1、第一章第一章 纳米材料的基本概念纳米材料的基本概念 1.1 1.1 纳电子器件基本概念与特点纳电子器件基本概念与特点1.2 1.2 纳米材料基本概念和内涵纳米材料基本概念和内涵 1.3 1.3 纳米结构单元纳米结构单元1.4 1.4 纳米材料的新发展纳米材料的新发展知识铺垫与视野知识铺垫与视野拓展拓展1.1 1.1 纳电子器件基本概念与特点纳电子器件基本概念与特点1.纳米技术在纳米技术在信息技术中的地位信息技术中的地位信息技术信息技术重点基础技术重点基础技术11.511.5重大专项重大专项电子信息材料与元器件技术电子信息材料与元器件技术微电子技术微电子技术光电子技术光电子技术主流核心技术主流核
2、心技术计算机计算机技术技术通信通信技术技术控制控制技术技术软件技术软件技术网络技术网络技术广播电视技术广播电视技术前沿技术前沿技术超导技术超导技术生物技术生物技术纳米技术纳米技术虚拟技术虚拟技术有关信息的获取、传输、处理控制的有关信息的获取、传输、处理控制的设备和系统的技术，设备和系统的技术，3C3C技术是核心技术是核心。注：注：C C5 5I I：指信息获取、通信、处理、：指信息获取、通信、处理、控制、对抗（控制、对抗（collection,communicationcollection,communicationComputing,control,countermeasure,Comput
3、ing,control,countermeasure,intelligence intelligence)信息技术是一种综合技术，是一个多层次、多专业的体系信息技术是一种综合技术，是一个多层次、多专业的体系 纳米技术是信息技术的前沿技术之一！纳米技术是信息技术的前沿技术之一！2007-20102007-2010年国家奖年国家奖（1 1）相互关系）相互关系nNT、BT、IT一起被美国政府科学顾问委员会推荐为21世纪重点发展的三大技术。n著名美籍华人，美国加州大学前校长田长霖田长霖博士，明确地告诉人们：对21世纪产生巨大影响的关键技术为信息技术、生命科学、信息技术、生命科学、纳米技术纳米技术。有人
4、称为3T3T技术：n信息技术信息技术：Information Technology，ITn生物技术生物技术：Biology Technology，BTn纳米技术：纳米技术：Nano-Technology，NT IT BT NTNTNT是是IT,BTIT,BT重要的技术支持重要的技术支持和基础。和基础。IT,BTIT,BT的进步的进步,对对NTNT起作很好起作很好的牵引的牵引,促进和推动作用。促进和推动作用。生物、信息、纳米科技是本世纪内发展的主流！生物、信息、纳米科技是本世纪内发展的主流！英刊评出十大对未来影响巨大的发明英刊评出十大对未来影响巨大的发明ITETEnergy+Environmen
5、t生物科学技术生物科学技术对基因的认识，产生了转基因生对基因的认识，产生了转基因生物技术，可以治疗顽症，也可以创造出自然界不存物技术，可以治疗顽症，也可以创造出自然界不存在的生物。在的生物。信息科学技术信息科学技术使人们可以坐在家中便知天下大使人们可以坐在家中便知天下大事，因特网几乎可以改变人们的生活方式。事，因特网几乎可以改变人们的生活方式。纳纳 米米 科科 学学 技技 术术：William J.Clinton，January 21,2000In 2000,President Clinton chose Caltechthe site of the historic Feynman spee
6、chas the venue to announce the creation of the National Nanotechnology Initiative(NNI),a coordinated Federal program to fund nanotechnology research and development:“My budget supports a major new National Nanotechnology Initiative,worth$500 million the ability to manipulate matter at the atomic and
