納米材料-2結(jié)構(gòu)與性能_圖文

1、第二章納米材料結(jié)構(gòu)與特性 徐強2009-02-25 上次課內(nèi)容重點 1納米概念1.納米概念2.納米材料概念3.納米技術(shù)概念PPT報告的內(nèi)容 納米特性的應(yīng)用 主要內(nèi)容 1.納米材料的結(jié)構(gòu)(重點2.久保理論(了解3納米材料的特性3.納米材料的特性(重點a.表面效應(yīng)b.小尺寸效應(yīng)量子效應(yīng)c.量子效應(yīng)宏觀量子隧道效應(yīng)d.宏觀量子隧道效應(yīng)e.1.納米材料的結(jié)構(gòu) structurepreparation performancepropertiesti1.納米材料的結(jié)構(gòu) 材料的同時材料 結(jié)構(gòu)決定材料的性能,同時材料的性能反映材料的結(jié)構(gòu)對于納米材料,其特性既不同于原子,對納米材料其特性既同子又不同于結(jié)晶體,可

2、以說它是一種不同于本體材料的新材料,其物理化學性質(zhì)與塊體材料有明顯的差異。1.納米材料的結(jié)構(gòu) 納米材料的結(jié)構(gòu)特點是:納米尺度結(jié)構(gòu)單元,大量的界面或自由表面,以及結(jié)構(gòu)單元與大量界面單元之間存在的交互作用。在結(jié)構(gòu)上,大多數(shù)納米粒子呈現(xiàn)為理想在結(jié)構(gòu)大多數(shù)納米粒子現(xiàn)為單晶,也有呈現(xiàn)非晶態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)的納米粒子粒子。1.納米材料的結(jié)構(gòu) 納米材料的結(jié)構(gòu)上存在兩種結(jié)構(gòu)單元;即晶體單元和界面單元。晶體單元由所有晶粒中的原子組成這 晶體單元由所有晶粒中的原子組成,這些原子嚴格地位于晶格位置;界面單元由處于各晶粒之間的界面原子成原子由超微晶粒的表面原子組成,這些原子由超微晶粒的表面原子轉(zhuǎn)化而來。1.納米材料的結(jié)構(gòu) 組

3、成納米材料的單元表面上的原子個數(shù)與單 元中所有原子個數(shù)相差不大。例如:一個由5個原子組成的正方體納米顆例如個由個原子成的方體納米顆粒,總共有原子個數(shù)53=125個,而表面上就有95個原子,占了納米顆粒材料整體原子個數(shù)的76%以上。這些特點完全不同于普通的材料。2.久保理論 年,日本物理學家久保亮武R. Kubo發(fā)表1962年日本物理學家久保亮武R Kubo了著名的久保理論-量子限制理論,來解釋金屬超微粒子的能量不連續(xù)。塊體材料的電子數(shù)N趨于無窮大,電子能級為連續(xù),服從費米(Fermi分布。當金屬超微粒子的原子數(shù)目減少,將使金屬原子間距離加大,而金屬超微粒子的電子所具有的續(xù)能將被中斷而成不續(xù)的能

4、的連續(xù)能量,將被中斷而成不連續(xù)的能量。3.納米材料的特性 a.表面效應(yīng)指納米微粒的表面原子與總原子之比隨著納米微粒尺寸的減小而大幅度增加,粒子表面結(jié)合能隨之增加,從而引起納米微粒性質(zhì)變化的現(xiàn)象?；默F(xiàn)象 3.納米材料的特性 表面原子數(shù)占全部原子數(shù)的比例和粒徑之間關(guān)系見圖。 隨著粒徑減小,表面原子數(shù)迅速增加。這是由于粒徑小,表 面積急劇變大所致。高的比表面,使處于表面的原子數(shù)越來越多,同時,表面能子數(shù)越來越多同時 迅速增加。 3.納米材料的特性 由于表面原子數(shù)增多,原子配位不足及高的表面能,使這些表面原子具有高的活性,極不穩(wěn)面能使這些表面原子具有定,很容易與其他原子結(jié)合。例:金屬的納米粒子在空氣

