納米尺度的電磁現(xiàn)象

1、納米尺度的電磁現(xiàn)象第1頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二Nature公布2001十大科技成果納米電腦列首位 自然雜志資深編緝菲爾-斯祖羅米表示：“盡管真正意義的微型計(jì)算機(jī)還需幾年時(shí)間才能制成，但納米技術(shù)在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用意味著今后人們的日常生活將發(fā)生巨大的變化，裝有納米計(jì)算機(jī)芯片的電燈可以完全實(shí)現(xiàn)智能化，根據(jù)居室的自然照明情況自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度，。”在研制納米計(jì)算機(jī)方面做出很大貢獻(xiàn)的研究人員包括美國哈佛大學(xué)的Yu Huang及其同事，他們研制的微型電線是普通電線的千分之一，可以輕松地安裝到硅芯片上.第2頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二Scienc

2、e雜志評(píng)出2001年世界十大科技突破 納米技術(shù)領(lǐng)域獲得多項(xiàng)重大成果 繼在2000年開發(fā)出一批納米級(jí)裝置后，科學(xué)家今年再進(jìn)一步將這些納米裝置連接成為可以工作的電路，這包括納米導(dǎo)線、以納米碳管和納米導(dǎo)線為基礎(chǔ)的邏輯電路、以及只使用一個(gè)分子晶體管的可計(jì)算電路。分子水平計(jì)算技術(shù)的飛躍 有可能為未來誕生極微小但極快速的分子計(jì)算機(jī)鋪平道路。第3頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二內(nèi)容提要納米材料納米尺度的電現(xiàn)象納米尺度的磁現(xiàn)象第4頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二 納米材料納米材料發(fā)展歷史納米結(jié)構(gòu)單元納米材料的基本特性第5頁，共118頁，2022年，5月2

3、0日，17點(diǎn)46分，星期二 納米材料發(fā)展歷史 諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Feynman在六十年代曾經(jīng)預(yù)言：如果我們對(duì)物體微小規(guī)模上的排列加以某種控制的話，我們就能使物體得到大量的異乎尋常的特性，就會(huì)看到材料的性能產(chǎn)生豐富的變化。第6頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二 1984年德國薩爾蘭大學(xué)的Gleiter以及美國阿貢實(shí)驗(yàn)室的Siegel相繼成功地制得了純物質(zhì)的納米細(xì)粉。Gleiter在高真空的條件下將粒徑為6nm的Fe粒子原位加壓成形，燒結(jié)得到納米微晶塊體，從而使納米材料進(jìn)入了一個(gè)新的階段。第7頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二 1985年，英國Kro

4、to等采用激光加熱石墨蒸發(fā)并在甲苯中形成碳的團(tuán)簇，質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn)C60和C70的新的譜線. C60具有高穩(wěn)定性的新奇結(jié)構(gòu)，它是由32面體構(gòu)成，其中有20個(gè)六邊形和12個(gè)五邊形所構(gòu)成 純C60固體是絕緣體，用堿金屬摻雜之后就成為具有金屬性的導(dǎo)體，適當(dāng)?shù)膿诫s成分可以使C60固體成為超導(dǎo)體。從此，對(duì) C60的研究熱潮應(yīng)運(yùn)而來。第8頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二第9頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二 1990年7月在美國召開的第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議，正式宣布納米材料科學(xué)為材料科學(xué)的一個(gè)新分支。 會(huì)上正式提出納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米電子學(xué)和納

5、米機(jī)械學(xué)的概念，并決定出版納米結(jié)構(gòu)材料、納米生物學(xué)和納米技術(shù)的正式學(xué)術(shù)刊物。第10頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二 1994年在美國波士頓召開的MRS秋季會(huì)議上正式提出納米材料工程 納米材料研究的基礎(chǔ)上通過納米合成、納米添加發(fā)展新型的納米材料.第11頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二 現(xiàn)在，人們關(guān)注納米尺度顆粒、原子團(tuán)簇、納米絲、納米棒、納米管、納米電纜和納米組裝體系。 納米組裝體系是以納米顆粒、納米絲或納米管為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系，如人造超原子體系、介孔組裝體系、有序陣列等。第12頁，共118頁，20

6、22年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二C納米管和C60球第13頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二H2原子和C納米管多層C納米管第14頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二C納米索線納米多層管第15頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二C腳手架C60晶體管第16頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二納米變阻箱第17頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二 納米材料發(fā)展的三個(gè)階段 第一階段（1990年以前） 主要是在實(shí)驗(yàn)室探索用各種手段制備各種材料的納米顆粒粉體，合成塊體（包括薄膜），

