纳米材料及其制备.ppt

第一节、概述 第二节、纳米材料的结构与性能 第三节、纳米材料的制备方法 第四节、纳米材料与纳米技术的应用 第五节、发展与展望 一、纳米科技诞生 1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼在《在底部还有很大空间》的一次讲演中指出，从石器时代开始，人类所有的技术革新都与把物质做成有用的形态有关，而从物理学的规律来看，不能排除从单个分子甚至原子出发而组装制造物品的可能性。费曼憧憬说：“如果有一天可以按人的意志安排一个个原子，将会产生怎样的奇迹？”他预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造“产品”，这是关于纳米技术最早的梦想。 七十年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想。 费曼——纳米科技之父 纳米技术的迅速发展是在20世纪80年代末、90年代初。 1982年，科学家发明研究纳米的重要工具－－扫描隧道显微镜，使人类首次在大气和常温下看见原子，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。 1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。 1993年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文名字、 1990年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。 原 子 构成万物的小小原子，究竟小到什么程度？中国古代有位叫公孙龙的说过：“一尺之棰，日取其半，万世不竭。” ?如果确实有这样的工具，能一直截下去的话，那么，一尺木棍每天截去一半，到第三天只剩八分之一尺；第十天只剩1千零二十四分之一尺；到第三十天，剩下十亿分之一尺，这时木棍已经比纤维分子还小；到第三十二天，只剩下四十亿分之一尺，相当于原子大小了。科学家发现，不同的原子，大小也不同。原子的直径一般是一亿分之一厘米。一个最小的细菌里面大约可以容纳20亿个原子。氢原子的直径为1埃。 化学家常常自豪地说：“化学是一门在原子分子水平上研究物质的结构、性质、变化规律和应用的科学。”但是真正“看见”原子和分子却是20世纪80年代后期的事，距离道尔顿提出原子论的时间差不多有2个世纪。 原子小于光的波长，单个原子对光是透明的。光学显微镜怎么改进都不可能看到原子。 十个氢原子紧密排列——1nm颗粒——乒乓球——地球 怎样看见和操纵原子？纳米世界的眼和手—扫描隧道显微镜（STM）  扫描隧道显微镜为我们揭示了一个可见的原子、分子世界，对纳米科技的发展起到了巨大的推进作用。 STM是20世纪80年代世界十大科技成就之一。 扫描隧道显微镜 扫描隧道显微镜是80年代初期发展起来的新型显微仪器，能达到原子级的超高分辨率。扫描隧道显微镜不仅作为观察物质表面结构的重要手段，而且可以作为在极其细微的尺度──即纳米尺度（1 nm=10-9 m）上实现对物质表面精细加工的新奇工具。目前科学家已经可以随心所欲地操纵某些原子。一门新兴的学科──纳米科学技术已经应运而生。 扫描隧道显微镜 Structure of Sodium Chloride Images of NaCl obtained using Scanning Tunneling Microscope AFM弥补STM的局限有人发现利用探针针尖与表面之间的各种相互作用，可以用来分析高分辨率成像。1986年宾尼戈等人发明了利用激光检测针尖与表面相互作用进行表面成像的分析仪器。该仪器称为原子力显微镜（ATM）。STM 与ATM共同构成了现今称之为扫描探针显微镜（SPM）的两大主体技术。AFM又弥补了STM的局限，使被测试样扩大到非导电领域 。 原子力显微镜（atomic force microscope 简称 AFM) ： 利用针尖与样品表面原子间的微弱作用力来作为反馈信号，维持针尖——样品间作用力恒定，同时针尖在样品表面扫描，从而得知样品表面的高低起伏。原子间作用力的检测主要由光杠杆技术来实现。如果探针和样品间有力的作用，悬臂将会弯曲。为检测悬臂的微小弯曲量（位移），采用激光照射悬臂的尖端，四象限探测器就可检测出悬臂的偏转。 通过电子学反馈系统使弯曲量保持一定，即控制扫描管Z 轴使作用于针尖——样品间的力保持一定。在扫描的同时，通过记录反馈信号就可以得到样品表面的形貌。 目前除了隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）以外，还有近场光学显微镜（NSOM）、侧面力显微镜（IFM）、磁力显微镜（MFM）、极化力显微镜（SPFM）……已有二十多个品种。但大量还处在实验室的产品研发阶段。由于它们都是用探针通过扫描系统来获取图像，因