納米功能材料與器件概論

1、Functional Nanomaterials and Devices功能納米材料與器件功能納米材料與器件1. 納米功能材料與器件概論納米功能材料與器件概論提綱課程安排課程安排納米科學(xué)與技術(shù)概論納米科學(xué)與技術(shù)概論納米材料的概論納米材料的概論納米技術(shù)納米技術(shù)概論概論納米材料研究在科學(xué)研究中的納米材料研究在科學(xué)研究中的地位地位納米材料的典型：納米碳管納米材料的典型：納米碳管教室：金物樓教室：金物樓329 日期：第日期：第1015周共周共6周周時(shí)間：周一第四大節(jié)，三周第（第二大節(jié)）時(shí)間：周一第四大節(jié)，三周第（第二大節(jié)）課件課件郵箱：郵箱：ustb_ 期終成績(jī)（期終成績(jī)（60%）：課程學(xué)習(xí)報(bào)告，根據(jù)

2、個(gè)人興趣）：課程學(xué)習(xí)報(bào)告，根據(jù)個(gè)人興趣和課題方向，自由選題，和課題方向，自由選題，30005000字字1. 課程安排通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，了解功能納米材料與器件的基本通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，了解功能納米材料與器件的基本理論理論、基本技術(shù)；、基本技術(shù)；課程課程目的目的把握當(dāng)前本領(lǐng)域研究現(xiàn)狀，把握當(dāng)前本領(lǐng)域研究現(xiàn)狀，為開(kāi)展相關(guān)的科學(xué)研究打?yàn)殚_(kāi)展相關(guān)的科學(xué)研究打下基礎(chǔ)。下基礎(chǔ)。了解了解和和掌握掌握理理功能納米材料與器件研究功能納米材料與器件研究相關(guān)相關(guān)的的專業(yè)知專業(yè)知識(shí)和技能識(shí)和技能；1.功能納米材料與器件概論功能納米材料與器件概論2.納米材料與器件的制備方法納米材料與器件的制備方法3.納米材料的表征技術(shù)納米

3、材料的表征技術(shù)4.磁性納米材料及器件磁性納米材料及器件5.納米生物材料納米生物材料6.半導(dǎo)體半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料量子點(diǎn)材料7.綠色光源材料綠色光源材料8.ZnO納米材料與器件研究納米材料與器件研究課程提綱1.1.張立德，牟季美，張立德，牟季美，納米材料和納米結(jié)構(gòu)納米材料和納米結(jié)構(gòu)，20022002，科學(xué)出版社科學(xué)出版社2.2.王王中林中林, , 納米材料表征技術(shù)，化學(xué)工業(yè)出版社納米材料表征技術(shù)，化學(xué)工業(yè)出版社3.3.郭子政，時(shí)東陸，郭子政，時(shí)東陸，納米材料和器件導(dǎo)論納米材料和器件導(dǎo)論第第2 2版，版，清華大學(xué)出版社，清華大學(xué)出版社，20102010年曹年曹國(guó)國(guó)忠，王英，忠，王英，納米結(jié)構(gòu)納米結(jié)構(gòu)和

4、納米材料：合成、性能及應(yīng)用和納米材料：合成、性能及應(yīng)用第二版，第二版，20122012，高，高等教育出版社等教育出版社4.4.張躍，張躍，一維氧化鋅納米材料一維氧化鋅納米材料，20102010，科學(xué)，科學(xué)出版社出版社朱朱靜等靜等, ,納米結(jié)構(gòu)與納米器件納米結(jié)構(gòu)與納米器件, , 清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社5. Carl C. Koch，Nanostructured Materials - Processing, Properties and Potential Applications，Noyes Publications參考書(shū)目有關(guān)納米科學(xué)的預(yù)言有關(guān)納米科學(xué)的預(yù)言19591959年年, ,著

