納米科技簡介課件

納米科技進(jìn)展華北電力大學(xué)數(shù)理系付星球納米科技簡介--納米科技進(jìn)展納米科技1納米材料及其特性2納米科技應(yīng)用3納米科技帶來的負(fù)面影響4納米科技簡介--在工業(yè)革命以前，大部分人類生產(chǎn)、科研不需要用到毫米，說明了我們對這個(gè)世界認(rèn)知的粗淺。以蒸汽機(jī)等機(jī)械發(fā)明為主要標(biāo)志的第一次工業(yè)革命，將人類認(rèn)知推向毫米層次。第二次工業(yè)革命，發(fā)明了電，從機(jī)械時(shí)代進(jìn)入微電子時(shí)代，毫米不夠用了，毫米的千分之一———微米誕生了。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微米層次的局限越來越明顯，只有進(jìn)入另一個(gè)層次———納米層次，才會(huì)有更大的突破。我國著名科學(xué)家錢學(xué)森曾指出，納米左右和納米以下的結(jié)構(gòu)是下一階段科技發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)，會(huì)是一次技術(shù)革命，從而將引起21世紀(jì)又一次產(chǎn)業(yè)革命。

納米科技納米科技簡介--納米

1nm=10-9m，即1毫微米，十億分之一米，納米微粒的尺度一般定義為10-7—10-10m內(nèi)（0.1—100nm）；相當(dāng)于人發(fā)直徑的1/10萬。形象地講，一納米的物體放到乒乓球上，就像一個(gè)乒乓球放在地球上一般。這就是納米長度的概念。它很可能成為本世紀(jì)的主導(dǎo)技術(shù)。美國科學(xué)技術(shù)委員會(huì)則把啟動(dòng)納米技術(shù)的計(jì)劃看作是下一次的工業(yè)革命的核心。納米科技納米科技簡介--定義：

納米科技是指在納米尺度(1nm到l00nm之間)上研究物質(zhì)(包括原子、分子的操縱)的特性和相互作用，以及利用這些特性的多學(xué)科交叉的科學(xué)和技術(shù)。

當(dāng)物質(zhì)小到1-100nm(10-9–10-7m)時(shí)，其量子效應(yīng)、物質(zhì)的局域性及巨大的表面及界面效應(yīng)使物質(zhì)的很多性能發(fā)生質(zhì)變，呈現(xiàn)出許多既不同于宏觀物體，也不同于單個(gè)孤立原于的奇異現(xiàn)象。納米科技的最終目標(biāo)是直接以原子、分子及物質(zhì)在納米尺度上表現(xiàn)出來的新穎的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性制造出具有特定功能的產(chǎn)品。納米科技納米科技簡介--性質(zhì)：

納米技術(shù)是一個(gè)嶄新的高科技學(xué)科群，它包含納米電子學(xué)、納米物理學(xué)、納米材料學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、納米生物學(xué)、納米測量學(xué)、納米工藝學(xué)等，是一門基礎(chǔ)研究與應(yīng)用探索相互融合的新興科學(xué)技術(shù)。

隨著納米科技的發(fā)展，人們越來越認(rèn)識(shí)到，納米科技在諸多領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景，它將對人類產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。納米科技納米科技簡介--1959年，著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼預(yù)言，人類可以用小的機(jī)器制做更小的機(jī)器，最后將變成根據(jù)人類意愿，逐個(gè)地排列原子，制造產(chǎn)品，這是關(guān)于納米技術(shù)最早的夢想。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。1982年，科學(xué)家發(fā)明研究納米的重要工具——掃描隧道顯微鏡，揭示了一個(gè)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。

