程是不连续的，充入一个电子所需的能量量Ec 为为e2/2C，体系越小，体系越小，C越小，能量越大。这越小，能量越大。这个能量称为库仑堵塞能。个能量称为库仑堵塞能。 换句话说，库仑堵塞能是前一个电子对后一换句话说，库仑堵塞能是前一个电子对后一个电子的库仑排斥能，这就导致了对一个小体系个电子的库仑

43、排斥能，这就导致了对一个小体系的充放电过程，电子不能集体传输，而是一个一的充放电过程，电子不能集体传输，而是一个一个单电子的传输通常把小体系这种单电子输运个单电子的传输通常把小体系这种单电子输运行为称库仑堵塞效应。行为称库仑堵塞效应。 当电极电压低于阈值时当电极电压低于阈值时,电子传输过程不能发生电子传输过程不能发生,当电压大于该值时当电压大于该值时,充电充电过程可以发生过程可以发生. 库仑阻塞的震荡特征库仑阻塞的震荡特征, 可应用于开关电路可应用于开关电路 如果两个量子点通过一个如果两个量子点通过一个“结结”连接起来，连接起来，一个量子点上的单个电子穿过能垒到到另一个量一个量子点上的单个电子

44、穿过能垒到到另一个量子点上的行为称作量子隧穿为了使单电子从一子点上的行为称作量子隧穿为了使单电子从一个量子点隧穿到另一个量子点，在一个量子点上个量子点隧穿到另一个量子点，在一个量子点上所加的电压必须克服所加的电压必须克服 Ec，即，即V eC、通常，、通常，库仑堵塞和量子隧穿都是在极低温度情况下观察库仑堵塞和量子隧穿都是在极低温度情况下观察到的，观察到的条件是（到的，观察到的条件是（ e2/2C） kBT。 有人已作了估计，如果量子点的尺寸为有人已作了估计，如果量子点的尺寸为1nm左右，我们可以在室温下观察到上述效应当量左右，我们可以在室温下观察到上述效应当量子点尺寸在十几纳米范围，观察上述效

45、应必须在子点尺寸在十几纳米范围，观察上述效应必须在液氮温度下原因很容易理解，体系的尺寸越小，液氮温度下原因很容易理解，体系的尺寸越小，电容电容 C越小，越小， e2/2C就越大，这就允许我们在较就越大，这就允许我们在较高温度下进行观察利用库仑堵塞和量子隧穿效高温度下进行观察利用库仑堵塞和量子隧穿效应可以设计下一代的纳米结构器件，如单电子晶应可以设计下一代的纳米结构器件，如单电子晶体管和量子开关等。体管和量子开关等。 l l l 研究者使用有机分子和一种化学自组装流程显著研究者使用有机分子和一种化学自组装流程显著缩小了晶体管的体积，研制出了直径仅为缩小了晶体管的体积，研制出了直径仅为1到到2纳米

46、纳米的晶体管。的晶体管。利用这种技术，未来的计算机芯片还可以大幅利用这种技术，未来的计算机芯片还可以大幅缩小，否则的话由于芯片体积越来越小，上面可以缩小，否则的话由于芯片体积越来越小，上面可以安装的晶体管数量将极其有限，从而阻碍芯片行业安装的晶体管数量将极其有限，从而阻碍芯片行业在未来在未来10到到15年的发展。年的发展。芯片上能够安装的晶体管数量越多，芯片传输芯片上能够安装的晶体管数量越多，芯片传输信息的速度就会越快，因此纳米晶体管的问世将对信息的速度就会越快，因此纳米晶体管的问世将对芯片产业起到革命性的意义。这些科学家在研究中芯片产业起到革命性的意义。这些科学家在研究中使用了名为使用了名为

47、“硫醇硫醇”的有机分子，他们表示这种分的有机分子，他们表示这种分子在电流的控制和增容方面具有突出的效力。而且，子在电流的控制和增容方面具有突出的效力。而且，这些分子还可以自行组装，从而将各个导电器件连这些分子还可以自行组装，从而将各个导电器件连为一体。为一体。 Nano-transistor （纳米晶体管）（纳米晶体管）纳米碳管晶体管纳米碳管晶体管 只需一个电子就可实现开关状态只需一个电子就可实现开关状态 2001年7月6日出版的美国科学周刊报道，荷兰研究人员制造出的这种晶体管是首个能在室温下有效工作的单电子纳米碳管晶体管。他们使用一个单独的纳米碳管为原材料，利用原子作用力显微镜的尖端在碳管里

48、制造带扣状的锐利弯曲，这些带扣的作用如同屏障，它只允许单独的电子在一定电压下通过。 用此方法制造的纳米碳管单电子晶体管只有1纳米宽、20纳米长，整体不足人的头发丝直径的500分之一。 对于致力于开发出更小的电脑芯片的研究员来说，单电子晶体管概念越来越有吸引力。因为这种特殊的单电子晶体管只需要一个电子来实现“开”和“关”状态，即计算机中的“0”和“1”，相比之下，普通微电子学中的晶体管使用数百万个电子来实现开、关状态。正因以上优点，单电子晶体管将成为未来分子计算机的理想材料。Nanotube field-effect transistorTransistors are the basic bui