5、名的理論物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者費(fèi)曼著名的理論物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者費(fèi)曼曾預(yù)言：曾預(yù)言：“毫無(wú)疑問(wèn)，當(dāng)我們得以對(duì)細(xì)微尺度的事物加毫無(wú)疑問(wèn)，當(dāng)我們得以對(duì)細(xì)微尺度的事物加以操縱的話以操縱的話, ,將大大擴(kuò)充我們可能獲得物性的范圍。將大大擴(kuò)充我們可能獲得物性的范圍?！?” 如果如果“有朝一日人們能把百科全書(shū)存儲(chǔ)在一個(gè)針尖大小有朝一日人們能把百科全書(shū)存儲(chǔ)在一個(gè)針尖大小的空間內(nèi)并能移動(dòng)原子的空間內(nèi)并能移動(dòng)原子, ,那么這將給科學(xué)帶來(lái)什么！那么這將給科學(xué)帶來(lái)什么！”IBMIBM公司的首席科學(xué)家公司的首席科學(xué)家ArmstrongArmstrong在在19911991年曾經(jīng)預(yù)言：年曾經(jīng)預(yù)言：“我相信納米

6、科技將在信息時(shí)代的下一階段占中心地位，我相信納米科技將在信息時(shí)代的下一階段占中心地位，并發(fā)揮革命的作用，正如（并發(fā)揮革命的作用，正如（2 0 2 0 世紀(jì)）世紀(jì)）7070年代初以來(lái)微年代初以來(lái)微米科技已經(jīng)起的作用那樣。米科技已經(jīng)起的作用那樣。上述預(yù)言指出上述預(yù)言指出了納米體系的地位和作用了納米體系的地位和作用，預(yù)見(jiàn)了納米科技，預(yù)見(jiàn)了納米科技發(fā)展發(fā)展的方向。的方向。2. 納米科學(xué)與技術(shù)概論人類對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)是不斷深人人類對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)是不斷深人的，從的，從直接用肉眼直接用肉眼能看能看到到的事物開(kāi)始的事物開(kāi)始, ,然后不斷深人然后不斷深人，從宏觀領(lǐng)域進(jìn)入原子電子領(lǐng)，從宏觀領(lǐng)域進(jìn)入原子電子領(lǐng)域。

7、域。近二十年來(lái)人們對(duì)處于觀連續(xù)介質(zhì)尺度和原子尺度的介觀近二十年來(lái)人們對(duì)處于觀連續(xù)介質(zhì)尺度和原子尺度的介觀領(lǐng)域發(fā)生了極領(lǐng)域發(fā)生了極大大興趣，當(dāng)物體的尺度處于納米級(jí)范圍內(nèi)，興趣，當(dāng)物體的尺度處于納米級(jí)范圍內(nèi)，出現(xiàn)了許多奇異的嶄新的物理出現(xiàn)了許多奇異的嶄新的物理性能。性能。在介觀范圍內(nèi)，以在介觀范圍內(nèi)，以相干量子輸運(yùn)現(xiàn)象為主的介觀物理應(yīng)運(yùn)相干量子輸運(yùn)現(xiàn)象為主的介觀物理應(yīng)運(yùn)而生而生，成為，成為當(dāng)今凝聚態(tài)物理學(xué)的當(dāng)今凝聚態(tài)物理學(xué)的熱點(diǎn)。從熱點(diǎn)。從廣義上來(lái)說(shuō)，凡廣義上來(lái)說(shuō)，凡是出現(xiàn)量子是出現(xiàn)量子相干現(xiàn)象相干現(xiàn)象的體系統(tǒng)稱為介觀體系，包括團(tuán)族、的體系統(tǒng)稱為介觀體系，包括團(tuán)族、納米體系和亞微米納米體系和亞微米

8、體系。體系。將納米體系獨(dú)立出來(lái)，就將納米體系獨(dú)立出來(lái)，就有了納米有了納米體系。體系。通常界定為通常界定為l 1 l 1 0 0 0 0 nmnm的的范圍的納米體系是細(xì)微尺度的事物的主角范圍的納米體系是細(xì)微尺度的事物的主角. .納米科學(xué)的由來(lái)納米科學(xué)是交叉學(xué)科，包含多種學(xué)科，可分為：納米科學(xué)是交叉學(xué)科，包含多種學(xué)科，可分為：（1)納米物理學(xué)；納米物理學(xué)；（2)納米化學(xué)納米化學(xué)；（3)納米納米材料學(xué)材料學(xué)；（4)納米生物學(xué)納米生物學(xué)；（5)納米電子學(xué)納米電子學(xué)；（6 )納米加工學(xué)納米加工學(xué); (7)納米納米力學(xué)力學(xué).納米科學(xué)的學(xué)科組成納米科學(xué)的學(xué)科組成納米納米科學(xué)技術(shù)是科學(xué)技術(shù)是20世紀(jì)世紀(jì)80年