1990年在美國巴爾的摩召開了第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議，并正式創(chuàng)辦了《納米技術(shù)》雜志，標(biāo)志著納米科學(xué)的誕生。納米科技發(fā)展歷程納米科技簡介--1991年，碳納米管被發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量只有同體積鋼的六分之一，強(qiáng)度卻是鋼的十倍。1992年開始，兩年一屆的世界納米材料會(huì)議分別在墨西哥、德國、美國夏威夷、瑞典舉行。1993年，繼1989年美國斯坦福大學(xué)搬走原子團(tuán)“寫”下斯坦福大學(xué)英文名字、1990年美國國際商用機(jī)器公司在鎳表面用36個(gè)氙原子排出“IBM”之后，中科院物理所操縱原子成功寫出“中國”二字。1997年，美國科學(xué)家首次成功地用單電子移動(dòng)單電子，利用這種技術(shù)可望在20年后研制成功速度和存儲(chǔ)容量比現(xiàn)有計(jì)算機(jī)提高成千上萬倍的量子計(jì)算機(jī)。1999年，巴西和美國科學(xué)家發(fā)明了世界上最小的“秤”，可稱量十億分之一克的物體，相當(dāng)于一個(gè)病毒的重量；此后不久，德國科學(xué)家研制出能稱量單個(gè)原子重量的“秤”。納米科技發(fā)展歷程納米科技簡介--1993年后，我國科學(xué)家先后操縱原子寫出“中國”、繪出中國輪廓圖。納米存儲(chǔ)器納米軸承納米齒輪納米科技簡介--納米材料，一般是指尺寸在1～100nm間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域，從通常的關(guān)于微觀和宏觀的觀點(diǎn)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)，是一種典型的介觀系統(tǒng)。它具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，庫侖阻塞效應(yīng)。當(dāng)人們將宏觀物體細(xì)分成超微顆粒（納米級）后，它將顯示出許多奇異的特性，即它的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)方面的性質(zhì)和大塊固體時(shí)相比將會(huì)有顯著的不同。納米材料及其性質(zhì)納米科技簡介--納米材料及其性質(zhì)合成的納米線TEM圖片納米陶瓷技術(shù)

納米彈簧納米科技簡介--①表面效應(yīng)納米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子或分子所占的比例非常大。并隨納米粒子尺寸的減小而急劇增大。表面原子數(shù)的增加導(dǎo)致了性質(zhì)的急劇變化。這種表面原子數(shù)隨納米粒子尺寸減小而急劇增大后引起的性質(zhì)上的顯著變化稱為表面效應(yīng)。從化學(xué)角度來看，表面原子所處的鍵合狀態(tài)或鍵合環(huán)境與內(nèi)部原子有很大的差異，常常處于不飽和狀態(tài)，導(dǎo)致納米材料具有極高的表面活性，易與其它原子結(jié)合。納米顆粒表現(xiàn)出來的高催化活性和高反應(yīng)性。納米材料及其性質(zhì)納米科技簡介--粒徑在10nm以下，將迅速增加表面原子的比例。當(dāng)粒徑降到1nm時(shí)，表面原子數(shù)比例達(dá)到約90%以上，原子幾乎全部集中到納米粒子的表面。①表面效應(yīng)納米金屬顆?？勺龉腆w火箭燃料納米科技簡介--②小尺寸效應(yīng)

（1）特殊的光學(xué)性質(zhì)：當(dāng)金屬被細(xì)分到小于光波波長的尺寸時(shí)，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實(shí)上，所有的金屬在納米顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色愈黑，由此可見，金屬納米顆粒對光的反射率很低，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)用于紅外敏感組件、紅外隱身技術(shù)等。

納米材料及其性質(zhì)納米科技簡介--吸波：納米ZnO對雷達(dá)電磁波具有很強(qiáng)的吸收能力，所以可以做隱形飛機(jī)的重要涂料。納米科技簡介--（2）特殊的熱學(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納米量級時(shí)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10納米尺寸時(shí)，則降低270℃；銀的常規(guī)熔點(diǎn)為96O℃，而超微銀顆粒的熔點(diǎn)可低于100℃。

