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第一章 纳米科学技术导论

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纳米科技导论

纳米科技导论

选择题（6小题，18分），填充题（6小题，24分），名词解释或问答题（3小题，18分），简答题（2小题，20分），论述题（1个题，20分）；一、选择题 （1/6）1、纳米（nm ）是一个长度单位，它等于 。

A.10-6 米B.10-9 米C.10-10 米D.10-3米2、一般而言，光学显微镜由于受到光学衍射的限制， 其分辨率约为 。

①200纳米(nm)　②1毫米(mm)　③10微米 (μm)　④3～5纳米(nm). 一、选择题 （2/6）3、准一维纳米材料是指在两个维度上为纳米尺度，长度约为微米级、毫米级的新型纳米材料。

下列各选项中，属于准一维纳米材料的是 。

A.纳米粒子　B.纳米结构薄膜　C.碳纳米管 D.储氢合金粉末　4、1981年美国IBM 公司的科学家们发明了扫描隧道显微镜和原子力显微镜，极大地推动了纳米科技的发展。

这两种微观表征和操纵技术的英文缩写为 。

A.SEM 和STM B.SPM 和AFM C.SEM 和SPM D.STM 和AFM 一、选择题 （3/6）5、原子的直径在0.1～0.3nm 之间，原子核的大小约几个费米（1fm=10-15m ）。

人类的遗传物质DNA 是纳米科学技术的重要研究对象，DNA 螺旋结构的横向尺寸约为 。

①1-3nm ②3～5μm ③100μm ④200μm6、研究表明，纳米粒子粒径从100nm 减小至1nm ，其表面原子占粒子中原子总数的比例将 。

①减小 ②不变　③尚无定论　④增大一、选择题 （4/6）7、固体物质随着晶粒尺寸的细化，其熔点将表现出明显变化。

差热分析(DTA)实验表明，平均粒径为40nm 的纳米铜粒子的熔点与同一种固体材料的熔点相比， 。

①降低了300℃左右 ②无明显变化 ③升高了300ºС左右 ④由3000℃左右降到1000℃。

一、选择题 （5/6）8、科学研究发现，从蛋白质、DNA 、RNA 到病毒，都在纳米尺度范围，即纳米结构也是生命现象中基本的东西，例如DNA 的直径约2nm 左右，SARS 病毒约60--120nm ，艾滋(AIDS)病毒约 。

纳米科技导论-1自然界中的纳米结构

纳米科技导论-1自然界中的纳米结构

超疏水表面的应用
• 超疏水表面在工农业生产和人们的 日常生活中都有着极其广阔的应用前 景。荷叶的“自清洁”功能启发了人 们将超疏水表面应用到日常的自清洁 技术中。例如：它可以用来防雪、防 污染、抗氧化以及防止电流传导等。 如果建筑物的外墙、露天的广告牌等 表面像荷叶一样，就可以保持清洁。
超疏水表面在减阻中的应用
• 为什么这样的“粗糙”表面能产生超疏水性 呢？ 对于一个疏水性的固体表面来说，当表 面有微小突起的时候，有一些空气会被“关 到”水与固体表面之间，导致水珠大部分与 空气接触，与固体直接接触面积反而大大减 小。由于水的表面张力作用使水滴在这种粗 糙表面的形状接近于球形，其接触角可达150 度以上，并且水珠可以很自由地在表面滚动。 即使表面上有了一些脏的东西，也会被滚动 的水珠带走，这样表面就具有了“自清洁” 的能力。这种接触角大于150度的表面就被称 为“超疏水表面”，而一般疏水表面的接触 角仅大于90度。
•
宋代周敦颐(yi)在《爱莲说》 中写道“予独爱莲之出淤泥而不 染”。一千年后的今天，人们已经 可以从科学的角度解释莲这种“出 淤泥而不染”的特性。与之相关的 “仿生超疏水性表面”的研究已成 为化学模拟生物体系研究中的一个 新领域。
•
浸润性是固体表面的重要特征之一,它由 表面的化学组成和微观形貌共同决定。超 亲水和超疏水特性是表面浸润性研究的主 要内容。所谓超疏水（憎水）表面一般是 指与水的接触角大于150度的表面。人们对 超疏水表面的认识，主要来自植物叶—— 荷叶表面的“自清洁”现象。比如，水珠 可以在荷叶的表面滚来滚去，即使在上面 浇一些污水，也不会在叶子上留下污痕。 荷叶这种出污泥而不染的特性被称作“自 清洁”效应。
10μm
Nature 2004, 432, 36