9、代末期剛剛誕生年代末期剛剛誕生并正在并正在崛起的崛起的新新科技，研究科技，研究由尺寸由尺寸在在1 l00nm之間的物質(zhì)組成的之間的物質(zhì)組成的體系體系的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和相互作用以及可能的實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)問(wèn)題的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和相互作用以及可能的實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)問(wèn)題的的科學(xué)技術(shù)。科學(xué)技術(shù)。在納米體系中，電子波函數(shù)的相關(guān)長(zhǎng)度與體系的特征尺寸在納米體系中，電子波函數(shù)的相關(guān)長(zhǎng)度與體系的特征尺寸相當(dāng)相當(dāng)，這時(shí)電子不能被看成處在外場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的經(jīng)典粒子，這時(shí)電子不能被看成處在外場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的經(jīng)典粒子，電子的電子的波動(dòng)性波動(dòng)性在輸運(yùn)過(guò)程中得到充分的展現(xiàn)在輸運(yùn)過(guò)程中得到充分的展現(xiàn);納米納米體系在維度上的限制，也體系在維度上的限制，也

10、使得使得固體中的電子態(tài)、元激固體中的電子態(tài)、元激發(fā)和各種相互作用過(guò)程表現(xiàn)出與三維發(fā)和各種相互作用過(guò)程表現(xiàn)出與三維體系體系十分不同的性質(zhì)十分不同的性質(zhì),如量子化效應(yīng)，非定域量子相干，量子漲落如量子化效應(yīng)，非定域量子相干，量子漲落與混沌與混沌，多體，多體關(guān)聯(lián)效應(yīng)和非線性效應(yīng)等等關(guān)聯(lián)效應(yīng)和非線性效應(yīng)等等.對(duì)對(duì)這些新奇的物理特性這些新奇的物理特性的研究的研究，使得人們必須重新認(rèn)識(shí)和，使得人們必須重新認(rèn)識(shí)和定義現(xiàn)有的物理理論和規(guī)律，這定義現(xiàn)有的物理理論和規(guī)律，這必將必將導(dǎo)致新概念的引入和導(dǎo)致新概念的引入和新規(guī)律的建立，如納米尺度上的能帶、新規(guī)律的建立，如納米尺度上的能帶、費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米能級(jí)及逸出功及逸出功

11、將意味著什么將意味著什么？納米科學(xué)的特征在納米化學(xué)中，對(duì)表面的化學(xué)過(guò)程，如原子簇化合物的研究對(duì)吸在納米化學(xué)中，對(duì)表面的化學(xué)過(guò)程，如原子簇化合物的研究對(duì)吸附質(zhì)附質(zhì)/載體系統(tǒng)的電子性質(zhì)和對(duì)基底表面結(jié)構(gòu)的影響；載體系統(tǒng)的電子性質(zhì)和對(duì)基底表面結(jié)構(gòu)的影響；在納米生物學(xué)中，除了對(duì)細(xì)胞、膜、蛋白質(zhì)和在納米生物學(xué)中，除了對(duì)細(xì)胞、膜、蛋白質(zhì)和DNA的微觀研究的微觀研究外，還要解決人工分子剪裁以及進(jìn)行分子基因和物種再構(gòu)；外，還要解決人工分子剪裁以及進(jìn)行分子基因和物種再構(gòu)；在納米電子學(xué)中，電阻的概念巳不是在納米電子學(xué)中，電阻的概念巳不是歐姆定律，而是量子電導(dǎo)；歐姆定律，而是量子電導(dǎo)；在在納米力學(xué)中，機(jī)械性質(zhì)如彈性模

