功能材料概論6(納米材料)

《功能材料概論6(納米材料)》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。

1、第五章納米材料納米材料和納米技術(shù)是20世紀(jì)80年代末期誕生并崛起的新科技，引起了全世界科學(xué)家的關(guān)注。人們無意識的制備納米材料的歷史可以追溯到1000年前，中國古代利用燃燒蠟燭來收集炭黑作為墨的原料以及用作著色的染料，這是最早的納米材料；中國古代銅鏡表面的防銹層經(jīng)檢驗，證實為納米氧化錫顆粒構(gòu)成的薄膜，但當(dāng)時人們并不知道這是由納米尺度的顆粒構(gòu)成。近現(xiàn)代，約1861年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種新的現(xiàn)象——膠體（直徑1~100nm粒子構(gòu)成的系統(tǒng)），并對此展開了研究，并建立了化學(xué)學(xué)科的一個新分支：膠體化學(xué)。但是當(dāng)時的化學(xué)家們

2、并沒有意識到在這樣一個尺度范圍是人們認識世界的一個新的層次，而只是從化學(xué)角度作為宏觀體系的中間環(huán)節(jié)進行研究，歷史就此錯過。4.1納米科技概述1959年費曼在一次題為《在底部還有很大空間》（“ThereisPlentyofRoomattheBottom.”）著名的演講中提出“如果有一天能按人的意志安排一個個原子和分子，將會產(chǎn)生什么樣的奇跡呢？”并預(yù)言，說人類可以用新型的微型化儀器制造出更小的機器，最后人們可以按照自己的意愿從單個分子甚至單個原子開始組裝，制造出最小的人工機器來?？梢哉f這些是關(guān)于納米技術(shù)的最早的

3、夢想。最早提出納米尺度上科學(xué)和技術(shù)問題的是美國著名物理學(xué)家、諾貝爾獎金獲得者理查德·費曼(RichardPFeynman)——納米科技之父。4.1.1納米科技的發(fā)展史1962年，久保（Kubo）及其合作者針對金屬超微粒子的研究，提出了著名的久保理論（超微顆粒的量子限域理論），從而推動實驗物理學(xué)家向納米尺度的微粒進行探索；1970年，美國IBM實驗室的江崎和朱兆祥首先提出了半導(dǎo)體超晶格概念；20世紀(jì)70年代末到80年代初，科學(xué)家們對一些納米顆粒的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和特性進行了比較系統(tǒng)的研究。1984年，德國薩爾大學(xué)的

4、Gleiter首次采用惰性氣體凝聚法制備了具有清潔表面的納米粒子，并提出了納米材料界面結(jié)構(gòu)模型；1985年，Kroto等人采用激光加熱石墨蒸發(fā)并在甲苯中形成碳的團簇，質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn)了C60和C70新譜線。1990年7月，在美國巴爾的摩召開了第一屆納米科學(xué)技術(shù)會議，正式把納米材料科學(xué)作為材料科學(xué)的一個新的分支公布于世。從此，納米材料科學(xué)作為一個比較獨立的學(xué)科誕生。納米科技進入快速發(fā)展期。掃描隧道顯微鏡為我們揭示了一個可見的原子、分子世界，對納米科技的發(fā)展起到了巨大的推進作用。STM是20世紀(jì)80年代世界十大科技

5、成就之一。20世紀(jì)80年代初期，美國IBM公司在瑞士的蘇黎世實驗室的Binnig和Roher教授發(fā)明了掃描隧道顯微鏡（ScanningTunneling?Microscopy，STM）。4.1.2納米世界的眼和手—掃描隧道顯微鏡這種新型顯微儀器的誕生，使人類能夠?qū)崟r觀測到原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物理化學(xué)性質(zhì)，對表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)以及微電子技術(shù)的研究有著重大意義和重要應(yīng)用價值。為此這兩位科學(xué)家與電子顯微鏡的創(chuàng)制者ERrska教授一起榮獲1986年諾貝爾物理獎。掃描隧道顯微鏡能達

6、到原子級的超高分辨率。掃描隧道顯微鏡不僅作為觀察物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的重要手段，而且可以作為在極其細微的尺度──即納米尺度上實現(xiàn)對物質(zhì)表面精細加工的新奇工具。目前科學(xué)家已經(jīng)可以隨心所欲地操縱某些原子?；驹硎腔诹孔恿W(xué)的隧道效應(yīng)和三維掃描。它是用一個極細的探針（針尖頭部為單個原子）去接近樣品表面，當(dāng)針尖和樣品表面靠得很近（小于1納米）時，針尖頭部的原子和樣品表面原子的電子云發(fā)生重疊。此時若在針尖和樣品之間加上一個偏壓，電子便會穿過針尖和樣品之間的勢壘而形成納安級（10-9A）的隧道電流；隧道電流對距離非常敏感，

7、保持針尖與樣品表面間距的恒定，控制壓電陶瓷使探針沿表面進行精確的三維（x,y,z)移動掃描時，由于樣品表面高低不平而使針尖與樣品之間的距離發(fā)生變化，而距離的變化引起了隧道電流的變化；控制和記錄隧道電流的變化，并把信號送入計算機進行處理，就可以得到樣品表面高分辨率的三維形貌圖像。掃描隧道顯微鏡具有很高的空間分辨率，橫向可達0.1納米，縱向可優(yōu)于0.01納米，能直接觀察到物質(zhì)表面的原子結(jié)構(gòu)，把人們帶到了微觀世界。它主要用來描繪表面三維的原子結(jié)構(gòu)圖，在納米尺度上研究物質(zhì)的特性，還可以實現(xiàn)對表面的納米加工，如直接操

8、縱原子或分子，完成對表面的剝蝕、修飾以及直接書寫等。STM頭部高序石墨原子STM圖象用STM描繪樣品表面三維的原子結(jié)構(gòu):硅表面硅原子STM圖象1990年，納米技術(shù)獲得了重大突破。美國IBM公司阿爾馬登研究中心（AlmadenResearchCenter）的科學(xué)家展示了一項令世人瞠目結(jié)舌的成果，他們使用STM把35個氙原子移動到各自的位置，在鎳金屬表面組成了“IBM”三個字母，這三個字母加起來不到3納米長，成為世界