纳米技术及其应用第一章PPT课件

纳米技术及其应用第一章PPT课件
纳米技术及其应用
任课教师：赵丽丽
信息技术发展的趋势
• 当前信息技术的不断进步主要 归功于低价格、高速度、高密 度和高可靠的信息表述和处理 方式的进步
• 计算机技术取得成功的关键是 固体电子器件小型化和集成度 的持续不断提高
• 先进的多媒体技术和社会对信 息处理的需求都要求进一步减 小芯片的器件尺寸
1. 绪 论
中国纳米技术国应内外用的纳米战略
• 全国范围
– 各个高等院校和研究所的大范围研究和专利 – 形成三百多家纳米企业 – 以“纳米”注册的企业近百家 – 数十条纳米材料生产线 – 资金约百亿元
1. 绪 论
纳米技术在其它国内国外的家纳米战略
• 韩国：全国纳米技术研究院、纳米显示技术 • 印度：像抓软件产业那样抓纳米科技 • 德国：把发展纳米技术定位在新能源、新环境，全面
黑作为墨的原料以及用于着色的染料，这就是最早
利 的纳米材料。
用
纳
米 ➢中国古代铜镜表面的防锈层，经检验是一层纳米
材 氧化锡颗粒薄膜。 料
1. 绪 论
➢1962年，日本科学家久保（Kubo）及其合作者通过对金属 超微粒子的研究，提出了著名的久保理论 。 ➢1963年，Uyeda及其合作者用气体冷凝法，在高纯惰性气 体中蒸发和冷凝获得清洁表面的超微颗粒，对单个金属超微 颗粒的形貌和晶体结构进行了透射电镜研究。 ➢1970年，江崎和朱兆祥考虑到量子相干区域的尺度，提出 了半导体超微晶格的概念。 ➢1981年，发明了扫描隧道显微镜（STM）。 ➢1984年，德国的Gleiter教授等人首次用惰性气体凝聚法及 原位加压制成纳米固体，并提出了纳米材料界面结构模型。
3、制备与评估
量子点、量子线、量子阱简介 纳米微粒的制备 碳纳米管 纳米阵列的制备 纳米固体的制备与性能 纳米尺寸的评估

纳米科技导论-1自然界中的纳米结构--修改共68页

纳米科技导论-1自然界中的纳米结构--修改共68页

谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子

纳米科技导论-1自然界中的纳米结构-修改
46、法律有权打破平静。——马·格林 47、在一千磅法律里，没有一盎司仁 爱。— —英国
48、法律一多，公正就少。——托·富 勒 49、犯罪总是以惩罚相补偿；只有处 罚才能 使犯罪 得到偿 还。— —达雷 尔
50、弱者比强者更能得到法律的保护 。—— 威·厄尔

纳米科学与技术第一章

纳米科学与技术第一章

• 纳米科技研究涉及一系列快速发展的设备和工 业流程， 业流程 ， 要求对单一的原子或分子簇进行加工 处理， 这些材料通常只有1纳米到 纳米到100纳米大小 。 纳米大小。 处理 ， 这些材料通常只有 纳米到 纳米大小 • 在纳米级别，一些传统材料可以表现出其有价 值的特性，如不同寻常的强度、电导性或者通 过肉眼无法察觉的某些性质，可以通过对不同 纳米级材料间的重新组合制造出新的药物、新 的食品和设备，将对全球经济产生巨大的影响。
• 绪论 (Introduction)
• 美国卢克斯研究公司 美国卢克斯研究公司2005调查报告 调查报告: 调查报告
• 2004年美国联邦政府在纳米技术领域投入了 年美国联邦政府在纳米技术领域投入了10 年美国联邦政府在纳米技术领域投入了 亿美元，各州又另外投入了4亿美元 亿美元。 亿美元，各州又另外投入了 亿美元。 • 迄今只有很少一些纳米技术产品走向市场，也 迄今只有很少一些纳米技术产品走向市场， 几乎没有盈利，但对纳米技术的前景保持乐观。 几乎没有盈利，但对纳米技术的前景保持乐观。 • 1997年各国政府对纳米技术的投入总计不到 年各国政府对纳米技术的投入总计不到5 年各国政府对纳米技术的投入总计不到 亿美元， 年就增长到35亿美元 亿美元，到2003年就增长到 亿美元。 年就增长到 亿美元。 • (摘自：科技日报 2005-01-27) 摘自： 摘自
• 2008年美国《探索》杂志列举的9大最佳纳米产品： • 1、纳米啤酒瓶 纳米复合材料 、纳米啤酒瓶—纳米复合材料 • 米勒醇酒公司采用黏土纳米材料 黏土纳米材料制造塑料啤酒瓶， 黏土纳米材料 可保留二氧化碳，不让氧气轻易进入，避免啤酒 变质，而且不易碎裂。但一些消费者关注纳米材 料用于食物包装是否安全 食物包装是否安全，是否它们会像灰尘一 食物包装是否安全 样对人体无害。

