纳米光电材料课程论文-李金光-东南大学.docx

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《纳米光电材料的科学基础与前沿介绍》课程论文

纳米材料特性及纳米技术应用探讨 

李金光（04008033）

（东南大学信息科学与工程学院,南京210096）

摘要：

纳米科技是21世纪的主导产业，世界各国把纳米科技的研究和应用作为战略重点。

在第五次科学技术革命中，新材料家族被推上新一轮科技革命的顶峰。

在新材料和新技术中，纳米材料和纳米技术无疑将成为核心材料和核心技术。

纳米技术的最终目标是直接操纵单个原子和分子，制造新功能器件，从而开拓了人类崭新的生活模式。

文章概述了纳米科技的发展过程及纳米材料的性质与制备，介绍了纳米科技在部分领域的应用，并简述了纳米技术对未来社会的巨大影响及潜在的、令人鼓舞的发展前景。

关键词：

纳米；纳米技术；纳米材料；应用

DiscussionontheCharacteristicofNanometerMaterialsandtheApplicationofNano-Technology 

LiJinguang

（DepartmentofofInformationScienceandEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096）

Abstract:

Nanometertechnologyistheleadingindustryinthe21stcentury.Studyandapplicationofnanometertechnologyhasbeenregardedasthemostimportantstrategicpointbyeverycountry.Inthe5thscienceandtechnicalrevolution,newmaterialhasbeenputonthetopofthenewtechnology.Thefinaltargetofnanometertechnologyistomanufacturenewfunctiondevicesthatcancontrolatomormoleculedirectly.Thisarticleintroducesthedevelopmentsofnanometer,aswellasthenextcenturytogetherwiththeirpotentialandprosperityprospectsarediscussed.

keywords:

Nanometer;nanotechnology;nanomaterial;applications

04008033李金光2010年12月24日2010-2011学年第2学期第14周10/10

引言

纳米科技（英文：

Nanotechnology）是一门应用科学，其目的在于研究于纳米规模时，物质和设备的设计方法、组成、特性以及应用。

纳米科技是许多如生物、物理、化学等科学领域在技术上的次级分类，美国的国家纳米科技启动计划（NationalNanotechnologyInitiative）将其定义为“1至100纳米尺寸尤其是现存科技在纳米规模时的延伸”。

纳米科技的世界为原子、分子、高分子、量子点和高分子集合，并且被表面效应所掌控，如范德瓦耳斯力、氢键、电荷、离子键、共价键、疏水性、亲水性和量子穿隧效应等，而惯性和湍流等巨观效应则小得可以被忽略掉。

举个例子，当表面积对体积的比例剧烈地增大时，开起了如催化学等以表面为主的科学新的可能性。

微小性的持续探究以使得新的工具诞生，如原子力显微镜和扫描隧道显微镜等。

结合如电子束微影之类的精确程序，这些设备将使我们可以精密地运作并生成纳米结构。

纳米材质，不论是由上至下制成（将块材缩至纳米尺度，主要方法是从块材开始通过切割、蚀刻、研磨等办法得到尽可能小的形状（比如超精度加工，难度在于得到的微小结构必须精确）。

或由下至上制成（由一颗颗原子或分子来组成较大的结构，主要办法有化学合成，自组装（selfassembly）和定点组装（positionalassembly）。

难度在于宏观上要达到高效稳定的质量，都不只是进一步的微小化而已。

物体内电子的能量量子化也开始对材质的性质有影响，称为量子尺度效应，描述物质内电子在尺度剧减后的物理性质。

这一效应不是因为尺度由巨观变成微观而产生的，但它确实在纳米尺度时占了很重要的地位。

物质在纳米尺度时，会和它们在巨观时有很大的不同，例如：

不透明的物质会变成透明的（铜）、惰性的物质变成可以当催化剂（铂）、稳定的物质变得易燃（铝）、固体在室温下变成了液体（金）、绝缘体变成了导体（硅）。

纳米科技的神奇来自于其在纳米尺度下所拥有的量子和表面现象，并因此可能可以有许多重要的应用和制造许多有趣的材质。

1纳米技术历史

1959年12月29日物理学家理查德·费曼在加州理工学院出席美国物理学会年会，作出著名的演讲《在底部还有很大空间》，提出一些纳米技术的概念，虽然在当时仍未有“纳米技术”这个名词。

他以“由下而上的方法”（bottomup）出发，提出从单个分子甚至原子开始进行组装，以达到设计要求。

他说道，“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。

”并预言，“当我们对细微尺寸的物体加以控制的话，将极大得扩充我们获得物性的范围。

”这被视为是纳米技术概念的灵感来源。

1962年，日本东京大学的久保亮五教授提出了量子限制理论，用来解释金属纳米粒子的能阶不连续，这是很重要的里程碑，使得人们对纳米粒子的电子结构、型态和性质有了进一步的了解。

而纳米科技一词的定义是东京理科大学的谷口纪男教授在1974年提出。

1981年，扫描隧道显微镜（STM）的发明被广泛视为纳米元年。

1980年代，IBM的安贝旭等人做出多晶体的金环，金环直径小于400纳米，线宽在数十纳米左右。

当外加磁场时，金环产生震荡电阻，这种现象称作磁阻效应，而这种效应明显和环的小尺寸有关，主要是金环内的电子受到金环纳米尺寸的干扰，而在环内两侧震荡。

一般块状金是电的良导体，电阻值很小，不受磁场的影响。

但上述纳米金环的结果显示，当金粒子小到纳米尺度时，其物理性质与大尺寸时不同，这个现象可以用来制作新的纳米电子元件。

1984年德国葛莱特等人利用惰性气体蒸发凝结法，制得铁、铜、铅及二氧化钛的纳米粒子。

其中，二氧化钛的纳米颗粒具有良好的延展性，可以改善陶瓷材料的脆性。

1982年瑞士IBM公司的科学家格尔德·宾宁（GerdK.Binnig）及亨利希·罗勒（HeinrichRohrer），开发出扫描隧道显微镜，它主要是利用一根非常细的钨金属探针，针尖电子会跳到待测物体表面上形成穿隧电流，同时，物体表面的高低会影响穿隧电流的大小，依此来观测物体表面的形貌。

