納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

1861年，隨著膠體化學(xué)的建立，科學(xué)家們開始研究直徑為1.10納米（1nm=10-9？m）的粒子系統(tǒng)。然而，真正有效的納米顆粒始于20世紀(jì)60年代。1973年，uyeda等人用氣體冷卻法制備了金屬納米顆粒，并用電鏡和衍射法研究了它們的形狀和結(jié)構(gòu)。在20世紀(jì)70年代末，declocks樂成立了納米科學(xué)研究所。1986年，glarker和其他人首次全面報道了納米的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。20世紀(jì)90年代7月，第一批美國巴爾莫納科學(xué)技術(shù)會議召開，這標(biāo)志著納米科學(xué)的正式誕生。從那時起，一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開始投入大量資金進行研究。中國也多次召開全國納米結(jié)晶材料學(xué)術(shù)研討會，1992年成立了納米國際化出版物。1nanost與納米器件器件微小化是推動現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要因素,而器件微小化對尋找新型功能材料提出了更高的要求.因此,人們需要對一些介觀尺度的各種現(xiàn)象,如納米尺度材料的結(jié)構(gòu)、特性以及與低維相關(guān)聯(lián)的量子尺寸限制效應(yīng)等進行深入的研究,隨之納米科學(xué)技術(shù)也就應(yīng)運而生.所謂納米科學(xué)技術(shù)(nanoscienceandtechnology,簡稱NanoST)就是在0.1~100nm尺度上研究和應(yīng)用原子、分子現(xiàn)象,并由此發(fā)展起來的多學(xué)科的、基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究緊密聯(lián)系的新的科學(xué)技術(shù).它是現(xiàn)代物理(介觀物理、量子力學(xué)、混沌物理和分子生物學(xué)等)和先進工程技術(shù)(計算機、微電子和掃描隧道顯微鏡等技術(shù))結(jié)合的產(chǎn)物.納米并非是一個新名詞,但是在NanoST中的納米卻是一種新的思考方式,即生產(chǎn)過程要越來越精細(xì),以致最后在納米尺度上直接由原子和分子制造具有特定功能的產(chǎn)品.因此,隨著NanoST的發(fā)展,必將引發(fā)一系列新的科學(xué)技術(shù).國際納米科技會議將納米科技分為6個主要部分,即納米電子學(xué)、納米物理、納米化學(xué)、納米生物學(xué)、納米機械學(xué)和納米測量學(xué).其中納米電子學(xué)處于重要地位,其研究的直接目標(biāo)就是新型的納米電子器件,在納米器件中,最有特色的是單電子器件.其典型結(jié)構(gòu)是納米粒子,它的電子結(jié)構(gòu)特點是一個勢阱內(nèi)具有分立能級的量子點,若處于量子點內(nèi)的電子能量高于熱起伏,那么就可以檢測到單電子隧穿現(xiàn)象.在此基礎(chǔ)上可以構(gòu)造單電子晶體管、邏輯電路、存儲電路以及納米功能元件陣列的超高密度集成電路.與現(xiàn)在的微電子器件相比,它具有更低的功耗、更快的開關(guān)速度、更高的存儲密度以及更高的集成度.因此,它不僅有豐富的理論內(nèi)容,而且有極為現(xiàn)實的應(yīng)用前景.2納米信息技術(shù)的發(fā)展歷程與納米計算方法過去半個多世紀(jì)的歷史表明,電子器件的發(fā)展,對人類社會的進步起著巨大的推動作用.從真空電子管的發(fā)明到晶體管的出現(xiàn),從集成電路的誕生到大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路的廣泛應(yīng)用,每一代小型化電子器件的出現(xiàn),都帶來了電子技術(shù)的革命,推動了電子科技的迅速發(fā)展,也促進了其它科技和社會生產(chǎn)的進步.