電子材料之納米材料

走材料叢中，

一瞥電風(fēng)情。導(dǎo)電材料光電材料磁性材料半導(dǎo)體材料超導(dǎo)材料敏感材料壓電鐵電材料絕緣材料納米材料電子材料之導(dǎo)電材料光電材料磁性材料半導(dǎo)體材料超導(dǎo)材料敏感材料壓電鐵電材料絕緣材料納米材料何為納米電子材料通俗地說，納米電子材料是納米技術(shù)在電子材料學(xué)上的應(yīng)用。體積更小速度更快更低能耗更大空間六大效應(yīng)四大性質(zhì)三大維度五大表征A三大維度SanDaWeiDu三大維度SanDaWeiDu三大維度零維量子點(diǎn)QuantumDot，納米晶Nanocrystal三大維度量子線，納米線Nanowire納米管Nanotube納米帶Nanoribbon三大維度納米薄膜，超晶格或量子阱，廣泛應(yīng)用于各種半導(dǎo)體器件LED

LaserDiode

Photodetector

Solarcell

MOSFETThinfilmtransistor三大維度尺寸小于15納米的超微顆粒在高壓力下壓制成型，或經(jīng)過熱處理所生成的致密型固體材料。三大維度特殊的空間結(jié)構(gòu)如：納米陶瓷一般的陶瓷材料具有高硬度、耐磨等優(yōu)點(diǎn)，但又脆性過強(qiáng)，不易加工。納米陶瓷材料一定程度上能增加韌性，改良脆性。——特殊的功能性質(zhì)B四大性質(zhì)SiDaXingZhi四大性質(zhì)SiDaXingZhi當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長(zhǎng)的尺寸時(shí)，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實(shí)上，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，銀白色的鉑（白金）變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。由此可見，金屬超微顆粒對(duì)光的反射率很低，通常可低于l％，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個(gè)特性可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。此外又有可能?yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。四大性質(zhì)特殊的光學(xué)性質(zhì)固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時(shí)，其熔點(diǎn)是固定的，超細(xì)微化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點(diǎn)將顯著降低，當(dāng)顆粒小于10納米量級(jí)時(shí)尤為顯著。例如，金的常規(guī)熔點(diǎn)為1064C℃，當(dāng)顆粒尺寸減小到10納米尺寸時(shí)，則降低27℃，2納米尺寸時(shí)的熔點(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℃。超微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分不同的，若用高倍率電子顯微鏡觀察金超微顆粒（直徑2nm），發(fā)現(xiàn)這些顆粒沒有固定的形態(tài)，隨著時(shí)間的變化會(huì)自動(dòng)形成各種形狀（如立方八面體，十面體，二十面體等），它既不同于一般固體，又不同于液體，是一種準(zhǔn)固體。在電子顯微鏡的電子束照射下，表面原子仿佛進(jìn)入了“沸騰”狀態(tài)，尺寸大于10納米后才看不到這種顆粒結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，這時(shí)微顆粒具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。四大性質(zhì)特殊的熱學(xué)性質(zhì)人們發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細(xì)菌等生物體中存在超微的磁性顆粒，使這類生物在地磁場(chǎng)導(dǎo)航下能辨別方向，具有回歸的本領(lǐng)。磁性超微顆粒實(shí)質(zhì)上是一個(gè)生物磁羅盤，生活在水中的趨磁細(xì)菌依靠它游向營(yíng)養(yǎng)豐富的水底。通過電子顯微鏡的研究表明，在趨磁細(xì)菌體內(nèi)通常含有微小的磁性氧化物顆粒。小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同，當(dāng)顆粒尺寸減小到20nm以下時(shí)，其矯頑力可增加1千倍，若進(jìn)一步減小其尺寸，大約小于6nm時(shí)，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，已作成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙等。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。四大性質(zhì)特殊的磁學(xué)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?yàn)榧{米材料具有大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)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(xué)性質(zhì)。