7、研究評(píng)估表征的方法，探索納米材料不同于常規(guī)材料的特殊性能。對(duì)納米顆粒和納米塊體材料結(jié)構(gòu)的研究在80年代末期一度形成熱潮。研究的對(duì)象一般局限在單一材料和單相材料，國際上通常把這類納米材料稱納米晶或納米相材料。第18頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二 第二階段（1994年前） 人們關(guān)注的熱點(diǎn)是如何利用納米材料已挖掘出來的奇特物理、化學(xué)和力學(xué)性能，設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料，通常采用納米微粒與納米微粒復(fù)合，納米微粒與常規(guī)塊體復(fù)合及發(fā)展復(fù)合材料的合成及物性的探索一度成為納米材料研究的主導(dǎo)方向。 第三階段（從1994年到現(xiàn)在） 納米組裝體系、人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)的材料體系越來越受到人們

8、的關(guān)注，正在成為納米材料研究的新的熱點(diǎn)。第19頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二納米結(jié)構(gòu)單元 構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)塊體、薄膜、多層膜以及納米結(jié)構(gòu)的基本單元有下述幾種： 團(tuán)簇 原子團(tuán)簇是一類新發(fā)現(xiàn)的化學(xué)物種，是在20世紀(jì)80年代才出現(xiàn)的，原子團(tuán)簇是指幾個(gè)至幾百個(gè)原子的聚集體（粒徑小于或等于 1nm），如Fen，CunSm，CnHm和碳簇（C60, C70和富勒烯等）等。 絕大多數(shù)原子團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)不清楚，但已知有線狀、層狀、管狀、洋蔥狀、骨架狀、球狀等等第20頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二MgH2 塊體鯡骨狀第21頁，共118頁，2022年，5月20日

9、，17點(diǎn)46分，星期二軌道狀層狀第22頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二Cu分形狀多孔狀A(yù)u-足球狀第23頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二洋蔥狀第24頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二 納米微粒 納米微粒是指顆粒尺寸為納米量級(jí)的超細(xì)微粒，它的尺度大于原子簇，小于通常的微粉通常，把僅包含幾個(gè)到數(shù)百個(gè)原子或尺度小于1nm的粒子稱為“簇”，它是介于單個(gè)原子與固態(tài)之間的原子集合體。納米微粒一般在 1100nm之間，有人稱它為超微粒子。納米微粒是肉眼和一般顯微鏡看不見的微小粒子。 日本名古屋大學(xué)上田良二給納米微粒下了一個(gè)定義

10、：用電子顯微鏡（TIM）能看到的微粒稱為納米微粒。第25頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二 145個(gè)原子組成的1.9 nm 的半導(dǎo)體納米顆粒第26頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二 人造原子 人造原子（artificial atoms）有時(shí)稱為量子點(diǎn)，所謂人造原子是由一定數(shù)量的實(shí)際原子組成的聚集體，它們的尺寸小于100nm。 從維數(shù)來看，包括準(zhǔn)零維的量子點(diǎn)、準(zhǔn)一維的量子棒和準(zhǔn)二維的量子圓盤，甚至把100nm左右的量子器件也看成人造原子。 第27頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二Quantum Dots (量子點(diǎn))第2

11、8頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二人造原子與真正原子的差別： 人造原子含有一定數(shù)量的真正原子； 人造原子的形狀和對(duì)稱性是多種多樣，真正的原子可以用簡(jiǎn)單的球形和立方形來描述，而人造原子不局限于這些簡(jiǎn)單的形狀，除了高對(duì)稱性的量子點(diǎn)外，尺寸小于100nm的低對(duì)稱性復(fù)雜形狀的微小體系都可以稱為人造原子； 人造原子電子間強(qiáng)交互作用比實(shí)際原子復(fù)雜得多； 實(shí)際原子中電子受原子核吸引作軌道運(yùn)動(dòng)，而人造原子中電子是處于拋物線形的勢(shì)阱中。第29頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二 納米管、納米棒、納米絲和同軸納米電纜 早在 1970年法國的奧林大學(xué)（Univer

12、sity of Orleans）的 Endo首次用氣相生長技術(shù)制成了直徑為7nm的碳纖維，遺憾的是，他沒有對(duì)這些碳纖維的結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致地評(píng)估和表征。 1991年，美國海軍實(shí)驗(yàn)室一個(gè)研究組提交一篇理論性文章，預(yù)計(jì)了一種碳納米管的電子結(jié)構(gòu)，但當(dāng)時(shí)認(rèn)為近期內(nèi)不可能合成碳納米管。 同年同月日本NEC公司飯島等發(fā)現(xiàn)納米碳管，立刻引起了許多科技領(lǐng)域的科學(xué)家們極大關(guān)注。 1996年，美國著名的諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者斯莫利（Smalley）等合成了成行排列的單壁碳納米管束，每一束中含有許多碳納米管，這些碳納米管的直徑分布很窄第30頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二1991年日本NEC公司飯島