特別是以微電子器件為基礎(chǔ)的高速計算機的出現(xiàn)和個人計算機的廣泛應(yīng)用,使人類社會進入了計算機時代.促進計算機時代繼續(xù)發(fā)展的一個重要因素是微電子器件的集成度不斷提高,其芯片上的功能元件尺寸不斷減小,按照目前功能元件尺寸減小的速度推算,不久的將來,芯片上功能元件的尺寸將進入納米范圍.目前,人類廣泛應(yīng)用的功能材料和元件,其尺寸遠(yuǎn)大于電子自由程,觀測的電子輸運行為具有統(tǒng)計平均結(jié)果.描述這些性質(zhì)的主要是宏觀物理量,現(xiàn)已有成熟的理論和技術(shù).當(dāng)功能材料和元件的尺寸逐漸減小到納米量級時,其物理長度與電子自由程相當(dāng),載流子的輸運將有明顯的量子力學(xué)特征,傳統(tǒng)的理論和技術(shù)已不再適用.因而,需要發(fā)展基于電子的波動性、電子的量子隧道效應(yīng)、電子能級的不連續(xù)性、量子尺寸效應(yīng)和統(tǒng)計漲落等特性的新的理論和新的技術(shù).傳統(tǒng)科學(xué)技術(shù)中元件尺寸是從毫米向微米過渡,現(xiàn)在,在新技術(shù)、新效應(yīng)的應(yīng)用中,功能元件的尺寸要求從微米向納米過渡.如果再進一步發(fā)展,需要組裝性能更新穎、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的功能元件,就需要開發(fā)新材料和相應(yīng)的組裝技術(shù),也就更需要多學(xué)科的協(xié)作與交叉發(fā)展.因此,從80年代后期開始逐漸發(fā)展起來了一個新的綜合性的多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域——納米科學(xué)技術(shù).納米科學(xué)技術(shù)的誕生將對生產(chǎn)力的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響,并且有可能從根本上解決人類面臨的一系列問題,例如糧食、健康、能源和環(huán)境保護等重大問題.3納米多級材料的確定,分為三級廣義的納米材料泛指三維空間中至少有一維處于納米量級的材料,例如,厚度為納米量級的薄膜、多層膜;直徑為納米量級的線管;三個維度均為納米量級的微粒、微晶及其所組成的材料.狹義的納米材料主要是指后者.3.1納米粒子的表征納米粒子是在納米尺度上原子和分子的集合體,是既大于原子簇又小于通常微粉,一般粒徑在1~100nm之間,只能用高倍電子顯微鏡進行觀察的微粒.由于納米粒子粒徑小,其表面(晶界)占的比重很大.對每一個納米粒子來說,它是由兩部分原子集合而成的,即體相中配位飽和且作用力場對稱的原子和表面上具有斷鍵且作用力非對稱的原子組成.原則上講,金屬、非金屬、有機物、無機物均可采用物理、化學(xué)、生物等方法使其超細(xì)微化,從而得到相應(yīng)的納米粒子.由于材料在超細(xì)微粒化過程中發(fā)生了質(zhì)的飛躍,產(chǎn)生了許多優(yōu)于傳統(tǒng)材料的特殊性能.3.2界面區(qū)域原子的排列無序度、混亂度由納米微粒壓制燒結(jié)而組成的三維物體稱為納米固體.從結(jié)構(gòu)上來說它是由兩種組元構(gòu)成,即顆粒組元和界面組元.由于顆粒尺寸小,界面組元占據(jù)了可以與顆粒組元相比擬的體積百分比,例如,當(dāng)微粒的粒徑為5nm時,界面所占納米固體的體積百分?jǐn)?shù)大約為50%.界面組元內(nèi)的原子排列無序度、混亂度高于傳統(tǒng)晶態(tài)和非晶態(tài).當(dāng)然也有對此持不同觀點的提法.如最近有人用TEM高分辨技術(shù)對鈀的納米晶體進行仔細(xì)觀察,發(fā)現(xiàn)納米晶體的界面區(qū)域原子仍處于一種短程序狀態(tài).