49、lding blocks of integrated circuits. To use nanotubes in future circuits it is essential to be able to make transistors from them. We have successfully fabricated and tested nanotube transistors using individual multi-wall or single-wall nanotubes as the channel of a field-effect transistor .纳米材料的基本

50、磁特性纳米材料的基本磁特性纳米多层中的巨磁电阻效应纳米多层中的巨磁电阻效应纳米磁性材料纳米磁性材料超顺磁性超顺磁性高矫顽力高矫顽力低居里温度低居里温度高磁化率高磁化率 纳米微粒的小尺寸效应、量子尺寸效应、表纳米微粒的小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应等使得它具有常规粗晶粒材料所不具备的面效应等使得它具有常规粗晶粒材料所不具备的磁特性磁特性 超顺磁性超顺磁性: 纳米微粒尺寸小到一定临界值时纳米微粒尺寸小到一定临界值时进入超顺磁状态，例如进入超顺磁状态，例如 a aFe，Fe3O4和等粒径分和等粒径分别为别为 5nm，16nm时变成顺磁体这时磁化率时变成顺磁体这时磁化率c c不不再服从居里一外斯定

51、律再服从居里一外斯定律 c c=C(T-Tc) 例如粒径为例如粒径为85nm的纳米的纳米Ni微粒，微粒， c c服从居里一服从居里一外斯定律，而粒径小于外斯定律，而粒径小于15nm的的Ni微粒，矫顽力微粒，矫顽力Hc0，这说明它们进入了超顺磁状态。，这说明它们进入了超顺磁状态。在小尺寸下，当各向异性能减少到在小尺寸下，当各向异性能减少到与热运动能可相比拟时，磁化方向就不与热运动能可相比拟时，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向，易磁化方向再固定在一个易磁化方向，易磁化方向作无规律的变化，结果导致顺磁性的出作无规律的变化，结果导致顺磁性的出现，不同种类的纳米磁性微粒显现超顺现，不同种类的纳米磁性微

52、粒显现超顺磁性的临界尺寸是不同的。磁性的临界尺寸是不同的。超顺磁状态的起源 矫顽力纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸矫顽力纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常呈现高的桥顽力时通常呈现高的桥顽力C例如，用惰性气体蒸发冷凝方法制备的例如，用惰性气体蒸发冷凝方法制备的Fe纳米微粒。随着颗粒变小饱和磁化强度纳米微粒。随着颗粒变小饱和磁化强度有有所下降，但矫顽力却显著地增加，在所下降，但矫顽力却显著地增加，在.5K时时达达1.27105A/m。室温下，。室温下，Fe的矫顽力仍保持的矫顽力仍保持104A/m, 而常规的而常规的Fe块的矫顽力为块的矫顽力为80A/m。有两种解释：一致转动模式和球链反转磁化模有两

53、种解释：一致转动模式和球链反转磁化模式式v一致转动磁化模式基本内容是：当粒子尺寸小一致转动磁化模式基本内容是：当粒子尺寸小到某一尺寸时，每个粒子就是一个单磁畴，例如到某一尺寸时，每个粒子就是一个单磁畴，例如对于对于Fe和和Fe3O4单磁畴的临界尺寸分别为单磁畴的临界尺寸分别为 12nm和和 40nm。每个单磁畴的纳米微粒实际上成为一个。每个单磁畴的纳米微粒实际上成为一个永久磁铁，要使这个磁铁去掉磁性，必须使每个永久磁铁，要使这个磁铁去掉磁性，必须使每个粒子整体的磁矩反转，这需要很大的反向磁场，粒子整体的磁矩反转，这需要很大的反向磁场，即具有较高的矫顽力许多实验表明，纳米微粒即具有较高的矫顽力许

54、多实验表明，纳米微粒的的Hc测量值与一致转动的理论值不相符合测量值与一致转动的理论值不相符合v也有人认为，纳米颗粒的高矫顽力来源应用球链也有人认为，纳米颗粒的高矫顽力来源应用球链球链反转磁化模式来解释，即由于静磁作用球形球链反转磁化模式来解释，即由于静磁作用球形纳米纳米Ni微粒形成链状，计算结果与实验值可比拟，微粒形成链状，计算结果与实验值可比拟，略大于实验值，修正后，可定性解析高娇顽力。略大于实验值，修正后，可定性解析高娇顽力。居里温度是物质磁性的重要参数，通常与交居里温度是物质磁性的重要参数，通常与交换积分换积分Jc成正比，并与原子构型和间距有关。对成正比，并与原子构型和间距有关。对于薄膜