美國(guó)學(xué)者報(bào)道氟化鈣納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。研究表明，人的牙齒之所以具有很高的強(qiáng)度，是因?yàn)樗怯闪姿徕}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3～5倍。至于金屬一陶瓷等復(fù)合納米材料則可在更大的范圍內(nèi)改變材料的力學(xué)性質(zhì)，其應(yīng)用前景十分寬廣。四大性質(zhì)特殊的力學(xué)性質(zhì)C五大表征WuDaBiaoZheng納米材料測(cè)量和表征技術(shù)納米材料的發(fā)現(xiàn)和研究同先進(jìn)的現(xiàn)代顯微鏡技術(shù)密切相關(guān)利用磁透鏡對(duì)穿過樣品的電子束進(jìn)行放大，將樣品中超微結(jié)構(gòu)信息以電子圖象的方式顯示在熒光屏上，它是一種高性能大型精密電子光學(xué)儀器。(TEM)透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡掃描電子顯微鏡的制造是依據(jù)電子與物質(zhì)的相互作用。當(dāng)一束高能的入射電子轟擊物質(zhì)表面時(shí)，被激發(fā)的區(qū)域?qū)a(chǎn)生二次電子、俄歇電子、特征x射線和連續(xù)譜X射線、背散射電子、透射電子，以及在可見、紫外、紅外光區(qū)域產(chǎn)生的電磁輻射。同時(shí)，也可產(chǎn)生電子-空穴對(duì)、晶格振動(dòng)（聲子）、電子振蕩（等離子體）掃描電子顯微鏡SEM是scanningelectronmicroscope（掃描式電子顯微鏡）的簡(jiǎn)寫D六大效應(yīng)LiuDaXiaoYing六大效應(yīng)LiuDaXiaoYing表面效應(yīng)六大效應(yīng)物質(zhì)的尺寸減小到納米級(jí)，將引起表面原子數(shù)、表面積、表面能的迅速增加，引發(fā)物質(zhì)化學(xué)活性、光學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性質(zhì)的改變。這是因?yàn)楸砻嬖拥木w場(chǎng)和結(jié)合能與內(nèi)部原子的不同，表面原子周圍缺少相鄰的原子，有許多懸空鍵，具有不飽和性，易與其它原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來，具有很大的化學(xué)活性，從而使表面能大大增加。體積效應(yīng)六大效應(yīng)納米粒子體積小，質(zhì)量小，所包含的原子數(shù)少，當(dāng)納米粒子的尺寸與傳導(dǎo)電子的德布羅意波長(zhǎng)相當(dāng)或更小時(shí)，周期性的邊界條件將被破壞，其磁性、內(nèi)壓、光吸收、熱阻、化學(xué)活性、催化性能以及熔點(diǎn)等性質(zhì)與普通粒子相比都有很大變化，這就是納米粒子的體枳效應(yīng)，該效應(yīng)為納米粒子的應(yīng)用開拓了廣闊的新領(lǐng)域。量子尺寸效應(yīng)六大效應(yīng)當(dāng)粒子尺寸下降到納米級(jí)，金屬的費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散，以及納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)和最低未被占據(jù)分子軌道能級(jí)，能隙變寬現(xiàn)象均稱為量子尺寸效應(yīng)。宏觀量子隧道效應(yīng)六大效應(yīng)將微觀粒子具有貫穿勢(shì)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，如微顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相關(guān)器件中的磁通量以及電荷等也具有隧道效應(yīng)，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢(shì)阱而產(chǎn)生變化，故稱之為宏觀量子隧道效應(yīng)。這一效應(yīng)與量子尺寸效應(yīng)一起將會(huì)是未來微電子器件的基礎(chǔ)，它們確定了微電子器件進(jìn)一步微型化的極限，也限定了采用磁帶磁盤進(jìn)行信息儲(chǔ)存的最短時(shí)間。介電限域效應(yīng)六大效應(yīng)納米微粒分散在異質(zhì)介質(zhì)中，當(dāng)介質(zhì)的折射率與微粒的折射率相差很大時(shí)，便產(chǎn)生了折射率邊界，導(dǎo)致微粒表面和內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)比入射場(chǎng)強(qiáng)明顯增強(qiáng)，這種由于界面引起的體系介電增強(qiáng)稱為介電限域效應(yīng)。庫侖堵塞效應(yīng)六大效應(yīng)當(dāng)一個(gè)粒子的尺寸達(dá)到納米級(jí)，這個(gè)體系的充電和放電過程是不連續(xù)（量子化）的。換言之，電流隨電壓的上升不再是線性增加而是階梯式增加。此時(shí)充入一個(gè)電子所需的能量成為庫侖堵塞能，它是電子在進(jìn)入或離開體系時(shí)前一個(gè)電子對(duì)