纳米材料技术

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1、第一章纳米材料技术概述1.1纳米材料技术的发展概况纳米科学与技术是一种跨学科的研究与开发领域，涉及纳米屯子学、纳米材料学、纳米物理学、纳米化学、纳米生物学、纳米显微学、纳米计量学、纳米摩擦学、纳米机械学、纳米制造、纳米测量、纳米控制、纳米材料、微米/纳米器件等，是一门在0.1-100nm尺度空间内研究电子、原子和分子运动规律和特性的崭新高技术学科。它的最终目标是人类按照自己的意志直接操纵E个原子，制造具冇特定功能的产品。纳米技术的发展，口J能使许多领域产生突破性的进展。美国自1991年开始将纳米技术列为/政府关键技术及“

2、2005年战略技术”,日木、欧盟也纷纷开展了纳米技术的研究。我国的“863计划”和“973计划”也将纳米材料的研究列入了重点课题。目前，纳米技术的研究主耍集中在纳米材料的制备、结构特征、表征、功能材料的开发应用等方面。利用纳米材料的独特结构及性质，可发展纳米电子技术及微系统技术，组装具冇多种特殊功能、应用于特定领域的微系统。纳米材料是纳米技术的重耍组成部分。纳米材料具有常规材料所不具有的特姝性质,具冇广阔的应用前景。纳米材料的问世，推动了纳米技术的发展和微电子技术及纳米电子学的发展。纳米技术的基础是与单个原子、分子测控技

3、术密切相关的，它是在单个原子或少数原子、分子组合体的微观层次上研究制造功能物质。纳米技术的目标是人类直接操纵E个原子制作具冇特定功能的产品。这样，人类将迎来一个崭新的高技术领域。纳米技术包括利用X射线、电子束和同步辐射光作为光刻制版的光源，位置重合技术的精度可达到Inin,还包括各种超薄膜的生长技术和超精度的腐蚀技术等。FI本已研制成功纳米马达，定位精度达到Inmo美国康乃尔大学科学家制成弹道发射电子显微镜(BEEM),可以在硅片上刻写线宽仅几个纳米的小字母。美国IBM公司利用纳米机械装置在基片上操纵原子堆积成“IBM”

4、原子字。中国科学院化学研究所的研究人员用纳米技术(扫描隧道显微技术)，绘画成迄今最小的纳米级中国地图。凡此等等，都表明纳米技术正步入现代人类生活。1.2纳米材料性质121什么是纳米材料传统材料通常分为具有完整空间点阵结构的品体材料和非品材料两人类。品体材料通常又可分为单晶材料和多晶材料两类。单晶材料屮原子或分子呈周期性的长程有序排列,导致结构上的对称性和性能上的各向异性。多晶材料由m相或多相晶粒聚集而成。对于晶粒尺寸在微米数量级的多品材料，其性能主耍取决丁•品粒的本征特性，而把空间点阵中的空位、替位原子、间隙原子、相界、

5、位错和晶界等看作晶体材料中的缺陷。“缺陷”的状态对多晶材料的性能冇很人影响，但其影响还是冇限的。如果从反方向來思考问题，把“缺陷”作为主体，研制出一种品界占有相当大体积比的材料，结果会怎样呢？从1980年开始，德国物理学家H・Gleiter教授和他的研究组在这种思想的促使下，开始研制可能具有异乎寻常特性的新型材料。经过四年多的不懈工作,终于在1984年成功地把直径为6nm（纳米即毫微米，为KT?米，大约是10个原子的尺度）的铝粒子压实成纳米固体，并对其结构和性能做了深入的研究。从此，纳米材料的制备、结构和性能研究很快成为

6、国际上材料科学、物理和化学等领域的热点。严格来讲，纳米固体材料是指尺度为l-100n）n的超微粒子，经压制、烧结或溅射而成的,具有清洁界面的凝聚态固体（以下简称纳米材料）。由于具有物质新态的奇界结构，纳米固体材料具有一系列奇特性能和功能,因此各发达国家的高技术发展计划都列入了纳米材料的研究与开发内容。1.1.2纳米材料的结构如前所述，对晶粒尺寸在微米数量级的多晶材料，其性能主要取决于晶粒的本征特性,但这种情况随着多品材料品粒尺寸的细化将发生变化。当品粒尺寸减小至纳米数量级吋,晶粒间将产生巨大的界面区，界面所占的体积份数达

7、到不容忽视的比例。很明显，晶粒的细化和界面体积的增加导致结构内有序区域范围缩小，界面原子增多，缺陷密度增多。例如,当晶粒尺寸为snm吋，假设界面平均厚度为Inm（相当于3—4个原子层厚），根据硬球堆积模型，可估算此吋界面原子的体积份数约为50写。很明显，界面和缺陷是纳米材料结构研究的重点。Gleiter等在分析纳米金属固体材料的结构后，提出了一个纳米材料的结构模型。该模型认为，纳米材料由原子有序排列的晶体组元和界面组元两个部分组成。•界面组元由处于各晶粒之间的界面原子构成，这些原子由超徽晶粒的表面原子转化而來，并可以认为

8、界面组元的原子结构既不具有品体的长程序，也不具有非品态的短程有序结构。从另一个意义上说，由于界面原子是由晶粒表面原子组成的，所以这些原子又具有某种特殊的序。总之，纳米固体材料的界面原子处于一种特殊的原子状态，是一种物质新态，人们通常称其为纳米态。应当指出的是，上述的结构模型虽然得到了X射线分析的证实，利用这一模型也能