7、 molecular level.Imagine the possibilities:materials with ten times the strength of steel and only a small fraction of the weight-shrinking all the information housed at the Library of Congress into a device the size of a sugar cube-detecting cancerous tumors when they are only a few cells in size.S
8、ome of our research goals may take 20 or more years to achieve,but that is precisely why there is an important role for the federal government.”细胞内的多个基因改变导致癌症，细胞内的多个基因改变导致癌症，纳米技术将实现更早期的发现和预防纳米技术将实现更早期的发现和预防2015 10 m Year X 现在现在 过去过去 mm早期发现早期发现和诊断和诊断恶性肿瘤恶性肿瘤和转移和转移Prevention发现和诊断现状现状目标目标挑战挑战:减少癌症的病痛和死
9、亡减少癌症的病痛和死亡 2015 “A Vision Not a Dream!”by using nanotechnology,A v.Eschenbach,NCI手段手段/方法？方法？靶向药物、饥饿疗法靶向药物、饥饿疗法 、热疗法治疗癌症、热疗法治疗癌症（2）国外基础研究计划中对）国外基础研究计划中对IT、BT、NT的关注的关注A（1 1）人类对客观世界的认识逐渐发展为两个层次）人类对客观世界的认识逐渐发展为两个层次一、宏观领域：肉眼可见的物体一、宏观领域：肉眼可见的物体 ，无限大到宇宙天体，无限大到宇宙天体二、微观领域：以原子分子为最大起点，下至无限领域二、微观领域：以原子分子为最大起点，
10、下至无限领域在两者之间为介观在两者之间为介观2.纳米电子器件概念的提出纳米电子器件概念的提出微米微米 m m（1010-6-6米）米）亚微米（亚微米（1010-7-7米）米）纳米纳米nmnm（1010-9-9米）米）包括包括纳米范围通常纳米范围通常1 1100nm 100nm，纳米科技，纳米科技 研究的尺寸范围研究的尺寸范围0.10.1100nm100nm。纳米尺度的图片概念纳米尺度的图片概念 mm um um nm nm 功能元件组装，更新颖，更复杂新材料组合功能元件组装，更新颖，更复杂新材料组合1.1.当大规模集成电路中元件尺寸由当大规模集成电路中元件尺寸由mm mm umum 时，仍用传
11、统时，仍用传统的技术和科学来表达。的技术和科学来表达。2.2.从从umum nmnm将研究新的效应，将研究新的效应，新概念，新技术。新概念，新技术。3.3.再进一步发展，将需要再进一步发展，将需要组装功能元件。组装功能元件。过去过去传统科学技术 现在 新效应、新概念、新技术 未来 纳米材料纳米材料“新一代材料新一代材料新一代器件新一代器件新一代系统新一代系统”的技术链的技术链（2 2）电子器件技术的发展趋势）电子器件技术的发展趋势一、一、MooreMoore定律定律IntelIntel公司创始人公司创始人Gordon Moore1965Gordon Moore1965年在一次讲演中提出年在一次
12、讲演中提出：芯片晶体管数量每：芯片晶体管数量每1818个月将会增加个月将会增加1 1倍。倍。19961996年，电子年，电子学家和企业家在美国旧金山的国际会议讨论的结果认为学家和企业家在美国旧金山的国际会议讨论的结果认为过过去去2020年是这样，未来年是这样，未来1515年仍是这样年仍是这样。n 集成度已达到集成度已达到108/2 n 未来目标未来目标1012/2n 每个元件尺寸每个元件尺寸10 nm10 nm二、二、MooreMoore定律影响中半导体器件定律影响中半导体器件 按按MooreMoore定律：到定律：到20112011年，最小尺寸年，最小尺寸0.08um0.08um，微电子器件
13、进入物理极限，微电子器件进入物理极限?当每个尺寸当每个尺寸10nm10nm，密度为，密度为10101212b/cmb/cm2 2:功耗功耗:W3w/in:W3w/in2 2 每开关一次的电子数：小于每开关一次的电子数：小于1010个，个，逼近单电子行为，具有量子效应逼近单电子行为，具有量子效应从粒子性从粒子性电子自由程（电子自由程（1-100nm1-100nm）与器件的物理长度相当）与器件的物理长度相当 振幅信息振幅信息电子在作为信号载流子于器件中传输时，将保留电子在作为信号载流子于器件中传输时，将保留 相位信息相位信息从波动性从波动性材料中自由电子德布罗意波长与器件的物理长度相当材料中自由电