12、量、彈性系數(shù)、摩擦和粗糙概納米力學(xué)中，機(jī)械性質(zhì)如彈性模量、彈性系數(shù)、摩擦和粗糙概念亦有質(zhì)的變化念亦有質(zhì)的變化.作為納米科技中的一個(gè)重要領(lǐng)域的納米加工學(xué)，也將以嶄新的方作為納米科技中的一個(gè)重要領(lǐng)域的納米加工學(xué)，也將以嶄新的方式進(jìn)行原子的操縱和納米尺度的式進(jìn)行原子的操縱和納米尺度的加工，以及加工，以及進(jìn)行納米器件進(jìn)行納米器件的加工的加工和組裝，并進(jìn)一步研究器件的特性及運(yùn)行機(jī)理和組裝，并進(jìn)一步研究器件的特性及運(yùn)行機(jī)理.納米科學(xué)的特征（續(xù)）(1)原子操縱美國(guó)商用機(jī)器公司（IBM)兩名科學(xué)家利用掃描隧道電子顯微鏡(STM)直接操作原子，成功地在Ni(鎳）基板上，按自己的意志安排原子組合成“IBM”字樣；

13、中國(guó)科學(xué)院成功地用STM操縱原子，在硅基片上寫(xiě)上了中國(guó)字樣。日本科學(xué)家巳成功地將硅原子堆成一個(gè)“金字塔”，首次實(shí)現(xiàn)了原子三維空間立體搬遷.(2)奇異特性的納米材料德國(guó)薩爾大學(xué)格萊德和美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室席格先后研究成功納米陶瓷氟化鈣和二氧化鈦，在室溫下顯示良好的韌性。納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑。納米材料在光吸收、催化、敏感特性和磁性方面都表現(xiàn)出明顯不同于同類傳統(tǒng)材料的特性,在高技術(shù)應(yīng)用上顯示出廣闊的應(yīng)用前景. 納米科學(xué)的重要成果與進(jìn)展硅原子硅原子納米算盤(pán)納米算盤(pán)(C60) (3) 納米生物學(xué)在納米尺度上認(rèn)識(shí)生物大分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其與功能的聯(lián)系，并在此基礎(chǔ)上按自己的意愿進(jìn)行裁剪和嫁接，制造具

14、有特殊功能的生物大分子,這使生命科學(xué)的研究上了一個(gè)新的臺(tái)階。納米科技使基因工程變得更加可控，人們可根據(jù)自己的需要,制造多種多樣的生物“產(chǎn)品” 。(4) 納米生物機(jī)器和納米生物部件零件的研制，用原子和分子直接組裝成納米機(jī)器。納米生物“部件”與納米無(wú)機(jī)化合物及晶體結(jié)構(gòu)“部件”相組合，用納米微電子學(xué)控制形成納米機(jī)器人，尺寸與細(xì)胞相當(dāng)，可能引起醫(yī)療技術(shù)的突破。醫(yī)生可能應(yīng)用納米機(jī)器人直接打通腦血栓，清出心臟動(dòng)脈脂肪沉積物,也可以通過(guò)把多種功能納米微型機(jī)器注入血管內(nèi)，進(jìn)行人體全身檢查和治療；藥物也可以制成納米尺寸，直接注射到病灶部位，大大提高醫(yī)療效果，減少副作用. 納米科學(xué)的重要成果與進(jìn)展（續(xù)）2. 納米

15、材料的概論各種尺度的物體各種尺度的物體半導(dǎo)體工業(yè)中的納米技術(shù)半導(dǎo)體工業(yè)中的納米技術(shù)大規(guī)模集成電路，存儲(chǔ)器大規(guī)模集成電路，存儲(chǔ)器和和CPU3220nm量級(jí)加工的硅的超微集成電路量級(jí)加工的硅的超微集成電路納米尺度的概念納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍，或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。按維數(shù)，納米材料的基本單元可以分為三類：（i)零維，指在空間三維尺度均在納米尺度，如納米尺度顆粒、原子團(tuán)簇等；（ii)維，指在空間有兩維處于納米尺度，如納米線、納米帶、納米棒、納米管等；（iii)二維，指在三維空間中有一維在納米尺度，如納米薄膜，多層膜，超晶格等何為納米材料？納米材料模型與實(shí)物照片根據(jù)