5、中會燃燒;無機的納米粒子暴露在空氣中會吸附氣體,并與氣體進行反應(yīng)。 下面舉例說明納米粒子表面活性 高的原因。如圖所示的是單一立 方結(jié)構(gòu)的晶粒的二維平面團,假 定顆粒為圓形,實心團代表位于 表面的原子,空心圓代表內(nèi)部原子,顆粒尺寸為 3nm,原子間距為約0.3nm。 很明顯,實心團的原子近鄰配位不完全,存在缺少1個近鄰的“E”原于, 缺少2個近鄰的“D”原子 和缺少3個近鄰配位的“A“原子。 像A這樣的表面原子極不穩(wěn)定,很快跑到B位像“A”這樣的表面原子極不穩(wěn)定,很快跑到“B”置上,這些表面原子一遇見其他原子,很快結(jié)合,使其穩(wěn)定化,這就是活性的原因使其穩(wěn)定化,這就是活性的原因。這種表面原子的活性

6、不但引起納米粒子表面原子輸運和構(gòu)型的變化,同時也引起表面電子自旋構(gòu)像和電子能譜的變化。3.納米材料的特性 b.小尺寸效應(yīng)當超細微粒的尺寸與光波波長、德布羅意波長以及超導態(tài)的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當或更小時,晶體周期性的邊界條件將被破壞;非晶態(tài)納米微粒的顆粒非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面層附近原子密度減小,導致聲、光、電、磁、熱、力學等特性呈現(xiàn)新的變化。3.納米材料的特性 尺b.小尺寸效應(yīng)光吸收顯著增加,并產(chǎn)生吸收峰的等離子共振頻移;磁有序態(tài)向磁無序態(tài)、超導相向正常相的轉(zhuǎn)變;人們曾用高倍率電子顯微鏡對超細金顆粒(2nm的結(jié)構(gòu)非穩(wěn)定性進行觀察,實時地記錄顆粒形態(tài)在觀結(jié)構(gòu)非穩(wěn)定性進行觀察實時地

7、記錄顆粒形態(tài)在觀察中的變化,發(fā)現(xiàn)顆粒形態(tài)可以在單晶與多晶、孿晶之間進行連續(xù)地轉(zhuǎn)變,這與通常的熔化相變不同,之間進行連續(xù)地轉(zhuǎn)變這與通常的熔化相變不同并提出了準熔化相的概念。3.納米材料的特性 b.小尺寸效應(yīng)熱性能熔點力學性能粘結(jié)力、韌性光學性能光的吸收和散射 電性能隧道電流磁性能超順磁效應(yīng)3.納米材料的特性 b.小尺寸效應(yīng) 熔點納米尺寸減小表面能增加熔點降低A CdS 材料Au CdSe 1337K 1678K ?熔點(塊體600K (2nm (塊體700K (3nm 3.納米材料的特性 銀的常規(guī)熔點為670,而超微銀顆粒的熔點可低于100。如何應(yīng)用?超細銀粉制成的導電漿料可以進行低溫燒結(jié),此時

8、元件的基片不必采用耐高溫的陶瓷材料,甚至可用塑料。日本川崎制鐵公司采用0.11微米的銅、鎳超微顆粒制成導電漿料可代替鈀與銀等貴金屬。超微顆粒熔點下降的性質(zhì)對粉末冶金工業(yè)具有定的 超微顆粒熔點下降的性質(zhì)對粉末冶金工業(yè)具有一定的吸引力。例如,在鎢顆粒中附加0.1%0.5%重量比的超微鎳顆粒后,可使燒結(jié)溫度從3000降低到12001300,以致可在較低的溫度下燒制成大功率半導體管的基片。 3.納米材料的特性Water at macro scale a lubricant Water at nano-micro scale an adhesive 如何應(yīng)用? 30mMicroreliefof the

9、leave The development of the Lotus-Effect ®Sf Bi ik dLotus Effect paintSelf cleaning Bionik-product水珠吸附灰塵 水珠可以吸附灰塵的微粒 四年后Lotusan facade paint Standard facade paint Surface tensionSurface tension and wetting angleAdhesion << CohesionMechanism of the Lotus-Effect Lotus Effect The particles