納米材料及其性質(zhì)納米科技簡介--

（3）特殊的磁學(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導(dǎo)航下能辨別方向，具有回歸的本領(lǐng)。小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同，大塊的純鐵矯頑力約為80安／米，而當(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。納米材料及其性質(zhì)納米科技簡介--宇航員頭盔的密封是納米磁性材料的

最早重要應(yīng)用之一----磁性液體納米科技簡介--（4）特殊的力學(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。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。（5）小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在超導(dǎo)電性、介電性能、聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等方面。

納米材料及其性質(zhì)納米科技簡介--納米碳管既輕又強(qiáng)度極高，是鋼的10—100倍，用它來作防彈衣就像用羽絨做成的防寒服一樣，既可折來疊去，又能抵御強(qiáng)大的子彈的沖擊力。納米銅具納米陶瓷目前唯一可作為太空云梯的理想材料。納米科技簡介--③宏觀量子隧道效應(yīng)

（1）量子尺寸效應(yīng):介于原子、分子與大塊固體之間的超微顆粒會(huì)呈現(xiàn)出反常的特性，稱之為量子尺寸效應(yīng)，如導(dǎo)電金屬超微顆?？梢宰兂山^緣體，光譜線會(huì)產(chǎn)生向短波長方向移動(dòng)；

（2）宏觀量子隧道效應(yīng)：超微顆粒的一些物理量會(huì)顯示出隧道效應(yīng)，稱為宏觀量子隧道效應(yīng)，如電路尺寸接近電子波長時(shí)，電子就通過隧道效應(yīng)而溢出器件，使器件無法工作。納米材料及其性質(zhì)納米科技簡介--納米科技簡介--③庫侖阻塞效應(yīng)

庫侖阻塞效應(yīng)是20世紀(jì)80年代所發(fā)現(xiàn)的極其重要的物理現(xiàn)象之一。體系電荷是“量子化”的，即充電和放電過程是不連續(xù)的，充入一個(gè)電子所需能量為Ec=e2/2C。可見:體系越小，C越小，Ec就越大，我們稱Ec為庫侖阻塞能。庫侖阻塞能是前一個(gè)電子對后一個(gè)電子的庫侖排斥能，這就導(dǎo)致對一個(gè)小體系的充放電過程，電子不能集體傳輸，而是一個(gè)一個(gè)單電子的傳輸，通常把小體系的這種單電子輸運(yùn)行為稱為庫侖阻塞效應(yīng)。納米材料及其性質(zhì)納米科技簡介--單電子器件單電子器件是基于庫侖阻塞效應(yīng)和單電子隧道效應(yīng)的基本原理，而產(chǎn)生的一種新型的納米電子器件。單電子器件包括單電子晶體管和電電子存儲(chǔ)器。單電子晶體管比較普通，也比較重要。它在未來的微電子學(xué)和納米電子學(xué)領(lǐng)域?qū)⒄贾匾牡匚?。單電子晶體管的特點(diǎn)：（1）功耗低，靈敏度高，易于集成等；（2）高頻高速工作，由于隧穿機(jī)制為一高速過程，同時(shí)單電子晶體管具有極小的電容，故工作速度非?？欤唬?）功耗非常小，因其運(yùn)輸過程是單電子性的，所以電流和功耗非常低；（4）適用于多值邏輯，由于單電子晶體管的I-V特性為臺(tái)階狀，不同電壓對應(yīng)多個(gè)穩(wěn)定的電流值，故適宜用作多值邏輯。

納米材料及其性質(zhì)納米科技簡介--在催化方面的應(yīng)用作為光學(xué)材料的應(yīng)用磁性材料應(yīng)用在醫(yī)學(xué)、生物工程方面的應(yīng)用復(fù)合材料的應(yīng)用能源其他納米科技應(yīng)用納米科技簡介--