13、等發(fā)現(xiàn)納米碳管，立刻引起了許多科技領(lǐng)域的科學(xué)家們極大關(guān)注 Nature (1991)第31頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二第32頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二 碳納米管是由多個(gè)碳原子六方點(diǎn)陣的同軸圓柱面套構(gòu)而成的空心小管，其中石墨層可以因卷曲方式不同而具有手性。碳納米管的直徑一般為幾納米至幾十納米，長度為幾至幾十微米。 碳納米管可以因直徑或手性的不同而呈現(xiàn)很好的金屬導(dǎo)電性或半導(dǎo)體性。 第33頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二具有極好的可彎折性第34頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二具有

14、極好的可扭曲性第35頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二碳納米管可以制作成兩維數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng) (1015 bytes/cm2 compared to the current state of the 108 bytes/cm2) .第36頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二。 碳納米管的強(qiáng)度比鋼高100多倍，楊氏模量估計(jì)可高達(dá)5 TPa， 這是目前可制備出的具有最高比強(qiáng)度的材料，而比重卻只有鋼的1/6；同時(shí)碳納米管還具有極高的韌性，十分柔軟。它被認(rèn)為是未來的 “超級(jí)纖維”，是復(fù)合材料中極好的加強(qiáng)材料。第37頁，共118頁，2022年，5月20日，1

15、7點(diǎn)46分，星期二Another long single carbon nanotube (multiwalled carbon nanotube) attached to 4 gold contacts from above. This time, the inner two contacts are spaced by more than 1 micrometer.第38頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二 納米棒、納米絲和納米線 準(zhǔn)一維實(shí)心的納米材料是指在兩維方向上為納米尺度，長度比上述兩維方向上的尺度大得多，甚至為宏觀量的新型納米材料 縱橫比（長度與直徑的比率）

16、小的稱為納米棒，縱橫比大的稱作納米絲至今，關(guān)于納米棒與納米絲之間并沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，通常把長度小于 1mm的納米絲稱為納米棒，長度大于 1mm的稱為納米絲線半導(dǎo)體和金屬納米線通常稱為量子線第39頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二納米棒第40頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二單晶納米SiC絲的透射電鏡形貌氮化硅納米絲第41頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二SANDWICHMicroscopy methods reveal abrupt interfaces in an InAs/InP (green and oran

17、ge, respectively) nanowire Au nanocontacts The pictures show two different examples of final configurations just before rupture of the contact.第42頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)的體系納米齒輪第43頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二T形和Y形結(jié)第44頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二宏觀量子隧道效應(yīng)小尺寸效應(yīng)表面效應(yīng) 納米材料的特性第45頁，共118

18、頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二宏觀量子隧道效應(yīng)電子具有粒子性又具有波動(dòng)性，因此存在隧道效應(yīng)。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀物理量，如微顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量等亦顯示出隧道效應(yīng)，稱之為宏觀的量子隧道效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)將會(huì)是未來微電子、光電子器件的基礎(chǔ)，或者它確立了現(xiàn)存微電子器件進(jìn)一步微型化的極限，當(dāng)微電子器件進(jìn)一步微型化時(shí)必須要考慮上述的量子效應(yīng)。例如，在制造半導(dǎo)體集成電路時(shí)，當(dāng)電路的尺寸接近電子波長時(shí)，電子就通過隧道效應(yīng)而溢出器件，使器件無法正常工作，經(jīng)典電路的極限尺寸大概在025微米。目前研制的量子共振隧穿晶體管就是利用量子效應(yīng)制成的新一代器件。

19、第46頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二介于原子、分子與大塊固體之間的納米顆粒，大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級(jí)；能級(jí)間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當(dāng)熱能、電場(chǎng)能或者磁場(chǎng)能比平均的能級(jí)間距還小時(shí)，就會(huì)呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子尺寸效應(yīng)。 例如，導(dǎo)電的金屬在超微顆粒時(shí)可以變成絕緣體，磁矩的大小和顆粒中電子是奇數(shù)還是偶數(shù)有關(guān)，比熱亦會(huì)反常變化，光譜線會(huì)產(chǎn)生向短波長方向的移動(dòng)，這就是量子尺寸效應(yīng)的宏觀表現(xiàn)。因此，對(duì)超微顆粒在低溫條件下必須考慮量子效應(yīng)，原有宏觀規(guī)律已不再成立。第47頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二小尺

20、寸效應(yīng) 隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會(huì)引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。 特殊的光學(xué)性質(zhì) 當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長的尺寸時(shí)，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實(shí)上，所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色愈黑，銀白色的鉑（白金）變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。由此可見，金屬超微顆粒對(duì)光的反射率很低，通?？傻陀趌，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個(gè)特性可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。此外又有可能?yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。第48頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期

