為什麼要奈米結(jié)構(gòu)

1、為什麼要奈米結(jié)構(gòu)？為什麼要奈米結(jié)構(gòu)？奈米粒子的特性奈米粒子的特性：=3N4EF-3 : : 能階間距能階間距 : : 粒徑粒徑量子尺寸效應(yīng)：量子尺寸效應(yīng)：奈米微粒之光、電、磁、熱、聲及超導(dǎo)電性與其巨觀特性有顯著不同Ex. bulk Si發(fā)紅外光，但粒徑小於6 nm時(shí)發(fā)可見(jiàn)光；bulk銅為好導(dǎo)體而 奈米銅為絕緣體小尺寸效應(yīng)小尺寸效應(yīng)粒子變小 光吸收增加、磁有序態(tài)變磁無(wú)序態(tài)、超導(dǎo)相變正常相。Ex. bulk鐵為順磁性、10 25nm的鐵coercive force為bulk鐵的1000倍， 而小於10 nm的鐵為超順磁性表面與界面效應(yīng)表面與界面效應(yīng)粒子變小 表面與界面增加 活性增加。Ex. bul

2、k金熔點(diǎn)為1063oC，而2 nm的金熔點(diǎn)為327oC 巨觀量子穿遂效應(yīng)巨觀量子穿遂效應(yīng)奈米顆粒的磁化強(qiáng)度與磁通量均具有穿遂效應(yīng)，影響磁儲(chǔ)存量與存儲(chǔ)時(shí)間奈米材料之應(yīng)用領(lǐng)域奈米材料之應(yīng)用領(lǐng)域光光光學(xué)纖維、光反射材料、吸波隱形材料、光過(guò)濾材料、光儲(chǔ)存、光開(kāi)關(guān)、光發(fā)光材料、非線性光學(xué)材料、紅外光感測(cè)器、光折變材料。電電導(dǎo)電漿料、電極、超導(dǎo)體、量子元件、壓敏電阻、非線性電阻、靜電屏蔽。磁磁磁流體、磁記錄、永磁材料、磁儲(chǔ)存器、磁光元件、磁探測(cè)器、磁致冷材料、吸波材料、細(xì)胞分離、智慧材料。力力超硬、高強(qiáng)、高韌、超塑性材料。熱熱耐熱材料、熱交換材料、低溫?zé)Y(jié)材料。其他催化性能、醫(yī)學(xué)（消毒殺菌、藥物載體）能源

3、（電池材料、 儲(chǔ)氫材料）環(huán)保（廢棄物處理）助燃劑、油墨、潤(rùn)滑劑。奈米材料科學(xué)是跨學(xué)門(mén)的研究奈米材料科學(xué)是跨學(xué)門(mén)的研究 電機(jī)電機(jī)化學(xué)化學(xué)光電光電生物生物資訊資訊物理物理化工化工奈米世界奈米世界何謂奈米：一種長(zhǎng)度單位等於10-7公分。 （人髮直徑20 50 x 103奈米）何謂奈米材料：指固體物質(zhì)它其中至少有一度空間的大小 是在1100奈米之間。一度空間是在奈米尺寸：奈米層兩度空間是在奈米尺寸：奈米線三度空間都是在奈米尺寸：奈米（微）粒何謂奈米結(jié)構(gòu)材料：指奈米材料或固體材料中有奈米性質(zhì)區(qū)塊 或奈米結(jié)晶區(qū)塊。何謂奈米結(jié)構(gòu)科學(xué)：奈米結(jié)構(gòu)材料、奈米大小的元件合成、結(jié)構(gòu) 分析與性質(zhì)探討。何謂奈米技術(shù)：精確

4、操縱測(cè)試奈米材料的方法或奈米大小元件 之製備、分析與性質(zhì)測(cè)試的技術(shù)。何謂奈米結(jié)構(gòu)科技：奈米結(jié)構(gòu)科學(xué)與奈米技術(shù)的總和奈米技術(shù)奈米技術(shù)定義： 精確操縱測(cè)試奈米材料的方法或奈米大小元件 之製備、分析與性質(zhì)測(cè)試的技術(shù)核心技術(shù) 量子力學(xué)理論：進(jìn)入原子的世界 觀察原子：精密儀器 （SPM） 移動(dòng)原子：瞭解並操縱原子 (SPM) 用原子噴繪:瞭解並操縱原子 (MBE) 分子自組裝:瞭解並操縱分子 影響層面 材料與製造業(yè): 節(jié)省成本製造聰明材料 電子學(xué)與電腦業(yè): 速度更快功能更高的小巧產(chǎn)品 醫(yī)學(xué)與健康: 促進(jìn)細(xì)胞學(xué)與病理學(xué)的基礎(chǔ)研究 增強(qiáng)藥物治療效率 環(huán)境與能源: 高效率的污染物處理與能源應(yīng)用 生物學(xué)與農(nóng)業(yè):

5、 動(dòng)植物的基因改良DNA測(cè)試與藥物傳導(dǎo) 國(guó)家安全: 資訊上的優(yōu)勢(shì)、國(guó)訪設(shè)備的領(lǐng)先及戰(zhàn)鬥力的增強(qiáng)奈米結(jié)構(gòu)科技奈米結(jié)構(gòu)科技Building blocksatomsnanoparticleslayersnanostructuresassemblydispersions and coatinghigh surfacearea materialsfunctional nanodevicesconsolidatedmaterialsRef: Defined by WTEC (World Technology Evaluation Center)SynthesisDispersion and coating