纳米科学与技术 应用物理 第一章

纳米科学与技术 应用物理 第一章

呈现出超顺磁性。
利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已作成 高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、
磁卡以及磁性钥匙等。
利用超顺磁性，人们已将磁性超微颗粒制成用途 广泛的磁性液体。
人们发现鸽子、海豚、蝴蝶以及生活在水中的趋
磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物
在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。磁性 超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘，生活在水中的趋 磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。
小到10纳米尺寸时，则降低27℃，减小到2纳米尺寸时
的熔点为327℃左右。 金属纳米颗粒表面上的原子十分活泼。可用纳米 颗粒的粉体作为火箭的固体燃料、催化剂。例如, 在火 箭发射的固体燃料推进剂中添加l％重量比的超微铝或
镍颗粒，每克燃料的燃烧热可增加 l 倍。
（3） 特殊的磁学性质
小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同； 大块的纯铁矫顽力约为 80安/米，而当颗粒尺寸减小到 20纳米以下时，其矫顽力可增加1千倍；若进一步减小 其尺寸，大约小于 6纳米时，其矫顽力反而降低到零，
1991年： IBM的首席科学家Armstrong曾预言： “我们相信纳米科技将在信息时代的下 一个阶段占中心地位，并发挥革命的作 用，正如 20 世纪 70 年代初以来微米技术 已经起的作用那样。”
克林顿：纳米技术可能是下个世纪前二 十年最重要的技术。
钱学森预言：“纳米和纳米以下的结构 是下一个阶段科技发展的一个重点，会 是一次技术革命，从而将使 21 世纪又一 次产业革命。”
纳米科学 与技术
The Small World
本课程的内容
1. 绪论 2. 纳米材料 2.1 零维纳米结构：纳米粒子 2.2 一维纳米结构：纳米线、纳米棒、纳米管 2.3 二维纳米结构：薄膜、石墨烯 2.4 特殊纳米材料 3. 纳米材料的制备方法 4. 纳米材料的表征 5. 纳米材料的性能 6. 纳米材料的应用

第一章 纳米科学技术导论

量子化效应量子隧道效应小尺寸效应表面效应非定域量子相干效应量子涨落不混沌多体关联效应和非线性效应等等纳米材料的特性纳米材料的特性?随着粒子中原子数的减少金属fermi能级附近的电子能级由连续状态分裂为分立状态能级的平均间距不粒子中的电子数成反比在能级间距大于热能磁能静电能光子能量以及超导态的凝聚能时就会产生不宏观物体丌同的所谓量子效应quantumeffect被科学界称做kubo效应
量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件 的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，当微 电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。
举例：纳米电子器件

微米级的信息技术在21世纪会走到尽头，进一步发展会受到物理 学的局限。
电子器件小到100纳米时，量子效应就会起到很重要的作用，利 用量子效应而工作的纳米器件需要用全新的理论和方法来构建（ 例RTD）。 与微电子器件相比, 量子器件具有高速(速度可提高1000倍)、低 耗(能耗降为1/1000)、高效、高集成度、经济可靠、信息存储量 大(一张5英寸光盘上可以存储30个北京图书馆的全部藏书) 。
纳米材料的分类 按结构(维度the number of dimensions）分为4类： (1) 0维材料quasi-zero dimensional—三维尺寸为纳米 级(100 nm)以下的颗粒状物质。
• Fullerenes， Colloidal particles • Semiconductor quantum dots


