《纳米技术及应用》ppt课件

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1、引言:回首近代科学技术的发展:(一)蒸汽机时代:产业的机械化(二)电力时代:产业的电气化(三)电子计算机时代:产业的信息化和网络化21世纪,随着科技的发展,人类又将迎来什么时代呢?1纳米科技时代2一、纳米技术的由来和发展1959年12月,在美国物理学会年会上,著名物理学家、诺贝尔物理奖得主理查德·费曼教授作了一次非常著名的讲演,题目叫做“自底层构造的丰富结构”。其中有一段话是这样说的:“我认为,物理学的原理并不排斥有一个一个的安排原子来制造东西。这样做,并不违反任何定理,因而在原则上是可以实现的。它在实践中迄今未实现是因为我们太

2、大了。”他还说:“如果我们能按照自己的愿望一个一个的安排原子,将会出现什么……这些物质将有什么性质?这是十分有趣的理论问题。虽然我不能精确回答它,但我决不怀疑当我们能在如此小的尺度上进行操纵时,将得到具有大量独特性质的物质。”现在,理查德·费曼的演讲已被看作是纳米科技基本概念的起源,有人甚至将纳米科技形象的称为“费曼之梦”。31982年,科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜,使人类首次在大气和常温下看见原子,为我们揭示一个可见的原子、分子世界,对纳米科技发展产生了积极促进作用。1990年,美国IBM公司在镍表面用35个

3、氙原子组成了一个“IBM”图案。4一年之后,他们用一氧化碳分子在镍表面上构造了一个大头娃娃的分子人,分子人从头到脚仅有5nm高度。51991年,碳纳米管被人类发现,碳纳米管是石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状“纤维”,内部是空的,外部直径只有几到几十纳米。这样的材料很轻,但很结实。它的密度是钢的1/6,而强度却是钢的100倍。成为纳米技术的研究热点。61993年,继“IBM”之后,中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“ 中国”二字,标志着我国开始开始在国际纳米科技领域占有一席之地。71997年,美国科学家首次成

4、功地用单电子移动单电子,利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存储容量比现有计算机提高成千上万倍的量子计算机。1999年,巴西和美国科学家发明了世界上最小的“秤”,可称量十亿分之一克的物体,相当于一个病毒的重量。此后不久,德国科学家研制出能称量单个原子重量的“秤”。打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。8到1999年,纳米技术逐步走向市场,全年纳米产品的营业额已达到500亿美元。近年来,一些国家纷纷制定相关相关战略或者计划,投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心,把纳米技术列如新5年科技基本计划的研发重点;德国

5、专门建立纳米技术研究网;美国将纳米技术视为下一次工业革命的核心,美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从1997年的1.16亿美元增加到2001年的4.97亿美元。9现在,纳米技术的发展使新的学科领域不断涌现:(1)纳米物理学;(2)纳米化学;(3)纳米材料学;(5)纳米电子学;(7)纳米力学;(8)纳米及电系统;(6)纳米加工学;(4)纳米生物学;…………10二、纳米材料概述几十个原子、分子或成千个原子、分子“组合”在一起时,表现出既不同于单个原子、分子的性质,也不同于大块物体的性质。过渡区--纳米世界以原子、分子为主体--

6、----微观世界人类活动的-----宏观世界-----介观世界2、纳米材料是介于微观与宏观之间1、什么是纳米材料纳米(nm):纳米材料(0.1~100nm):11三、纳米材料的特性纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性,如原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电,原来绝缘的二氧化硅、晶体等,在某一纳米级界限时开始导电。这是由于纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点,以及其特有的效应:表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。121、表面效应用高倍率电子显微镜对金超微颗粒(

7、直径为2*10-3微米)进行电视摄像,观察发现这些颗粒没有固定的形态,随着时间的变化会自动形成各种形状(如立方八面体,十面体,二十面体等),它既不同于一般固体,又不同于液体,是种准固体。在电子显微镜的电子束照射下,表面原子仿佛进入了“沸腾”状态,尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性,这时微颗粒具有稳定的结构状态。超微颗粒的表面具有很高的活性,在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。利用表面活性,金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。132、小尺寸效应由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小

8、尺寸效应。(1)特殊的光学性质当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时,即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上,所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小,颜色愈黑,银白色的铂(白金)变成铂黑,金属铬变成铬黑。由此可见,金属超微颗粒对光的反射率很低,通常可低于l%

