先进制造技术 教学课件 ppt 作者 李伟 第7章-纳米技术

1、,第1章 绪论 第2章 制造自动化技术 第3章 微细加工技术 第4章 快速原型技术 第5章 工业机器人 第6章 虚拟制造技术 第7章 纳米技术 第8章 压电驱动与控制技术 第9章 绿色制造技术,第7章 纳米技术,中国农业大学,先进制造技术,第7章 纳米技术,7.1 概述 7.2 纳米材料结构与性能 7.3 纳米材料的制备 7.4 纳米级测量技术 7.5 纳米级加工技术,7.1 概 述,7.1.1 纳米材料定义及分类,7.1.2 纳米技术及其重要性,7.1.3 纳米技术的发展及应用,纳米(nanometer)是一个长度单位，1纳米是1米的十亿分之一，即1nm10-9m。 纳米科学是研究纳米尺度范畴内原子、分子和其他类型物质运动和变化的科学；纳米技术则是在纳米尺度范畴内对原子、分子等进行操纵和加工的技术。 纳米科学技术(Nano Science and Technology，Nano-ST)是研究由尺寸在0.1100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用，以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术，它是一门多学科交叉的、基础研究和应用开发紧密联系的高新科学技术。,7.1 概 述,纳米科

2、学技术包括以下若干领域： 纳米材料学 纳米电子学 纳米机械加工学 纳米生物学 纳米化学 纳米力学 纳米物理学 纳米测量学等。,7.1 概 述,7.1.1 纳米材料定义及分类,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或由它们作为基本单元构成的材料。 基本单元按维数可以分为三类： 零维 一维 二维,在空间三维尺度均在纳米尺度。如纳米尺度颗粒、原子团簇、人造超原子、纳米尺寸的孔洞等。,在空间有两维处于纳米尺度。如纳米丝、纳米棒、纳米管等。,在三维空间中有一维在纳米尺度。如超薄膜、多层膜、超晶格等。,纳米材料可分为以下六类,1.纳米粉末(零维) 又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100 纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。,7.1.1 纳米材料定义及分类,可用于高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流体材料、防辐射材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、微芯片导热基片与布线材料、微电子封装材料、光电子材料、先进的电池电极材料、太阳能电池材料、高效催化剂、高效助燃剂、敏感元件、高韧性陶瓷材料、人体修复材料、抗癌制剂等。 纳米粉末研究开发时间最长

3、、技术最为成熟，是制备其他纳米材料的基础。,1.纳米粉末(零维),是指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。 可用于微导线、微光纤(未来量子计算机与光子计算机的重要元件)材料；新型激光或发光二极管材料等。,2.纳米纤维(一维),纳米膜分为颗粒膜与致密膜。 颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。 致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。 可用于气体催化(如汽车尾气处理)材料；过滤器材料；高密度磁记录材料；光敏材料；平面显示器材料；超导材料等。,3.纳米膜(二维),是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。 主要用途为超高强度材料，智能金属材料等。,4.纳米块体(三维),纳米复合材料包括纳米微粒与纳米微粒复合(0-0复合)、纳米微粒与常规块体复合(0-3复合)、纳米微粒与薄膜复合(0-2复合)、不同材质纳米薄膜层状复合(2-2复合)等。 通过物理或化学方法将纳米微粒填充在介孔固体(如气凝胶材料)的纳米孔洞中，这种介孔复合体也是纳米复合材料。 纳米复合材料可利用已知纳米材料奇特的物理、化学性能进行设计，具有优良的综合性能，可应用于航空、航天及人们日常生产、生

