納米材料的研究進(jìn)展

納米材料的研究進(jìn)展

1納米科技的起源與發(fā)展歷程材料是時間的象征。它是先進(jìn)科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代文明的重要物質(zhì)基礎(chǔ)之一。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,對各類材料的要求愈來愈高,納米材料就是在這種高技術(shù)需求的背景下產(chǎn)生的。1959年,諾貝爾物理獎獲得者費(fèi)曼(Feynman)在美國加州理工學(xué)院召開的美國物理學(xué)會年會上做了題為《在底部還有很大空間》的演講。他從“由下而上的方法”出發(fā),提出從單個分子甚至原子開始進(jìn)行組裝,以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。他說道,“至少依我看來,物理學(xué)的規(guī)律不排除一個原子一個原子地制造物品的可能性?！辈㈩A(yù)言,“當(dāng)我們對細(xì)微尺寸的物體加以控制的話,將極大的擴(kuò)充我們獲得物性的范圍”。他所說的物體就是現(xiàn)在的納米,這一預(yù)言被科學(xué)界視為納米材料萌芽的標(biāo)志,費(fèi)曼并不知道怎么去實(shí)現(xiàn)納米技術(shù)。20世紀(jì)70年代,科學(xué)家開始從不同角度提出有關(guān)納米科技的構(gòu)想,1974年,科學(xué)家唐尼古奇最早使用納米技術(shù)一詞描述精密機(jī)械加工。20世紀(jì)70年代后期,麻省理工學(xué)院德雷克斯勒教授提倡納米科技的研究,但當(dāng)時多數(shù)主流科學(xué)家對此持懷疑態(tài)度。納米科技的迅速發(fā)展是在80年代末90年代初。80年代初德國材料科學(xué)家格萊特(Gleiter)教授利用惰性氣體凝集的方法制備出納米顆粒,并用X射線衍射等測試其內(nèi)部結(jié)構(gòu),對納米材料的結(jié)構(gòu)和性能作了綜合報(bào)道,提出了納米晶體的概念,成為了納米材料的創(chuàng)始者。1982年,科學(xué)家發(fā)明了研究納米的重要工具——掃描隧道顯微鏡,揭示了一個可見的原子、分子世界,對納米科技發(fā)展產(chǎn)生了積極的促進(jìn)作用。隨后,美國、德國和日本科學(xué)家先后制成多種納米材料粉末及燒結(jié)塊體材料,開始了納米材料及技術(shù)的研究時代。為了總結(jié)和交流納米材料的研究成果,推動納米技術(shù)的發(fā)展,1990年7月在美國召開了“第一屆納米科學(xué)與技術(shù)討論會”,這是納米材料發(fā)展的一個里程碑。以后,各國科學(xué)家積極參與了對納米材料物理和化學(xué)性能的研究,不斷地發(fā)現(xiàn)納米材料的特殊性能,使之成為材料科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。納米材料對新材料的設(shè)計(jì)和發(fā)展以及人們對固體材料本質(zhì)結(jié)構(gòu)性能的認(rèn)識都具有十分重要的價(jià)值,因此被科學(xué)家們譽(yù)為“21世紀(jì)最有前途的材料”。事實(shí)上,世界上早就有納米材料存在,天體的隕石碎片,人體和獸類的牙齒都是由納米微粒構(gòu)成的。而浩瀚的海洋則是一個龐大超微粒的聚集場所。據(jù)研究認(rèn)為中國古代字畫之所以歷經(jīng)千年而不褪色,是因?yàn)樗玫哪怯杉{米級的碳黑組成。中國古代銅鏡表面的防銹層也被證明是由納米氧化錫顆粒構(gòu)成的薄膜。只是當(dāng)時的人們沒有清楚的了解而已。到80年代科學(xué)家才驚奇地發(fā)現(xiàn),由幾個到幾千個原子組成的納米顆粒既不同于宏觀的大塊物體,也不同于單個的原子和分子,而是一個頗具“個性”的奇特的群體。2納米晶體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)納米級的顆粒是由數(shù)目極少的原子或分子組成的原子群或分子群,是一種典型的介觀系統(tǒng)。因此,從結(jié)構(gòu)上看,它是由兩種組元構(gòu)成的,即材料的體相組元晶體原子和界面組元晶界。若是常規(guī)材料,截面應(yīng)該是一個完整的晶體結(jié)構(gòu),但對于納米晶來說,由于晶粒尺寸小,界面組元在整個材料中所占的比例極大,晶界缺陷所占的體積比也相當(dāng)大,盡管每個單獨(dú)的分界面可能具有一個二維局部或局域的有序結(jié)構(gòu),但從一個局部界面到另一個局部界面的周期不同,由所有這樣的界面原子組成的界面,其原子排列方式均不同。因此,在整體上構(gòu)成了一種與晶態(tài)和玻璃態(tài)均有較大差別的、嶄新的微觀結(jié)構(gòu)。