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奈米科技與奈米材料

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Academic year: 2022

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(1)

奈米科技與奈米材料

(2)

緒論

一、奈米科技的誕生

二、奈米技術與納米材料的概念 三、奈米材料的特性

四、幾種典型的奈米材料

(3)

一、奈米科技誕生

1959年,著名物理學家、諾貝爾獎獲得者理查·費 曼預言,人類可以用小的機器製作更小的機器,

最後將變成根據人類意願,逐個地排列原子,製 造“產品”,這是關於奈米技術最早的夢想。

七十年代,科學家開始從不同角度提出有關奈米 科技的構想。

(4)

一、奈米科技誕生

1974年,科學家唐尼古奇最早使用奈米技術一詞 描述精密機械加工。 1982年,科學家發明研究奈 米的重要工具--掃描隧道顯微鏡,使人類首次 在大氣和常溫下看見原子,為我們揭示一個可見 的原子、分子世界,對奈米科技發展產生了積極 促進作用。 1990年7月,第一屆國際奈米科學技 術會議在美國巴爾的摩舉辦,標誌著奈米科學技 術的正式誕生

(5)

一、奈米科技誕生

1991年,碳奈米管被人類發現,它的品質是相同 體積鋼的六分之一,強度卻是鋼的10成為奈米技 術研究的熱點。諾貝爾化學獎得主斯莫利教授認 為,奈米碳管將是未來最佳纖維的首選材料,也 將被廣泛用於超微導線、超微開關以及奈米級電 子線路等。

(6)

一、奈米科技誕生

整齊排列的具有良好柔韌性的聚丙烯氯化 /聚乙烯磺酸鹽奈米管SEM與TEM圖

(7)

一、奈米科技誕生

1993年,1989年美國史丹福大學搬走原子團“寫”

下史丹福大學英文名字、 1990年美國國際商用機 器公司在鎳表面用36個氙原子排出“IBM” 。

(8)

一、奈米科技誕生

1997年,美國科學家首次成功地用單電子移動單 電子,利用這種技術可望在20年後研製成功速度 和存貯容量比現在提高成千上萬倍的量子電腦。

1999年,巴西和美國科學家在進行奈米碳管實驗 時發明了世界上最小的 “秤”,它能夠稱量十 億分之一克的物體,即相當於—個病毒的重量;

此後不久,德國科學家研製出能稱量單個原子重 量的秤,打破了美國和巴西科學家聯合創造的紀 錄。

(9)

一、奈米科技誕生

1999年,奈米技術逐步走向市場,全年奈米產 品的營業額達到500億美元。 近年來,一些國家 紛紛制定相關戰略或者計畫,投入鉅資搶佔奈米 技術戰略高地。日本設立奈米材料研究中心,把 奈米技術列入新5年科技基本計畫的研發重點;

德國專門建立奈米技術研究網;美國將奈米計畫 視為下一次工業革命的核心,美國政府部門將奈 米科技基礎研究方面的投資從1997年的1.16億美 元增加到2001年的4.97億美元。

(10)

掃描隧道顯微鏡介紹

掃描隧道顯微鏡是80年代初期發展起來的新 型顯微儀器,能達到原子級的超高解析度。掃描 隧道顯微鏡不僅作為觀察物質表面結構的重要手 段,而且可以作為在極其細微的尺度─即奈米尺 度(1 nm=10-9 m)上實現對物質表面精細加工 的新奇工具。目前科學家已經可以隨心所欲地操 縱某些原子。一門新興的學科─奈米科學技術已 經應運而生。

(11)

掃描隧道顯微鏡介紹

20世紀80年代初期,IBM公司蘇黎世實驗室的 兩位科學家G.Binnig和H.Roher發明了掃描隧 道顯微鏡。

這種新型顯微儀器的誕生,使人類能夠即時地 觀測到原子在物質表面的排列狀態和與表面電子 行為有關的物理化學性質,對表面科學、材料科 學、生命科學以及微電子技術的研究有著重大意 義和重要應用價值。為此這兩位科學家與電子顯 微鏡的創制者ERrska教授一起榮獲1986年諾貝爾 物理獎。

(12)

掃描隧道顯微鏡介紹

STM具有空間的高解析度(橫向可達0.1nm,縱向可優於

0.01nm),能直接觀察到物質表面的原子結構,把人們帶 到了微觀世界。它的基本原理是基於量子隧道效應和掃 描。它是用一個極細的針尖(針尖頭部為單個原子)去接近 樣品表面,當針尖和表面靠得很近時(<1nm),針尖頭部 原子和樣品表面原子的電子雲發生重疊,若在針尖和樣 品之間加上一個偏壓、電子便會通過針尖和樣品構成的 電動勢而形成隧道電流。通過控制針尖與樣品表面間距 的恒定並使針尖沿表面進行精確的三維移動,就可把表 面的資訊;(表面形貌和表面電子態)記錄下來。由於STM 具有原子級的空間解析度和廣泛的適用性,國際上掀起 了研製和應用STM的熱潮,推動了奈米科技的發展。