14、子德布罗意波长与器件的物理长度相当2/12)*2(2Em：10-100nm m*：电子有效质量：电子有效质量，m*0.1m0(m0-自由电子质量自由电子质量)E100mv 振幅信息振幅信息 电子在作为信号载流子于器件中传输时，将保留电子在作为信号载流子于器件中传输时，将保留 相位信息相位信息摩尔第二定律：任何电子系统的整体效率每摩尔第二定律：任何电子系统的整体效率每2424个月翻一番。个月翻一番。这种成本将随着器件尺度的变这种成本将随着器件尺度的变小作指数增长小作指数增长”（摩尔第二定律）（摩尔第二定律）IBMIBM公司的复杂系统顾问埃尔内斯托霍夫曼（公司的复杂系统顾问埃尔内斯托霍夫曼（Ern
15、estoErnestoHoffmannHoffmann）解释说：）解释说：“还有另外一条不太知名的还有另外一条不太知名的摩尔第二定律：摩尔第二定律：生产芯片的设备造价每生产芯片的设备造价每3636个月就会翻一番。个月就会翻一番。目前这套设备的成本目前这套设备的成本已达几十亿美元，足以购买已达几十亿美元，足以购买5050多架波音多架波音747747飞机。飞机。”这样以来，这样以来，如果摩尔第二定律成立的话，到如果摩尔第二定律成立的话，到20302030年一家新的微芯片工厂投资年一家新的微芯片工厂投资将可能超过整个地球的国民生产总值将可能超过整个地球的国民生产总值这可真是太昂贵了。这可真是太昂贵了
16、。Moore law Moore law提出后，曾有相当一部分人认为下一代的提出后，曾有相当一部分人认为下一代的器件是器件是分子电子器件。分子电子器件。其理论基础是分子电子学。其理论基础是分子电子学。因此，纷纷展开了因此，纷纷展开了分子电子学分子电子学的研究，经过几年的工作的研究，经过几年的工作逐渐认识到，逐渐认识到，在微电子器件与分子电子器件之间有一个在微电子器件与分子电子器件之间有一个过渡时期过渡时期 纳电子器件。纳电子器件。三、三、Future Integrated Multichips SystemsFuture Integrated Multichips Systems Nano-t
17、echnology(spin,molecular,RTD)devices fully integrated with RF,CMOS,and optical technologiesRTD：quantum-well-resonant-tunneling diodeCMOS：complementary metal-oxide semiconductorBiCOMS：Bipolar CMOSSOI：silicon on insulator Si/SiO2的界面要非常清晰，一的界面要非常清晰，一般采用注入氧隔离技术。般采用注入氧隔离技术。未来的目标应是综合的组件，或未来的目标应是综合的组件，或SOC
18、SOC（system on chipsystem on chip）！）！事实上，早在事实上，早在19851985年，年，G.G.RobertsG.G.Roberts统计表明：电子元件的统计表明：电子元件的尺寸随年代呈指数减少的关系。尺寸随年代呈指数减少的关系。A.A.ChiabreraA.A.Chiabrera从理论上对从理论上对固体结构特性的最小尺寸（原子团）、电流电压感应击穿、固体结构特性的最小尺寸（原子团）、电流电压感应击穿、功率耗散、热噪声和功率耗散、热噪声和HeisenbergHeisenberg不确定原理五个方面进行不确定原理五个方面进行了讨论，给出了微电子和元件尺寸的物理极限。如
19、了讨论，给出了微电子和元件尺寸的物理极限。如:储存储存1616位信息的元件：位信息的元件：最小面积最小面积 最小原子数最小原子数 最小掺杂数量最小掺杂数量 运算运算1 1次功耗次功耗 目前目前 1um1um2 2 10 109 9 10 103 3 1010-3-3PJPJ 极限极限 10103 3 10 k 10 kB BT T量级量级3.三代电子器件的比较三代电子器件的比较名称名称真空管真空管晶体管晶体管电子盒电子盒放大器件符号放大器件符号环境环境真空真空晶格晶格隧道隙隧道隙元件尺寸元件尺寸cmcmmmmm m m控制区尺寸控制区尺寸mmmm m mnmnm自由程自由程m m0.1 m0.