這種截然不同的觀點說明納米態(tài)結(jié)構(gòu)特征、界面原子狀態(tài)仍然是懸而未決的問題,亟待深入探討.3.3薄膜薄膜中粒子隨機地、混亂地分散納米復(fù)合材料大致包括三種類型:一種是0-0復(fù)合,即不同成分、不同相或不同種類的納米粒子復(fù)合而成的納米固體;第二種是0-2復(fù)合,即把納米粒子分散到二維的薄膜材料中,這種0-2復(fù)合材料又可分為均勻彌散和非均勻彌散兩類.均勻彌散是指納米粒子在薄膜中均勻分布,非均勻彌散是指納米粒子隨機地、混亂地分散在薄膜基體中;第三種是0-3復(fù)合,即把納米粒子分散到常規(guī)的三維固體中.用這種方法獲得的納米復(fù)合材料由于它的優(yōu)越性能和廣泛的應(yīng)用前景,成為當(dāng)今納米科學(xué)研究的熱點之一.此外,有人把納米層狀結(jié)構(gòu)也歸結(jié)為納米材料,由不同材質(zhì)構(gòu)成的多層膜也稱為納米復(fù)合材料.目前,正在進行研究或已經(jīng)獲得的納米復(fù)合材料包括:納米復(fù)合涂層材料、高力學(xué)性能材料、高分子基納米復(fù)合材料、磁性材料、光學(xué)材料、高介電材料、仿生材料等.隨著納米材料科學(xué)的不斷深入發(fā)展,人們必將會不斷地獲得更多、性能更優(yōu)的納米復(fù)合材料.納米微粒屬于介觀系統(tǒng),即處在原子簇與宏觀物體交界的過渡區(qū)域,按通常的觀點來看,這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng),亦非典型的宏觀系統(tǒng).它具有一系列新異的特性,涉及到大塊樣品中所忽略的、或根本不具有的一些基本物理、化學(xué)問題.對它的研究是人類認(rèn)識客觀世界的新層次,一些與傳統(tǒng)凝聚態(tài)物理不同的新現(xiàn)象、新概念和新規(guī)律將從這里誕生.4納米效果當(dāng)微粒的尺寸進入納米量級(1~100nm)時,其本身和由它構(gòu)成的納米固體具有如下四個方面的效應(yīng),也稱為納米效應(yīng).4.1納米粒子尺寸的影響當(dāng)納米粒子的尺寸與光波的波長、傳導(dǎo)電子的德布羅意波長以及超導(dǎo)態(tài)的相干長度或透射深度等物理尺寸相當(dāng)或更小時,周期性的邊界條件被破壞,聲、光、電、磁、熱力學(xué)特性等均會隨著粒子尺寸的減小發(fā)生顯著變化.這種因尺寸的減小而導(dǎo)致的變化稱為小尺寸效應(yīng),也叫體積效應(yīng),它是其它效應(yīng)的基礎(chǔ).例如,隨著納米粒子尺寸減小,光吸收顯著增加并產(chǎn)生吸收峰等離子共振頻移;由磁有序狀態(tài)向磁無序狀態(tài)的轉(zhuǎn)變;由超導(dǎo)相向正常相的轉(zhuǎn)變和聲子譜的改變等.利用等離子共振頻率隨顆粒尺寸變化的性質(zhì),可以改變顆粒尺寸控制吸收邊的位移,制造具有一定頻寬的微波吸收納米材料,用于電磁波屏蔽、隱形飛機等.4.2納米粒子及固體材料的表面高效燃燒表面效應(yīng)是指納米粒子表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化.因表面原子處于“裸露”狀態(tài),周圍缺少相鄰的原子,有許多空懸鍵,易與其它原子結(jié)合而穩(wěn)定,具有較高的化學(xué)活性.例如,利用納米粒子粒徑小、表面有效反應(yīng)中心多、催化性好等特點,在火箭固體燃料中摻合鋁納米晶,可提高其燃燒效率.表面效應(yīng)是納米粒子及固體材料中最重要的效應(yīng)之一.4.3u3000中心量子尺寸效應(yīng)是指納米粒子尺寸下降到一定值時,費米能級附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)榉稚⒛芗壍默F(xiàn)象.早在60年代Kubo就采用電子模型給出了決定能級間距的著名公式δ=43EFNδ=43EFΝ,其中δ為能級間距,EF為費米能級,N為總電子數(shù).對常規(guī)物體,因包含有無限多個原子(即所含電子數(shù)N→∞),故常規(guī)材料的能級間距幾乎為零(δ→0);而對納米粒子,因其含原子數(shù)有限,δ有一定的數(shù)值,即能級發(fā)生了分裂.