4、活的各个领域，纳米复合材料被誉为“21世纪的新材料”。,5.纳米复合材料,是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造的一种新体系，它包括一维、二维、三维的体系。 这些物质单元包括纳米微粒、稳定的团簇或人造原子、纳米管、纳米棒、纳米丝以及纳米尺寸的孔洞等。,6.纳米结构,纳米结构体系根据构筑过程中的驱动力，可分为两类： 人工组装体系 自组装体系,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、二维和三维的纳米结构体系。 包括纳米有序阵列体系和介孔复合体系等。,是按通过弱的和较小方向性的非共价键，如氢键、范德华键和弱的离子键协同作用把原子、离子或分子连接在一起构筑成一个纳米结构或纳米结构的花样。,6.纳米结构,纳米技术是指在纳米尺寸范围内，对材料、设计、制造、测量、控制和产品进行研究处理的技术。 纳米技术主要内容包括：纳米级精度和表面形貌的测量；纳米级表层物理、化学、力学性能的检测；纳米级精度的加工和纳米级表层的加工原子和分子的去除、搬迁和重组；纳米材料；纳米级微传感器和控制技术；微型和超微型机械；微型和超微型机电系统和其他综合系统；纳米生物学等。

5、,7.1.2 纳米技术及其重要性,纳米技术本身就是通过改变材料的尺寸，使其有效面积增加来进行发掘、改变材料的力学、光学、电学、磁学以及生物学特性的。 纳米材料的奇异特性是由于它的特殊结构所决定的，只有材料达到纳米尺寸，才使材料各项理化指标有一个质和量的突破。正是这些特殊现象的发现引起人们的关注，才有今天迅速发展的纳米科学。,7.1.2 纳米技术及其重要性,纳米技术的研究开发可能在精密机械工程、材料科学、微电子技术、计算机技术、光学、化工、生物和生命技术以及生态农业等方面产生新的突破。,7.1.2 纳米技术及其重要性,纳米科技是20世纪80年代末至90年代初正式诞生的一门新兴科技。 1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想。 20世纪60年代，东京大学的久保(Kubo)提出了有名的“Kubo效应”，认为金属超微粒子中的电子数较少，而不遵守Fermi统计，并证实当结构单元小于与其特性有关的临界长度时，其特性就会发生相应的变化。,1.纳米技术的发展历史和现状,7.1.3

6、 纳米技术的发展及应用,1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。 1982年，科学家发明研究纳米的重要工具扫描隧道显微镜，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促进作用。 1989年斯坦福大学搬动原子团写下了“斯坦福大学”的英文名称。 1991年日本NEC公司饭岛(Iijima)等首次发现纳米碳管，立刻引起纳米碳管的研究热。,1.纳米技术的发展历史和现状,1992年日本着手研究能进入人体血管进行手术的微型机器人，从而引发一场医学革命。 1993年中国科学院操纵原子写出“中国”二字，标志着中国开始在国际纳米领域占有一席之地。,1995年至1996年中国实现了纳米碳管的大面积定向生长。 1998年纳米金刚石粉在我国研制成功；美国成功制备出了量子磁盘并迅速转化为产品。,1.纳米技术的发展历史和现状,1998年韩国制成纳米碳管阴极彩色显示器样管；同年美国研制成功100nm芯片。 2000年日本制成纳米碳管场发射器样管；美国研制出量子计算机和生物计算机。,1.纳米技术的发展历史和现状,1)材料与制造 2)纳米电子学和计算机技术 3)医学与健康 4)航空与

7、航天 5)国防,2.纳米技术在高科技领域中的应用,7.2 纳米材料结构与性能,7.2.1 纳米材料的结构,7.2.2 纳米材料的性能,7.2.1 纳米材料的结构,构成纳米结构块体、薄膜、多层膜以及纳米结构的基本单元主要有：团簇、纳米微粒、人造原子、纳米管、纳米棒、纳米丝和同轴纳米电缆。,7.2 纳米材料结构与性能,原子团簇是指几个至几百个原子的聚集体，粒径小于或等于1nm。如Fen、CunSm、CnHm(n和m都是整数)和碳簇(C60、C70等富勒烯)等。 原子团簇可分为一元原子团簇、二元原子团簇、多元原子团簇和原子簇化合物。,1.团簇,一元原子团簇包括金属团簇(如Nan、Nin等)和非金属团簇。非金属团簇可分为碳簇(如C60、C70富勒烯等)非碳簇(如B、P、S、Si簇等)。 二元原子团簇包括InnPm、AgnSn等。 多元原子团簇有Vn(C6H6)m等。 原子簇化合物是原子团簇与其他分子以配位化学键结合形成的化合物。,1.团簇,原子团簇有许多奇异的特性，如极大的比表面使它具有异常高的化学活性和催化活性、光的量子尺寸效应和非线性效应、电导的几何尺寸效应、C60掺杂及掺包原子的导电性和