20、1 m10nm10nm材料材料电真空材料电真空材料单晶半导体单晶半导体有机有机/无机，？无机，？材料纯度材料纯度高纯（高纯（5 56 6个个9 9）半导体纯半导体纯(8(89 9个个9)9)？工艺工艺电子管制造工艺电子管制造工艺光刻、掺杂技术光刻、掺杂技术组装，自相似生长组装，自相似生长理论理论真空电子学真空电子学(宏观）宏观）半导体物理半导体物理(宏观宏观)纳电子学纳电子学(局域局域)参量参量平均值平均值平均值平均值非平均值非平均值三代电子器件的比较（续）三代电子器件的比较（续）名称名称真空管真空管晶体管晶体管电子盒电子盒分布参量作用分布参量作用很小很小小小显著显著温度敏感温度敏感很小很小小
21、小显著显著载流子数量载流子数量宏观量宏观量宏观量宏观量有限量有限量信号电流强度信号电流强度mAmAAAnAnA载流子载流子电子电子电子电子/空穴空穴电子电子/空穴空穴：金属、半导体金属、半导体孤子：有机材料孤子：有机材料极化子：极化材料、有机材料极化子：极化材料、有机材料放大器件控制放大器件控制电流电流电子电子/空穴数空穴数隧穿速率隧穿速率集成度集成度分立分立1010101212b/cmb/cm2 2加工模式加工模式模拟模拟bitbitqubitqubit加工网加工网分立元件分立元件数字网数字网类神经网类神经网构造仪器构造仪器无线电、雷达无线电、雷达计算机计算机计算机、自动器、信息网计算机、自
22、动器、信息网（1 1）孤子）孤子(Soliton)(Soliton)反式聚乙炔有两个能量最低的二聚化状态反式聚乙炔有两个能量最低的二聚化状态(基态基态)A)A相和相和B B相，其相，其结构对称，为基态简并准一维体系。若结构对称，为基态简并准一维体系。若A A、B B两相共存于同一分两相共存于同一分子链，子链，两相交接处的畴壁被称为孤子。两相交接处的畴壁被称为孤子。若孤子左侧的单键与其若孤子左侧的单键与其相邻的双键交换位置，则孤子向左发生了移动。如此移动可以相邻的双键交换位置，则孤子向左发生了移动。如此移动可以连续向左进行连续向左进行,但系统的总能量不变，孤子在分子链中可以自由但系统的总能量不变
23、，孤子在分子链中可以自由地运动地运动(向右运动也一样向右运动也一样)。带电孤子在电场的作用下将会发生。带电孤子在电场的作用下将会发生迁移，荷电的孤子是载流子。迁移，荷电的孤子是载流子。（2 2）极化子）极化子（polaron)polaron)电子的自陷电子的自陷在离子晶体或分子晶体中，电子在运动时受到其他电荷的影响，在离子晶体或分子晶体中，电子在运动时受到其他电荷的影响，会吸引正离子，使它靠近电子，排斥负离子使它远离电子，从会吸引正离子，使它靠近电子，排斥负离子使它远离电子，从而产生离子的位移极化，导致所在区域内电子静电势下降，称而产生离子的位移极化，导致所在区域内电子静电势下降，称电子自陷电
24、子自陷。这情况在离子晶体中更为明显。这情况在离子晶体中更为明显。电子带上它运动的极化区域可以看为一种电子带上它运动的极化区域可以看为一种“准粒子准粒子”，称，称极化极化子子，即，即电子电子+晶格畸变。晶格畸变。极化子的尺度取决于电子（或空穴）周围晶格畸变区域的大小。极化子的尺度取决于电子（或空穴）周围晶格畸变区域的大小。畸变区域尺度大于晶格常数时，畸变区域尺度大于晶格常数时，称大极化子。称大极化子。当畸变区域尺度与晶格常数同量级时，当畸变区域尺度与晶格常数同量级时，称小极化子。称小极化子。极化子的形成极化子的形成有机材料：有机材料：在有机材料中存在最低的未占用分子轨道（在有机材料中存在最低的未