55、，理论与实验研究表明，随着铁磁薄膜厚于薄膜，理论与实验研究表明，随着铁磁薄膜厚度的减小，居里温度下降。对于纳米微粒，由于度的减小，居里温度下降。对于纳米微粒，由于小尺寸效应和表面效应而导致纳米粒子的本征和小尺寸效应和表面效应而导致纳米粒子的本征和 内禀的磁性变化，因此具有较低的居里温度。内禀的磁性变化，因此具有较低的居里温度。例如例如 85nm粒径的粒径的 Ni 微粒，由于磁化率在居微粒，由于磁化率在居里温度呈现明显的峰值，因此通过测量低磁场下里温度呈现明显的峰值，因此通过测量低磁场下磁化率与温度关系可得到居里温度略低于常规块磁化率与温度关系可得到居里温度略低于常规块体体Ni的居里温度。的居里

56、温度。超顺磁性颗粒的居里温度，随粒径的下降有超顺磁性颗粒的居里温度，随粒径的下降有所下降。所下降。纳米微粒的磁性与它所含的总电子数的奇偶纳米微粒的磁性与它所含的总电子数的奇偶性密切相关，每个微粒的电子可以看成一个体系，性密切相关，每个微粒的电子可以看成一个体系，电子数的宇称可为奇或偶。一价金属的微粉，一电子数的宇称可为奇或偶。一价金属的微粉，一半粒子的宇称为奇，另一半为偶，两价金属的粒半粒子的宇称为奇，另一半为偶，两价金属的粒子的宇称为偶，电子数为奇或偶数的粒子磁性有子的宇称为偶，电子数为奇或偶数的粒子磁性有不同温度特点。不同温度特点。电子数为奇数的粒子集合体的磁化率服从居电子数为奇数的粒子集

57、合体的磁化率服从居里一外斯定律，里一外斯定律，c c=C/(T-Tc), 量子尺寸效应使磁化量子尺寸效应使磁化率遵从率遵从-3规律规律;电子数为偶数的系统电子数为偶数的系统, c ckBT, 并遵从并遵从规律。规律。纳米磁性金属的工值是常规金属的纳米磁性金属的工值是常规金属的20倍。倍。 1986年德国科学家年德国科学家Grunberg小组有一重要的发小组有一重要的发现，就是在现，就是在Fe/Cr/Fe三层膜中观察到两个铁层之间通三层膜中观察到两个铁层之间通过铬层产生耦合。过铬层产生耦合。 1988年法国科学家年法国科学家Fert小组在小组在Fe/Cr周期性多层周期性多层膜中，观察膜中，观察

58、到当施加外磁场时，其电阻下降，变化率到当施加外磁场时，其电阻下降，变化率高达高达50。因此称之为巨磁电阻效应。因此称之为巨磁电阻效应(giant magnetoresistance, GMR)。 1995年，人们以绝缘层年，人们以绝缘层Al2O3代替导体代替导体Cr，观察，观察到很大的隧道磁电阻到很大的隧道磁电阻(TMR)现象。现象。 基于基于GMR和和TMR的发现，一个新的学科分支的发现，一个新的学科分支磁电子学的概念被提出了。磁电子学的概念被提出了。 从那时起，科技人员从那时起，科技人员一直坚持不懈地努力，将上述创新性发现转化为信息一直坚持不懈地努力，将上述创新性发现转化为信息技术技术(I

59、T)产业化。产业化。 l 1999年以年以GMR多层膜为磁头的硬盘驱动器多层膜为磁头的硬盘驱动器(HDD) 进入市场，其存储密度达到进入市场，其存储密度达到11Gbits/in2，而而1990年仅为年仅为0.1Gbits/in2，10年中提高了年中提高了100倍。倍。l 目前目前GMR的研究开发工作正方兴未艾，而将的研究开发工作正方兴未艾，而将上述隧道磁电阻上述隧道磁电阻(TMR)多层膜应用于新型随机存多层膜应用于新型随机存储器储器 (MRAM)的研究又已经展开。的研究又已经展开。 l 在在Fe/Cr/Fe系统中，相邻铁层间存在着耦合，系统中，相邻铁层间存在着耦合，它随铬层厚度的增加而呈正负交

60、替的振荡衰它随铬层厚度的增加而呈正负交替的振荡衰 减形减形式。使得相邻铁层磁矩从彼此反平行取向到平行式。使得相邻铁层磁矩从彼此反平行取向到平行取向交替变化取向交替变化。外磁场也可使多层膜中铁外磁场也可使多层膜中铁 磁层的磁层的反平行磁化状态发生变化。当通以电流时，这种反平行磁化状态发生变化。当通以电流时，这种磁化状态的变化就以电阻变化的形式反磁化状态的变化就以电阻变化的形式反 映出来。映出来。这就是这就是GMR现象的物理机制。现象的物理机制。l 以以Cr中电子为中介的铁层间的耦合，随着中电子为中介的铁层间的耦合，随着Cr层层厚度增加而振荡衰减。其平均作用范围为厚度增加而振荡衰减。其平均作用范围