1、第八章第八章 -纳米结构材料纳米结构材料的特性与制备的特性与制备纳米结构的纳米结构的 概念概念n 纳米结构是以纳米结构是以 纳米尺度的物质单元纳米尺度的物质单元 为基础，按一定规律构筑为基础，按一定规律构筑或营造一种新的体系，它包括一维、二维、三维体系或营造一种新的体系，它包括一维、二维、三维体系n 这些物质单元包括这些物质单元包括 纳米微粒纳米微粒 、 稳定的团簇稳定的团簇 或人造原子、或人造原子、 纳米纳米管、纳米棒、管、纳米棒、 纳米线纳米线 以及以及 纳米尺寸的孔洞纳米尺寸的孔洞 n 纳米结构可以把纳米材料的纳米结构可以把纳米材料的 基本单元基本单元 (纳米微粒、纳米丝、纳纳米微粒、纳
2、米丝、纳米棒等米棒等 )分离分离 开来，使开来，使 研究单个纳米结构单元研究单个纳米结构单元 的行为、特性成的行为、特性成为可能。为可能。纳米结构的纳米结构的 概念概念n 纳米纳米 结构不仅具有结构不仅具有 纳米微粒的特征纳米微粒的特征 ，如量子尺寸效应、小尺，如量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应等特点，又存在由纳米结构组合引起的新寸效应、表面效应等特点，又存在由纳米结构组合引起的新的效应，如的效应，如 量子耦合效应和协同效应量子耦合效应和协同效应 等等n 其次，这种纳米结构体系很容易通过外场其次，这种纳米结构体系很容易通过外场 (电、磁、光电、磁、光 )实实现对其性能的控制，这就是纳米超微型
3、器件的设计基础现对其性能的控制，这就是纳米超微型器件的设计基础n 纳米结构应用与意义纳米结构应用与意义n 超微型开关超微型开关 与纳米结构组装体系相关的单电子晶体管原型器件在美国与纳米结构组装体系相关的单电子晶体管原型器件在美国研制成功，这种纳米结构的超小型器件功耗低，适合于高研制成功，这种纳米结构的超小型器件功耗低，适合于高度集成；把两个人造超原子组合到一起，利用耦合双量子度集成；把两个人造超原子组合到一起，利用耦合双量子点的可调隧穿的库仑堵塞效应研制成超微型的开关。点的可调隧穿的库仑堵塞效应研制成超微型的开关。n 发光可调制性发光可调制性 利用三维人造超原子组成纳米结构的阵列体系，通过控利
4、用三维人造超原子组成纳米结构的阵列体系，通过控制量子点的尺寸及三维阵列的间距达到对发光波长的控制制量子点的尺寸及三维阵列的间距达到对发光波长的控制，从而使该体系的发光性具有可调制性。，从而使该体系的发光性具有可调制性。 美国贝尔实验室利用纳米硒化镉构成阵列体系，显示出波美国贝尔实验室利用纳米硒化镉构成阵列体系，显示出波长随量子点尺寸可调制的红、绿、蓝光，实现了可调谐发长随量子点尺寸可调制的红、绿、蓝光，实现了可调谐发光二极管的研制。光二极管的研制。n 量子点磁开关量子点磁开关 半导体内嵌入磁性的人造超原子体系；如锰离子被注入到砷半导体内嵌入磁性的人造超原子体系；如锰离子被注入到砷化镓中，经退火
5、后生成了具有纳米结构的铁磁量子点阵列，化镓中，经退火后生成了具有纳米结构的铁磁量子点阵列，每个量子点都是一个磁开关。每个量子点都是一个磁开关。 量子磁盘与高密度磁存储量子磁盘与高密度磁存储 计算机中具有存储功能的磁盘发展总趋势是尺度不断减小，计算机中具有存储功能的磁盘发展总趋势是尺度不断减小，存储密度快速提高。人们曾经试图通过减小磁性材料的颗粒存储密度快速提高。人们曾经试图通过减小磁性材料的颗粒尺寸继续提高磁盘的存储密度，但受到超顺磁性的限制，有尺寸继续提高磁盘的存储密度，但受到超顺磁性的限制，有人一度把人一度把 l011bit in2称之为不可愈越的极限称之为不可愈越的极限 新型的纳米结构，
