电子科技导论yxf

1、纳米材料及其应用Email: 1纳米的概念： 纳米（nanometer）一词中的“纳”（nano)源出于希腊文,意指“侏儒”,现在纳米作为微观世界里的长度单位,一纳米等于十亿分之一米,大约是10个氢原子紧密排列的长度，或人的一根头发粗度的10万分之一. 即1nm=10-9m.2自然界的纳米效应（一）荷花效应 在纳米的领域下(1100nm)，许多物质的现象都将改变，例如自然界中的荷花能出淤泥而不染，诀窍就在荷叶表面精密的纳米结构，污泥尘土不易附着，水珠落在其上呈现滚动而非扩散的状态。荷花表面从巨观层次看，非常平滑，但在纳米层级看起来，却相当凹凸不平，这种表面的特性，是水不会散布在表面，而会形成接

2、近圆球状，自然无法停留而会滚下来；原来是荷花这种植物需要大量水分，但老天不见得每天都会下雨，因此荷叶只好把雾珠变成圆球，才能滚到中间吸收。3（二）蜜蜂的导航功能 蜜蜂体内存在磁性纳米粒子，这些粒子具有罗盘的作用，这是蜜蜂飞行的导航系统。 4纳米尺度的图片概念5纳米科技重大事件：1959年，著名物理学家理查德费曼（Richard Phillips Feynman ）设想：有一天如果能按自己的愿望任意摆布原子的排列，人类就将成为真正意义上的“造物主”。这是关于纳米技术最早的梦想。61982 年，国际商业机器公司（IBM)苏黎世实验室的葛宾尼（Gerd Binnig）博士和海罗雷尔（Heinrich

3、 Rohrer）博士共同研制成功了世界第一台新型的表面分析仪器 扫描隧道显微镜（ Scanning tunneling microscope，简称STM）。71990年美国国际商业机器公司（IBM）的艾格勒在镍金属（110）表面用35个氙原子排出“IBM”字样。1993年中国科学院北京真空物理实验室操纵原子写出“中国”二字。81991年，日本科学家饭岛澄男发现碳纳米管，它的质量只有同体积钢的16，强度却是钢的100倍。用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球上挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索 。9神奇的纳米世界 单根碳纳米弹簧 靓丽的纳米世界10 酷似大力神杯的硅纳米结构 扫描隧道显微镜下的

4、纳米团簇11128.1.1 纳米科技 纳米科学技术（Nano-ST）是20世纪80年代末期诞生并正在崛起的新科技，它的基本涵义是在纳米尺寸（10-1010-7m）范围内认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创造新物质。纳米科技是研究由尺寸0.1100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。 纳米科技主要包括：纳米体系物理学；纳米化学；纳米材料学；纳米生物学；纳米电子学；纳米加工学；纳米力学。 第一节纳米科技及纳米材料应用进展138.1.2 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

5、体和纳米组装体系。按材料的性质、结构、性能可有不同的分类方法。 1.纳米微粒 纳米微粒是指线度处于1100nm之间的粒子的聚合体，它是处于该几何尺寸的各种粒子聚合体的总称。纳米微粒的形态并不限于球形、还有片形、棒状、针状、星状、网状等。一般认为，微观粒子聚合体的线度小于1nm时，称为簇，而通常所说的微粉的线度又在微米级。纳米微粒的线度恰好处于这两者之间，故又被称作超微粒。第一节纳米科技及纳米材料应用进展142.纳米固体 纳米固体是由纳米微粒聚集而成的凝聚体。从几何形态的角度可将纳米固体划分为纳米快状材料、纳米薄膜材料和纳米纤维材料。这几种形态的纳米固体又称作为纳米结构材料。3.纳米组装体系 由

6、人工组装合成的纳米结构的 体系称为纳米组装体系，也叫纳米尺度的图案材料。他是已纳米微粒以及它们组成的纳米丝和管为基本单元，在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。纳米微粒、丝、管可以是有序或无序的排列，其特点是能够按照人们的意愿进行设计，整个体系具有人们所期望的特性，因而该领域被认为是材料化学和物理学的重要前沿课题。 第一节纳米科技及纳米材料应用进展15第一节纳米科技及纳米材料应用进展8.1.3 纳米材料的特异性能1.小尺寸效应特殊的光学性质 当黄金（Au）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，所有的金属在纳米颗粒状态都呈为黑色。尺越小，颜色愈黑，银

