纳米技术的 论文Word文档下载推荐.docx

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在电子信息领域,以纳米技术制造的电子器件,性能会大大优于传统的电子器件,其特点是:

（1）工作速度快,是一般硅器件工作速度的1000倍,因而可使产品的性能大幅度提高;

（2）功耗低,仅是一般硅器件的1/1000;

（3）信息存储量大,在一张不足巴掌大的5英寸的光盘上,至少可以贮存30个北京图书馆全部藏书的内容;

（4）体积小重量轻。

1.2　纳米技术

纳米技术（纳米科学与技术的简称）研究在0.1~100nm尺度范围的物质世界,其实质就是要操纵原子和分子,目的是直接用原子和分子制造体积不超过数百个纳米但具有特定功能的产品。

它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物。

纳米技术主要包含:

纳米材料学（nanomaterials）;

纳米电子学（nanoelectronics）;

纳米动力学（nanodynamics）;

纳米生物学（nanobiology）和纳米药物学（nanopharmics）。

研究纳米技术的方法可以采取“从小到大”（bottomup）和“从大到小”（topdown）两种方式。

从大到小的方式是利用机械和蚀刻技术制造纳米尺度结构。

而从小到大是应用一个个原子或一个个分子创造有机和无机结构。

1.3　纳米材料（nanomaterial）与纳米粒子（nanoparticle）

纳米材料又称为超微颗粒材料,由纳米粒子组成。

纳米粒子也叫超微颗粒,一般是指尺寸在1~100nm间的粒子,是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域。

这样的系统既非典型的微观系统,亦非典型的宏观系统,而是一种典型人介观系统,它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。

当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后,它将显示出许多奇异的特征,即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质,与大块固体时相比,将会有显著的不同。

2　纳米材料的特殊性质

物质被“粉碎”到纳米级细小并制成“纳米材料”,不仅光、电、热、磁性发生变化,而且具有辐射、吸收、催化、吸附等许多新特性,可彻底改变目前的产业结构。

2.1　表面效应

球形颗粒的比表面积（表面积/体积）与直径成反比,随着颗粒直径变小,比表面积将会显著增大,说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。

对直径大于0.1μm的颗粒,表面效应可忽略不计,当尺寸小于0.1μm时,其表面原子百分数急剧增长,这时的表面效应将不容忽略。

2.2　小尺寸效应

随着颗粒尺寸的量变,在一定条件下会引起颗粒性质的质变。

由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化,称为小尺寸效应。

对超微颗粒而言,尺寸变小,同时其比表面积亦显著增加,从而产生如下一系列新奇的性质。

2.2.1　特殊的光学性质　金属超微颗粒对光的反射率很低,通常可低于1%,大约几微米的厚度就能完全消光。

利用这个特

性,可以作为高效率的光热、光电等转换材料,可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。

此外,又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。

2.2.2　特殊的热学性质　固态物质在其形态为大尺寸时,其熔点是固定的,超细微化后,却发现其熔点将显著降低,当颗粒小于10nm量级时,尤为显著。

超微颗粒熔点下降的性质,对粉末冶金工业具有一定的吸引力。

例如,在钨颗粒中附加0.1%~0.5%质量比的超微镍颗粒后,可使烧结温度从3000℃降低到1200~1300℃,以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。

2.2.3　特殊的磁学性质　小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著不同,大块的纯铁矫顽力磁场强度约为80A/m,而当颗粒尺寸减小到2×

10-2μm以下时,其矫顽力可增加1000倍,若进一步减小其尺寸,大约小于6×

10-3μm时,其矫顽力反而降低到零,呈现出超顺磁性。

2.2.4　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。

美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。

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-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。

超微颗粒的小尺寸效应,还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。

2.3　宏观量子隧道效应

当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时,就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性,称之为量子尺寸效应。

例如,导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体,磁矩的大小与颗粒中电子是奇数还是偶数有关,比热亦会反常变

化,光谱线会产生向短波长方向的移动,这就是量子尺寸效应的宏观表现。

因此,对超微颗粒在低温条件下,必须考虑量子效应,原有宏观规律已不再成立。

近年来,人们发现一些宏观物理量,如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等,显示出隧道效应,称之为宏观的量子隧道效应。

量子尺寸效应、宏观量子隧道效应,将会是未来微电子、光电子器件的基础,或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限。