纳米材料的特性 介电限域效应
介电限域效应是纳米微粒分散在异质介质中由于界面引 起的体系介电增强的现象，主要来源于微粒表面和内部局域 场强的增强。当介质的折射率对比微粒的折射率相差很大时， 就产生折射率边界，这就导致微粒表面和内部的场强比入射 场强明显增加，这种局域场强的增强称为介电限域。

第1章纳米技术概论

目录：第1章 纳米技术概论1.1 引言1.2 基本概念和内涵1.3 纳米技术发展简史1.4 纳米技术的应用1.5 纳米技术发展的主要难点主要参考文献第2章 纳米电子技术基础〖ST〗2.1 纳米效应2.2 纳米薄膜技术2.2.1 基片的选择2.2.2 制膜方法2.2.3 成膜方法比较2.3 超晶格与低维材料2.3.1 超晶格材料及其电子状态2.3.2 低维材料2.3.3 多孔硅2.3.4 纳米微晶硅薄膜2.4 纳米器件工艺概论主要参考文献第3章 纳米导电材料3.1 纳米金属的性质与制备3.1.1 纳米金属材料的主要物理性质3.1.2 纳米金属固体的制备方法3.1.3 纳米金属膜的制备方法3.1.4 纳米金属的结构与形态3.1.5 纳米金属中的晶界和非平衡结构合金3.2 纳米金属在电子工业中的应用3.2.1 纳米铜3.2.2 纳米导电浆料3.2.3 低温焊料3.2.4 用于传感器的纳米金属颗粒3.2.5 纳米金属——介孔异质复合体3.3 纳米电磁屏蔽与吸波材料3.3.1 电磁屏蔽在信息社会中的重要性3.3.2 电磁屏蔽与吸波材料的工作机理3.3.3 纳米材料的吸波主要机制3.3.4 纳米屏蔽与吸波材料动态3.4 纳米电极材料3.4.1 纳米镍电极3.4.2 纳米超级电容器电极3.4.3 纳米锂离子蓄电池电极3.4.4 纳米电极材料开发中需解决的问题3.5 纳米金属线与纳米同轴电缆3.5.1 纳米金属线及其合成方法3.5.2 纳米金属线的应用3.5.3 同轴纳米电缆主要参考文献第4章 纳米电子陶瓷4.1 电子陶瓷与纳米电子陶瓷4.1.1 电子陶瓷的发展4.1.2 纳米电子陶瓷的内涵及其分类4.1.3 纳米电子陶瓷的性能4.1.4 纳米电子陶瓷的发展4.2 纳米电子陶瓷的制备技术4.2.1 纳米电子陶瓷粉体制备技术4.2.2 纳米陶瓷粉体的团聚4.2.3 纳米电子陶瓷的成型技术4.2.4 纳米电子陶瓷的烧结技术4.3 纳米介电陶瓷4.3.1 纳米绝缘电子陶瓷4.3.2 纳米压电与铁电陶瓷4.3.3 纳米敏感陶瓷4.4 纳米电子陶瓷薄膜4.4.1 纳米电子陶瓷薄膜概述4.4.2 纳米压电铁电薄膜4.4.3 用于VLSI低介电常数材料纳米多孔二氧化硅 4.4.4 纳米金刚石膜4.4.5 纳米气敏陶瓷薄膜主要参考文献第5章 纳米磁性材料5.1 纳米磁性材料的介观磁性与分类5.1.1 纳米磁性材料的介观磁性5.1.2 纳米磁性材料的分类5.2 巨磁电阻效应及材料5.2.1 基本概念5.2.2 巨磁电阻材料5.2.3 隧道磁电阻材料5.2.4 庞磁电阻材料5.2.5 三类磁电阻材料的比较5.3 GMR磁电子器件5.3.1 硬盘读出磁头5.3.2 磁性随机存储器5.3.3 GMR传感器5.3.4 磁电子器件的新发展5.4 纳米晶软磁材料5.4.1 纳米晶软磁材料的特性5.4.2 主要的纳米晶软磁材料5.4.3 纳米晶软磁材料的制备及应用5.5 纳米晶复合永磁材料5.5.1 纳米晶复合永磁材料的特征5.5.2 常见的纳米晶复合永磁材料5.5.3 纳米晶复合永磁材料制备与应用领域5.5.4 研究热点5.6 磁致冷工质5.6.1 磁致冷的基本原理5.6.2 磁致冷工质5.7 磁性液体和纳米磁记录介质材料5.7.1 磁性液体5.7.2 