物理学在高新技术材料中的应用（纳 米 科 技）沙 健(一) 基本概念(二) 纳米材料的研究方法(三) 纳米材料应用(一) 基本概念纳米科学和技术纳米材料科学和技术 纳米电子科学和技术 纳米生物科学和技术纳米机械, 纳米加工 . 纳米科学和技术0.11101001101001000纳米 微米通常把1-100纳米作为纳米科技的适用范围原子分子块体微观 介观 宏观 材料结构单元尺度：1100nm零维 团簇,纳米颗粒,C60族等准一维 纳米管、线、棒纳米材料三维 纳米块体 纳米多孔材料纳米材料（按形貌分类）二维超晶格薄膜金属 合金有机 高分子其它陶瓷 无机氧化物 等纳米材料种类（按成分和结构分类）纳米材料有天然存在的n-Cu室温轧制超塑性 K.Lu,et al, Science,287,1463,2000只有那些变成纳米尺寸后能显示出新的性质， 或原有性质发生了改进的材料才有制作和研究价值。人工制作纳米材料Fibonacci number: AB 8/5, C: 13,21Fibonacci 级数: 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55.团簇幻数C60固体结构85年发现，96年Nobel奖1991, Igima first experimentally obtained C Nano-TubesAfter that, many people plunged into this area, and more and more CNTs with multiple-layers or single layer, different diameter andlength appear in the world HREM image of C-Nano-TubeModel for the structure1991, Igima first experimentally obtained C Nano-TubesLast year, Germany scientists Oliver G.Schmidt and Karl Eberl made a Si-Ge Nano-tube by roll up a film. Nature 418(2001)168。Then we give a model to the growth of the SiNTs:AFM image of surface of NCA. Density 107/mm2 Diameter 10nm AlAl2O3 wall 10mNano-Channel Al2O3 as Substrate ChannelDiameter 20mmL ( m ) r (nm)线、 管、 同轴缆线、 带1）小尺寸效应当结构单元的尺寸减小到与某些物理特征尺度相当时，纳米材料 宏观物理性质发生变化。如超导相破坏、磁性矫顽力突增、发生结构相变、熔点降低、对光的反射率降低等。 2）量子尺寸效应当纳米材料结构单元某一维度上的尺寸下降到某个值的时候，费米面附近的电子能谱由准连续变到离散，表面结构和电子态急剧变化，能隙变宽，处于分离的量子化能级中的电子波动使其产生一系列反常，如场至发光、光吸收带移动、载流子的量子约束和量子输运、导体变成绝缘体等。 3）表面效应纳米材料结构单元表面与内部原子的数量比、比表面积（m2/g）、比表面能都随着基元尺寸的下降而迅速提高。（R=10nm, 20%, 66 m2/g, 5.9X102 J/mol,1nm, 99%, 660 m2/g ,5.9X103 J/mol, 主要起源于：(二 ) 纳米材料的研究方法纳米材料制备方法物理化学生物PVDBMSol gelCVD人工合成蛋白传统的从大到小的方式1m 500纳米科技独特的从小到大的方式分级组装结构设计基本性质研究新概念器件信息存储 材料生物和医学光通讯基元制备现状(基础研究）：零维纳米材料，研究了近20年；二维纳米材料，依托薄膜领域内已研究得很深入。三维纳米材料（块体），也无太多基本问题。准一维纳米材料，还未被人们深入了解。新的物相，新的特性。一维纳米材料 头发头发 大树何谓一维纳米材料？Synthesis of SiNWs Motivation of making SiNWs1. Compatible with the traditional Si bulk material in IT2. It is possible for SiNWS:Signal generation、Signal transmission、 Signal storage SiNWs serve dual purpose: both active devices and interconnects. Crossed SiNWs architecture provides natural scaling and potential for integration at highest densities.P typeN typeDiode connect To predict rationally growth conditions we must identify(i) catalyst material (ii) composition (iii) growth condition.These can be determined from phase diagrams.e.g. Starting liquid: Au + Si Binary Au-Si Phase DiagramSynthetic DesignExperimental Overview* Breaking symmetry for 1D growth, and addition of Si during the whole process.* The key issue for controlled nano- wire growth is the generation of nano- scale “Si + catalyst” droplet* The growth process begins when the droplet becomes supersaturated with siliconNano-size catalyst particle, supersaturate precipitationgrowthpreferred orientationdropletVLS mechanism (Vapor -Liquid-Solid)AuSiSiSynthesis of array orderly SiNWsDie(Nano-tube)SiIn CVD system, 900KAlAl2O3 wall 1mAnodic Al2O3 (AAO) plate as die Nano-Tube Diameter 5nmAFM image SEM image AAO surface. Density 107/mm2 Diameter 5nm1cmCVD systemAl2O31931，Ruska和Knoll 研制成功了 第一台电子显微镜1938，Ruska，分辨率只有10nm 1956，Menter，分辨率达到0.8nm现在，已经达到0.1-0.2nm，TEM STEM(Transmission Electron Microscopy, Scanning Transmission Electron Microscopy)Dispersing crystals or powders on a carbon film on a grid3mmS.T.M (Scanning Tunneling Microscope)Tiny SiNWs (TEM image)