纳米科学技术与纳米材料发展综述

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1、纳米科学技术与纳米材料发展综述摘要:介绍了纳米科学技术、纳米材料的概况及纳米材料的结构、特性、制备方法和应用前景.关键词:纳米科学技术;纳米材料;纳米效应纳米是长度单位，原称“毫微米”即10’9米（10亿分之一米）。纳米科学是研究在1一100纳米内原子、分子和其他类型物质的运动和变化的学问。在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工，称为纳米技术。20世纪80年代，纳米材料体系开始为科学家所关注，□前已成为跨世纪材料科学研究的热点。1纳米科学技术纳米科学技术是在0.rioonm尺度上研究和应用原子、分子现象,井由此发展起来的多学科的、基础研究与应用研究紧密联系的新的科学技术

2、.它是现代物理（介观物理、量子力学、混沌物理和分子生物学等）和先进工程技术（计算机、微电子和扫描隧道显微镜等技术）结合的产物.纳米并非是•一个新名词，但是在NanoST中的纳米却是一种新的思考方式，即生产过程要越來越精细，以致最•在纳米尺度上直接由原子和分子制造具有特定功能的产品.因此，随着NanoST的发展，必将引发一系列新的科学技术.国呩纳米科技会议将纳米科技分为6个主要部分，即纳米电子学、纳米物理、纳米化学、纳米生物学、纳米机械学和纳米测量学.其中纳米电子学处于重要地位,其研究的直接0标就是新型的纳米电+器件，在纳米器件中，最宥特色的是单电子器件.其典型结构是纳米粒子

3、，它的电了结构特点是一个势阱内具冇分立能级的量子点，若处于量子点内的电子能量高于热起伏，那么就可以检测到单电子隧穿现象.在此基础上可以构造单电子晶体管、逻辑电路、存储电路以及纳米功能元件阵列的超高密度集成电路.与现在的微电子器件相比，它具冇更低的功耗、更快的开关速度、更高的存储密度以及更高的集成度.因此，它不仅宥丰富的理论内容，而且宥极为现实的应用前景.2研究纳米科技的背景和意义从真空电子管的发明到晶体管的出现，从集成电路的诞生到大规模集成电路和超大规模集成电路的广泛应用，每一代小型化电子器件的出现,都带来了电+技术的革命，推动了电子科技的迅速发展,也促进了其它科技和社会生

4、产的进步.特别是以微电子器件为基础的高速计算机的出现和个人计算机的广泛应用，使人类社会进入了计算机时代.促进计算机时代继续发展的一个重要因素是微电子器件的集成度不断提高，其芯片上的功能元件尺、r不断减小，按照□前功能元件尺寸减小的速度推算，不久的将来，芯片上功能元件的尺寸将进入纳米范围.目前,人类广泛应用的功能材料和元件，其尺、r远大于电子g由程,观测的电子输运行为其冇统计肀均结果.描述这些性质的主耍是宏观物理量，现已冇成熟的理论和技术.当功能材料和元件的尺寸逐渐减小到纳米量级时，其物理长度与电子自由程和当,载流子的输运将奋明显的量子力学特征，传统的理论和技术已不再适用.因

5、而，需要发展基于电子的波动性、电子的量子隧道效应、电子能级的不连续性、量子尺十效极和统计涨落等特性的新的理论和新的技术.传统科学技术中元件尺、r是从毫米向微米过渡，现在，在新技术、新效应的应用屮，功能元件的尺寸耍求从微米向纳米过渡.如果再进一步发展，需要组装性能更新颖、结构更复杂的功能元件，就需要开发新材料和相成的组装技术，也就更需要多学科的协作与交叉发展.闪此，从80年代后期丌始逐渐发展起来了一个新的综合性的多学科交叉的研究领域纳米科学技术.纳米科学技术的诞生将对生产力的发展产生深远的影响,并且有可能从根木上解决人类面临的一系列问题，例如粮食、健康、能源和环境保护等重大问

6、题。3纳米材料学纳米材料学是纳米科技领域屮发展最为迅速的学科。纳米材料包括纳米颗粒材料和由纳米颗粒组成的纳米和块体材料。纳米材料学主要研究纳米材料的制备、结构、性能及其应用等，是纳米科技与材料学交叉而成的边缘学科。3.1纳米材料的特性在生产实践屮人们发现，如果将宏观尺度的物质微细化到纳米尺度，这种纳米颗粒在性能上就表现出与原宏观尺度物质完伞不同的性质，人们将这种纳米颗粒称为“物质的新状态”。纳米物质之所以表现出这些奇异的性能，主要是由于物质进人纳米尺度后表现出了一些宏观物质不具备或在宏观物质中对忽略的物理效应。据目前人们对纳米颗粒的研究，这些效应主耍宥表面效应、量子尺、r效

7、应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应等。3.1.1表面效应凝固态物理学告诉我们，处于物质I々部的粒子和处于物质表面的粒子其状态完全不同，盾者其宥很高的能量和化学活性，在电子显微镜的电子束照射K，表而粒子仿佛进人了“沸腾”状态。一般情况十*，由于表而原子数和整个物质的原子数和比微不足道，所以无表面效应显示。但当物质的尺度进人纳米量级，表面原子数就达到了不可忽略的地步（表1）,这吋表面效应就表现得非常明显。表1颗粒粒径、原子数及表面原子数之间的关系Tab.1Relationsbetweenparticlesize,numb