磁性液体的应用5.7.3 纳米磁记录材料主要参考文献　第6章 低维半导体材料6.1 低维半导体材料概述6.1.1 低维半导体材料6.1.2 纳米半导体中能谱与量子效应6.2 纳米半导体材料的制备与评价6.2.1 半导体微结构材料生长和精细加工相结合的制备技术 6.2.2 应变自组装纳米量子点（线）结构生长技术6.2.3 半导体纳米结构材料的其他制备技术6.2.4 纳米半导体的评价技术6.3 超晶格与量子阱材料6.3.1 超晶格与量子阱的特性6.3.2 Ⅲ　Ⅴ族超晶格、量子阱材料6.3.3 硅基应变异质结构超晶格与量子阱材料6.3.4 Ⅱ　Ⅵ族超晶格、量子阱材料6.3.5 超晶格与量子阱的主要应用6.4 半导体量子线6.4.1 半导体量子线的制备6.4.2 纳米线的主要性能6.4.3 半导体量子线材料与应用6.5 量子点6.5.1 量子点的制备6.5.2 量子点的主要性质6.5.3 半导体量子点的主要应用6.6 准一维纳米材料6.6.1 碳纳米管6.6.2 碳纳米管的性能6.6.3 碳纳米管的应用6.6.4 非碳纳米管准一维材料6.6.5 准一维纳米氧化锌主要参考文献第7章 纳米光电材料7.1 纳米发光材料7.1.1 纳米发光材料的光学性质7.1.2 纳米半导体发光材料7.1.3 纳米复合发光材料7.1.4 纳米稀土发光材料7.2 纳米透明导电氧化物薄膜材料7.2.1 透明导电氧化物（TCO）薄膜7.2.2 氧化铟锡透明导电薄膜7.2.3 SnO　2透明导电薄膜7.2.4 掺铝氧化锌透明导电薄膜7.2.5 纳米透明导电薄膜的进展7.3 纳米光—电转换材料7.3.1 太阳能电池7.3.2 薄膜太阳能电池7.3.3 纳米结构电化学太阳能光电池7.3.4 纳米太阳能电池的进展7.4 纳米非线性光学材料7.4.1 非线性光学材料概述7.4.2 纳米半导体材料的三阶光学非线性成因7.4.3 一些纳米颗粒的非线性光学性质7.4.4 半导体/介质纳米镶嵌材料的非线性光学性质7.4.5 纳米二阶非线性光学材料主要参考文献第8章 纳米体系中的电子波和电子波器件8.1 电子波和介观体系8.1.1 电子波和电子波函数的相位相关性8.1.2 介观体系的特殊性质8.1.3 二维电子气的量子Hall效应简介8.1.4 介观体系的电导涨落效应、非局域性效应和持续电流效应 8.1.5 弹道区的量子化电导效应8.2 量子干涉8.2.1 电子波干涉程度的表示8.2.2 实现量子干涉的条件8.2.3 相位破损的机理8.2.4 能否满足量子干涉条件8.3 电子波器件8.3.1 电子波干涉计型器件8.3.2 电子波导型器件8.3.3 电子波衍射器件8.3.4 谐振隧穿（RT）器件8.3.5 量子线沟道FET8.3.6 速度调制晶体管（VMT）8.3.7 平面超晶格FET主要参考文献第9章 单电子学和单电子器件9.1 Coulomb阻塞效应9.1.1 电导振荡——Coulomb振荡现象9.1.2 Coulomb阻塞效应9.1.3 电流偏置下单个隧道结的　I　V　特性9.1.4 超导态的Coulomb阻塞效应9.2 单电子器件9.2.1 单电子静电计9.2.2 半导体量子点旋转门9.2.3 单电子晶体管（SET）9.2.4 单电子类CMOS倒相器9.2.5 单电子晶体管存储器9.2.6 单电子晶体管逻辑电路举例9.2.7 量子网络自适应器件（QCA）主要参考文献第10章 纳米集成电路概论10.1 传统CMOS结构的纳米器件10.2 纳米量子电子器件10.3 纳米集成电路中的连接线10.4 纳米集成电路设计中的问题10.5 纳米集成电路的设计方法学——持续收敛方法学 主要参考文献。