25、占用分子轨道（Lowest Lowest Unoccupied Molecular Orbital,LUMO,Unoccupied Molecular Orbital,LUMO,相当于无机材料中相当于无机材料中的导带）和最高被占用分子轨道（的导带）和最高被占用分子轨道（Highest Occupied Highest Occupied Molecular Orbital,HOMOMolecular Orbital,HOMO，相当于无机材料中的价带），相当于无机材料中的价带），由于有机分子的链结构容易变化，当有电子进入，将引起周由于有机分子的链结构容易变化，当有电子进入，将引起周围分子链的某种结
26、构扰动，而形成一种电子周围环绕着被扰围分子链的某种结构扰动，而形成一种电子周围环绕着被扰动分子链的粒子，称为动分子链的粒子，称为“极化子极化子”。电子进入此能级易电子进入此能级易注入：电子或空穴注入：电子或空穴1 12 2evevE EF F导带导带价带价带0.1-0.5evE EF FHOMOHOMOLUMOLUMO1 12 2evev（1 1）隧道结和量子点的量子隧道效应。隧道结和量子点的量子隧道效应。其效应灵敏，可观测到其效应灵敏，可观测到单电子行为。隧道结和量子点是单电子器件（单电子行为。隧道结和量子点是单电子器件（Single electron devices）的基本单元。）的基本单
27、元。（2 2）载流子的波动性显著，在相位相干长度范围内，不丢失载载流子的波动性显著，在相位相干长度范围内，不丢失载流子的相位信息。流子的相位信息。当系统尺寸与特性散射自由程相当时，载流当系统尺寸与特性散射自由程相当时，载流子输运为弹道式的，有显著的干涉、衍射效应。子输运为弹道式的，有显著的干涉、衍射效应。（3）超高密度集成的行为与微电子器件将有不同，超高密度集成的行为与微电子器件将有不同，信号载流子信号载流子除电子空穴除电子空穴之外，之外，还会有孤子、极化子等还会有孤子、极化子等，呈现阵列的各向，呈现阵列的各向异性行为，在不同方向有不同的隧穿特性（异性行为，在不同方向有不同的隧穿特性（载流子输
28、运的空间载流子输运的空间相关和时间相关）相关和时间相关）。（4 4）环境影响显著）环境影响显著，主要是电路的分布参量（如主要是电路的分布参量（如L L，C C等）。等）。（5 5）温度影响显著。）温度影响显著。要观测单电子行为必须满足的荷电能要观测单电子行为必须满足的荷电能e2/2CKBT。4.4.纳电子器件的主要特点纳电子器件的主要特点名名 称称量子化量子化维数维数器件工器件工作机理作机理器件器件端数端数I-VI-V特性特性共振隧穿器件，共振隧穿器件，量子线量子线一维或二一维或二维量子化维量子化量子共振量子共振隧穿效应隧穿效应两端或两端或三端三端单电子晶体管单电子晶体管三维皆纳三维皆纳米量级
29、，米量级，但皆未量但皆未量子化子化库仑阻塞库仑阻塞效应效应三端三端量子点器件量子点器件三维都量三维都量子化，岛子化，岛由量子点由量子点构成构成量子化效量子化效应应两端两端电子共振隧穿器件、单电子器件、量子点器件电子共振隧穿器件、单电子器件、量子点器件 纳米器件分类纳米器件分类 纳米光电器件纳米光电器件 纳米磁性器件纳米磁性器件 纳米级纳米级CMOS器件器件 纳电子机械系统纳电子机械系统 其它纳米器件（量子干涉器件等）其它纳米器件（量子干涉器件等）共振隧穿器件共振隧穿器件 量子点器件量子点器件 固体纳米电子器件固体纳米电子器件 单电子晶体管（单电子晶体管（SET)纳米电子器件纳米电子器件 单电子