6、提高磁存储密度，突破了上述极限，采用新型的纳米结构，提高磁存储密度，突破了上述极限，采用纳米压印平板印刷术纳米压印平板印刷术 (nanoimprintlithography)可制备了纳米结可制备了纳米结构的磁盘，尺寸为构的磁盘，尺寸为 l00nm X l00nm，它是由直径为，它是由直径为 l0nm，长，长度为度为 40nm的的 Co棒按周期为棒按周期为 40nm排列成阵列排列成阵列 。 这种磁性的纳米棒阵列实际上是一个量子棒阵列，它与传统这种磁性的纳米棒阵列实际上是一个量子棒阵列，它与传统磁盘磁性材料呈准连续分布不同，纳米磁性单元是分离的，磁盘磁性材料呈准连续分布不同，纳米磁性单元是分离的，
7、因而人们把这种磁盘称为量子磁盘因而人们把这种磁盘称为量子磁盘8.1 纳米结构其分类纳米结构其分类n 8.1.1纳米结构（纳米结构（ nano-structured materials）n 纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定的规纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定的规律构筑或营造的一种新体系。基本构筑单元包括纳米微律构筑或营造的一种新体系。基本构筑单元包括纳米微粒、纳米管、纳米线、纳米棒和纳米尺寸的孔洞等。粒、纳米管、纳米线、纳米棒和纳米尺寸的孔洞等。n 常见的纳米结构有常见的纳米结构有纳米薄膜纳米薄膜 (Nano-thin film)，纳米阵列，纳米阵列 (Nano-arra
8、y)及介孔及介孔结构（结构（ mesoporous-structured materials ），其他还有很多），其他还有很多不常见的纳米结构，如纳米笼不常见的纳米结构，如纳米笼 (Nanocages)、纳米纤维、纳米纤维(Nanofiber)、纳米花、纳米花 (Nanoflower)、纳米泡沫、纳米泡沫 (Nanofoam)、纳米网、纳米网 (Nanomesh)，纳米针膜，纳米针膜 (Nanopin film)，纳米环，纳米环(Nanoring)、纳米壳、纳米壳 (Nanoshell)、纳米线、纳米线 (nanowires)等。等。举例举例8.1 纳米结构分类纳米结构分类n 8.1.2纳米结
9、构分类纳米结构分类n 从结构形式上可分为：从结构形式上可分为：n 一维纳米结构，包括纳米丝，纳米管等；一维纳米结构，包括纳米丝，纳米管等；n 二维纳米结构，包括纳米有序薄膜，纳米丝二维纳米结构，包括纳米有序薄膜，纳米丝、纳米管的阵列结构；、纳米管的阵列结构；n 三维纳米结构，如纳米胶体晶体，纳米笼，三维纳米结构，如纳米胶体晶体，纳米笼，纳米花，纳米泡沫，纳米介孔结构等。纳米花，纳米泡沫，纳米介孔结构等。（ 1）纳米结构薄膜）纳米结构薄膜 n 一般认为纳米结构薄膜是采用纳米微粒为基本单元一般认为纳米结构薄膜是采用纳米微粒为基本单元 (也可也可能以其他有机物为骨架能以其他有机物为骨架 )进行组装或者在材料表面直接进进行组装或者在材料表面直接进行刻印等方法形成的有序纳米薄膜。行刻印等方法形成的有序纳米薄膜。 n 特点：纳米微粒在长程范围内具有一定排布规律；可以是特点：纳米微粒在长程范围内具有一定排布规律；可以是单层膜，也可以是多层膜。单层膜，也可以是多层膜。