16、材料性能分：納米電子材料：電子器件（FET，二極管)納米光電材料：光電器件（LED，Laser）納米磁性材料: 高密記錄介質(zhì)，自旋閥納米力電材料：發(fā)電機(jī)，傳感器件根據(jù)應(yīng)用方向，可以分成：納米光催化材料：TiO2、ZnO納米能源材料：儲(chǔ)能材料，燃料電池，染料敏化電池納米生物材料：傳感器件等功能納米材料的分類自然界中存在大量的納米材料：天體的隕石碎片，人體和獸類的牙齒；海洋是一個(gè)龐大超微粒的聚集場(chǎng)所。濃度約106107個(gè)/ml蜜蜂的體內(nèi)存在磁性納米粒子，可以為蜜蜂的活動(dòng)導(dǎo)航大海龜利用磁性納米微粒導(dǎo)航，進(jìn)行幾萬(wàn)公里長(zhǎng)途跋涉具有實(shí)用價(jià)值的納米材料主要是人工合成的：最早的人工納米材料可能是1 0 0 0

17、 多年前，中國(guó)利用燃燒蠟燭來(lái)收集的碳黑作為墨的原料、以及用于著色的染料；中國(guó)古代銅鏡表面的防銹層經(jīng)檢驗(yàn)證實(shí)為納米氧化錫顆粒構(gòu)成的一層薄膜.約1861年，隨著膠體化學(xué)（colloid chemistry )的建立，科學(xué)家們就開(kāi)始了對(duì)于直徑為1 lOOnm的粒子系統(tǒng)即所謂膠體(colloid)的研究。天然納米材料和早期納米材料1962年，久保(Kubo)及其合作者針對(duì)金屬超微粒子的研究，提出了著名的久保理論，也就是超微顆粒的量子限制理論或量子限域理論，從而推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家向納米尺度的微粒進(jìn)行探索.1963年Uyeda及其合作者用氣體冷凝法,通過(guò)在高純的惰性氣體中的蒸發(fā)和冷凝過(guò)程獲得清潔表面的超微

18、顆粒，并對(duì)單個(gè)的金屬超微顆粒的形貌和晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了透射電子顯微鏡研究.1970年，江崎與朱兆祥考慮到量子相干區(qū)域的尺度，首先提出了半導(dǎo)體超晶格的概念.這是按照一定的規(guī)則將一定厚度的納米薄層人工堆積起來(lái)的結(jié)構(gòu).隨后利用分子束外延技術(shù)，張立綱和江崎等制備了能隙大小不同的半導(dǎo)體多層膜，在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了量子阱和超晶格，觀察到了極其豐富的物理效應(yīng)，量子阱和超晶格的研究成為半導(dǎo)體物理學(xué)最熱門(mén)的領(lǐng)域.納米材料發(fā)展歷史20世紀(jì)70年代末到20世紀(jì)80年代初，對(duì)一些納米顆粒的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和特性進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究.描述金屬顆粒費(fèi)米面附近電子能級(jí)狀態(tài)的久保理論日臻完善，在用量子尺寸效應(yīng)解釋超微顆粒的某些特性時(shí)獲得成功

19、。1984年，德國(guó)薩爾大學(xué)的Gleiter教授等人首次采用惰性氣體凝聚法制備了具有清潔表面的納米粒子，然后在真空室中原位加壓成納米固體，并提出了納米材料界面結(jié)構(gòu)模型. 隨后發(fā)現(xiàn)CaF2納米離子晶體和TiCb納米陶瓷在室溫下出現(xiàn)良好韌性.使人們看到了陶瓷增韌的新的戰(zhàn)略途徑.納米材料發(fā)展歷史（2）1985年，Kroto等采用激光加熱石墨蒸發(fā)并在甲苯中形成碳的團(tuán)簇.質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn)C60和C70的新的譜線，而C60具有高穩(wěn)定性的新奇結(jié)構(gòu)，即由60個(gè)碳原子組成封閉的足球型，它是由32面體構(gòu)成，其中有2 0 個(gè)六邊形和1 2 個(gè)五邊形所構(gòu)成。Hebard等首先發(fā)現(xiàn)了 為T(mén)c = 18K的超導(dǎo)體；隨后改變摻雜

