浙江大學物理學在高新材料中的應用 課件六.ppt

1、物理學 在高新技術(shù)材料中的應用 （納 米 科 技）,沙 健,(一) 基本概念 (二) 納米材料的研究方法 (三) 納米材料應用,(一) 基本概念,納米科學和技術(shù),納米材料科學和技術(shù) 納米電子科學和技術(shù) 納米生物科學和技術(shù) 納米機械, 納米加工 .,納米科學和技術(shù),通常把1-100納米作為納米科技的適用范圍,原子,分子,塊體,微觀 介觀 宏觀,材料結(jié)構(gòu)單元尺度：1100nm,零維 團簇,納米顆粒,C60族等,準一維 納米管、線、棒,納米材料,三維 納米塊體 納米多孔材料,納米材料（按形貌分類）,二維 超晶格薄膜,金屬 合金,有機 高分子,其它,陶瓷 無機氧化物 等,納米材料種類 （按成分和結(jié)構(gòu)分

2、類）,納米材料有天然存在的,n-Cu室溫軋制超塑性,K.Lu,et al, Science,287,1463,2000,只有那些變成納米尺寸后能顯示出新的性質(zhì)， 或原有性質(zhì)發(fā)生了改進的材料才有制作和研究價值。,人工制作納米材料,Fibonacci number: AB 8/5, C: 13,21 Fibonacci 級數(shù): 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55.,團簇 幻數(shù),C60固體 結(jié)構(gòu),85年發(fā)現(xiàn)，96年Nobel獎,1991, Igima first experimentally obtained C Nano-Tubes,After that, many peo

3、ple plunged into this area, and more and more CNTs with multiple-layers or single layer, different diameter and length appear in the world,HREM image of C-Nano-Tube,Model for the structure,1991, Igima first experimentally obtained C Nano-Tubes,Last year, Germany scientists Oliver G.Schmidt and Karl

4、Eberl made a Si-Ge Nano-tube by roll up a film. Nature 418(2001)168。,Then we give a model to the growth of the SiNTs:,AFM image of surface of NCA. Density 107/mm2 Diameter 10nm,Al,Al2O3 wall,10m,Nano-Channel Al2O3 as Substrate,Channel,Diameter 20mm,L ( m ) r (nm),線、 管、 同軸纜線、 帶,1）小尺寸效應 當結(jié)構(gòu)單元的尺寸減小到與某些

5、物理特征尺度相當時，納米材料 宏觀物理性質(zhì)發(fā)生變化。如超導相破壞、磁性矯頑力突增、發(fā)生 結(jié)構(gòu)相變、熔點降低、對光的反射率降低等。 2）量子尺寸效應 當納米材料結(jié)構(gòu)單元某一維度上的尺寸下降到某個值的時候， 費米面附近的電子能譜由準連續(xù)變到離散，表面結(jié)構(gòu)和電子態(tài) 急劇變化，能隙變寬，處于分離的量子化能級中的電子波動 使其產(chǎn)生一系列反常，如場至發(fā)光、光吸收帶移動、載流子的 量子約束和量子輸運、導體變成絕緣體等。 3）表面效應 納米材料結(jié)構(gòu)單元表面與內(nèi)部原子的數(shù)量比、比表面積（m2/g）、 比表面能都隨著基元尺寸的下降而迅速提高。 （R=10nm, 20%, 66 m2/g, 5.9X102 J/mo

6、l, 1nm, 99%, 660 m2/g ,5.9X103 J/mol,主要起源于：,(二 ) 納米材料的研究方法,納米材料制備方法,物理,化學,生物,PVD,BM,Sol gel,CVD,人工合成蛋白,傳統(tǒng)的從大到小的方式,1m 500,納米科技獨特的從小到大的方式,現(xiàn)狀(基礎(chǔ)研究）： 零維納米材料，研究了近20年； 二維納米材料，依托薄膜領(lǐng)域內(nèi)已研究得很深入。 三維納米材料（塊體），也無太多基本問題。,準一維納米材料，還未被人們深入了解。,新的物相，新的特性。,一維納米材料 頭發(fā),頭發(fā) 大樹,何謂一維納米材料？,Synthesis of SiNWs,Motivation of makin

7、g SiNWs Compatible with the traditional Si bulk material in IT It is possible for SiNWS: Signal generation、Signal transmission、 Signal storage,SiNWs serve dual purpose: both active devices and interconnects. Crossed SiNWs architecture provides natural scaling and potential for integration at highest

8、 densities.,P type,N type,Diode connect,To predict rationally growth conditions we must identify (i) catalyst material (ii) composition (iii) growth condition. These can be determined from phase diagrams. e.g. Starting liquid: Au + Si,Binary Au-Si Phase Diagram,Synthetic Design,Experimental Overview

9、,* Breaking symmetry for 1D growth, and addition of Si during the whole process.,* The key issue for controlled nano-wire growth is the generation of nano-scale “Si + catalyst” droplet,* The growth process begins when the droplet becomes supersaturated with silicon,Nano-size catalyst particle,supers

10、aturate precipitation,growth,preferred orientation,droplet,VLS mechanism (Vapor -Liquid-Solid),Au,Si,Si,Synthesis of array orderly SiNWs,Die (Nano-tube),Si,In CVD system, 900K,Al,Al2O3 wall,1m,Anodic Al2O3 (AAO) plate as die,Nano-Tube Diameter 5nm,AFM image SEM image AAO surface. Density 107/mm2 Diameter 5nm,1cm,CVD system,Al2O3,1931，Ruska和Knoll研制成功了 第一臺電子顯微鏡 1938，Ruska， 分辨率只有10nm 1956，Menter， 分辨率達到0.8nm 現(xiàn)在，已經(jīng)達到 0.1-0.2nm，,TEM STEM (Transmission Electron Microscopy,