30、器件单电子器件 单电子储存器（单电子储存器（SEM)量子效应分子电子器件量子效应分子电子器件 分子电子器件分子电子器件 电机械分子电子器件电机械分子电子器件 前沿内存器中的纳米材料前沿内存器中的纳米材料!因此因此,新器件（纳器件）新器件（纳器件）:不遵守传统的操作规律，不遵守传统的操作规律，具有明显量子具有明显量子效应和统计涨落特性效应和统计涨落特性，并将出现一系列的新效应。，并将出现一系列的新效应。一代新器件的诞生要以三方面的发展为基础一代新器件的诞生要以三方面的发展为基础新理论：新理论：研究量子效应和统计涨落占支配地位地工作原理研究量子效应和统计涨落占支配地位地工作原理新材料：新材料：有限
31、个原子组成的纳米材料（表面、界面、电子结构）有限个原子组成的纳米材料（表面、界面、电子结构）新技术：新技术：制备、剪裁、自组装成为功能器件，及分析、测试手段制备、剪裁、自组装成为功能器件，及分析、测试手段纳电子器件发展的路径图纳电子器件发展的路径图硅技术：硅技术：由由um nm分子组装技术：由原子分子水平分子组装技术：由原子分子水平nm相结合相结合B1.2 1.2 纳米材料基本概念和内涵纳米材料基本概念和内涵1.1.定义：三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级定义：三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级（1-100nm1-100nm）的尺度范围内或由此作为基本单元构）的尺度范围内或由此作为基本单元
32、构成的材料。成的材料。2.2.分类分类主要按材料的几何形状特征分类。主要按材料的几何形状特征分类。（1 1）零维纳米材料零维纳米材料：指空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米微粒或团簇（量子点）。零维的纳米材料粒子（零维的纳米材料粒子（PbS纳米粒子）纳米粒子）（2 2）一维纳米材料：一维纳米材料：指空间二维处于纳米尺度，如纳指空间二维处于纳米尺度，如纳米量子线、丝、棒、管（量子线）。米量子线、丝、棒、管（量子线）。纳米线纳米线纳米阵列纳米阵列具有超延展能力的纳米晶铜带具有超延展能力的纳米晶铜带二次氧化获得的氧化铝模板的二次氧化获得的氧化铝模板的SEMSEM照片照片 （a a）样品正面；（）样品正面
33、；（b b）样品反面（未通孔）；（）样品反面（未通孔）；（c c）样品反面（通孔）样品反面（通孔）在氧化铝模板中生长的碳纳米管的在氧化铝模板中生长的碳纳米管的SEM照片照片 a）样品的斜截面）样品的斜截面;（b）模板经）模板经NaOH部分溶解后形成的碳纳米管束部分溶解后形成的碳纳米管束 纳米管纳米管庆典礼花庆典礼花用物理气相沉积（用物理气相沉积（PVD）法制备的）法制备的ZnO纳米棒的纳米棒的SEM图象图象森林森林直立在直立在Au薄膜上的单壁碳纳米管的薄膜上的单壁碳纳米管的STM图像图像20072007年最佳纳米级显微图像揭晓：年最佳纳米级显微图像揭晓：量子森林量子森林托斯藤托斯藤-兹欧姆巴在
34、德国实验室中捕获，它展示了锗硅量子点：兹欧姆巴在德国实验室中捕获，它展示了锗硅量子点：高高15nm，直径，直径70nm。使用静电力显微镜获取直径为使用静电力显微镜获取直径为18nm18nm的碳纳米管的碳纳米管发出的电荷。图中明亮的发出的电荷。图中明亮的光晕是由纳米管帽发射出的电荷所产生的，放电时，纳米管则变暗光晕是由纳米管帽发射出的电荷所产生的，放电时，纳米管则变暗 。（3 3）二维纳米材料：）二维纳米材料：指空间一维处于纳米尺度，如超薄膜、指空间一维处于纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格（量子阱）。多层膜、超晶格（量子阱）。纳米单层与多层薄膜纳米单层与多层薄膜15层层超晶格超晶格（4 4）三