20、元素，獲得了 Tc更高的超導(dǎo)體-Cs2RbC60為33.這些結(jié)果表明，摻雜C60的Tc之高僅次于銅氧化物超導(dǎo)體的Tc；同時(shí)， C60固體還在低溫下呈現(xiàn)鐵磁性.納米材料發(fā)展歷史（3）1990年7 月在美國(guó)巴爾的摩召開(kāi)了國(guó)際第一屆納米科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議，正式把納米材料科學(xué)作為材料科學(xué)的一個(gè)新的分支公布于世.這標(biāo)志著納米材料學(xué)作為一個(gè)相對(duì)比較獨(dú)立學(xué)科的誕生.從此以后，納米材料引起了世界各國(guó)材料界和物理界的極大興趣和廣泛重視，很快形成了世界性的“納米熱”。同年，發(fā)現(xiàn)納米顆粒硅和多孔硅在室溫下的光致可見(jiàn)光發(fā)光現(xiàn)象.1994年在美國(guó)波士頓召開(kāi)的MRS秋季會(huì)議上正式提出納米材料工程.它是納米材料研究的新領(lǐng)域，

21、是在納米材料研究的基礎(chǔ)上通過(guò)納米合成、納米添加發(fā)展新型的納米材料，并通過(guò)納米添加對(duì)傳統(tǒng)材料進(jìn)行改性，擴(kuò)大納米材料的應(yīng)用范圍，開(kāi)始形成了基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究并行發(fā)展的新局面.納米材料發(fā)展歷史（4）第一階段主要是在實(shí)驗(yàn)室探索用各種手段制備各種形狀的納米材料，研究納米材料的生長(zhǎng)機(jī)理，實(shí)現(xiàn)可控、批量生長(zhǎng)各種結(jié)構(gòu)的納米材料.第二階段主要關(guān)注的熱點(diǎn)是如何調(diào)控納米材料的奇特物理、化學(xué)和力學(xué)性能，根據(jù)性能的應(yīng)用對(duì)于性能的需要，設(shè)計(jì)各種用途的納米材料，這一階段納米材料物性的的調(diào)控和優(yōu)化成為納米材料研究的主導(dǎo)方向.納米材料發(fā)展的4個(gè)階段第三階段的主要研究重點(diǎn)是組裝特定功能的納米器件和納米系統(tǒng)，基本內(nèi)涵是以納米材料為

22、基本單元，構(gòu)建具有納米結(jié)構(gòu)的器件，以實(shí)現(xiàn)特定的功能，然后由納米器件組成納米系統(tǒng)。第四個(gè)階段：研究目標(biāo)是納米材料和器件的實(shí)際應(yīng)用，包括納米材料的低成本、大批量生產(chǎn)，納米材料和器件的實(shí)際應(yīng)用技術(shù)。這一階段研究的特點(diǎn)要強(qiáng)調(diào)按人們的意愿設(shè)計(jì)、組裝、創(chuàng)造新的體系，以實(shí)用應(yīng)用為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)納米科學(xué)研究的價(jià)值。這一階段的主要特征是與產(chǎn)業(yè)階聯(lián)系緊密。納米材料發(fā)展的4個(gè)階段（續(xù)）機(jī)械法、物理法、化學(xué)法機(jī)械法、物理法、化學(xué)法氣相法、液相法、固相法氣相法、液相法、固相法按晶體生長(zhǎng)機(jī)理分類的方法按晶體生長(zhǎng)機(jī)理分類的方法納米材料測(cè)量技術(shù)納米材料測(cè)量技術(shù) 尺度測(cè)量、性能測(cè)量尺度測(cè)量、性能測(cè)量納米材料的制備技術(shù)納米材料的制備

23、技術(shù)納米加工與組裝技術(shù)納米加工與組裝技術(shù) 刻蝕、操縱、組裝刻蝕、操縱、組裝4. 納米納米技術(shù)技術(shù)概論概論人工納米結(jié)構(gòu)組裝人工納米結(jié)構(gòu)組裝體系體系納米結(jié)構(gòu)的自組裝納米結(jié)構(gòu)的自組裝體系體系邏輯電路(Science, 294, 1313 (2001)高性能場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Nature, 441, 489 (2006)納米光波導(dǎo)器件(Science, 426, 816 (2003)納米pH計(jì)(Science, 293, 1289 (2001)準(zhǔn)一維納米材料構(gòu)建的器件準(zhǔn)一維納米材料構(gòu)建的器件納米發(fā)電機(jī)(Science, 312, 242 (2006)納米生物傳感器(MRS bulletin, 32, 14