第1章纳米科技及纳米材料绪论PPT课件

掌握纳米材料按维度分类的方法 了解现在纳米材料的研究重点 了解纳米尺度对材料性质产生的影响及其应用 了解纳米材料的潜在生物毒性及应对方法
相关知识 扫描隧道显微镜、富勒烯、巨磁阻效应 美国NNI计划、中国《纳米科技发展纲要》
纳米尺度、宏观领域、微观领域、纳米科技
纳米科学、纳米技术、纳米工程、纳米物理学、 纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米医学、 纳米力学、纳米制造 纳米科技对生物医学、信息技术、国防、能源环 境、食品等领域的影响 纳米结构单元、纳米材料 纳米材料学、纳米材料工程、纳米材料发展的3 个阶段 零维、一维、二维、三维纳米材料
atoms one by one the way we want them? —— The principles of physics, as far as I can see,
do not speak against the possibility of maneuvering things atom by atom.
纳米材料的分类 纳米材料的研究现状 纳米材料的特性与应用 纳米材料的安全性
掌握程度 掌握纳米的概念，了解纳米科技的形成过程 了解世界主要经济体的纳米科技发展规划
掌握纳米尺度、纳米科技的基本概念 理解纳米科技主要分支学科的基本特征
了解纳米科技主要应用领域的发展前景
掌握纳米材料的基本概念 了解纳米材料科学与工程的发展概况
特征，即千分之一微米（意译），但现在普遍采用的是更加简 洁的纳米（音译），在我国台湾则被译为奈米。 随着纳米科技的研究日益广泛，现在英文文献中常常直接用 nano来表示纳米。 1nm大约是2～3个金属原子，或10个氢原子排列在一起的“宽 度”。一般病毒的直径约60～250nm，红血球的直径约6,000～ 8,000nm，头发丝的直径则约为30,000 ~50,000nm。

纳米科技导论-0概论--修改


与电子器件相比，量子器件具有高 速(速度可提高1000倍)、低耗(能耗降 低1000倍)、高效、高集成度、经济可 靠等优点。因此，纳米电子学的发展， 可能会在电子学领域中引起一次新的 电子技术革命，从而把电子工业技术 推向更高的发展阶段。
• 纳米是一个长度计量单位，1纳米 = 10-9米。 • 纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下（1-100nm） 的微小结构。 • 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米 尺度范围(10-9～10-7m)或由它们作为基本单元构 成的材料 • 在纳米尺寸上对物质和材料进行研究处理的技术 称为纳米技术。纳米技术本质上是一种用单个原 子、分子制造物质的技术。 • 纳米科学：在纳米尺度上研究材料的制备及其性 质、现象的科学。 • 纳米科学技术（简称纳米科技）：制造和研究纳 米尺度（10-9 ～10-7m）的器件和材料的科学技术。
绪论
• 纳米技术主要包括四个方面的内容
• 纳米技术包含下列四个主要方面： 第一方面是纳米材料，包括制备和 表征。纳米材料是纳米科技发展的重要 基础。纳米材料是指材料的几何尺寸达 到纳米级尺度，并且具有特殊性能的材 料。
•
其主要类型为：纳米颗粒与粉体、 纳米碳管和一维纳米材料、纳米薄膜、 纳米块材。在纳米尺度下，物质中电 子的特性（量子力学性质）和原子的 相互作用将受到尺度大小的影响，如 能得到纳米尺度的结构，就可能控制 材料的基本性质如熔点、磁性、电容 甚至颜色，而不改变物质的化学成份。
第四方面是纳米电子学，包括基于 量子效应的纳米电子器件、纳米结构 的光/电性质、纳米电子材料的表征， 以及原子操纵和原子组装等。 如现有的硅和砷化镓器件的响应速 度最高只能达到10～12秒，功耗最低 只能降至1微瓦。而量子器件在响应速 度和功耗方面可以比这个数据优化 1000～10000倍。
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纳米材料的特性 介电限域效应
介电限域效应是纳米微粒分散在异质介质中由于界面引 起的体系介电增强的现象，主要来源于微粒表面和内部局域 场强的增强。当介质的折射率对比微粒的折射率相差很大时， 就产生折射率边界，这就导致微粒表面和内部的场强比入射 场强明显增加，这种局域场强的增强称为介电限域。
一般来说，过渡金属氧化物和半导体微粒都可能产生介电限 域效应，纳米颗粒的介电限域对光吸收、光化学、光学非线 性等会有重要影响。
按晶体状态分类 • 纳米晶体 • 纳米非晶体
按材料物性分类
• • • •
纳米半导体 纳米磁性材料 纳米非线性光学材料 纳米铁电体
（非线性介电行为，在一些电介质晶体中，晶胞的结构 使正负电荷重心不重合而出现电偶极矩，产生不等于零的 电极化强度，使晶体具有的自发极化性质称为铁电性。）
• 纳米超导材料 • 纳米热电材料（1823年发现的塞贝克效应和1834年 发现的帕尔帖效应）
奇异现象。
• 主要包括：量子化效应、量子隧道效应、小
尺寸效应、表面效应、非定域量子相干效 应 ，量子涨落与混沌，多体关联效应和非线 性 效应等等)
纳米材料的特性
量子尺寸效应