10、adhere tightly to the surface Smooth neutral surface: The di Th dirt t particles ti l are predominantly d i tl overflowed by the water-droplet. Mirco-burled hydrophobic surface: Th down The d rolling lli droplet d l t washes h th the dirt particles away. The Lotus-Effect in action Secondary structur

11、e 1 × 1 cm Lotus leaf engineering imitation The Lotus-Effect extended Water droplet Water droplet The Lotus-Effect extended 天花板上的壁虎 特殊的力學性質(zhì) Hall-Petch 關(guān)系1/2k d=+Hall-Petch s 正Hall Petch 關(guān)系;反Hall-Petch 關(guān)系;正-反Hall-Petch 關(guān)系。特殊的力學性質(zhì) 陶瓷材料在通常情況下呈脆性,然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。因為納米材料具有大的界面界面的原子排列是相當?

12、因為納米材料具有大的界面,界面的原子排列是相當混亂的,原子在外力變形的條件下很容易遷移,因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與一定的延展性,使陶瓷材料具有新奇的力學性質(zhì)新奇的力學性質(zhì)。 美國學者報道氟化鈣納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂曲而不斷裂。 研究表明,人的牙齒之所以具有很高的強度,是因為它是由磷酸鈣等納米材料構(gòu)成的。呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬35倍。特殊的磁學性質(zhì) 磁性材料的磁性隨溫度的變化而變化,當溫度低于居超順磁效應(yīng)里點時,材料的磁性很難被改變;而當溫度高于居里點時,材料將變成“順磁體”(paramagnetic ,其磁性很容易隨周圍的磁場改變而改變?nèi)绻麥囟冗M一磁性很容易隨周圍的

13、磁場改變而改變。如果溫度進一步提高,或者磁性顆粒的粒度很小時,即便在常溫下,磁體的極性也呈現(xiàn)出隨意性,難以保持穩(wěn)定的磁性能,這種現(xiàn)象就是超順磁效應(yīng)(SuperparaMagnetic Effect 。3.納米材料的特性 硬盤盤片是通過在盤基上涂覆一層磁性材料制成 硬盤盤片是通過在盤基上涂覆層磁性材料制成的,常用的磁性材料為鈷鉑鉻硼(CoPtCrB合金,磁性粒子被稱為bit。當讀寫磁頭位于bit上方時,它就會通過改變磁性粒子的排列來記錄數(shù)據(jù)(以一系列的0和1表示,或者讀取以前寫入的數(shù)據(jù)。讀寫操作的速度非常高磁盤以數(shù)千轉(zhuǎn)至幾萬轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn),磁頭會同時掃描磁盤的每一面。3.納米材料的特性 現(xiàn)代硬盤的

14、數(shù)據(jù)密度越來越高,磁性粒子的直徑越來越小,雖然增加了硬盤的容量,但是也越來越靠近超順磁效應(yīng)的極限。超順磁效應(yīng)是怎樣影響數(shù)據(jù)存儲的呢?超順磁效應(yīng)使得磁體的極性紊亂,當磁頭讀取的磁信號與熱噪聲相近時,就無法判別bit是0還是1。磁的數(shù)據(jù)丟失。磁盤上的數(shù)據(jù)已經(jīng)丟失3.納米材料的特性 磁性材料的顆粒大小直接影響盤片的磁記錄密度,因為磁盤上表示信息的小磁極是由數(shù)百個磁性顆粒組成,磁記錄密度越高,要求磁性材料的粒度越細。硬盤的磁記錄密度為20Gbpsi (每個盤片約為30GB時,磁性顆粒的直徑為13nm,磁性涂層的厚度為17nm左右。要實現(xiàn)100Gbpsi的磁記錄密度,就必須把粒徑和涂層厚度分別縮小到9.