6、1. Nanocrystalline materials2. Zeolitic materials3. Carbon nanotubeHigh surface area materials1. Cosmetics2. Medicine/Pharmacology3 Microelectromechanical systems4. Printing5. Semiconductors6. Sensors Functional devicesNanometer0.11.010100100010000MicroscaleNanoscaleatomstransistorsmoleculesnanotube

7、sfiled emitter SETstransistorCMR layer RAMquantumdots lasersfield emittersBio-moleculesConsolidated materials: Bulk nanostructured materials: nanocompositesNanoscale grain sizes after consolidation powder (WC/Co)Alloys with nanoscale microstructure (Al/Ni, Fe-Si-B-Nb-Cu)Multiphase ceramic nanocompos

8、ites (Al2O3/SiC)Biomolecules Ref: WTEC Panel reportOrganic nanostructure (non-biomolecule)Organic-inorganic nanocompositesNano organic-inorganic hybrid materialsNano core-shell structured materials1. 奈米材料的晶相或非晶質(zhì)排列結(jié)構(gòu)與一般相同材料在塊 材中之結(jié)構(gòu)不同。 2. 奈米材料具有與一般相同材料在塊材中不同之性質(zhì)，如光學(xué)、磁性、熱傳、 擴(kuò)散以及機(jī)械等性質(zhì)。 3. 由於奈米結(jié)構(gòu)材料，仍有許多的化

9、學(xué)性質(zhì)及物理性質(zhì)，諸如材料強(qiáng)度、模數(shù)、 延性、磨耗性質(zhì)、磁特性、表面催化性以及腐蝕行為等，會(huì)隨著粒徑大小不 同而發(fā)生變化，而這些有趣的特性及深具潛力的應(yīng)用價(jià)值。 4. 在催化性質(zhì)方面，由於奈米粒子體積非常小，材料表面原子與整體材料原子 的個(gè)數(shù)比例值就變得非常顯著，而固體表面原子的熱穩(wěn)定性與化學(xué)穩(wěn)定性都 要比內(nèi)部原子要差的多，所以表面原子的多寡代表了催化的活性，即大表面 積是一個(gè)好觸媒材料的基本要素。如Fe / ZrO2奈米觸媒可提升COH2反應(yīng)成烴類的催化能力。 5. 在光學(xué)性質(zhì)上，當(dāng)材料尺寸小至某一程度，此時(shí)奈米材料會(huì)有量子限量化的 效應(yīng)(quantum confinement effect

10、)，量子點(diǎn)(quantum dots)會(huì)像原子與分子 一樣具有不連續(xù)的能階，且變化粒子大小時(shí)，能隙(energy gap)也會(huì)因粒子大 小不同而不同，如圖二所示，這代表了它們可能在光學(xué)性質(zhì)上亦有不尋常的差 異。另外由於奈米粒徑小於一般紫外光、可見(jiàn)光或紅外光波長(zhǎng)，所以造成粒子 對(duì)光的反射及散射能力大減，因此如Al2O3、-Fe2O3、TiO2等奈米材料均可作透明及隱身的材料。 奈米材料的特性奈米材料的特性不管是物理性質(zhì)或是化學(xué)性質(zhì)，奈米材料性質(zhì)均與塊材不管是物理性質(zhì)或是化學(xué)性質(zhì)，奈米材料性質(zhì)均與塊材(bulk materials)(bulk materials)有著相當(dāng)大的差異性。有著相當(dāng)大的差

11、異性。6. 在磁性方面，奈米鐵、鈷、鎳合金具有強(qiáng)的磁性，且其訊雜比極高。此外粒 子間磁性的互相干擾極弱，利用適當(dāng)?shù)谋砻婊钚詣?，將其分散於液體時(shí)可成 為強(qiáng)磁性的磁流體，其應(yīng)用於鐵性雜質(zhì)的連續(xù)分離。 7. 在複合材料方面，奈米材料的加入，可以提昇材料的剛性、抗拉、抗折、耐 熱、自身防燃性等性質(zhì)，如加入少許粘土於尼龍與聚亞醯胺，可以使吸濕性 改善，可降低一半水氣的穿透性。 8. 在感測(cè)方面，奈米粒子所製成的感測(cè)器，由於表面活體性增加造成訊號(hào)敏感 性變強(qiáng)；另一方面，粒徑小導(dǎo)致孔隙度縮小，導(dǎo)致訊號(hào)傳遞迅速不受干擾， 大大增強(qiáng)訊雜比。 9. 在電子傳遞方面，例如半導(dǎo)體量子線(quantum wires)會(huì)有電導(dǎo)量子化現(xiàn)象， 使得傳統(tǒng)導(dǎo)線歐姆電阻觀念不再適用，奈米級(jí)的絕緣層性質(zhì)也會(huì)因電子穿隧 現(xiàn)象(tunneling effect)而失去絕緣功用，超微小結(jié)構(gòu)的電容量非常小，一 個(gè)電子進(jìn)去就會(huì)改變它的電位等，最後如磁性、機(jī)械性、熔點(diǎn)等其他物理化 學(xué)性質(zhì)，奈米材料均亦與塊材有著全然不同的性質(zhì)。 奈米材料的特性奈米材料的