當(dāng)能級的間距大于熱能、磁能、光子能量、超導(dǎo)態(tài)的凝聚能等典型能量值時,必然因量子效應(yīng)導(dǎo)致納米微粒的光、熱、電、磁、聲等特性與常規(guī)材料有顯著不同.例如,特異的光催化性、高光學(xué)非線性及電學(xué)特性等.4.4微器件的基礎(chǔ)特性微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應(yīng).近年來,人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量,例如,微顆粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量以及電荷等也具有貫穿宏觀系統(tǒng)勢壘而產(chǎn)生變化的隧道效應(yīng)——宏觀量子隧道效應(yīng).宏觀量子隧道效應(yīng)的研究對基礎(chǔ)研究及實用都有重要意義,它限定了磁帶、磁盤進行信息貯存的時間極限,將會是未來微電子器件的基礎(chǔ).當(dāng)微電子器件進一步細(xì)微化時,必須要考慮上述量子效應(yīng).上述四種納米效應(yīng)是納米微粒和納米固體的基本特性,它使納米微粒和納米固體表現(xiàn)出許多奇異的性質(zhì).例如,金屬為導(dǎo)體,但納米金屬微粒在低溫下由于量子尺寸效應(yīng)會呈現(xiàn)電絕緣性;鐵磁性的物質(zhì)進入納米級(~5nm),因由多疇變成單疇而顯示極強的順磁效應(yīng);化學(xué)惰性的金屬鉑制成納米微粒(鉑黑)后卻成為活性極好的催化劑等.由納米微粒構(gòu)成的納米固體也是如此.例如,納米金屬銅的比熱是傳統(tǒng)純銅的2倍;納米固體鈀的熱膨脹提高1倍;納米磁性金屬的磁化率是普通金屬的20倍,而飽和磁矩卻只有普通金屬的1/2等等.5納米表面材料的應(yīng)用雖然納米粒子及由其組成的納米固體有諸多特殊的物理、化學(xué)性質(zhì),但是納米微粒的尺寸不同,其性質(zhì)差別很大,因此,制備出具有良好粒度分布的納米微粒是研究和應(yīng)用納米材料的先決條件.納米微粒的制備方法可分為物理法、化學(xué)法和物理化學(xué)綜合法.物理法主要包括蒸發(fā)冷凝法、離子濺射法、機械研磨法、低溫等離子體法、氫脆法、電火花和爆炸法等;化學(xué)法主要有水熱法、溶膠-凝膠法、溶劑揮發(fā)分解法、乳膠法和蒸發(fā)分解法等;綜合法有激光誘導(dǎo)化學(xué)沉積法和等離子加強化學(xué)沉積法等.由上述方法獲得的納米微粉經(jīng)加壓、燒結(jié)即成納米固體.納米固體也可采用熔淬、機械合金化及熔融淬冷等工藝制備.納米材料有著廣泛的應(yīng)用前景,主要包括以下幾個方面:(1)在磁記錄上的應(yīng)用.磁性納米粒子粒徑小,具有單磁疇結(jié)構(gòu)、矯頑力很高的特性.用它做磁記錄材料可以提高信噪比,改善圖像質(zhì)量.例如,松下電器公司已制成的納米級微粒錄像帶,具有圖像清晰、信噪比高、失真小的優(yōu)點.(2)在傳感器上的應(yīng)用.納米微粒和納米固體是應(yīng)用于傳感器最有前途的材料.由于其巨大的表面和界面,對外界環(huán)境如溫度、濕度、光等十分敏感,外界環(huán)境的變化會迅速引起表面和界面等離子價態(tài)和電子輸運的變化,而且響應(yīng)速度快,靈敏度高.例如,利用納米NiO,FeO,CoO-Al2O3和SiC的載體溫度效應(yīng)引起電阻變化,可制成溫度傳感器(溫度計、熱輻射計)等.(3)在催化方面的應(yīng)用.納米粒子表面有效反應(yīng)中心多,為納米粒子作催化劑提供了必要的條件.例如,把納米粒子摻合到發(fā)動機的液體或氣體燃料中,可提高其效率.(4)在工程方面的應(yīng)用.納米固體界面積巨大,熔點低,通常在高溫下燒結(jié)的材料(例如,SiC,WC,BN等)在納米態(tài)下可以在較低溫度下進行燒結(jié),且不用添加劑仍然使其保持良好的性能.由于復(fù)相材料的熔點、相變溫度不同,使其燒結(jié)比較困難.納米微粒的小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)不僅使其熔點降低,也使其相變溫