随着粒子中原子数的减少，金属 Fermi能级附近 的电子能级由连续状态分裂为分立状态，能级的 平均间距与粒子中的电子数成反比，在能级间距 大于热能、磁能、静电能、光子能量以及超导态 的凝聚能时，就会产生与宏观物体不同的所谓量 子效应(Quantum Effect)，被科学界称做Kubo效 应。
J. Am. Chem. Soc.（125, 2003, 14996-14997）
(4) 3维纳米材料——纳米相材料。 • a nanocrystalline solid consisting of nanometre-sized crystalline grains each in a specific crystallographic orientation.
磁性氧化钛纳米颗粒
富勒烯
(2) 1维材料—线径为1—100 nm的纤维(管)。 • Systems confined in two dimensions • Include nanowires, nanorods, nanofilaments and nanotubes.
(3) 2维材料—厚度为1 — 100 nm的薄膜。 • Systems confined in one dimension. • include discs or platelets, ultrathin films on a surface and multilayered materials.
按应用分类
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纳米电子材料 纳米光电子材料 纳米生物医学材料 纳米敏感材料 纳米储能材料
从应用的角度看，纳米材料还可以分为两大类： • 一类是通过学科交叉产生的新产业与产品，用 于制造纳米结构量子器件，但是这类材料和器 件的发展将大大拓展和深化人们对客观世界的 认识，使人们能够在原子、分子水平上制造材 料及器件，将导致信息、能源、环境、医疗、 生物与农业等领域的技术变革。
10nm以下纳米金属表面呈现准固体“沸腾状态”
纳米颗粒表面活性极高，高反应活性、高吸附活性、高催化 活性、高生化敏感性、高杀菌活性、易团聚。
宏观量子隧道效应
1957年，江崎玲于奈等发现发现半导体和超导体中电子的量子穿隧 效应，1973年获得诺贝尔物理奖。
经典物理学认为，物体越过势垒，有一阈值能量，粒子能量小于此 能量则不能越过。当两个超导体之间设置一个绝缘薄层构成 SIS（ Superconductor-Insulator- Superconductor）时，电子可以穿过绝 缘体从一个超导体到达另一个超导体，称为宏观量子隧道效应。
（5）纳米介孔材料(孔径为纳米级)。
• MCM-41; SAB-15; • Nanoporous silicon; • Activated carbons
Activated carbons MCM-41（Kresge）
按组成（component） 分类
•纳米金属 •纳米无机非金属 •纳米高分子材料 •复合纳米材料
建纳米级的功能器件或产品。
五、纳米材料
纳米材料是纳米科技的基础和核心
纳米材料的定义 几何尺寸、组成相或晶粒结构的尺寸控制在 1-100 纳 米范围的具有特殊功能的材料。 两层含义： 1 ，至少在某一维方向，尺度小于 100nm ，如纳米颗 粒、纳米线和纳米薄膜，或构成整体材料的结构 单 元的尺度小于100nm，如纳米晶合金中的晶粒； 2，尺度效应：即当尺度减小到纳米范围，材料某种 性质发生神奇的突变，具有不同于常规材料的、优 异的特性。
一、导言
纳米科学是在纳米尺度（从原子、分子到亚微米尺 度之间）上研究物质的相互作用、组成、特性与制 造方法的科学。纳米尺度：1-100nm范围内的几何 尺度。
空间坐标： 皮米（pm）： 10-12 m；飞米（fm）： 10-15 m