21、二 特殊的熱學(xué)性質(zhì) 固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時(shí)，其熔點(diǎn)是固定的，超細(xì)微化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點(diǎn)將顯著降低，當(dāng)顆粒小于10納米量級(jí)時(shí)尤為顯著。 例如，金的常規(guī)熔點(diǎn)為1064，當(dāng)顆粒尺寸減小到10納米尺寸時(shí)，則降低27，2納米尺寸時(shí)的熔點(diǎn)僅為327左右；銀的常規(guī)熔點(diǎn)為670，而超微銀顆粒的熔點(diǎn)可低于100。 因此，超細(xì)銀粉制成的導(dǎo)電漿料可以進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)，此時(shí)元件的基片不必采用耐高溫的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超細(xì)銀粉漿料，可使膜厚均勻，覆蓋面積大，既省料又具高質(zhì)量。超微顆粒熔點(diǎn)下降的性質(zhì)對(duì)粉末冶金工業(yè)具有一定的吸引力。例如，在鎢顆粒中附加0.10.5重量比的超微鎳顆粒后，可使燒結(jié)溫度從3000降低到12

22、001300，以致可在較低的溫度下燒制成大功率半導(dǎo)體管的基片。第49頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二 特殊的磁學(xué)性質(zhì) 人們發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細(xì)菌等生物體中存在超微的磁性顆粒，使這類生物在地磁場(chǎng)導(dǎo)航下能辨別方向，具有回歸的本領(lǐng)。磁性超微顆粒實(shí)質(zhì)上是一個(gè)生物磁羅盤，生活在水中的趨磁細(xì)菌依靠它游向營養(yǎng)豐富的水底。通過電子顯微鏡的研究表明，在趨磁細(xì)菌體內(nèi)通常含有直徑約為 210-2微米的磁性氧化物顆粒。 第50頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二 小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同，大塊的純鐵矯頑力約為 80安米，而

23、當(dāng)顆粒尺寸減小到 210-2微米以下時(shí)，其矯頑力可增加1千倍，若進(jìn)一步減小其尺寸，大約小于 610-3微米時(shí)，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已作成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙等。利用超順磁性，人們已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。第51頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二 特殊的力學(xué)性質(zhì) 陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。因?yàn)榧{米材料具有大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與一定的延

24、展性，使陶瓷材料具有新奇的力學(xué)性質(zhì)。美國學(xué)者報(bào)道氟化鈣納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。研究表明，人的牙齒之所以具有很高的強(qiáng)度，是因?yàn)樗怯闪姿徕}等納米材料構(gòu)成的。呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬35倍。至于金屬一陶瓷等復(fù)合納米材料則可在更大的范圍內(nèi)改變材料的力學(xué)性質(zhì)，其應(yīng)用前景十分寬廣。 超微顆粒的小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在超導(dǎo)電性、介電性能、聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等方面。第52頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二表面效應(yīng) 球形顆粒的表面積與直徑的平方成正比，其體積與直徑的立方成正比，故其比表面積（表面積體積）與直徑成反比。隨著顆粒直徑變小，比表面積將會(huì)顯著增大，說

25、明表面原子所占的百分?jǐn)?shù)將會(huì)顯著地增加。對(duì)直徑大于 0.1微米的顆粒表面效應(yīng)可忽略不計(jì)，當(dāng)尺寸小于 0.1微米時(shí)，其表面原子百分?jǐn)?shù)激劇增長，甚至1克超微顆粒表面積的總和可高達(dá)100米2，這時(shí)的表面效應(yīng)將不容忽略。第53頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二 超微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分不同的，若用高倍率電子顯微鏡對(duì)金超微顆粒進(jìn)行電視攝像，實(shí)時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)這些顆粒沒有固定的形態(tài)，隨著時(shí)間的變化會(huì)自動(dòng)形成各種形狀（如立方八面體，十面體，二十面體多晶等），它既不同于一般固體，又不同于液體，是一種準(zhǔn)固體。在電子顯微鏡的電子束照射下，表面原子仿佛進(jìn)入了“沸騰”狀態(tài)，尺寸大于10納

26、米后才看不到這種顆粒結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，這時(shí)微顆粒具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。第54頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二 超微顆粒的表面具有很高的活性，在空氣中金屬顆粒會(huì)迅速氧化而燃燒。如要防止自燃，可采用表面包覆或有意識(shí)地控制氧化速率，使其緩慢氧化生成一層極薄而致密的氧化層，確保表面穩(wěn)定化。利用表面活性，金屬超微顆?？赏蔀樾乱淮母咝Т呋瘎┖唾A氣材料以及低熔點(diǎn)材料。第55頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二納米尺度的電現(xiàn)象基本電特性庫侖堵塞量子點(diǎn)納米電子學(xué)納米晶體管第56頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二信息產(chǎn)業(yè)單電子 器件磁電

27、子 器件過濾器截止器諧振器微電容微電極自旋電子器件共振隧穿器件光電子 器件巨磁電阻器件量子點(diǎn)和分子電子器件納米結(jié)構(gòu)器件納米加工第57頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二 納米技術(shù)新工業(yè)革命的主導(dǎo)技術(shù)高集成、高空間分辨率，存儲(chǔ)密度：1000GB 計(jì)算速度提高1001000倍、功率增加1000倍，能耗降低一百萬倍，芯片尺寸降低1001000倍第58頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二 基本電特性電導(dǎo)介電特性壓電效應(yīng)第59頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二電導(dǎo)電導(dǎo)是常規(guī)金屬和合金材料一個(gè)重要的性質(zhì)納米材料的出現(xiàn)，人們對(duì)電導(dǎo)（電