超微粒的表面有效活性中心多，這就為做催化劑提供了基本條件。在高分子聚合物的氫化和脫氧反應(yīng)中，納米銅粉催化劑有很高的活性和選擇性；在汽車尾氣凈化處理的過程中，納米銅粉作為催化劑可以用來部分代替貴金屬鉑和銠。

催化方面應(yīng)用納米科技簡介--催化方面應(yīng)用納米TiO2：在光照條件下，會(huì)產(chǎn)生具有非常強(qiáng)的氧化能力的空穴，從而將附在表面上的有機(jī)物、細(xì)菌及其它灰塵分解掉，直至生成CO2和H2O。殺菌、除味：由于納米ZnO具有大的比表面積，可以很快地吸收并分解臭氣，同時(shí)還能有效地殺菌。對黃色葡萄球菌和大腸桿菌的殺菌率高達(dá)95%以上納米科技簡介--催化方面應(yīng)用納米科技簡介--

納米技術(shù)的發(fā)展，使微電子和光電子的結(jié)合更加緊密，在光電信息傳輸、存貯、處理、運(yùn)算和顯示等方面，使光電器件的性能大大提高。將納米技術(shù)用于現(xiàn)有雷達(dá)信息處理上，可使其能力提高10倍至幾百倍，甚至可以將超高分辨率納米孔徑雷達(dá)放到衛(wèi)星上進(jìn)行高精度的對地偵察。

光學(xué)材料應(yīng)用納米科技簡介--光學(xué)材料應(yīng)用光敏器件：把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，是光電測量中的一個(gè)基本器件。種類：光電管、光開光、光電倍增管、光敏電阻、光敏三極管、太陽能電池、紅外線傳感器、紫外線傳感器、光纖式光電傳感器、色彩傳感器、CCD和CMOS圖像傳感器等用途：檢測、自動(dòng)控制和通信等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用納米科技簡介--2001年，楊培東研究小組利用高晶化質(zhì)量的ZnO納米陣列制成了室溫下的納米激光器。光學(xué)材料應(yīng)用納米科技簡介--光學(xué)材料應(yīng)用太陽能電池板只有拇指大小

家庭使用太陽能電池納米科技簡介--磁性材料應(yīng)用美國前總統(tǒng)克林頓二000年七月

向國會(huì)提交的美國國家納米技術(shù)啟動(dòng)計(jì)劃

(NationalNanotechnologyInitiative)

其中將

電腦硬盤磁頭的巨磁電阻讀傳感器

(GMRReadSensor)

作為納米科技在信息存儲(chǔ)技術(shù)中的

第一個(gè)應(yīng)用實(shí)例納米科技簡介--磁性材料應(yīng)用GMR磁頭不僅在厚度上，而且在長度上

都在100納米以內(nèi)

納米科技簡介--磁性材料應(yīng)用二十一世紀(jì)以來利用模板生長一維磁性納米絲的研究很活躍材料包括單一金屬，合金，化合物，多層材料，復(fù)合材料等等，應(yīng)用目標(biāo)也從存儲(chǔ)介質(zhì)到細(xì)胞分離多種多樣。納米科技簡介--1993年理論表明

納米級的軟磁和硬磁顆粒復(fù)合

將綜合軟磁Ms高，硬磁Hc高的優(yōu)點(diǎn)

獲得磁能級比現(xiàn)有最好NdFeB高一倍的

新型納米硬磁材料磁性材料應(yīng)用納米科技簡介--人類大腦中平均含有20微克（約500萬粒）的磁性納米粒子。磁性材料應(yīng)用與進(jìn)化，成長，某些腦功能的關(guān)系？蜜蜂腹部的磁性納米顆粒，G代表磁性顆粒。