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1、引言:回首近代科学技术的发展:(一)蒸汽机时代:产业的机械化(二)电力时代:产业的电气化(三)电子计算机时代:产业的信息化和网络化21世纪,随着科技的发展,人类又将迎来什么时代呢?1纳米科技时代2一、纳米技术的由来和发展1959年12月,在美国物理学会年会上,著名物理学家、诺贝尔物理奖得主理查德·费曼教授作了一次非常著名的讲演,题目叫做“自底层构造的丰富结构”。其中有一段话是这样说的:“我认为,物理学的原理并不排斥有一个一个的安排原子来制造东西。这样做,并不违反任何定理,因而在原则上是可以实现的。它在实践中迄今未实现是因为我们太

2、大了。”他还说:“如果我们能按照自己的愿望一个一个的安排原子,将会出现什么……这些物质将有什么性质?这是十分有趣的理论问题。虽然我不能精确回答它,但我决不怀疑当我们能在如此小的尺度上进行操纵时,将得到具有大量独特性质的物质。”现在,理查德·费曼的演讲已被看作是纳米科技基本概念的起源,有人甚至将纳米科技形象的称为“费曼之梦”。31982年,科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜,使人类首次在大气和常温下看见原子,为我们揭示一个可见的原子、分子世界,对纳米科技发展产生了积极促进作用。1990年,美国IBM公司在镍表面用35个

3、氙原子组成了一个“IBM”图案。4一年之后,他们用一氧化碳分子在镍表面上构造了一个大头娃娃的分子人,分子人从头到脚仅有5nm高度。51991年,碳纳米管被人类发现,碳纳米管是石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状“纤维”,内部是空的,外部直径只有几到几十纳米。这样的材料很轻,但很结实。它的密度是钢的1/6,而强度却是钢的100倍。成为纳米技术的研究热点。61993年,继“IBM”之后,中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“ 中国”二字,标志着我国开始开始在国际纳米科技领域占有一席之地。71997年,美国科学家首次成

4、功地用单电子移动单电子,利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存储容量比现有计算机提高成千上万倍的量子计算机。1999年,巴西和美国科学家发明了世界上最小的“秤”,可称量十亿分之一克的物体,相当于一个病毒的重量。此后不久,德国科学家研制出能称量单个原子重量的“秤”。打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。8到1999年,纳米技术逐步走向市场,全年纳米产品的营业额已达到500亿美元。近年来,一些国家纷纷制定相关相关战略或者计划,投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心,把纳米技术列如新5年科技基本计划的研发重点;德国

5、专门建立纳米技术研究网;美国将纳米技术视为下一次工业革命的核心,美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从1997年的1.16亿美元增加到2001年的4.97亿美元。9现在,纳米技术的发展使新的学科领域不断涌现:(1)纳米物理学;(2)纳米化学;(3)纳米材料学;(5)纳米电子学;(7)纳米力学;(8)纳米及电系统;(6)纳米加工学;(4)纳米生物学;…………10二、纳米材料概述几十个原子、分子或成千个原子、分子“组合”在一起时,表现出既不同于单个原子、分子的性质,也不同于大块物体的性质。过渡区--纳米世界以原子、分子为主体--

6、----微观世界人类活动的-----宏观世界-----介观世界2、纳米材料是介于微观与宏观之间1、什么是纳米材料纳米(nm):纳米材料(0.1~100nm):11三、纳米材料的特性纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性,如原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电,原来绝缘的二氧化硅、晶体等,在某一纳米级界限时开始导电。这是由于纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点,以及其特有的效应:表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。121、表面效应用高倍率电子显微镜对金超微颗粒(

7、直径为2*10-3微米)进行电视摄像,观察发现这些颗粒没有固定的形态,随着时间的变化会自动形成各种形状(如立方八面体,十面体,二十面体等),它既不同于一般固体,又不同于液体,是种准固体。在电子显微镜的电子束照射下,表面原子仿佛进入了“沸腾”状态,尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性,这时微颗粒具有稳定的结构状态。超微颗粒的表面具有很高的活性,在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。利用表面活性,金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。132、小尺寸效应由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小

8、尺寸效应。(1)特殊的光学性质当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时,即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上,所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小,颜色愈黑,银白色的铂(白金)变成铂黑,金属铬变成铬黑。由此可见,金属超微颗粒对光的反射率很低,通常可低于l%

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