28、阻）的研究又進(jìn)入了一個(gè)新的層次由于納米構(gòu)中龐大體積百分?jǐn)?shù)的界面使平移周期在一定范圍內(nèi)遭到嚴(yán)重的破壞顆粒尺寸愈小，電子平均自由程愈短，這種材料偏移理想周期場(chǎng)就愈嚴(yán)重，這就帶來了一系列的問題：（i）納米金屬和合金與常規(guī)材料金屬與合金電 導(dǎo)（電阻）行為是否相同?（ii）納米材料電導(dǎo)（電阻）與溫度的關(guān)系有什 么差別?（iii）電子在納米結(jié)構(gòu)體系中的運(yùn)動(dòng)和散射有什 么新的特點(diǎn)?第60頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二納米金屬與合金的電阻Gleiter等對(duì)納米金屬Cu，Pd，F(xiàn)e塊體的電阻與溫度關(guān)系，電阻溫度系數(shù)與顆粒尺寸的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)的研究表明：隨顆粒尺寸減小，電阻溫度系數(shù)下

29、降，與常規(guī)粗晶基本相似其差別在于納米材料的電阻高于常規(guī)材料，電阻溫度系數(shù)強(qiáng)烈依賴于晶粒尺寸當(dāng)顆粒小于某一臨界尺寸（電子平均自由程）時(shí)，電阻溫度系數(shù)可能由正變負(fù)。第61頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二例如，納米銀細(xì)粒徑和構(gòu)成粒子的晶粒直徑分別減小至等于或小于18nm和11nm時(shí)， 室溫以下的電阻隨溫度上升呈線性下降，即電阻溫度系數(shù)a由正變負(fù)。第62頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二介電特性 介電特性是材料的基本物性, 電介質(zhì)材料中介電常數(shù)和介電耗損是最重要的物理特性. 常規(guī)材料的極化都與結(jié)構(gòu)的有序相聯(lián)系，而納米材料在結(jié)構(gòu)上與常規(guī)粗晶材料存在很

30、大的差別它的介電行為（介電常數(shù)、介電損耗）有自己的特點(diǎn)。主要表現(xiàn)在介電常數(shù)和介電損耗與顆粒尺寸有很強(qiáng)的依賴關(guān)系。電場(chǎng)頻率對(duì)介電行為有極強(qiáng)的影響。 目前，對(duì)于不同粒徑的納米非晶氨化硅、納米 aA12O3、納米TiO2銳鈦礦、金紅石和納米 Si塊材的介電行為的研究已獲得了一些結(jié)果，歸納起來有以下幾點(diǎn)： 第63頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二（1）納米材料的介電常數(shù)e或相對(duì)介電常數(shù)er隨測(cè)量頻率減小呈明顯的上升趨勢(shì)。第64頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二（2）在低頻范圍，介電常數(shù)明顯地隨納米材料的顆粒粒徑變化，即粒徑很小時(shí)，介電常數(shù)e或er 較

31、低，隨粒徑增大， e或er 先增加然后下降。 （3）納米aA12O3塊體的介電損耗頻率譜上出現(xiàn)一個(gè)損耗峰損耗峰的峰位隨粒徑增大移向高頻。7nm27nm84nm258nm第65頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二壓電效應(yīng) 某些晶體受到機(jī)械作用（應(yīng)力或應(yīng)變）在其兩端出現(xiàn)符號(hào)相反束縛電荷的現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的物體稱為壓電體。 早在1894年，Voigt就指出，在 32種點(diǎn)群的晶體中，僅有 20種非中心對(duì)稱點(diǎn)群的晶體才可能具有壓電效應(yīng)，但至今壓電性的微觀理論研究方面還存在許多問題，無法與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致， 但壓電效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是由晶體介質(zhì)極化引起。 我國科技工作在 LICVD

32、納米非晶氨化硅塊體上觀察到強(qiáng)的壓電效應(yīng)，并指出制備塊狀試樣條件對(duì)壓電常數(shù)的影響相大。壓強(qiáng)為60MPa的納米非晶氮化硅試樣具有最高的壓電常數(shù)。第66頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二庫侖堵塞 庫侖堵塞效應(yīng)是20世紀(jì)80年代介觀領(lǐng)域所發(fā)現(xiàn)的極其重要的物理現(xiàn)象之一當(dāng)體系的尺度進(jìn)入到納米級(jí)，體系是電荷“量子化”的，即充電和放電過程是不連續(xù)的，充入一個(gè)電子所需的能量Ec 為e2/2C，體系越小，C越小，能量越大。這個(gè)能量稱為庫侖堵塞能。 換句話說，庫侖堵塞能是前一個(gè)電子對(duì)后一個(gè)電子的庫侖排斥能，這就導(dǎo)致了對(duì)一個(gè)小體系的充放電過程，電子不能集體傳輸，而是一個(gè)一個(gè)單電子的傳輸通常把

