1、 本章内容本章内容6.1 纳米科技及纳米材料应用进展纳米科技及纳米材料应用进展6.2 纳米材料的制备纳米材料的制备6.3 纳米结构测试技术纳米结构测试技术6.4 纳米材料的应用纳米材料的应用21世纪，信息科学技术和生命科学技术是科学技术发展的主流，它们的发展将使这些科学技术逐步走向更好、更快、更强和更加对环境友好的境地。一种非常普遍的观点认为，信息和生命科学技术能够进一一种非常普遍的观点认为，信息和生命科学技术能够进一步发展的共同基础是纳米科学技术。步发展的共同基础是纳米科学技术。扫描隧道显微镜在纳米科技中占有重要的地位，它贯穿到这7个相对独立的分支领域中。6.1.2 纳米材料的种类 纳米材料
2、是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的材料。它包含了三个层次，即：纳米微粒、纳纳米微粒、纳米固体米固体和纳米组装体系。纳米组装体系。纳米组装体系又可以分为纳米阵列体系、介孔组装体系和薄膜镶嵌体系。6.1.3 纳米材料的特异性能纳米材料的特异性能 纳米结构材料的特性是由所组成微粒的尺寸、相组成和界由所组成微粒的尺寸、相组成和界面这三个方面的相互作用面这三个方面的相互作用来决定的。纳米微粒是由有限数量的原子或分子组成的、保持原来物质的化学性质并处于亚稳状态的原子团或分子团。当物质当物质的线度减小时，其表面原子数的相对比例增大，使单原子的线度减小时，其表面原子数的相对比例增大，使单原子的表面能迅速增大
3、的表面能迅速增大。进入纳米尺度时，此种形态的变化反馈到物质结构和性能上，就会显示出奇异的效应，这里介绍几种最基本的物理效应。1.小尺寸效应小尺寸效应 纳米材料中的微粒尺寸微粒尺寸小到与光波波长或德布罗意波波长、光波波长或德布罗意波波长、超导态的相干长度等物理特征相当或更小时超导态的相干长度等物理特征相当或更小时，晶体周期性的边界条件被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，使得材料的声、光、电、磁、热、力学等特性表现出改变而导致出现新的特性。人们把纳米颗粒的小人们把纳米颗粒的小尺寸所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。尺寸所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。金的熔点金的熔点
4、1064oC，10nm 1037oC，2nm 327oC 银的熔点银的熔点690oC，超细银粉，超细银粉100oC2.表面效应表面效应 3.宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应6.2 纳米材料的制备纳米材料的制备 纳米材料的形态和状态形态和状态取决于纳米材料的制备方制备方法法，新材料制备工艺和设备的设计、研究和控制对纳米材料的微观结构和性能具有重要的影响。6.2.1 纳米粉体的合成 纳米-微米复合材料可细分为可细分为晶内型纳米复合材料晶内型纳米复合材料和和晶界型纳米复合晶界型纳米复合材料材料两大类两大类。但是实际制备中往往二者兼而有之，很难获得单纯一种纳米相处于晶内或晶界的纳米-微米复合材料，详见
5、结构示意图6.2-1。6.2.2 纳米复合材料的制备()6.2.3 碳纳米管的制备 日本NEC公司基础研究实验室的电镜专家电镜专家Sumio Iijima博博士也许是第一个看见碳纳米管的人，但绝不是第一个制造士也许是第一个看见碳纳米管的人，但绝不是第一个制造者者。事实上，旧石器时代的古人也许不知不觉地在他们山洞取暖的火中已经制备出了极少量的碳纳米管。被加热分解的碳原子在碳灰中重新结合起来，形成各种各样的产物，一些是非晶渣块，另一些是巴基球或巴基管。6.3 纳米结构测试技术纳米结构测试技术 1981年，年，物理学家物理学家G.Hinning和和H.Rohrer发明了发明了扫描隧道显微扫描隧道显微
6、,简称简称STM(Scanning Tunneling Microscopy);使人类第一次进入原子世界，使人类第一次进入原子世界，1986年年他们为此获得诺贝尔物理奖。他们为此获得诺贝尔物理奖。1986年，年，诺贝尔奖获得者诺贝尔奖获得者Binnig,Quate 和和Gerberd 在斯坦福大学发明了在斯坦福大学发明了原原子力显微镜子力显微镜，简称，简称AFM(Atomic Force Microscope)，它不仅可以观察导体，它不仅可以观察导体的表面形貌，而且可以观察的表面形貌，而且可以观察非导体非导体的表面形貌，弥补了的表面形貌，弥补了STM只能直接观察只能直接观察导体和半导体之不足导
7、体和半导体之不足。图6.3-2所示为STM的基本原理图。在经典力学中，当势垒的高度比粒子的能量大时，粒子是无法越过势垒的。然而，根据量子力学原理，此时粒子穿过势垒出现在势垒另一侧的几率并不为零。这种现象称为隧道效应。当针尖和试样面间距离足够小时当针尖和试样面间距离足够小时(0.4nm)，在针尖和试样，在针尖和试样面间施加一偏置电压，便会产生隧道效应，电子在针尖和试样面之间面间施加一偏置电压，便会产生隧道效应，电子在针尖和试样面之间流动，形成隧道电流流动，形成隧道电流。高分辨率(横向可达0.1nm，纵向可达0.01nm)。探针尖和材料之间加以高压，可以从材料表面吸起一个个原子，附着在针尖上。图6