当微电子器件进一步微型化时,必须要考虑上述的量子效应。

3.现在和未来的纳米科学技术

与纳米（10-9m）级物质相关的科学技术都冠以“纳米”冠词,如纳米物理学、纳米化学、纳米电子学等。

纳米级的物质,例如金属微粒,由于量子效应而表现出一些有别于普通材料甚至是单个原子所没有的性能,例如,小于10nm的金粒子,在熔化时其熔点要比大颗粒金样品熔点低上XX。

目前,借助以纳米级物质的新性质应用为基础的纳米技术,已经能获得各种具有原子-分子结构水平的物质。

因此,纳米科技也常被称为分子制备工艺学。

天然分子工艺学按照从小到大或由简单到复杂的原则形成体系,创建了各种不同形态的三维世界。

纳米级结构的相互作用决定了活的有机体的自身存在、形态、功能以及进化,这是纳米工艺过程成功的最令人信服的证明。

人工分子纳米技术是从大到小,即由三维到二维再到一维纳米结构,使不同物体（如集成电路中的电子基本元件、磁基本元件和光电基本元件）具有特殊的工艺功能。

由于纳米科技的快速发展,像量子点、量子偶极、纳米管不久前还是外来术语,如今已经成了描述材料和工艺过程普通特性的专业术语。

众所周知,现在已经不仅可以看到形成原子团的量子点（图1,а）,而且它还能汇集成导线（图1,б）。

有些按照一定形式汇集的纳米导线使量子计算机的元件（如量子场晶体管（图1,в）和集成电路（图1,г））具有优良的工作性能。

　　从实验室第一批结果提出到实际应用,也就是从纳米科学的框架提出到纳米工艺学的建立,这一过程的转变速度之快是其它类似发明所不及的。

直到1998年,当第一个纳米晶体管出现时,纳米科学实际应用的可能性仍被认为是一种幻想,人们认为要用15~30a的时间实用纳米设计的时代才能到来。

但时间仅仅过去4a,由单个分子或原子汇集起来的可工作的纳米装置和以纳米工艺为基础的具有新性质的材料就出现了。

这一突破性的成就首先是由投资的快速增长所决定的,在2003年,俄罗斯以外的国家投资和部分公司的总投资就达到60亿美元。

从表1中可以明显看出,一些国家花在纳米科技研究方面的投资正在增长（表1）。

据统计,2005年纳米工艺市场需求达1000亿美元,到2015年将增长10倍（图2）。

预计2006年纳米技术市场开始出现瓜分的局面,这一状况在2010~2015年前才能结束（表2和3）。

根据专家评价,纳米技术已成为21世纪发达国家最重要的技术发展方向,也是21世纪50年内发展中国家作为优先考虑的国家规划,这不仅仅是保财政稳定增长的因素,同时也是推动相关科研部门和工业发展的需要。

2000年,美国成立了国家纳米工艺协会（NNI）,初次拨款2·

7亿美元开展工作。

2003年美

国专业组织投入7·

7亿美元,2004年投入8·

49亿美元,2005~2008年将投入37亿美元开展相关研究工作,除此之外,还专门补充21亿美元保障政府部门开展这个领域的科研工作。

日本2004年纳米技术预算支出达到8·

75亿美元,拨款幅度超过了同期的美国。

1998年日本就已经规划用10a的时间建成制造电子工业的纳米元件、仪器和系统的基地,特别是制造能在太空、星球表面和核爆炸中温度高达3000℃条件下工作的电子仪器和电子系统。

据三菱中心基地科研所预测,2010年纳米技术商品在日本的流通约占2亿美元。

中国2003年纳米科技投入为2亿美元,随着这项工作的开展,组建了大量民营和国营公司（2000年初约为600家）。

所有欧盟国家（除卢森堡外）都有纳米科技国家规划,2000年财政拨款的国家有德国为6300万欧元,英国为3900万欧元,芬兰为1900万欧元,荷兰为700万欧元,瑞典为600万欧元。

1976~2002年间获得纳米领域营业执照的公司,美国有56800个,日本7500个,欧盟有4000个,

其余的有2200个。

国外从事纳米研究的公司可分为以下几类;

材料生产与加工、电子学及其仪器制造、光子学、生物技术和程序保证。

在纳米材料市场上有50个公司,近年来他们参

与了上百种纳米结构材料和功能材料的制造,这些材料具有特殊的电、磁和催化性能,有一定的韧性和塑性。

它们主要被应用在以下几个领域:

新一代微电子和光电子薄膜和掺杂结构组分、化学和石油化学方面的纳米孔材料（催化剂、吸附剂和分子筛）、不燃的聚合物基的纳米复合材料、燃烧元件、蓄电池及其他能量转换器、生物组织移植、医药制剂等领域。

纳米工艺在电子制造业也取得了很大成就,在纳米技术生产领域出现了一些品牌公司,如美国IBM公司、惠普、日立、三菱、东芝、美国朗讯、摩托罗拉、NEC、3M公司等,其中IBM公司用于科研的拨款额最多,达52亿美元。

这些公司中所取得的突出成绩有:

制造分子存储器（惠普公司）、单电子晶体管（英特尔公司）、液晶显示器（三星公司、美国Sun公司）、光纤维通信反射矩阵（美国郎讯公司）和原子主线板（IBM公司）等。

预计到2015年,纳米电子装置在数据存储和处理方面会有革命性的变化。

那些用其它方法不能实现的,而依靠纳米电子装置的微电子技术产品的市场会不断扩大,其中有超轻手提笔记本、新型显示器、高容量存储设备、显微分析器、微型实验室、微电生产线等。

从2004年起,全部微处理器制造商都采用了

90nm生产工艺,例如即将生产的IntelPentium4处理器（它是Prescott处理器的核心）。

纳米生物技术公司制造以显微传感器为基础的诊断仪器,它可显示复杂分子或单个的DNA螺旋结构。

一块纳米片就会提供由一滴血得到的诊断图。

其它的应用有麻醉剂的快速显现。

纳米科技发展主要可分为以下三个方向:

1）制造相当于原子或分子大小的基本元件的电子电路;

2）研制纳米机器,也就是分子大小的机器人;

3）制定原子和分子精确转移的方法,以由它们合成特定性质的材料和装置,这个难题既可依靠物质结构的改变来解决（例如,改变碳原子的排列顺序可以制取金刚石）,也可通过聚合的方法（如由二氧化碳气体和水制取糖和淀粉,这像制取植物一样）。

50~60a后,纳米工艺会朝着以下几个方向发展:

1）精确度为0·

1nm的分子程序排布;

2）频率为0·

1千兆赫电子纳米设备的研制;

3）每秒运算100万次的纳米分子处理器研制;

4）2~3h内生产1kg用于制造纳米装置的任何复杂材料;

5）使工业系统功能化,每工作3h它可强化生产对象。

所有纳米工艺方案都是以精确到几个纳米甚至单个原子来控制原子/分子反应为基础的。

这些纳米反应能够发生在真空、气体和液体中,此时它们的形式不取决于介质的特征,而完全决定于其他因素———电场、压力、温度、该物质性质和能量分解值。

例如,这些性质可能是偶极矩、杂质的存在和毛细管吸入能力等。

附加的外部作用,如激光照射,能够改变化学反应的方向和速度。

原则上,上述这些特性决定了在不同化学冶金过程中在原子分子水平精确控制物质提纯的理论上的可能性。

在理论和现有的纳米化学成功实践基础上,纳米工艺方面也取得了较快发展,如纳米湿法冶金、纳米选矿等。

从2002年起,俄罗斯科学院将纳米技术作为基础科学研究发展方向,“纳米材料基础物理化学问题”规划已列入俄罗斯科学院主席团规划中,“自然界中的纳米颗粒:

形成条件和生态问题研究”已列入俄罗斯科学院地球科学分部研究计划中。

纳米粒子即使不是存在于全部物质中,也是存在于很多物质中,其中包括大气圈、水圈、岩石、岩浆以及生产的废弃物中。

从事贵金属领域研究的冶金学家和矿物学家认识到超显微金的不平常的特性,如它在焙烧会挥发,在矿石样品分析时“找不见”它及它可从盐酸溶液中被还原的复杂性。

细磨、超细磨、结晶、焙烧、升华、蒸发和冷凝都具有使物质处于超分散状态的特点。

所以,在工艺过程可以改变物质的化学状态和/或物理状态时,即固/液、液/气和液/液之间转变时,可能会有纳米粒子和纳米结构存在。

例如,在湿法冶金流程中所有的基本作业都是纳米工艺过程。

因为,湿法冶金本质上是一个连续实现的化学变化,可以认为,纳米湿法冶金的科学原理是建立在纳米化学基础之上的,纳米湿法冶金原理的应用同

时也是对纳米科学的检验。

如果接受这个假设,那么就会提出一个研究冶金过程中纳米颗粒形成的条件及其性质的课题,以便应用于实际中。

就湿法冶金而言,应用颗粒的性质可以用很高的产出率（可能为100%）分离出原子/分子水平的金属。

众所周知,对于大规模的生产（铜、铀、金）条件,这个课题是今天技术上难以解决的问题。

因此,可以预料,纳米湿法冶金可能首先在稀有、分散和放射性元素提取方面获得成功,因为在这些部门,试验技术发展比较快,处理量比较小和分析方面有保证。

离子浮选、不同类型的分选（光选、幅射拣选和电磁选等）及药剂在矿物表面上的吸附等过程是需要讨论的本质上相近的问题,也是纳米技术在选矿中可能应用的问题。

从湿法冶金的角度来看,在纳米化学仪器供应领域的成就是很重要。

最初为纯研究目的而制造的原子力显微镜对表面上的化学反应、磁场作用、热作用和光作用表现出了很高的灵敏度。

目前,包括有几千个独立传感器的探针装置已经可用于从多组分溶液中选择地分离出分子水平的指定物质。

如果施加到探针装置系统中的初始作用（在结晶时引入类似的晶种）与纳米水平的系统自组织同时发生的话,那么测试条件更接近实际条件。

值得指出的是,尽管像冶金科学和生产一样,与纳米化学相关的问题比较复杂,与其说他们是一个理论问题,不如说是一个工艺问题,但是原则上是可以解决的。

4纳米技术的具体应用

4.1.高分子材料改性中的应用

对高聚物的传统改性方法有化学法（共聚、交联、接枝）与物理法（填充、共混、插层）。

近年来采用共混改性（如橡胶或热塑性弹性体增韧）和填充增韧改性虽然在材料的增韧和增强方面得到了长足的进展,但这些方法同时会使材料刚度、强度下降,有时还会损害材料的韧性。

而纳米材料的合成与制备为发展高性能新材料、改善现有材料的性能提供了一个新的途径。

在我国,无机纳米粒子对聚合物改性作用研究,主要集中在增韧与增强方面,即主要提高复合材料拉伸与冲击强度上。

纳米复合改性聚合物材料主要有以下特点:

①分散相粒子能较好地在聚合物基体中细化与分散,使得材料的强度和韧性都得到较大的提高;

②聚合物基体与纳米粒子间有较紧密的界面,黏结较好;

聚合物链段受一定空间的限制,耐热性和尺寸稳定性较好。

所用无机纳米材料有CaSO4、CaCO3、SiO2、Al2O3、Si3N4、SiC/Si3N4、碳黑和磷灰石等。

采用插层复合法制备的聚合物/层状硅酸盐（PLS）纳米复合材料,具备常规聚合物复合材料所没有的结构、形态,比常规复合材料具有更优异的物理力学性能、耐热性和气体、液体阻隔性能等。

研究发现用纳米CaCO3、碳黑对PVC进行共混改性,其冲击强度、拉伸强度、断裂伸长率、溶体流动性都有显著的提高。

还有研究表明通过CaCO3对NBR（丁腈橡胶）的填充改性,其拉伸、撕裂强度有明显提高,还有较好的增韧作用[4]。

纳米材料共混改性不仅能增强

聚合物的机械性能,还能影响到材料的其他性能,如用SiO2共混改性PMMA材料,发现其弯曲、冲击强度皆有较高的改善,且其透光率下降,光学损耗增加。

其他的无机纳米材料都能有效地改善各种类型材料的性能,冲击强度最大可提高200%~300%,伸长率能提高600%~1000%。

通过无机纳米材料的化学改性同样能有效的改善材料的性能。

4.2传统产业

4.2.1汽车行业

纳米技术在汽车产业的应用十分广阔。

应用纳米技术可以提高汽车的安全、轻质、环保等性能：

由于纳米材料比表面积大、催化效率高等特点，在汽车尾气及车内空气净化方面应用纳米技术，将使排放的气体更清洁、更环保；

发动机应用纳米陶瓷复合材料，将使发动机更坚固，使用寿命更长；

在安全防护方面应用纳米材料的力敏传感器、汽车防腐底漆、自洁功能面漆、保险杠、车内装饰用纳米改性高分子材料（阻燃等），可以极大地提高汽车寿命，改善汽车的安全性；

各类电机中应用的新型纳米稀土永磁材料，汽车动力应用新型纳米太阳能电池，将进一步降低能耗，使能源更清洁。

这些方面已经引起一些大公司的关注，预计在近期内可形成约10亿美元的市场。

由此可见，纳米技术在汽车产业中存在着巨大的商机。

4.2.2纺织行业

纳米技术在纺织技术中的应用具有广阔的前景。

例如，通过功能纳米氧化物填充到纤维中可制得各种差别化、功能化纤维，将赋予普通纤维特殊功能而成为新一代化学纤维，或者采用化学、物理的方法，将功能性组分与高聚物复合成纤，达到集多种功能于一体