33、小體系這種單電子輸運(yùn)行為稱庫侖堵塞效應(yīng)。 第67頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二當(dāng)電極電壓低于閾值時(shí),電子傳輸過程不能發(fā)生,當(dāng)電壓大于該值時(shí),充電過程可以發(fā)生. 庫侖阻塞的震蕩特征, 可應(yīng)用于開關(guān)電路第68頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二 如果兩個(gè)量子點(diǎn)通過一個(gè)“結(jié)”連接起來，一個(gè)量子點(diǎn)上的單個(gè)電子穿過能壘到到另一個(gè)量子點(diǎn)上的行為稱作量子隧穿為了使單電子從一個(gè)量子點(diǎn)隧穿到另一個(gè)量子點(diǎn)，在一個(gè)量子點(diǎn)上所加的電壓必須克服 Ec，即V eC、通常，庫侖堵塞和量子隧穿都是在極低溫度情況下觀察到的，觀察到的條件是（ e2/2C） kBT。 有人已作

34、了估計(jì)，如果量子點(diǎn)的尺寸為1nm左右，我們可以在室溫下觀察到上述效應(yīng)當(dāng)量子點(diǎn)尺寸在十幾納米范圍，觀察上述效應(yīng)必須在液氮溫度下原因很容易理解，體系的尺寸越小，電容 C越小， e2/2C就越大，這就允許我們?cè)谳^高溫度下進(jìn)行觀察利用庫侖堵塞和量子隧穿效應(yīng)可以設(shè)計(jì)下一代的納米結(jié)構(gòu)器件，如單電子晶體管和量子開關(guān)等。第69頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二第70頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二 第71頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二第72頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二第73頁，共118頁，202

35、2年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二Quantum Dots (量子點(diǎn))第74頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二 第75頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二第76頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二 Nano-electronics（納米電子學(xué)）第77頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二 第78頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二第79頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二第80頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二第81頁，共

36、118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二納米晶體管 研究者使用有機(jī)分子和一種化學(xué)自組裝流程顯著縮小了晶體管的體積，研制出了直徑僅為1到2納米的晶體管。利用這種技術(shù)，未來的計(jì)算機(jī)芯片還可以大幅縮小，否則的話由于芯片體積越來越小，上面可以安裝的晶體管數(shù)量將極其有限，從而阻礙芯片行業(yè)在未來10到15年的發(fā)展。芯片上能夠安裝的晶體管數(shù)量越多，芯片傳輸信息的速度就會(huì)越快，因此納米晶體管的問世將對(duì)芯片產(chǎn)業(yè)起到革命性的意義。這些科學(xué)家在研究中使用了名為“硫醇”的有機(jī)分子，他們表示這種分子在電流的控制和增容方面具有突出的效力。而且，這些分子還可以自行組裝，從而將各個(gè)導(dǎo)電器件連為一體。第82頁，共

37、118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二 Nano-transistor （納米晶體管）第83頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二第84頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二納米碳管晶體管 只需一個(gè)電子就可實(shí)現(xiàn)開關(guān)狀態(tài) 2001年7月6日出版的美國科學(xué)周刊報(bào)道，荷蘭研究人員制造出的這種晶體管是首個(gè)能在室溫下有效工作的單電子納米碳管晶體管。他們使用一個(gè)單獨(dú)的納米碳管為原材料，利用原子作用力顯微鏡的尖端在碳管里制造帶扣狀的銳利彎曲，這些帶扣的作用如同屏障，它只允許單獨(dú)的電子在一定電壓下通過。 用此方法制造的納米碳管單電子晶體管只有1納米寬

38、、20納米長，整體不足人的頭發(fā)絲直徑的500分之一。 對(duì)于致力于開發(fā)出更小的電腦芯片的研究員來說，單電子晶體管概念越來越有吸引力。因?yàn)檫@種特殊的單電子晶體管只需要一個(gè)電子來實(shí)現(xiàn)“開”和“關(guān)”狀態(tài)，即計(jì)算機(jī)中的“0”和“1”，相比之下，普通微電子學(xué)中的晶體管使用數(shù)百萬個(gè)電子來實(shí)現(xiàn)開、關(guān)狀態(tài)。正因以上優(yōu)點(diǎn)，單電子晶體管將成為未來分子計(jì)算機(jī)的理想材料。第85頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二Nanotube field-effect transistorTransistors are the basic building blocks of integrated circu

39、its. To use nanotubes in future circuits it is essential to be able to make transistors from them. We have successfully fabricated and tested nanotube transistors using individual multi-wall or single-wall nanotubes as the channel of a field-effect transistor .第86頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二 納米尺度的