四年后，也就是1986年，这两位科学家和发明穿透式电子显微镜的厄恩斯特·鲁什卡共享诺贝尔物理奖。

BuckminsterfullereneC60,alsoknownasthebuckyball,isthesimplestofthecarbonstructuresknownas富勒烯（fullerene）。

富勒烯家族的成员是纳米科技的主要研究项目。

到了1985年，史马利、柯尔和柯洛托在石墨上利用雷射激光，让它蒸发而成碳黑，纯化后得到的碳簇置于质谱仪中分析，发现两种不明物质，质量分别是碳的60倍与70倍，因此这两种不明物质被称作C60与C70。

C60的形状像一颗足球，有20个六边形及12个五边形的面，共32面的封闭球体。

事实上，科学家在太空收集宇宙尘埃时，早就发现C60、C70等物质。

所以上述三位科学家是最早在地球上制造C60及C70的人，他们也共同获得了1996年的诺贝尔奖。

1985年，斯坦福大学的奎特教授以及IBM的格尔德·宾宁（GerdK.Binnig）及亨利希·罗勒（HeinrichRohrer）共同发明了原子力显微镜。

它也是利用一根探针来扫描物体的表面，当探针靠近待测物体时，探针与物体之间产生作用力，这作用力可以是吸引力或排斥力，并可借此分析物体表面的形貌。

最重要的是，这种仪器可观察的物体不仅是半导体或金属，也可以是绝缘体。

现在很多生物样品的观察，已经大量使用这种设备。

1988年，拜必序的研究团队开发出铁铬（Fe/Cr）纳米多层膜，在低温下改变磁场，电阻会随着产生急遽的改变。

相对来说，一般磁性金属（或合金）的电阻是不容易随磁场的改变而变化的。

到目前为止，已经发现铁铜（Fe/Cu）、铁银（Fe/Ag）、铁铝（Fe/Al）、铁金（Fe/Au）、钴铜（Co/Cu）、钴银（Co/Ag）、钴金（Co/Au）等纳米多层膜都具有这种效应。

1990年，美国IBM公司的艾格勒利用这种仪器，把35个氙原子（xenon，化学符号是Xe）排成IBM三个字母。

这是人类历史上首次操纵原子，用原子或分子制造机器，也不再是梦想。

1991年，克雷需莫和霍夫曼发展出一次可以做出数公克重C60的方法。

现在，科学家也尝试利用C60的性质制成各种药物。

1996年霍伊儿也合成出二氧化钛（TiO2）纳米管。

二氧化钛本身是一个极佳的光触媒材料，广泛应用在医疗保健，例如消灭细菌或是杀死病毒。

开发出纳米管状的二氧化钛，应用范围也会更多样化。

目前，科学家已尝试把二氧化钛纳米粒子或纳米管应用在光敏化有机太阳电池上，做为光电转换材料，现在已经可以达到实用水平。

2001年在日本筑波举行的“纳米碳管发现十周年”研讨会中，韩国三星公司展示用纳米碳管做成的场发射全彩色电视屏幕。

这个电视的屏幕是由多层壁纳米碳管的前端，产生场发射电子做为电子源，而应用在平面显示器上。

至于医疗用小型X光产生装置的电子源，也可以应用纳米碳管。

纳米科技已被视为新一波产业革命的源头技术，欧美日本等国家的政府部门，近年来均编列大幅预算，推动国家级纳米基础科学、工程技术之研发；学术界及产业界亦相继投注大量人力资金于这场纳米科技的全球竞赛中，希冀于专利与产品开发上抢得先机。

美国，在1993年成立第一个纳米技术研究机构，2000年七月，美国政府向国会提出国家型纳米科技推动与落实计划书（TheNationalNanotechnologyInitiative：

TheInitiativeandItsImplementationPlan）。

2000～2001年，各国相继针对该国产业现况，纷纷提出纳米科技发展计划。

日本成立“纳米材料研究所”（Tsukuba）、欧盟成立“纳米电子技术联盟”（IMEC）、德国成立六个纳米技术卓越群、中国（北京）成立纳米国家科研中心，台湾工业技术研究院亦于2002年一月，成立纳米科技研发中心。

全球有30余国规划及投入纳米领域研发，投入范围包括物理、生技及电子等前瞻领域研究，及纳米新材料的制造与特性开发。

产业界也透过新建立的纳米材料特性及关键技术，开发新产品及改善产品性能，来提升竞争力。

目前为止，纳米科技尚处于一个国际间相互既交流又有点竞争的萌芽阶段。

2纳米材料特性描述

纳米材料因其颗粒尺寸进入纳米量级（1-100nm）而产生四大效应：

即量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应，从而具有传统材料所不具备的物理、化学性质。

（1）光学特性。

主要便现在宽频带强吸收、蓝移（吸收带移向短波方向）和特异发光现象。

例如：

各种金属的纳米微粒几乎都呈黑色（由于对可见光的低反射率、强吸收率所致）；灰色的半导体材料硅，颗粒小到4-6nm会发出淡淡的红光。

（2）电学特性。

主要表现在超导电性