24、2 (2007)納米發(fā)光二極管(Nature, 409, 66 (2001)納米激光器(Nature, 421, 241 ( 2003) 準(zhǔn)一維納米材料構(gòu)建的器件（續(xù)準(zhǔn)一維納米材料構(gòu)建的器件（續(xù)）5.5.納米材料研究在科學(xué)研究中的地位納米材料研究在科學(xué)研究中的地位研究機(jī)構(gòu)： 納米研究中心 納米材料研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中科院各研究所 高等學(xué)?？蒲薪M經(jīng)費(fèi)投入： 科技部基礎(chǔ)研究重大計(jì)劃（973） 科技部高科技項(xiàng)目（863） 自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目，重點(diǎn)項(xiàng)目和面上項(xiàng)目 地方基金 企業(yè)研究經(jīng)費(fèi)納米材料研究在科學(xué)研究中的地位納米材料研究在科學(xué)研究中的地位國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議： 大量的專業(yè)國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議美國(guó)、歐州等國(guó)家

25、和地區(qū)每年都舉辦多次納米方面的專業(yè)學(xué)術(shù)會(huì)議中日韓納米會(huì)議中國(guó)也有幾次納米方面的學(xué)術(shù)會(huì)議：China Nano 傳統(tǒng)學(xué)術(shù)會(huì)議中有納米方面的分會(huì)材料學(xué)會(huì)年會(huì)，物理學(xué)會(huì)年會(huì)，化學(xué)學(xué)會(huì)年會(huì)納米科學(xué)與技術(shù)的網(wǎng)站納米科學(xué)與技術(shù)的網(wǎng)站納米科學(xué)與技術(shù)的網(wǎng)站納米科學(xué)與技術(shù)的網(wǎng)站NanoscaleNano Lett.JACS (J. America Chemical Society)J. Phys. Chem. CACS NanoPhys. Rev. Lett.Appl. Phys. Lett.Phys. Rev. B J. Appl. Phys.J. Phys.: Condensed MatterJ. Phys

26、. D: Appl. Phys. Adv. Mater.Adv. Func. Mater.Acta Mater.Scripta Mater.Mater. Lett.J. NanomaterialsCryst. Growth & Des.J. Mater. Chem.納米科學(xué)與技術(shù)的主要納米科學(xué)與技術(shù)的主要刊物刊物：Science Nature (Materials)國(guó)內(nèi)納米刊物中國(guó)科學(xué)（系列）中國(guó)科學(xué)（系列）科學(xué)通報(bào)科學(xué)通報(bào)物理學(xué)報(bào)、物理學(xué)報(bào)、Chinese Physics物理化學(xué)學(xué)報(bào)物理化學(xué)學(xué)報(bào)功能材料功能材料功能材料與器件功能材料與器件 l1970年法國(guó)的奧林大學(xué)（年法國(guó)的奧林大學(xué)

27、（University of Orleans)的的Endo首次首次用氣相用氣相生長(zhǎng)技術(shù)制成了直徑為生長(zhǎng)技術(shù)制成了直徑為7nm的的碳纖維。碳纖維。l1991年，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室一個(gè)研究組年，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室一個(gè)研究組提交一提交一篇理論性文章，預(yù)計(jì)了篇理論性文章，預(yù)計(jì)了一種碳納米管的電子一種碳納米管的電子結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu).l同年同年1月，日本月，日本筑波筑波的的NEC實(shí)驗(yàn)室的飯島首次用高分辨電鏡觀察到實(shí)驗(yàn)室的飯島首次用高分辨電鏡觀察到了碳納米管，了碳納米管，這些這些碳納米管是多層同軸管，也叫巴基管（碳納米管是多層同軸管，也叫巴基管（Bucky tube) .l同時(shí)同時(shí),莫斯科化學(xué)物理研究所的研究人員獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)

