第一章 纳米材料概述.ppt

20世纪80年代初，扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscopy,STM），原子力显微镜(Atomic Force Microscopy,AFM)等微观测量表征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。 扫描隧道显微镜 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。 海龟是世界上珍贵的稀有动物，美国科学家对东海岸佛罗里达的海龟进行了长期研究，发现了一个十分有趣的现象：海龟通常在佛罗里达的海边上产卵，幼小的海龟为了寻找食物通常要到大西洋的另一侧靠近英国的小岛附近的海域生活，从佛罗里达到这个岛屿的海面再回到佛罗里达来回的路线不一样，相当于绕大西洋一圈，需要5-6年时间。这样准确无误地航行靠什么导航？美国科学家发现海龟的头部有磁性的纳米微粒，它们就是凭借这种纳米微粒准确无误地完成几万公里的迁移。 (4) 特殊的力学性质 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。这就是目前的一些展销会上推出的所谓“摔不碎的陶瓷碗”。 研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍。至于金属一陶瓷等复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分宽广。 2. 表面效应（界面效应） 表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。 随着粒径的减小，纳米粒子的表面原子数、比表面积、表面能及表面结合能都迅速增大。进而使纳米晶粒表现出很高的化学活性；并且表面原子的活性也会引起表面电子自旋构象电子能谱的变化，从而使纳米粒子具有低密度、低流动速度、高吸气体、高混合性等特点 。 纳米微粒的表面原子所处环境与内部原子不同，它周围缺少相邻的原子，存在许多悬空键，具有不饱和性，易与其他原子相结合而稳定。 纳米粒子的表面原子数与粒径的关系 * * 走进纳米世界 第一章 纳米材料概论 1.1. 纳米科技的起源与研究内容 1.2. 纳米材料的发展及其研究内容 1.3. 纳米材料的基本效应 最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼。 1959年他在一次讲演中指出：“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。 原子排成的“原子”字样 费曼——纳米科技之父 一. 纳米科技诞生 CSTM——9000型扫描隧道显微镜 扫描隧道显微镜(STM) 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 应用实例 1990年，美国国际商用机器公司（IBM）阿尔马登研究中心科学家，经22小时的操作，把35个氙原子移动到位，组成IBM三个字母，加起来不到3nm。 科学家使用STM观测物质的纳米结构 纳米皇冠 二. 纳米科技的研究内容 纳米科技是指在纳米尺度上研究物质的特性和相互作用，同时利用这些特性在这一尺度范围内对原子、分子进行操作和加工的多学科交叉的科学和技术。纳米科技的研究内容主要包括以下四个方面： (1) 创造和制备优异性能的纳米材料 (2) 设计和制备各种的纳米器件和装置 (3) 探测与分析纳米区域的性质和现象 (4) 以原子、分子为起点，去设计制造具有特殊功能的产品 纳米科技所涉及的研究与应用领域如下： 纳米科技 纳米科学 纳米技术 纳米物理学(纳米光电子学、纳米磁学) 纳米化学 纳米材料学 纳米生物学 纳米医学 纳米器件 纳米测量 纳米材料 纳米加工 纳米电子器件 纳米传感器 纳米芯片 纳米机械 纳米探针 纳米扫描 零维纳米材料 一维纳米材料 二维纳米材料 三维纳米材料 纳米操纵 纳米光刻 纳米压痕