8、.3-23所示为AFM的基本原理示意图，在悬臂梁上装有微反射镜。AFM是基于原子间力的理论。它是利用一个对力敏感的探针探测针尖与样品之间的相互作用力来实现表面成像的。由于试样面原子排列产生“凸凹不平”，当探针在水平方扫描时，针尖同试样面间的距离在垂直方向便会产生变化。由固体物理学理论可知，当探针针尖同试样面很近时，其间会产生原子间力。基于STM理论，人们又发明了一系列新型的显微镜。这些显微镜包括：激光力显微镜(LFM)、摩擦力显微镜、磁力显微镜(MFM)、静电力显微镜、扫描隧道显微镜、弹道电子发射显微镜(BEEM)、扫描隧道电位仪(STP)、扫描离子电导显微镜(SICM)、扫描近场光学显微镜(
9、SNOM)和扫描超声显微镜等，基于这些显微镜的探测技术统称为扫描探针显微技术(SPM)。6.3.2 常用仪器 1激光检测原子力显微镜 2低温扫描隧道显微镜 3真空扫描隧道显微镜 4弹道电子发射显微镜(BEEM)直接对表面下界面电子性质进行谱学研究，并能以高分辨率成像的实验技术BEEM。6.3.3 检测技术的应用研究 扫描探针显微技术(SPM)所具有的共同特点是都有一个很细的针尖用作探针：观察、操纵观察、操纵。1.STM技术的应用研究 扫描探测显微镜不仅是人们认识纳米世界的工具，还可以用扫描探测显微镜不仅是人们认识纳米世界的工具，还可以用来制造纳米结构，改造世界。来制造纳米结构，改造世界。例如，
10、借助它能够通过一个超级尖端来施加电压，准确地移动原子或分子，把不同的分子彼此连接起来(这些分子在自然状态下本来可能永远也不能相结合)，构筑出全新的物质。在超高真空中，用STM技术移动Si(111)面 上 的 原 子 形 成“中国”字样 原子操作过程的STM像 由于STM对工作环境的要求相当宽松，可以在大对工作环境的要求相当宽松，可以在大气、真空、溶液、低温、高温等各种环境下工作，气、真空、溶液、低温、高温等各种环境下工作，这使得这使得STM技术可以广泛地应用于表面化学研究技术可以广泛地应用于表面化学研究，例如，可以原位研究表面上发生的各种化学反应；研究各种表面吸咐和表面催化问题；直接在溶液中考
11、察电化学沉积和电化学腐蚀过程等。2.AFM技术的应用研究 AFM是依靠尖端曲率半径很小的微悬臂针尖接触在表面上进行成像，所得到的图像是针尖与样品真实形貌卷积后的结果，如图6.3-7所示，实线代表样品的真实形貌，虚线就是针尖扫描所得到的表观图像。利用利用AFM针尖与样针尖与样品之间的相互作用力可以搬动样品表面的原子分子，实现品之间的相互作用力可以搬动样品表面的原子分子，实现原子分子操纵，而且可以利用此作用力改变样品的结构，原子分子操纵，而且可以利用此作用力改变样品的结构，从而对其性质进行调制。从而对其性质进行调制。目前AFM对于碳纳米管和生物分子的操纵研究较多。无数的生命过程，如DNA复制、蛋白
12、质合成、信息传递等都是由分子间力控制的，而AFM对微小相互作用力的灵敏对微小相互作用力的灵敏度使其成为探测这些相互作用的有效工具度使其成为探测这些相互作用的有效工具。单分子力谱和单分子力谱和高分辨成像的结合使得分析生物分子的分子内、分子间作高分辨成像的结合使得分析生物分子的分子内、分子间作用力成为可能。用力成为可能。很多科学家利用功能化AFM针尖来研究单个生物分子的力学性质。6.4 纳米材料的应用纳米材料的应用 6.4.1 纳米材料在高科技中的地位 纳米电子学、量子电子学和分子电子学现在还处于初级研究阶段，随着纳米科技的发展，高度集成化的要求，元件和材料的微小化，在集成过程中出现了许多传统理论
13、无法解释的科学问题，传统的集成技术由于不能适应新的需求而逐渐被淘汰，在这种情况下以纳米电子学为指导工作的新的器件相继问世，速度之快出乎人们的预料。图6.4-1 新型纳米材料硬盘，容量增加100多倍 图6.4-2 颗粒比较：左图为现在存储器介质的表面，右图为新材料的表面磁化颗粒更小，并且排列均匀 纳米半导体微粒是在纳米尺度原子和分子的集合体纳米半导体微粒是在纳米尺度原子和分子的集合体，这个过去从来没有被人们注意的非宏观、非微观的中间层次出现许多新问题，例如电子的平均自由程比传统固体短，周期性被破坏，过去建立在平移周期上对电子的布洛赫波已不适用，建立在平移周期上对电子的布洛赫波已不适用，建立在亚微
14、米范围内的半导体建立在亚微米范围内的半导体p-n结理论对于小于结理论对于小于10nm的微的微粒已经失效粒已经失效。对纳米尺度上电子行为的描述必须引入新的理对纳米尺度上电子行为的描述必须引入新的理论，这也将促进介观物理和混沌物理的发展论，这也将促进介观物理和混沌物理的发展。6.4.2 磁学应用 6.4.3 纳米催化 6.4.4 陶瓷增韧 纳米微粒颗粒小，比表面大并有高的扩散速率，因而用纳米粉体进行烧结，致密化的速度快，还可以纳米粉体进行烧结，致密化的速度快，还可以降低烧结温度降低烧结温度，目前材料科学工作者都把发展纳米高效陶瓷作为主要的奋斗目标。6.4.5 光学应用 6.4.6 医学应用 6.4.7 环保应用
