中科院纳米材料课件17.pdf

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1、第八章功能纳米结构的组装20061211第一阶段（1990年以前）主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体（包括薄膜），研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能。对纳米颗粒和纳米块体材料结构的研究在80年代末期一度形成热潮。研究的对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这类纳米材料称纳米晶或纳米相材料。第二阶段（1994年前）人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料，通常采用纳米微粒与纳米微粒复合，纳米微粒与常规块体复合及发展复合材料的合成及物性的探索一度成为纳米材料研究的主导方向。第三阶段（从199

2、4年到现在）纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构的材料体系越来越受到人们的关注，正在成为纳米材料研究的新的热点。1引言1.1纳米结构的概念纳米结构指的是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造(construction)的一种新体系，它包括一维、二维、三维体系。这些物质单元包括纳米微粒、稳定的团簇、纳米管、纳米棒、纳米丝以及纳米尺寸的孔洞等。构筑纳米结构的过程就是我们通常所说的纳米结构的组装。构建单元原子合成纳米颗粒纳米线、管组装纳米结构分散与包覆高比表面材料功能纳米器件强化材料纳米结构的合成与组装在整个纳米科技中有着特殊重要的意义，从美国世界技术评估中心WorldTechnolog

3、yEvaluation提供的这幅纳米科技组织图可以看到纳米结构的合成与组装在整个纳米科学与技术中所处的基础性地位，可以说合成与组装是整个纳米科技大厦的基石，是纳米科技实现突破的起点。1.2纳米结构体系特性与意义纳米结构的出现，无论从基础研究的角度来说，还是从性能与应用的角度来看，都有着特殊的意义。从基础研究的角度来说，纳米结构的出现，把人们对纳米材料基本物理效应的认识不断引向深入。纳米颗粒无序堆积而成的块体材料，由于颗粒之间的界面结构的复杂性，很难把量子尺寸效应和表面效应对奇特理化效应的机理搞清楚。纳米结构可以把纳米材料的基本单元(纳米微粒、纳米丝、纳米棒等)分离开来，这就使研究单个纳米结构

4、单元的行为、特性成为可能。更重要的是人们可以通过各种手段对纳米材料基本单元的结构进行控制，这就使我们有可能进一步认识他们之间的藕合效应。纳米结构出现的新现象、新规律有利于人们进一步建立新原理，这为构筑纳米材料体系的理论框架奠定基础。从性能与应用的角度来看，由于纳米结构既具有纳米微粒的特征，如量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应等特点；又存在由纳米结构组合引起的新的效应，如量子藕合效应和协同效应等。所以纳米结构实际上综合了物质本征特性、纳米尺寸效应、组合引起的新功能等多项效应，可能具有一般纳米材料所不具备的特殊性能。通过对纳米尺度上的构筑砖块与其组装的微观控制，可能最终实现对纳米结构各方面宏观性

5、能的控制，在增强材料硬度、延展性、磁性、光电性能、选择性吸附、催化性能等物理、化学性能方面获得突破。其次，这种纳米结构体系很容易通过外场(电、磁、光)实现对其性能的控制，这就是功能纳米电子器件的设计基础。从这个意义上说，纳米结构体系是一个科学内涵上与纳米材料既有联系、又有一定差异的新范畴，目前的文献上已出现把纳米结构体系与纳米材料并列起来的提法，也有人从广义上把纳米结构体系归结为纳米材料的一个特殊分支学科。1.3纳米结构的组装概述这一阶段研究的特点更强调按照人们的意愿来设计、组装、创造新的体系，更有目的地使该体系具有人们所希望的特性。可以说功能纳米结构的组装是纳米材料领域的最前沿阵地。因为纳

6、米结构组装体系的发展异常迅速，不断有新思想、新技术问世，这就给对它的总结带来一定的难度，关于纳米结构组装体系的划分至今并没有一个成熟的看法，根据纳米结构体系构筑过程中的驱动力是靠外因还是靠内因对纳米结构组装体系进行划分，大致分为两类:一是人工纳米结构组装体系;二是纳米结构自组装体系和分子自组装体系。2人工组装人工纳米结构组装体系是按人类的意志，利用物理和化学的方法，人工地将纳米尺度的物质单元组装、排列构成一维、二维和三维纳米结构体系。在人工组装中，人的设计和参与制造起到决定性的作用，就好像人们用自己制造的零部件装配成非生命的实体一样，只不过，这里需要装配的零件是化学合成的纳米结构基元如纳米微

7、粒、纳米管、纳米棒等。因为纳米材料尺度上的特殊性，对它的装配工具提出了很苛刻的要求，装配工具是近年来才发展起来的扫描探针显微镜(scanningprobemicroscopes,SPM)等仪器。尽管SPM已经被泛用于拓扑构图和原子、分子操控等领域，但它有一个最大的缺点，因为当前探针和系统动力学的限制，它的扫描速度很慢。为了解决这个问题，近年来有一些研究组开始发展能够独立控制的探针阵列。通过同步进行多个操作，可