(13)

掃描隧道顯微鏡介紹

奈米探針

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掃描隧道顯微鏡介紹

矽表面

奈米算盤

C60每10個一組,在銅表面 形成世界上最小的算盤。

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掃描隧道顯微鏡介紹

奈米皇冠

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掃描隧道顯微鏡介紹

伴隨著STM的發明以及其在表面高解析度觀察研 究中的各種應用的日漸增多,有人發現利用探針 針尖與表面之間的各種相互作用,可以用來分析 高解析度成像。1986年賓尼戈等人發明了利用鐳 射檢測針尖與表面相互作用進行表面成像的分析 儀器。該儀器稱為原子力顯微鏡(ATM)。

STM 與ATM共同構成了現今稱之為掃描探針顯 微鏡(SPM)的兩大主體技術。

(17)

掃描隧道顯微鏡介紹

目前除了隧道顯微鏡(STM)、原子力顯微鏡

AFM)以外,還有近場光學顯微鏡

NSOM)、側面力顯微鏡(IFM)、磁力顯微 鏡(MFM)、極化力顯微鏡(SPFM)……已有 二十多個品種。但大量還處在實驗室的產品研發 階段。由於它們都是用探針通過掃描系統來獲取 圖像,因此這類顯微鏡統稱為掃描探針顯微鏡

SPM)。

(18)

二、奈米技術與奈米材料的概念

1.奈米技術

奈米科技是90年代初迅速發展起來的新的前 沿科研領域。它是指在1-100nm尺度內,研究電

子、原子和分子運動規律、特性的高新技術學科。

其最終目標是人類按照自己的意志直接操縱單個 原子、分子,製造出具有特定功能的產品。

(19)

二、奈米技術與奈米材料的概念

2.奈米材料

奈米材料又稱為超微顆粒材料,由奈米粒子組成。奈米 粒子也叫超微顆粒,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域,從通常的關 於微觀和宏觀的觀點看,這樣的系統既非典型的微觀系 統亦非典型的宏觀系統,是一種典型人介觀系統,它具 有表面效應、小尺寸效應和宏觀量子隧道效應。當人們 將宏觀物體細分成超微顆粒(奈米級)後,它將顯示出 許多奇異的特性,即它的光學、熱學、電學、磁學、力 學以及化學方面的性質和大塊固體時相比將會有顯著的 不同。

(20)

三、奈米材料的特性

1.表面效應

2.小尺寸效應

3.量子尺寸效應

4.宏觀量子隧道效應

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三、奈米材料的特性

1.表面效應

100 80 60 40 20 0 比

(%

) 表

面 原 子 数 相 对 总 原 子

数 0 10 20 30 40 50

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三、奈米材料的特性

2.小尺寸效應

隨著顆粒尺寸的量變,在一定條件下會引起顆粒性質 的質變。由於顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質的變 化稱為小尺寸效應。對超微顆粒而言,尺寸變小,同時 其比表面積亦顯著增加,從而產生如下一系列新奇的性 質。

1) 特殊的光學性質

2) 特殊的熱學性質

3) 特殊的磁學性質

4)特殊的力學性質

超微顆粒的小尺寸效應還表現在超導電性、介電性能、

聲學特性以及化學性能等方面。

(23)

三、奈米材料的特性

3.量子尺寸效應

微粒尺寸下降到一定值時,費米能階附近的電子 能級由準連續能階變為分立能階,吸收光譜闕值 向短波方向移動,這種現象稱為量子尺寸效應。

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四、奈米顆粒型材料

奈米顆粒型材料也稱奈米粉末,一般指粒度在 100nm以下的粉末或顆粒。由於尺寸小,比表面 大和量子尺寸效應等原因,它具有不同於常規固 體的新特性。

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用途

高密度磁記錄材料、吸波隱身材料、磁流體 材料、防輻射材料、單晶矽和精密光學器件拋光 材料、微晶片導熱基與佈線材料、微電子封裝材 料、光電子材料、電池電極材料、太陽能電池材 料、高效催化劑、高效助燃劑、敏感元件、高韌 性陶瓷材料、人體修復材料和抗癌製劑等。

參考文獻

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