的效果，这一切将为纤维的发展带来了一场革命，这些特种功能纤维将满足人们日益追求的舒适、保健、环保、智能型服装的要求。

随着纳米技术的深入开发，方便快捷的后整理技术必将引发纳米材料在纤维应用上的又一次革命，将为社会带来十分可观的经济效

益，可大大提高我国纤维产业在国际市场的竞争力，

C机械行业磨损是材料与设备破坏和失效的三种最主要形式之一，据统计资料表明，摩擦损失了世界一次性能源的1/3以上，每年所造成的损失约占GDP的1%。

纳米科技的发展为解决该领域的技术难题提供了可能。

金属材料的晶粒细化和纳米化，尤其是强机械力作用下的材料表层晶粒的纳米化，并配合碳氮物理化学渗透，形成高强度或者高耐磨损性的金属纳米材料，用于阀门轴承及高强度耐磨损部件。

最新研制的纳米硬质合金，不但强度和硬度均高于相同成分的粗晶合金，而且展示出一些其他的新奇特性。

5.纳米技术在建材中的应用

纳米材料的奇特性质为其广泛应用奠定了基础,通过将具有特殊功能的纳米材料与建筑材料进行复合可以制备各种建材。

另外,随着科学技术的发展和人们生活水平的提高,人们已经越来越追求高档、舒适、具有保健功能的建材。

因此,利用纳米材料的特殊性能开发多功能、高附加值的功能建材,将为未来的建筑业创造巨大的效益。

5.1纳米技术在陶瓷材料中的应用

陶瓷材料作为材料的三大支柱之一,在工业生产及日常生活中起着非常重要的作用。

传统的陶瓷质地较脆,韧性、强度较差,因而使其应用受到了较纳米技术及其在生物和环保领域的应用大的限制,随着纳米技术的广泛应用,纳米陶瓷随之产生。

它的出现将有助于解决陶瓷的强化和增韧问题,使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性,因此,纳米陶瓷的研究就成为当今材料科学的热点领域。

纳米陶瓷是纳米材料的一个分支,是指平均晶粒尺寸<

100nm的陶瓷材料。

纳米陶瓷属于三维的纳米块体材料,它是由纳米级显微结构组成的新型陶瓷材料,其中包括晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等均是在纳米量级的水平上。

纳米陶瓷是由尺度为纳米级的粒子固化而成,它在较低的温度下烧结就能达到致密化,同时由于它的小尺寸效应、界面效应、量子尺寸效应和量子隧道效应,使得它具有许多独特的性能。

具体表现在:

①作为外墙用的建筑陶瓷材料,在经过修饰的陶瓷表面具有自清洁和防雾功能;

②纳米陶瓷具有的塑性行为,使陶瓷在本质上具备了吸收外来能量的机制,陶瓷的脆性问题有可能解决;

③纳米陶瓷具有低的烧结温度、短的烧结时间、高的塑性性能和高的断裂韧性;

④在陶瓷基中加入纳米级的金属碳化物纤维,可大大提高其硬度,同时具有良好的抗烧蚀性和防热性。

近年来,我国对纳米技术及纳米材料在陶瓷行业的研究取得了突破性进展。

原效坤[6]研究了纳米氧化锆陶瓷粉体的制备;

杨晓敏等[7]研究了粉体表面包碳对陶瓷烧结行为与力学性能的影响;

赵清杰等研究了球形粉体及氧化锆/镍复合粉体的制备,在纳米材料的制备及应用方面取得了研究性成果。

5.2纳米技术在混凝土材料中的应用

5.2.1纳米矿粉在水泥混凝土中的应用

混凝土是当今应用最广泛、最重要的工程材料之一,利用纳米技术和纳米矿粉开发的新型混凝土,可大幅度提高混凝土的强度、施工性能和耐久性能,纳米矿粉主要包括纳米SiO2、纳米CaCO3和纳米硅粉等。

纳米矿粉不但可以填充水泥的空隙,提高混凝土的流动