7、白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。特殊的电学性质 介电和压电特性是材料的基本物性之一。纳米半导体的介电行为（介电常数、介电损耗）及压电特性同常规的半导体材料有和很大的不同。 16特殊的磁性 小尺寸超微颗粒的磁性比大块材料强许多倍，大块的纯铁矫顽力约为80A/m，而当颗粒尺寸见效到20nm以下时，其矫顽力可增加1000倍，若进一步见效其尺寸，大约小于6nm时，其矫顽力反而降低到零，表现出所谓超顺磁性 特殊的热学性质 在纳米尺寸状态，具有减少的空间维数的材料的另一种特性是相的稳定性。当人们足够地减少组成相的尺寸的时候，由于在限制的原子系统中的各种弹性和热力学参数的变化，平衡相的关系将被改变

8、。固体物质在粗晶粒尺寸时，有其固定的熔点，超细微化后，却发现其熔点显著降低，当颗粒小于10nm时尤为显著。第一节纳米科技及纳米材料应用进展17特殊的力学性质 由纳米超微粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性，这是因为纳米超微粒制成的固体材料具有大的界面，界面原子的排列相当混乱。原子在外力变形条件下容易迁移，因此表现出很好的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性能。这就是目前的一些展销会上推出的所谓“摔不碎的陶瓷碗”。 第一节纳米科技及纳米材料应用进展18第一节纳米科技及纳米材料应用进展2表面效应 纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比例。随着粒径减小，表面原子数迅速增加，

9、这是由于粒径小，表面急剧变大所致。当直径小于100nm时，其表面原子百分数急剧增长，甚至1g纳米颗粒表面的总和可高达100m2，这时的表面效应将不容忽略。 19第一节纳米科技及纳米材料应用进展3.宏观量子隧道效应 纳米材料中的粒子具有穿过势垒的能力叫隧道效应。宏观物理量在量子相干器件中的隧道效应叫宏观量子隧道效应。例如磁化强度，具有铁磁性的磁铁，其粒子尺寸达到纳米级时，即由铁磁性变为顺磁性或软磁性。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，或者它确立现存微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考虑上述的量子效应。 20第二节 纳米材料的制备 纳米材料

10、制备方法分为：物理法，化学法和综合法。 物理法是最早采用的纳米材料制备方法，这种方法是采用高能耗的方式，“强制”材料“细化”得到纳米材料。例如，惰性气体蒸发法、激光溅射法、球磨法、电弧法等。 化学法采用化学合成方法，合成制备纳米材料，例如沉淀法、水热法、相转移法、界面合成法、溶胶-凝胶法等 综合法是指纳米材料制备中结合化学物理法的优点，同时进行纳米材料的合成与制备，例如，超声沉淀法，激光沉淀法以及微波合成法等。 21第二节 纳米材料的制备 也有人按所制备的体系状态进行分类，分为气相法、液相法和固相法。 气相法是直接利用气体或利用各种手段将物质变成气体，使之在气体状态下发生物理变化或化学反应最后

11、在冷却过程中凝聚长大形成纳米微粒的方法。如气体蒸发法，化学气相反应法，化学气体相凝聚法和溅射法等。 液相法是指在均相溶液中，通过各种方式使溶质和溶剂分离，溶质形成形状、大小一定的颗粒，得到所需粉末的前驱体，加热分解后得到纳米颗粒的方法。液相法典型的有沉淀法、水解法、溶胶-凝胶法等。 固相法是把固相原料通过降低尺寸或重新组合制备纳米粉体的方法。固相法有热分解法、溶出法、球磨法等。 22第二节 纳米材料的制备8.2.1 纳米粉体的合成 纳米粉体的制备方法大致分为物理和化学方法。1.物理制备方法：传统粉碎法 传统粉碎法用各种超微粉碎机将原料直接粉碎研磨成超微粉。此法由于成本低、产量高以及制备工艺简单