40、磁現(xiàn)象納米材料的基本磁特性納米多層中的巨磁電阻效應(yīng)納米磁性材料第87頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二納米材料的磁特性超順磁性高矯頑力低居里溫度高磁化率 第88頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二超順磁性 納米微粒的小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等使得它具有常規(guī)粗晶粒材料所不具備的磁特性 超順磁性: 納米微粒尺寸小到一定臨界值時(shí)進(jìn)入超順磁狀態(tài)，例如 aFe，F(xiàn)e3O4和等粒徑分別為 5nm，16nm時(shí)變成順磁體這時(shí)磁化率c不再服從居里一外斯定律 c=C(T-Tc) 例如粒徑為85nm的納米Ni微粒， c服從居里一外斯定律，而粒徑小于15nm

41、的Ni微粒，矯頑力Hc0，這說明它們進(jìn)入了超順磁狀態(tài)。第89頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二第90頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二在小尺寸下，當(dāng)各向異性能減少到與熱運(yùn)動(dòng)能可相比擬時(shí)，磁化方向就不再固定在一個(gè)易磁化方向，易磁化方向作無規(guī)律的變化，結(jié)果導(dǎo)致順磁性的出現(xiàn)，不同種類的納米磁性微粒顯現(xiàn)超順磁性的臨界尺寸是不同的。超順磁狀態(tài)的起源第91頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二高矯頑力 矯頑力納米微粒尺寸高于超順磁臨界尺寸時(shí)通常呈現(xiàn)高的橋頑力C例如，用惰性氣體蒸發(fā)冷凝方法制備的Fe納米微粒。隨著顆粒變小飽和磁化強(qiáng)度有

42、所下降，但矯頑力卻顯著地增加，在.5K時(shí)達(dá)1.27105A/m。室溫下，F(xiàn)e的矯頑力仍保持104A/m, 而常規(guī)的Fe塊的矯頑力為80A/m。第92頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二第93頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二高矯頑力的起源有兩種解釋：一致轉(zhuǎn)動(dòng)模式和球鏈反轉(zhuǎn)磁化模式一致轉(zhuǎn)動(dòng)磁化模式基本內(nèi)容是：當(dāng)粒子尺寸小到某一尺寸時(shí)，每個(gè)粒子就是一個(gè)單磁疇，例如對(duì)于Fe和Fe3O4單磁疇的臨界尺寸分別為 12nm和 40nm。每個(gè)單磁疇的納米微粒實(shí)際上成為一個(gè)永久磁鐵，要使這個(gè)磁鐵去掉磁性，必須使每個(gè)粒子整體的磁矩反轉(zhuǎn)，這需要很大的反向磁場(chǎng)，即具

43、有較高的矯頑力許多實(shí)驗(yàn)表明，納米微粒的Hc測(cè)量值與一致轉(zhuǎn)動(dòng)的理論值不相符合也有人認(rèn)為，納米顆粒的高矯頑力來源應(yīng)用球鏈球鏈反轉(zhuǎn)磁化模式來解釋，即由于靜磁作用球形納米Ni微粒形成鏈狀，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值可比擬，略大于實(shí)驗(yàn)值，修正后，可定性解析高嬌頑力。第94頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二低居里溫度居里溫度是物質(zhì)磁性的重要參數(shù)，通常與交換積分Jc成正比，并與原子構(gòu)型和間距有關(guān)。對(duì)于薄膜，理論與實(shí)驗(yàn)研究表明，隨著鐵磁薄膜厚度的減小，居里溫度下降。對(duì)于納米微粒，由于小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)而導(dǎo)致納米粒子的本征和 內(nèi)稟的磁性變化，因此具有較低的居里溫度。例如 85nm粒徑的 Ni

44、微粒，由于磁化率在居里溫度呈現(xiàn)明顯的峰值，因此通過測(cè)量低磁場(chǎng)下磁化率與溫度關(guān)系可得到居里溫度略低于常規(guī)塊體Ni的居里溫度。超順磁性顆粒的居里溫度，隨粒徑的下降有所下降。第95頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二第96頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二高磁化率納米微粒的磁性與它所含的總電子數(shù)的奇偶性密切相關(guān)，每個(gè)微粒的電子可以看成一個(gè)體系，電子數(shù)的宇稱可為奇或偶。一價(jià)金屬的微粉，一半粒子的宇稱為奇，另一半為偶，兩價(jià)金屬的粒子的宇稱為偶，電子數(shù)為奇或偶數(shù)的粒子磁性有不同溫度特點(diǎn)。電子數(shù)為奇數(shù)的粒子集合體的磁化率服從居里一外斯定律，c=C/(T-Tc