28、了碳納米管和莫斯科化學(xué)物理研究所的研究人員獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了碳納米管和l納米納米管束。管束。l單壁單壁碳綿米管是由碳綿米管是由美國(guó)美國(guó)加利福尼亞的加利福尼亞的IBM Almaden公司實(shí)驗(yàn)室公司實(shí)驗(yàn)室Bethune等人首次等人首次發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn)的.l1996年，美國(guó)著名的諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者斯莫利（年，美國(guó)著名的諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者斯莫利（Smalley)等等合成合成了了成行排列的單壁碳納米管束，每一束中含有許多碳納米成行排列的單壁碳納米管束，每一束中含有許多碳納米管管.l中國(guó)科學(xué)院物理研究所中國(guó)科學(xué)院物理研究所解思解思深等人實(shí)現(xiàn)深等人實(shí)現(xiàn)了碳納米管的定向生長(zhǎng)，并了碳納米管的定向生長(zhǎng)，并成功合成了超長(zhǎng)（毫米級(jí)成

29、功合成了超長(zhǎng)（毫米級(jí)）納米）納米碳管碳管.6. 納米材料的典型：納米納米材料的典型：納米碳碳管管CNT的結(jié)構(gòu)可以用指數(shù)來(lái)表示：矢量OA為CNT上的一條圓周線： R = m a1 + n a2OABB為單胞，沿OA方向卷成管CNT的指數(shù)為（m，n）CNT的指數(shù)和手性三種結(jié)構(gòu)的CNT：扶手椅(armchair)： 指數(shù)（m,m)鋸齒型(zigzag)： 指數(shù)（m，0）手性型（chiral): 指數(shù)（m,n）碳納米管的手性碳棒作碳棒作電極進(jìn)行直流電弧放電電極進(jìn)行直流電弧放電法法在電弧放電陽(yáng)極碳棒尖端放置Fe或Co催化劑，獲得了單壁碳納米管。碳?xì)浠衔锾細(xì)浠衔锏臒峤夥ㄒ驳臒峤夥ㄒ餐瑯涌赏瑯涌色@得大量

30、碳納米獲得大量碳納米管管比利時(shí)的Ivanov等人通過(guò)乙炔在Co或Fe等催化劑粒子上熱解長(zhǎng)出幾十納米長(zhǎng)的碳納米管，有的為線圈形。Howard在充氧及稀釋劑的低壓腔中燃燒乙炔、苯或乙烯等獲得了碳納米管。多壁碳納米管的生長(zhǎng)不需要催化劑，單壁碳納米管僅僅在催化劑的作用下才能生長(zhǎng),但有催化劑的情況下也可能生長(zhǎng)多壁碳納米管。碳納米管的合成VLS法生長(zhǎng)圖案化生長(zhǎng)CNT陣列開(kāi)口與閉口CNTKang和Suth在多孔陽(yáng)極氧化鋁 模板上生長(zhǎng)閉口 C納米管，而在陽(yáng)極氧化鋁模塊上生長(zhǎng)開(kāi)口 C納米管。伸出模板表面的C納米管高度約 為ll0nm?？梢钥吹紺納米管陣列是一個(gè)比較 完美的二維六邊形陣列，C納米管的直徑和管間距離

31、分別是37nm 3nm和ll0nmlnm，密度 l.0 xl010個(gè)/cm2。(a) 扶手椅型(5,5)納米管和(b) 鋸齒形(9，0)納米管 具有金屬性. (C)鋸齒形(10，0)納米管是一個(gè)半導(dǎo)體.有三分之一的小直徑碳納米管是金屬的，而其余為半導(dǎo)體，這種性質(zhì)取決于它們的直徑和手性.所有的單臂碳納米管是金屬性的手性和鋸齒納米管中部分為金屬，部分為半導(dǎo)體性的.當(dāng)|n-m| = 3g(g為整數(shù)）時(shí)，為金屬性的.隨著半導(dǎo)體納米管直徑的增加帶隙變小,在大直徑情況下，帶隙趨向零.CNT的能帶結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)碳納米管具有與金剛石相同的熱導(dǎo)和獨(dú)特的力學(xué)性質(zhì).理論計(jì)算表明，碳納米管的抗張強(qiáng)度比鋼的高100倍；由碳納米管懸臂梁振動(dòng)測(cè)量結(jié)果可以估計(jì)出它們的楊氏模量高達(dá)1TPa左右；延伸率達(dá)百分之幾，并具有好的可彎曲性;單壁納米碳管可承受扭轉(zhuǎn)形變并可彎成小圓環(huán)，應(yīng)力卸除后可完全恢復(fù)