12、易行等优点，在一些对粉体的纯度和粒度要求不太高的场合仍然适用。惰性气体冷凝法制备纳米粉体 惰性气体冷凝法主要是将有待蒸发物质的容器抽至10-6Pa高真空后，充入惰性气体，然后加热蒸发源，使物质蒸发成雾状原子，随惰性气体流冷凝到冷凝器上，将聚集的纳米尺度粒子刮下、收集，即得到纳米粉体。 23第二节 纳米材料的制备2.化学制备方法湿化学法制备纳米粉体 湿化学法比较简单，易于规模生产，特别适合于制备纳米氧化粉体。主要有沉淀法、水热法、乳浊液法等。 沉淀法通常是在溶液状态下将不同化学成分的物质混合，在混合溶液中加入适当的沉淀剂制备纳米粒子的前驱体沉淀物，再将此沉淀物进行干燥或煅烧，从而制得相应的纳米粒

13、子。24 水热法主要利用水热沉淀和水热氧化反应合成纳米粉体。通过这两种反应可得到金属氧化物或复合氧化物（ZrO2、Al2O3、ZrO2-Y2O3、BaTiO3等）在水中的悬浮液，得到的纳米晶尺寸一般在10100nm范围内。 乳浊液法是将两种需要进行反应的组分分别溶于两种组成完全相同的微乳液中，并在适当的条件下进行混合，则这两个组分可分别透过外壁相互进入另一个微反应器发生反应。由于它受到外壁的限制，因此生成纳米级微乳液滴尺寸的纳米颗粒第二节 纳米材料的制备25第四节 纳米材料的应用8.4.1 纳米材料在高科技中的地位及应用 当代的科学基础已为21世纪高技术的诞生奠定了理论基础。纳米电子学、量子电

14、子学和分子电子学现在还在处于初级研究阶段，随着纳米科技的发展，高度集成化的要求，元件和材料的微小化，在集成过程中出现了许多传统理论无法解释的科学问题，传统的集成技术由于不能适应新的需求而逐渐被淘汰，在这种情况下以纳米电子学为指导工作的新的器件相继问世，速度之快出乎人们的预料。 26第四节 纳米材料的应用 20世纪80年代以来电路元件尺寸下降的速度是很快的，未来的20年电路元件尺寸将达到亚微米和纳米的水平，量子效应的原理性器件、分子电子器件和纳米器件成为电子工业的核心。纳米尺度的开关材料、敏感材料、纳米级半导体/铁电体、纳米级半导体/铁磁体、纳米金属/纳米半导体集成的超机构材料、单电子晶体管材料

15、、用于存储的巨磁材料、超小型电子干涉仪所需材料等是21世纪电子工业的关键材料，这些材料都具有纳米结构。27第四节 纳米材料的应用 图8-8为IBM的研究人员利用纳米技术制作的硬盘，其数据存储容量超过现在硬盘存储容量的100倍。从显微镜下我们可以观察到（如图8-9），现在的硬盘表面上看上去非常杂乱无章，而IBM发明的新材料的表面磁化颗粒更小，且排列均匀。 图8-8 新型纳米材料硬盘，容量增加100多倍28第四节 纳米材料的应用图8-9 左图为现在存储器介质的表面，IBM发明的新材料的表面-磁化颗粒更小，且排列均匀29第四节 纳米材料的应用8.4.3 纳米催化1.纳米粒子的化学催化 化学催化的作用

16、主要可归结为3个方面：一是提高反应速度，增加反应效率；二是决定反应路径，有优良的选择性，例如只进行氢化，脱氢反应，不发生氢化分解和脱水反应；三是降低反应温度。纳米粒子作为催化剂必须满足上述的条件。纳米粒子的催化作用不仅表现为高活性，而且还提高了化学反应的选择性。 30第四节 纳米材料的应用2.半导体纳米粒子的光催化 半导体的光催化效应是指在光的照射下，价带电子跃迁到导带，价带的孔穴把周围环境中的烃基电子夺过来，短基变成自由基，作为强氧化剂将酯类变化如下：酯醇醛酸CO2，完成了对有机物的降解。纳米半导体比常规半导体光催化活性高得多。最近十几年来，半导体光催化在应用中得到飞快的发展。3.纳米金属、