纳米尺度开辟了人类认识和改造世界的全新领域。 人类对客观世界的传统认识分为两个层次： 一是宏观领域（尺度），二是微观领域（尺度）。 • 宏观领域以人的肉眼可见的物体为最小物体开始 为下限，上至无限大的宇宙天体（牛顿定律、广 义相对论） • 微观领域以原子为最大起点，下限是无限小的领 域。基本粒子：电子、质子、中子等。 （普朗克能量子、薛定谔方程）
人类对客观世界认识的第三个层次： • 介观领域包括从微米、亚微米，纳米到团簇尺寸 (从几个到几百个原子以上尺寸)的范围。 纳米 介观领域： 奇异的光、热、电、磁、 力以及化学特性 近年来开发的直接研究手段开启了“纳米之门”。
二、纳米科学技术的由来与意义
纳米科学是由材料、化学、物理学、生物学、医学、电 子学及机械学等多学科交叉而形成的新学科。是指在纳 米尺度（1-100nm）上研究物质组成体系的运动规律和 相互作用，以及利用这些特性的科学。 纳米技术是指在纳米尺寸范围内认识和改造自然，研究 1-100nm之间的物质组成体系的运动规律和功能特性， 及其在实际生产和生活中的应用技术。 纳米科技的最终目标是直接以原子、分子及物质在纳米 尺度上表现出来的新颖的物理、化学和生物学特性制造 出具有特定功能的产品。即按照需要操纵原子、分子构
纳米材料的分类 按结构(维度the number of dimensions）分为4类： (1) 0维材料quasi-zero dimensional—三维尺寸为纳米 级(100 nm)以下的颗粒状物质。
• Fullerenes， Colloidal particles • Semiconductor quantu 小尺寸效应
当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长等物理特征尺寸 相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米 粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、 热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应（也 称体积效应）。
磁性（Fe-Co强磁性纳米颗粒的高矫顽力） 光学 (颜色变黑, 光反射率极低、光电光热转化效率极高) 电学 (高电导率、电磁波高吸收性) 物理学 (高强度、高韧性、高比热、低熔点) 化学 (反应活性、反应速率)
• 另一类具有现实的应用，并且在传统产业的改
造和高新技术的发展过程中起到了重要的作用 。如纳米复合材料如碳纳米管增强Cu。
纳米材料的特性
• 当物质小到1~100 nm (10-9~10-7 m)时, 由于其 巨大的表面及界面效应 , 晶界原子达到 1550%，物质的很多性能发生质变, 呈现出许多 既不同于宏观物体, 也不同于单个孤立原子的
量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件 的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，当微 电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。
举例：纳米电子器件

微米级的信息技术在21世纪会走到尽头，进一步发展会受到物理 学的局限。
电子器件小到100纳米时，量子效应就会起到很重要的作用，利 用量子效应而工作的纳米器件需要用全新的理论和方法来构建（ 例RTD）。 与微电子器件相比, 量子器件具有高速(速度可提高1000倍)、低 耗(能耗降为1/1000)、高效、高集成度、经济可靠、信息存储量 大(一张5英寸光盘上可以存储30个北京图书馆的全部藏书) 。
具体例子：如金的体材料熔点为1337K，金纳米颗粒熔点为600K；纳米银的熔 点可降低到100oC。这种特性为粉末冶金工业提供了新工艺。
纳米材料的特性 表面与界面效应
纳米颗粒由于尺寸小、表面积大、表面能高、表面原子 占比大，活性极高，极不稳定，遇到其他原子时很快结合 ， 使其稳定化，称为表面效应。