45、), 量子尺寸效應(yīng)使磁化率遵從-3規(guī)律;電子數(shù)為偶數(shù)的系統(tǒng), ckBT, 并遵從規(guī)律。納米磁性金屬的工值是常規(guī)金屬的20倍。 第97頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二納米多層中的巨磁電阻效應(yīng) 1986年德國科學(xué)家Grunberg小組有一重要的發(fā)現(xiàn)，就是在Fe/Cr/Fe三層膜中觀察到兩個(gè)鐵層之間通過鉻層產(chǎn)生耦合。 1988年法國科學(xué)家Fert小組在Fe/Cr周期性多層膜中，觀察 到當(dāng)施加外磁場(chǎng)時(shí)，其電阻下降，變化率高達(dá)50。因此稱之為巨磁電阻效應(yīng)(giant magnetoresistance, GMR)。 1995年，人們以絕緣層Al2O3代替導(dǎo)體Cr，觀察到很大的

46、隧道磁電阻(TMR)現(xiàn)象。 基于GMR和TMR的發(fā)現(xiàn)，一個(gè)新的學(xué)科分支磁電子學(xué)的概念被提出了。 從那時(shí)起，科技人員一直堅(jiān)持不懈地努力，將上述創(chuàng)新性發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為信息技術(shù)(IT)產(chǎn)業(yè)化。 第98頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二 1999年以GMR多層膜為磁頭的硬盤驅(qū)動(dòng)器(HDD) 進(jìn)入市場(chǎng)，其存儲(chǔ)密度達(dá)到11Gbits/in2，而1990年僅為0.1Gbits/in2，10年中提高了100倍。 目前GMR的研究開發(fā)工作正方興未艾，而將上述隧道磁電阻(TMR)多層膜應(yīng)用于新型隨機(jī)存儲(chǔ)器 (MRAM)的研究又已經(jīng)展開。在Fe/Cr/Fe系統(tǒng)中，相鄰鐵層間存在著耦合，它隨鉻層厚

47、度的增加而呈正負(fù)交替的振蕩衰 減形式。使得相鄰鐵層磁矩從彼此反平行取向到平行取向交替變化。外磁場(chǎng)也可使多層膜中鐵 磁層的反平行磁化狀態(tài)發(fā)生變化。當(dāng)通以電流時(shí)，這種磁化狀態(tài)的變化就以電阻變化的形式反 映出來。這就是GMR現(xiàn)象的物理機(jī)制。第99頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二 以Cr中電子為中介的鐵層間的耦合，隨著Cr層厚度增加而振蕩衰減。其平均作用范圍為13nm，這是對(duì)Cr層厚度的一個(gè)限制。在金屬中，特別是在磁性金屬中，電子平均自由程(1020nm)和自旋擴(kuò)散長度(3060nm)很短。這是對(duì)多層膜各個(gè)亞層厚度的又一限制。 基于上述原因，可以說GMR和TMR現(xiàn)象的研究完

48、全取決于納米材料科學(xué)的進(jìn)步。任何創(chuàng)新或 轉(zhuǎn)化都以此為基礎(chǔ)。但是，納米尺度是如此之微小，這給多層膜的制備和微結(jié)構(gòu)表征帶來了挑 戰(zhàn)。 1999年10月，國際核心學(xué)術(shù)刊物Journal of Magnetic Material an Magnetism出滿了 200卷。時(shí)值世紀(jì)之交，本卷就成了紀(jì)念?？诿麨椤?000年之后的磁學(xué)”。美國知名學(xué)者Schuller發(fā)表一篇總結(jié)性評(píng)述，列出現(xiàn)存的20多種GMR金屬多層膜(即具有GMR和振蕩的交換耦合)。 第100頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二納米磁性材料 磁性是物質(zhì)的基本屬性，磁性材料是古老而用途十分廣泛的功能材料，納米磁性

49、材料是20世紀(jì)70年代后逐步產(chǎn)生、發(fā)展、壯大而成為最富有生命力與寬廣應(yīng)用前景的新型磁性材料。美國政府今年大幅度追加納米科技研究經(jīng)費(fèi)，其原因之一是磁電于器件巨大的市場(chǎng)與高科技所帶來的高利潤，其中巨磁電阻效應(yīng)高密度讀出磁頭的市場(chǎng)估計(jì)為10億美元，目前己進(jìn)入大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)，磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的市場(chǎng)估計(jì)為1千億美元。磁電子傳感器件的應(yīng)用市場(chǎng)亦十分寬廣。第101頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二納米磁極6極4極8極第102頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二納米磁性材料分類2納米微晶型 * 納米微晶永磁材料 * 納米微晶軟磁材料3納米結(jié)構(gòu)型 * 人工納米結(jié)構(gòu)材料 薄膜，顆粒膜， 多層膜，隧道結(jié) * 天然納米結(jié)構(gòu)材料 鈣鈦礦型化合物1納米顆粒型 * 磁記錄介質(zhì) * 磁性液體 * 磁性藥物 * 吸波材料第103頁，共118頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)46分，星期二納米磁性材料的特性 納米磁性材料的特性不同于常規(guī)的磁性材料，其原因是關(guān)聯(lián)于與磁相關(guān)的特征物理長度恰好處于納米量級(jí)，例如：磁單疇尺寸，超順磁性臨界尺寸，交換作用長度，以及電子平均自由路程等大致