17、半导体粒子的热催化 金属纳米粒子十分活泼，可以作为助燃剂在燃料中使用，也可以掺杂到高能密度的材料，如炸药中，增加爆炸效率，也可以作为引爆剂进行使用。 31第四节 纳米材料的应用8.4.4 陶瓷增韧 用纳米粉体进行烧结，致密化的速度快，还可以降低烧结温度，最近用流延法初步制备了添加纳米氧化铝的基板材料，光洁度大大提高，冷热疲劳、.断裂韧性提高了将近1倍，热导系数比常规氧化铝的基板材料提高了20%，显微组织均匀。例如，由纳米陶瓷研制结果观察到纳米级ZrO2陶瓷的烧结温度比常规的微米级ZrO2陶瓷烧结温度降低了400。 32第四节 纳米材料的应用8.4.5 光学应用1.红外反射材料 由金超微粒子沉积

18、在基板上形成的膜可用作红外线传感器。金超微粒子膜的特点是对可见到红外整个范围的光吸收率很高。另外，纳米微粒的膜材料在灯泡工业上有很好的应用前景。2.优异的光吸收材料 纳米微粒的量子尺寸效应等使它对某种波长的光吸收带有蓝移现象。纳米微粒粉体对各种波长光的吸收带有宽化现象。纳米微粒的紫外吸收材料就是根据了这两个特性。 33第四节 纳米材料的应用3.隐身材料 “隐身”是指把物体伪装起来不易被发现。纳米磁性材料，特别是类似铁氧化的纳米磁性材料放入涂料中，既有优良的吸波特性，又有良好的吸收和耗散红外线的性能，加之密度小，在隐身方面的应用上有明显的优越性。纳米级的硼化物、碳化物，包括纳米纤维及纳米碳管在隐

19、身材料方面的应用也将大有作为。 34第四节 纳米材料的应用8.4.7环保应用 纳米材料对各个领域都有不同程度的影响和渗透，特别是纳米材料在环境保护和环境治理方面的应用，给我国乃至全世界在治理环境污染方面带来新的机会。 首先，纳米级稀土钙钛矿型复合氧化物ABO3对汽车尾气所排放的CO、NO和HC具有良好的催化转化作用。近年来，很多稀土钙钛矿型复合氧化物已经投放时常应用于汽车尾气的治理。其次，纳米TiO2可以分解有机废水中的卤代脂肪烃、有机酚类、酚类等以及空气中的甲醛、甲醇、丙酮等有害污染物为二氧化碳和水 ，使其在环境污染治理方面发挥着越来越大的作用。另外，纳米ZnO作为功能材料也具有优异的性能，

20、在环境保护和治理方面同样显示出广阔的应用前景。 35纳米医药 21世纪又一次产业革命第四节 纳米材料在医药领域的应用36 2004年1月12日，由中国科学院主办的528名院士投票评选出来的2003世界十大科技新闻揭晓。其中，排名第一的新闻就是科学家研制出世界最小的纳米电动机。二十一世纪纳米技术将推动信息、医学、自动化及能源科学的迅速发展， 给人类带来新的变化 。37 科学工作者将纳米技术应用到医药学领域，就产生了纳米医药学这门新科学。 38优势小 纳米微粒比血红细胞还小许多，可以在血液中自由运行。奇异 纳米粒子呈现许多奇异的物理性质、化学性质，出现一些“反常现象” 。精细 能直接利用原子、分子

21、的排布制造具有特定功能的药品、器械 。 39一、在诊断方面的应用1、遗传病诊断 纳米技术有助诊断胎儿是否有遗传缺陷。 妇女怀孕8个星期时，血液中开始出现少量胎儿细胞。利用具有纳米级大小孔洞的半透膜或特殊的合成纳米管等，可把胎儿细胞分离出来进行诊断。不需要进行羊水穿刺。目前美国已将此项技术应用于临床诊断中。402、影像学诊断 一种新型的纳米影像学诊断工具“光学相干层析术(OCT)”已由清华大学研制成功。 每秒钟能完成生物体内活细胞的动态成像 2000次，以此来观察活细胞的动态。OCT的分辨率达微米级，可以发现直径是毫米级的肿瘤。不会像X线、CT、MRI那样杀死活细胞。413、病理学诊断 肿瘤诊断