8、超导性、碳管和碳葱的导电性等等。,1.团簇,当前能大量制备并分离的团簇是C60及其他富勒烯。,1.团簇,纳米微粒是指颗粒尺寸为纳米量级的超细微粒，它的尺度大于原子簇(cluster)，小于通常的微粉，一般在l100nm之间，有人称它为超微粒子(ultra-fine particle)。 纳米微粒一般为球形和类球形。,2.纳米微粒,当小粒子尺寸进入纳米量级(1100nm)时，其本身具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，因而展现出许多特有的性质，在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质及新材料等方面有广阔的应用前景，同时也将推动基础研究的发展。,2.纳米微粒,人造原子(artificial atoms)又称为量子点，是指由一定数量的实际原子组成的聚集体，它们的尺寸小于100nm。 1996年美国麻省理工学院的阿休理(Ashoori)正式提出了人造原子的概念。,3.人造原子,人造原子和真正原子有许多相似之处： 1)人造原子有离散的能级，电荷也是不连续的，电子在人造原子中也是以轨道的方式运动，这与真正原子极为相似； 2)电子填充的规律也与真正原子相似，服从洪德法则。,3.人造原子

9、,人造原子与真正原子的差别主要在于： 1)人造原子含有一定数量的真正原子； 2)人造原子的形状和对称性是多种多样，真正的原子可以用简单的球形和立方形来描述； 3)人造原子电子间强交互作用比实际原子复杂得多； 4)实际原子中电子受原子核吸引作轨道运动，而人造原子中电子是处于抛物线形的势阱中，具有向势阱底部下落的趋势。,3.人造原子,人造原子还有一个重要特点：放入一个电子或拿出一个电子很容易引起电荷涨落，放入一个电子相当于对人造原子充电，这些现象是设计单电子晶体管的物理基础。,3.人造原子,自从1991年日本NEC公司饭岛(Iijima)等发现纳米碳管以来，立刻引起了许多科技领域的科学家们极大关注。 准一维纳米材料在介观领域和纳米器件研制方面有着重要的应用前景，它可用作扫描隧道显微镜(STM)的针尖、纳米器件和超大集成电路(ULSIC)中的连线，光导纤维、微电子学方面的微型钻头以及复合材料的增强剂等。,4.纳米管、纳米棒、纳米丝和同轴纳米电缆,早在1970年法国奥林大学(University of Orleans)的安多(Endo)首次用气相生长技术制成了直径为7nm的碳纤维，遗憾的是他没有对这些碳纤维的结构进行仔细评估和表征，因而并未引起人们的注意。 1991年，美国海军实验室一个研究组提交一篇理论性文章，预计了一种碳纳米管的电子结构，但当时认为近期内不可能合成碳纳米管而文章未能发表。 1991年1月，日本筑波的NEC实验室的饭岛首次用高分辨电镜观察到了碳纳米管，这些碳纳米管是多层同轴管，也叫巴基管(Bucky tube)。,(1)碳纳米管,单壁碳纳米管是由美国加利福尼亚的IBM Almaden公司实验室伯森(Bethune)等人首次发现的。 1996年，美国著名的诺贝尔奖金获得者斯莫利(Smalley)等合成了成行排列的单壁碳纳米管束，每一束中含有许多碳纳米管，这些碳纳米管的直径分布很窄。 我国中科院物理所解思深等人实现了碳纳米管的定向生长，并成功合成了超长(毫米级)纳米碳管。,(1)碳纳米管,单壁及多层纳米管,单壁碳纳米管存在三种类型的结构，分别称分单臂纳米管、锯齿形纳米管和手性纳米管。,单壁及多层纳米管,准一维实心的纳米材料是指在两维方向上为纳米尺度，长度比上述两维方向上的尺度大得多，甚至为宏观量的新型纳米材料。 纵横比(长度与直径的比

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