35、维纳米固体材料：三维纳米固体材料：指由纳米基本单元构成的块体指由纳米基本单元构成的块体材料，如纳米晶块体材料（纳米陶瓷、纳米结构材料）、材料，如纳米晶块体材料（纳米陶瓷、纳米结构材料）、纳米复合材料、纳米多孔材料（多孔碳，分子筛）纳米复合材料、纳米多孔材料（多孔碳，分子筛）纳米陶瓷纳米陶瓷纳米固体单元纳米固体单元沸石的笼结构沸石的笼结构沸石的笼中相嵌成多纳米孔结构沸石的笼中相嵌成多纳米孔结构纳米多孔材料（如纳米多孔材料（如SiO2）纳米晶结构材料的剖面示意图纳米晶结构材料的剖面示意图（实心球表示体相原子，空心球表示界面原子）（实心球表示体相原子，空心球表示界面原子）650 750 800 晶化
36、后晶化后 晶化前晶化前（5 5）按材料学科体系可分为：）按材料学科体系可分为：纳米金属材料、纳米陶瓷材料、纳米高分子材料、纳米金属材料、纳米陶瓷材料、纳米高分子材料、纳米复合材料；纳米复合材料；按应用分：按应用分：纳米电子材料、纳米磁性材料、纳米电子材料、纳米磁性材料、纳米生纳米生物材料物材料、纳米隐身材料、纳米催化剂材料、纳米隐身材料、纳米催化剂材料（6 6）纳米材料也存在于自然界中，但为数不多）纳米材料也存在于自然界中，但为数不多自然界的纳米现象与纳米材料自然界的纳米现象与纳米材料1.1.基本单元：基本单元：（1 1）.团簇（团簇（clustercluster）（2 2）.纳米微粒（纳米微
37、粒（Nano fine particleNano fine particle）（3 3）.人造原子（人造原子（artificial atomsartificial atoms）（4 4）.纳米管、纳米棒、纳米丝纳米管、纳米棒、纳米丝 （5 5）.纳米微观结构（晶粒、畴纳米微观结构（晶粒、畴）1.3 1.3 纳米结构单元与纳米体系物理纳米结构单元与纳米体系物理2.2.为什么把为什么把“纳米晶纳米晶”作为纳米结构的基本单元？作为纳米结构的基本单元？纳米颗粒纳米颗粒 长宽高任意纳米化长宽高任意纳米化 纳米薄膜纳米薄膜 三维尺寸的纳米化三维尺寸的纳米化 纳米丝纳米丝 传统材料（块材）传统材料（块材）长
38、宽高三维尺寸不变，而内部晶粒尺寸发生变化长宽高三维尺寸不变，而内部晶粒尺寸发生变化 大颗粒大颗粒 纳米晶材料纳米晶材料 薄膜薄膜 晶粒尺寸纳米化晶粒尺寸纳米化 块材块材 纳米化纳米化电、磁、声、光、热、力等有显著变化电、磁、声、光、热、力等有显著变化:纳米晶交换耦合稀土永磁材料具有高的纳米晶交换耦合稀土永磁材料具有高的Br、高的（、高的（BH ）max纳米晶软磁合金具有极高的饱和磁感应强度纳米晶软磁合金具有极高的饱和磁感应强度Bs、低的矫顽力、低的矫顽力Hc纳米晶陶瓷具有超塑性纳米晶陶瓷具有超塑性.l 纳米尺度效应是指普通材料纳米纳米尺度效应是指普通材料纳米化而产生的奇妙物理化学特性。化而产生
39、的奇妙物理化学特性。晶粒纳米化晶粒纳米化目前还有一种观点，即使材料三维尺寸，晶粒尺寸均不在目前还有一种观点，即使材料三维尺寸，晶粒尺寸均不在1 1100nm100nm范围内，但如果有范围内，但如果有1 1100nm100nm的畴，也算为纳米材料行列的畴，也算为纳米材料行列中。中。ExEx：驰豫铁电体可归在自组装纳米结构材料中，因为在无：驰豫铁电体可归在自组装纳米结构材料中，因为在无序的基体中包含了大量纳米尺度的有序电畴（序的基体中包含了大量纳米尺度的有序电畴（纳米极化偶极子纳米极化偶极子），而电畴是对铁电性能起主要作用的。），而电畴是对铁电性能起主要作用的。纳米材料概念扩展纳米材料概念扩展原定