22、最可靠的手段是建立在组织细胞水平上的病理学方法,但存在着良恶性及细胞来源判断不准确的问题。利用原子力显微镜(atomic force microscope，AFM)可以在纳米水平上揭示肿瘤细胞的形态特点。通过寻找特异性的异常纳米级结构改变,以解决肿瘤诊断的难题。 42 目前，已有多种原子力显微镜问世AFM克服了STM只适用于具导电性样品的不足之处 43二、在治疗方面的应用1、纳米粒径化增加药物吸收度 增大药物的表面积促进溶解。药物大分子就能穿透组织间隙，也可以通过人体最小的毛细血管。而且分布面极广。应用于中药制剂。药物的物理活性、靶向性比普通中药大大提高。44452、纳米医用材料目前广泛使用的

23、人工心脏瓣膜，是由钛金属与不锈钢合金所构成，但在移植入人体后仍有损坏的可能性。结晶纳米氧化镐是一种具有高度抗生物损耗的替代材料。 银在纳米状态下的杀菌能力产生了质的飞跃。只需用极少量的纳米银即可产生强力的杀菌作用4647 制备纳米晶羟基磷灰石或胶原复合的生物硬组织修复材料，复合材料具有纳米级别的天然骨分级结构和天然骨的多孔结构48前景49一、纳米机器人(nanorobot)的研制 纳米机器人是纳米生物学中最具诱感力的内容。动脉粥样硬化的治疗 机器人能够从动脉壁上清除粥样沉积物。这不仅会提高动脉壁的弹性,还会使通过动脉的血液流动状况得到改善。 50在血管中运动的纳米机器人，它正在使用纳米切割机和

24、真空吸尘器来清除血管中的沉积物51纳米机器人在清理血管中的有害堆积物-中国科学院合肥研究院 的研究中国科学院沈阳自动化所研制研制的纳米微操作机器人在1010微米的基片上刻出的字样 52检查体内疾病 科研人员开发的“OMOM胶囊内镜系统” 估计三年内可以上市。 该医生长得 像一颗胶囊，把它吞进肚里，消化道内的情景就可以像放电影一样在电脑屏幕 上一 目了然 53纳米机器人进入人体消化系统工作示意图 目前还只能钻进人的肚子里通过传输图像“瞧病”，还不能治病 。机器人医生在未来三年内：当机器人医生发现可疑病变组织后，立即能伸出“手”来取样进行活检 54肾结石、胆结石的治疗 将纳米机器人以插入导管的方式

25、引入到尿道或胆道里内,直接到达结石所在的部位,并且直接把结石击碎。 55二、用于生化检查 伊利诺依大学迈尔斯特拉诺(Michael Strano)的研究组正研究用碳纳米管验血。原理：给纳米管涂上一层酶，它就能在有糖的环境下制造过氧化氢，然后激发电子流，当激发的电子流与红外线接触会发出光照 这是纳米管的一种独特反应。 碳纳米管有奇异的电学和光学特性56三、跟踪生物体内活动 有的纳米颗粒具有发光功能，科学家们把这种纳米颗粒送进人的组织、器官内，然后从人体外部向内照射近红外线，纳米颗粒在体内会发光可以跟踪了解人体细胞的变化情况，从而达到追踪病毒等效果 。57科学家们还发现癌细胞特别喜欢吃纳米颗粒，这有助于跟踪癌细胞在人体内的活动 58四、智能化的纳米药物传输系统 2006年，麻省理工学院和哈佛大学的研究者制备的纳米粒子进入前列腺癌细胞中靶向传输化疗药物。 在小鼠实验中方法靶向纳米粒子治疗非靶向纳米粒子治疗 化学抗癌药物docetaxel 存活率100%57%14%59把药物放入磁性纳米颗粒的内部，这