《纳米材料基础与应用》课程教学课件（PPT讲稿）第一章 纳米科技及纳米材料绪论（山东理工大学：孙武珠）

件么是纳米材料？？ 20 nm 20nm。0 20 应用

纳米材料基础与应用 2 什么是纳米材料？？

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纳米材料基础与应用 3

Top-down Top-down Methods: .Mechanical grinding 理 Bulk Erosion 2纳米材料的制备 Powder 3.纳米材料的分析表征 4.多种形态的纳米材 Nanoparticles 米固体) Clusters 5.纳米结构 6.纳米复合材料 Bottom-up Methods: Atoms "Aerosol techniques 7纳米材料的应用 .Chemical precipitation Bottom-up "Self assembly

课程主要内容： 1.纳米材料基本理论 2.纳米材料的制备及表面修饰 3.纳米材料的分析表征 4.多种形态的纳米材料（零维、一维、二维及纳 米固体） 5.纳米结构 6.纳米复合材料 7.纳米材料的应用 纳米材料基础与应用 4

芳核方式： ▣平时成绩：30% ▣报告：30% ▣期末：40% 用

考核方式：  平时成绩：30%  报告：30%  期末：40% 纳米材料基础与应用 5

纳米材料基础 第1章纳米科技及纳米材料绪论

纳米材料基础 第1章 纳米科技及纳米材料绪论

Uh工+士土 1o% 0.1mm 沙子 宏粒子 花粉 人类发丝 10 酵母菌 红细胞 微粒子 细菌 宠物毛屑 1000 颜料 黏土 大分子 100 烟尘 200nm 病毒 硅胶 10 小分子 致热原 胶束 病 量子点 0 气态离子 01 物质 形

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。 纳米材料基础与应用 7 1.1 纳米科技兴起 1.1.1纳米科技的提出 ✓ 纳米（nanometer，nm）：计量长度的单位；nano是希腊语中 “侏儒”的意思，在计量中表示10-9，纳米即10-9m。 ✓ 我国过去一般用毫微米来表示10-9m，反映了其长度单位的本质 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。 200 nm 0.1mm

纳米材料想法的提出： There's plenty of room at the bottom ▣在1959年12月召开的美国物理学会年 会上，著名物理学家、诺贝尔物理学 奖得主理查德·费曼教授做了一个著 名的演讲—一“底部还有很大的空间 There's plenty of room at the bottom)”,首次提出可以在分子 与原子的尺度上加工与制造产品，甚 至能够按照人们的意愿逐个地排列原 子与分子。费曼在演讲中首次阐述了 自下而上(bottom-up)制备材料的 思想，即通过操纵原子、分子来构筑 材料，这是人类关手纳米科技最早的 梦想。 水小 8

纳米材料基础与应用 8 There’s plenty of room at the bottom  在1959年12月召开的美国物理学会年 会上，著名物理学家、诺贝尔物理学 奖得主理查德·费曼教授做了一个著 名的演讲——“底部还有很大的空间 （There’s plenty of room at the bottom）”，首次提出可以在分子 与原子的尺度上加工与制造产品，甚 至能够按照人们的意愿逐个地排列原 子与分子。费曼在演讲中首次阐述了 自下而上（bottom-up）制备材料的 思想，即通过操纵原子、分子来构筑 材料，这是人类关于纳米科技最早的 梦想。 纳米材料想法的提出：

There's plenty of room at the bottom Why cannot we write the entire 24 volumes of the Encyclopedia Britannica on the head of a pin? What would happen if we could arrange the 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. 用 9

纳米材料基础与应用 9 There’s plenty of room at the bottom  —— Why cannot we write the entire 24 volumes of the Encyclopedia Britannica on the head of a pin?  —— What would happen if we could arrange the 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

Small is different 电 口纳米金属的电阻随尺寸的下降而增大，电阻温度系数下降甚至变 成负值： 日 本是绝缘体的氧化物达到纳米尺度时，电阻反而下降； 日 纳米氧化物和氮化物在低频下，介电常数增大几倍，甚至增大 个数量级，表现为极大的增强效应； 磁 ▣10~25m的铁磁金属微粒矫顽力比相同的宏观材料大1000倍，而 当颗粒尺寸小于l0nm时矫顽力变为零，表现为超顺磁性； 口▣纳米氧化物材料对红外、微波有良好的吸收特性； ▣硅的尺寸达到纳米级(6nm)时，在靠近可见光范围内，就有较强的 光 光致发光现象；多孔硅发光； 在纳米氧化铝、氧化钛、氧化硅、氧化锆中观察到常规材料根本 看不到的发光现象。 热、力、声一 本 10

纳米材料基础与应用 10  纳米金属的电阻随尺寸的下降而增大，电阻温度系数下降甚至变 成负值；  本是绝缘体的氧化物达到纳米尺度时，电阻反而下降；  纳米氧化物和氮化物在低频下，介电常数增大几倍，甚至增大一 个数量级，表现为极大的增强效应；  10～25nm的铁磁金属微粒矫顽力比相同的宏观材料大1000倍，而 当颗粒尺寸小于l0nm时矫顽力变为零，表现为超顺磁性；  纳米氧化物材料对红外、微波有良好的吸收特性；  硅的尺寸达到纳米级(6nm)时，在靠近可见光范围内，就有较强的 光致发光现象；多孔硅发光；  在纳米氧化铝、氧化钛、氧化硅、氧化锆中观察到常规材料根本 看不到的发光现象。 Small is different 电 磁 光 热、力、声

Transistor Research 90 nm 2003 65 nm Manufacturing 2005 Technology Generation 45 nm 2007 32 nm Development 2009 2011+ Research 30 nm 50nm 20 nm 35 nm 10 nm SiGe S/D Strained SiGe S/D Silicon Strained Metal Gate Silicon Tri-Gate Nanowire High-k Research Options: Si Substrate High-K Metal Gate HI-V Non-planar Trigate Carbon Nanotube Ⅲ-V,CNT,NW FET

纳米材料基础与应用 11 Source: Intel Future options subject to research & change Transistor Research Si Substrate Metal Gate High-k Tri-Gate S G D III-V S Carbon Nanotube FET 50 nm 35 nm 30 nm SiGe S/D Strained Silicon SiGe S/D Strained Silicon 20 nm 10 nm 5 nm 5 nm Nanowire Research Options: High-K & Metal Gate Non-planar Trigate III-V, CNT, NW