由于納米粒子的這種特殊類型的結(jié)構(gòu),導(dǎo)致納米材料具有一系列新異的物理、化學(xué)特性,而且這些特性是其他固體材料或常規(guī)材料根本所不具有的特性。3納米特征3.1德布羅意波長的影響當(dāng)超細(xì)微粒子尺寸與光波波長及傳導(dǎo)電子德布羅意波長以及超導(dǎo)態(tài)的相干長度或透射深度等尺寸相當(dāng)或更小時,周期性的邊界條件將被破壞從而產(chǎn)生一系列新奇的性質(zhì)。3.1.1金屬超微顆粒尺寸對光反射率的影響納米金屬的光吸收性顯著增強(qiáng)。粒度越小,光反射率越低。所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小,顏色愈黑。金屬超微顆粒對光的反射率通常可低于1%,約幾微米的厚度就能完全消光。相反,一些非金屬材料在接近納米尺度時,出現(xiàn)反光現(xiàn)象。納米TiO2、納米SiO2、納米Al2O3等對大氣中紫外光具有很強(qiáng)的吸收性。3.1.2顆粒尺寸對金相的影響固態(tài)物質(zhì)超細(xì)微化后其熔點(diǎn)顯著降低。當(dāng)顆粒小于10nm數(shù)量級時尤為顯著。例如,金的常規(guī)熔點(diǎn)為1064℃,當(dāng)顆粒尺寸減小到2nm尺寸時熔點(diǎn)僅為327℃左右;銀的常規(guī)熔點(diǎn)為670℃,而超微銀顆粒的熔點(diǎn)可低于100℃。3.1.3高矯頑力磁顆粒小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料有顯著的不同,大塊的純鐵矯頑力約為80A/m,而當(dāng)顆粒尺寸減小到20nm以下時,其矯頑力可增加1千倍,當(dāng)顆粒尺寸約小于6nm時,其矯頑力反而降低到零,呈現(xiàn)出超順磁性。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性,已做成高貯存密度的磁記錄磁粉,大量應(yīng)用于磁帶、磁盤、磁卡等。利用超順磁性,人們已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。3.1.4納米陶瓷材料納米材料的強(qiáng)度、硬度和韌性明顯提高。納米銅的強(qiáng)度比常態(tài)提高5倍;納米金屬比常態(tài)金屬硬3-5倍。納米陶瓷材料具有良好的韌性,因?yàn)榧{米材料具有大的界面,界面的原子排列相當(dāng)混亂,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。例如,氟化鈣納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。3.2納米粒子的表面作用與宏觀物體相比,納米粒子因?yàn)楸砻嬖訑?shù)目增多,比表面積增大。這會導(dǎo)致無序度增加,同時晶體的對稱性變差,其部分能帶被破壞,因而出現(xiàn)了界面效應(yīng)。較大的比表面積和小尺寸的納米粒子,導(dǎo)致位于表面的原子占有相當(dāng)大的比例,原子配位不足,表面原子的配位不飽和性導(dǎo)致大量的懸空鍵和不飽和鍵,表面能高,因而這些表面原子具有高的活性。納米材料較高的化學(xué)活性,使其具有了較大的擴(kuò)散系數(shù),大量的界面為原子擴(kuò)散提供了高密度的短程快擴(kuò)散路徑。這種表面原子的活性就是表面效應(yīng)。納米粒子的表面界面效應(yīng),主要表現(xiàn)為:(1)熔點(diǎn)降低,這是由于表面原子存在振動弛豫,即振幅增大,頻率減小;(2)比熱增大。3.3宏觀量子隧道效應(yīng)和矢量尺寸效應(yīng)量子隧道效應(yīng)是從量子力學(xué)的粒子具有波粒二象性的觀點(diǎn)出發(fā)的,解釋粒子能夠穿越比總能量高的勢壘,這是一種微觀現(xiàn)象。近年來,發(fā)現(xiàn)一些宏觀量(如微顆粒的磁化強(qiáng)度和量子相干器的磁通量等)也具有隧道效應(yīng),稱為宏觀量子隧道效應(yīng)。用此概念可以定性解釋納米鎳晶粒在低溫下繼續(xù)保持超順磁性現(xiàn)象。量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)將是未來微電子器件的基礎(chǔ),或者說它確立了現(xiàn)存微電子器件進(jìn)一步微型化的極限。如在制造半導(dǎo)體集成電路時,當(dāng)電路的尺寸接近波長時,電子借助隧道效應(yīng)而溢出器件,器件便無法工作。經(jīng)典電路的物理極限尺寸大約為0.25μm。3.4介電限域效應(yīng)隨著納米晶粒粒徑的不斷減小和比表面積不斷增加,其表面狀態(tài)的改變將會引起微粒性質(zhì)的顯著變化。例如,當(dāng)在半導(dǎo)體納米材料表面修飾一層某種介電常數(shù)較小的介質(zhì)時,相對于裸露在半導(dǎo)體納米材料周圍的其他介質(zhì)而言,被包覆的納米材料中電荷載體的電力