40、义：三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级（原定义：三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级（1-100nm1-100nm）的尺度范围）的尺度范围内或由此作为基本单元构成的材料。内或由此作为基本单元构成的材料。现定义：三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级（现定义：三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级（1-100nm1-100nm）的尺度范）的尺度范围内围内或内部结构尺寸处于纳米量级的尺度范围内或内部结构尺寸处于纳米量级的尺度范围内或由或由这些这些作为基本单元构作为基本单元构成的材料。成的材料。3.3.人造原子与实际原子的区别：人造原子与实际原子的区别：（1 1）人造原子含有一定数量的真实原子。）人造
41、原子含有一定数量的真实原子。（2 2）人造原子的形状与对称性是多样的，包括量子点，尺寸）人造原子的形状与对称性是多样的，包括量子点，尺寸小于小于100nm100nm的对称性复杂的微小子体系。真实原子可用简单的对称性复杂的微小子体系。真实原子可用简单的球形或立方形来描述。的球形或立方形来描述。（3 3）人造原子间相互作用比实际原子复杂。）人造原子间相互作用比实际原子复杂。（4 4）人造原子中电子处于抛物线形的势阱中，实际原子中电）人造原子中电子处于抛物线形的势阱中，实际原子中电子受原子核吸引作轨道运动。子受原子核吸引作轨道运动。4.4.纳米结构纳米结构 以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑
42、或营造以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造（construction)construction)的一种新体系，包括一维、二维、三维体的一种新体系，包括一维、二维、三维体系。构筑纳米的结构过程叫纳米结构的组装。系。构筑纳米的结构过程叫纳米结构的组装。下面是美国世界技术评估中心下面是美国世界技术评估中心World Technology EvaluationWorld Technology EvaluationCenter(WTEC)Center(WTEC)提供的纳米科技组织图，从图中可以反映出纳米提供的纳米科技组织图，从图中可以反映出纳米结构的合成与组装在整个纳米科学与技术中所处的基础
43、地位。结构的合成与组装在整个纳米科学与技术中所处的基础地位。构筑单元构筑单元纳米颗粒纳米颗粒 纳米线、管、晶、畴纳米线、管、晶、畴 原子（合成）原子（合成）组组 装装纳米结构纳米结构功能功能材料材料分散与分散与包覆包覆高比表高比表面材料面材料功能纳功能纳米材料米材料强化强化材料材料C第一章第一章 思考题思考题1.1.纳米材料的定义是什么？基本单元包括的哪些类型？纳米材料的定义是什么？基本单元包括的哪些类型？2.2.解释解释0 0维、维、1 1维、维、2 2维及维及3 3维纳米固体材料，并画出示意图。维纳米固体材料，并画出示意图。3.3.什么是纳米结构？为什么说纳米结构是纳米科学与技术的什么是纳米结构？为什么说纳米结构是纳米科学与技术的基础？基础？4.4.为什么纳米晶是纳米材料的基本单元。为什么纳米晶是纳米材料的基本单元。