15、5nm和10nm。為提高硬盤存儲密度,磁性顆粒的粒度有最小限度嗎?3.納米材料的特性 3.納米材料的特性 隨著磁性顆粒的縮小,表示數(shù)據(jù)的小磁極會變得越來越不穩(wěn)定引起不穩(wěn)定的原因在于熱能,得越來越不穩(wěn)定。引起不穩(wěn)定的原因在于熱能,磁性顆粒必須擁有足夠的磁能才能抗拒顆粒所具有的熱能的干擾。熱能為玻耳茲曼常數(shù)與溫度的乘積,熱能隨溫度升高而增強;而磁能的 大小取決于磁力大小和粒子體積,由于已經(jīng)使用磁性最強的材料,沒有進一步增強磁力的空間了,因此磁性顆粒的磁能將隨粒度的縮小而降低。如果繼續(xù)降低磁性顆粒的體積,以至于降低如繼續(xù)降低磁性顆粒的體積 磁能低于熱能,硬盤本身的溫度甚至室溫就可以讓磁性顆粒的極性從

16、有序變成無序,導致小磁極的整體極性消失,這種現(xiàn)象被稱為“熱攪磁極的整體極性消失這種現(xiàn)象被稱為“動(Thermal Fluctuation”,熱攪動現(xiàn)象將導致數(shù)據(jù)的永久性丟失。為提高硬盤存儲密度而縮小磁性顆粒的粒度做法是有限度的3.納米材料的特性 另方面磁盤表面用于表示數(shù)據(jù)的每個小磁極是由許多磁 另一方面,磁盤表面用于表示數(shù)據(jù)的每個小磁極是由許多磁性顆粒構(gòu)成的,相鄰的兩個磁極之間在盤面上呈現(xiàn)犬牙交錯從成極抵消就所謂的形態(tài),從而造成小磁極邊緣的磁通相互抵消,這就是所謂的“磁轉(zhuǎn)變噪音(Magnetic Transition Noise”。磁轉(zhuǎn)變噪音減小了磁極的磁場強度,這對讀取信息構(gòu)成一定的負面影響

17、。如果磁極沒有足夠的長度,磁頭將很難讀取磁盤信息。影響如果磁極沒有足夠的長度磁頭將很難讀取磁盤信息為了縮短小磁極的長度,同時又要避免這種噪音的影響,只有通過縮小磁性顆粒的直徑,以使磁極的邊緣看上去相當“平齊”而非“犬牙交錯”為了實現(xiàn)100Gb i“平齊”而非“犬牙交錯”。為了實現(xiàn)100Gbpsi的記錄密度就必須制作出10nm以下的結(jié)晶。3.納米材料的特性 如何改進?反鐵磁耦合,鎖定存儲位 3.納米材料的特性 垂直記錄技術(shù),以厚度對抗超順磁效應(yīng) 垂直記錄技術(shù)是在提高磁記錄密度的同時,通過增加磁性材料的厚度來維持磁記錄單元的體積。 3.納米材料的特性 磁性金屬和合金般都有磁電阻現(xiàn)象即在定磁場下電阻

18、改變的現(xiàn)象磁性金屬和合金一般都有磁電阻現(xiàn)象,即在一定磁場下電阻改變的現(xiàn)象,而所謂巨磁阻就是指在一定的磁場下電阻急劇減小,一般減小的幅度比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻數(shù)值高出10余倍。 3.納米材料的特性Albert Fert CNRS, FrancePeter Grünberg Forschungszentrum Jülich, Germany2007年10月9日下午5點45分,2007年諾貝爾物理學獎 3.納米材料的特性 cc.量子尺寸效應(yīng)當粒子尺寸下降到某一值時,金屬費米能級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象和納米半導體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道能級,能隙變寬現(xiàn)象均稱為量子尺寸效應(yīng)。3.納米材料的特性 c.量子尺寸效應(yīng)能帶理論表明,金屬費米能級附近電子能級一般是連續(xù)的,這一點只有在高溫或宏觀尺級般是連續(xù)的這點只有在高溫或宏觀尺寸情況下才成立。對于只有有限個導電電子的超微粒子來說,低溫下能級是離散的,這時必須要考慮量子尺寸效應(yīng),這會導