對地磁場的準(zhǔn)確定位，磁偏角和磁傾角？納米科技簡介--醫(yī)學(xué)、生物工程方面應(yīng)用美國麻省理工學(xué)院的研究人員正在研究一種只有20nm的藥物炸彈和包含了1000個(gè)納米藥包的微型芯片。在固定的DNA鏈上連接上殺癌的藥物膠囊，放到病人血液和組織內(nèi)，一遇上癌細(xì)胞的DNA時(shí)，DNA鏈就與癌細(xì)胞的DNA結(jié)合，這時(shí)藥物開關(guān)受觸發(fā)而開放，藥物便釋放出來，殺滅癌細(xì)胞。納米科技簡介--醫(yī)學(xué)、生物工程方面應(yīng)用瑞典科學(xué)家制作的微型醫(yī)用機(jī)器人，可移動(dòng)并撿起肉眼看不見的玻璃珠。用這種微型機(jī)器手將果蠅的染色體基因進(jìn)行信號(hào)移動(dòng)，培育出的果蠅多長了一個(gè)胸脯和翅膀，甚至把果蠅的眼睛和翅膀挪位。果蠅：遺傳學(xué)和分子發(fā)育生物學(xué)的國王

圖中左側(cè)為雌性，右側(cè)為雄性納米科技簡介--納米材料在復(fù)合材料的制各方面也有廣泛的應(yīng)用。例如把金屬的納米顆粒放入常規(guī)陶瓷中可大大改善材料的力學(xué)性能，將金屬超微粒摻入合成纖維中可防止帶靜電，在塑料中摻入金屬超微?？刹桓淖兤鋸?qiáng)度而控制其電磁性質(zhì)等。超微粒也有可能作為梯度功能材料的原材料，例如，材料的耐高溫表面為陶瓷，與冷卻系統(tǒng)相接觸的一面為導(dǎo)熱性好的金屬，其間為陶瓷和金屬的復(fù)合體，使其間的成分緩慢連續(xù)地發(fā)生變化，這種材料可用于溫差達(dá)1000℃的航天飛機(jī)隔熱材料，核聚變反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料等。復(fù)合材料應(yīng)用納米科技簡介--具有特殊浸潤性(超疏水／超親水)的二元協(xié)同納米界面材料的構(gòu)筑復(fù)合材料應(yīng)用中國國家大劇院：自清潔玻璃荷葉出污泥而不染

納米科技簡介--能源方面應(yīng)用碳納米管是直徑非常細(xì)的中空管狀納米材料，它能夠大量地吸附氫氣，成為許多個(gè)“納米鋼瓶”。研究表明，約2/3的氫氣能夠在常溫常壓下從碳納米管中釋放出來。據(jù)預(yù)測，到2010年，就可以生產(chǎn)出氫氣汽車，只需攜帶1.5升左右的儲(chǔ)氫納米碳管，即可行駛500km。儲(chǔ)氫納米科技簡介--能源方面應(yīng)用燃料電池應(yīng)用納米科技簡介--燃料電池應(yīng)用能源方面應(yīng)用納米科技簡介--其他應(yīng)用：原子操控STMAFM納米科技簡介--其他應(yīng)用：納米機(jī)械納米科技簡介--其他應(yīng)用：場發(fā)射平面顯示器場發(fā)射器件ElectronemittingmaterialElectricalcontactsCathodeglassplatespacerelectronsAnodeglassplatelightLuminescentphosphordotsElectricalcontactsA場發(fā)射顯示器具有適用溫度范圍寬、重量輕、功耗小、顯像方具有高亮度、分辨率高、色再現(xiàn)性好、對比度強(qiáng)、響應(yīng)速度快、電磁輻射極微等諸多特點(diǎn)，因而成為未來極具競爭力的顯示器技術(shù)之一。

納米科技簡介--其他應(yīng)用：場發(fā)射平面顯示器場發(fā)射器件(a)(b)Fan等人在N+型

Si(100)襯底上，采用Fe作為催化劑制備了規(guī)則的碳納米管陣列，實(shí)驗(yàn)得到了很低的開啟電場（電流密度達(dá)到1mA/cm2所需電場為2.7-3.3