四川理工学院课程实施大纲编制管理办法-材料科学与工程学院

四川理工学院课程实施大纲编制管理办法-材料科学与工程学院内容摘要：

本课程教学实施具体过程 详 见 教学单元 至。 教学单元一 章节名称 第一章 纳米科学技术简介 教学日期 第 7 周 4 月 11 日 学时 2 教学目标 了解纳米材料在国民经济中的地位与作用、纳米材料的发展概况和本课程的性质、地位和任务。 掌握纳米科学技术的基本概念和内涵 教学内容 纳米、纳米科技的分类 重点 纳米科学技术的基本概念和内涵 难点 纳米科学技术的基本概念和内涵 课前准备情况及其他要求： 教师：（ 1）提前告知班长或学习委员，通知全班学生预习第一次上课内容。 （ 2） 准备 PPT、教材、教案等教学用具。 提前准备好平时成绩记载册。 学生：（ 1）提前预习参考教材讲义，并自行查阅讲义项目内容的第 1 章 绪论内容。 （ 2）归纳总结自己了解的纳米材料知识。 教学过程及教学方法 ： （图示法，讲授法，举例法） 纳米科学技术介绍 纳米科学技术的基本概念和内涵 纳米定义： 纳米 (nanometer)是一个长度单位，简写为 nm。 1 nm=109 m=10 埃。 头发直径： 50100μm, 1nm 相当于头发的 1/50000。 氢原子的直径为 1 埃，所以 1 纳米等于10 个氢原子一个一个排起来的长度。 纳 米结构 ： 纳米结构通常是指尺寸在 100 纳米以下（ 1100 nm） 的微小结构。 纳米技术 ： 在纳米尺度上对物质和材料进行研究处理的技术称为纳米技术。 纳米技术本质上是一种用单个原子、分子制造物质的科学技术。 (1) 纳米科学技术（ NanoST） 20 世纪 80 年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技，是研究在千万分之一米 (10–7米 )到十亿分之一米 (10–9 米 )内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术，又称为纳米技术。 (2) 纳米科技的主要研究内容 创造和制备优异性能的纳 米材料、制备各种纳米器件和装置、探测和分析纳米区域的性质和现象。 （基础、目标、前提） (3) 纳米材料 (nanomaterial)的定义 把组成相或晶粒结构的尺寸控制在 100 纳米以下的具有特殊功能的材料称为纳米材料。 即三维空间中至少有一维尺寸小于 100 nm 的材料或由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料。 ―功能 ‖概念，即 ―量子尺寸效应 ‖。 8 纳米科技的分类 纳米科技从研究内容上可以分为三个方面：纳米材料 、 纳米器件 、 纳米尺度的检测和表征。 (1) 纳米材料 纳米材料是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度 , 并且具有特殊性能的材料。 是纳米科技发展的物质基础。 主要类型为：团簇、纳米颗粒与粉体，纳米碳管和一维纳米材料，纳米薄膜，纳米块材等纳米材料的制备技术、原理及性质。 纳米材料的研究包括两个方面： ① 系统地研究纳米材料的微结构和谱学特征 ， 通过和常规材料对比 ， 找出纳米材料特殊的规律 , 建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论。 ② 发展新型纳米材料 例如：纳米陶瓷。 目前，纳米材料应用的关键技术问题是在大规模制备的质量控制中 , 如何做到均匀化、分散化、稳定化。 根据性质设计各种特殊功能纳米材料。 (2) 纳米器件 纳米科技的最终目的是以原子分子为起点 , 去 制造具有特殊功能的产品。 因此 , 纳米器件的研制和应用水平是进入纳米时代的重要标志。 微米时代（微米技术） Moore（ Intel 创始人）定律：芯片上晶体管数量每 18 个月将会增加 1 倍。 集成度越高，器件尺寸越小。 所谓纳米器件，就是指从纳米尺度上，设计和制造功能器件。 典型案列：芯片工艺发展 (3) 纳米尺度的检测和表征 纳米尺度的检测与表征手段：在纳米尺度上研究材料和器件的结构及性能。 包括： 在纳米尺度上原位研究各种纳米结构的电、力、磁、热、光学特性 ； 纳米空间的化学反应过程、物理传输过程。 研究原子分子的排列组装 与奇异物性的关系。 纳米技术发展的典型代表 扫描隧道电子显微镜（ STM ） ： 9 1981 年， IBM 公司的 G. Binning 和 H. Rohrer 根据电子的隧道效应发明了扫描隧道电子显微镜（ Scanning Tunneling Microscope, STM），获 1986 诺贝尔物理奖。 目前，人们可以利用扫描隧道电子显微镜来观察原子、分子和直接操纵安排原子。 至今，具有最高的分辨率。 Z轴分辨率达到 nm。 1990 年，美国加州的 IBM 研究室 等人利用 STM 在 4K 和超真空环境中，在 Ni 的表面上将 35 个氙原子排布成最小的 IBM 商标。 这张放大了的照片登在《时代》周刊上，被称为当年最了不起的公司广告。 每个字母高 5 nm。 Xe 原子间最短距离约为1nm。 这种原子搬迁的方法就是使显微镜探针针尖对准选中的 Xe 原子、使针尖接近 Xe原子、使原子间作用力达到让 Xe 原子跟随针尖移动到指定位置而不脱离 Ni 的表面。 用这种方法可以排列密集的 Xe 原子链。 纳米科学技术发展史 (1) 纳米材料及纳米技术的自然存在 10 (2) 纳米技术的人工造就 ① 无意识的方面 人工制备纳米材料至少追溯到 1000 多年前。 中国古代利用蜡烛来燃烧收 集碳黑作为墨的原料（中国古代字画历经千年而不褪色），是最早的纳米材料。 中国古代铜镜表面的防锈层经检验为纳米氧化锡颗粒构成的一层薄膜。 古代的宝剑等微晶化增强已经得到科学证实。 ② 有意识的制作 1959 年 12 月，著名理论物理学家、诺贝尔奖获得者费曼作了 ―There’s Plenty of Room at the Bottom‖的报告： ―我认为物理学原理并不排斥通过操纵单个原子来制造物质。 这样做并不违反任何定理，而且在原则上是可以实现的 ‖。 ―The principles of physics, as far as I can see, do not speak against the possibility of maneuvering things atom by atom.‖ ―Put the atoms down where the chemist says, and so you make the substance.‖ ③ 自觉地研究（理论研究的开始） 久保理论 ： 1962 年，久保 (Kubo) 针对金属超微粒子的研究提出了久保理论 ——超微粒子的量子限域理论。 由于粒子中原子数的减少，使能带中能级间隔加大，变为不连续 能级，具有类似孤立原子中的不连续性称为久保效应（不遵守费米统计，及小于 10 nm的趋向于电中性） ④ 系统研究（久保理论日臻完善） 70 年代末到 80 年代初，人们对纳米颗粒的结构、形态和特性进行了比较系统的研究，描述金属颗粒费米面附近电子能级状态的久保理论日臻完善。 在用量子尺寸效应理论解释超微颗粒的某些特性时获得成功。 1984 年，德国萨尔大学的 Gleiter 教授等人首次采用惰性气体冷凝法制备了具有清洁表面的纳米金属粉末，然后在真空室中原位加压成纳米固体，并提出了纳米材料界面结构模型，制备了具有清洁表面的纳米晶体 Pd, Fe, Cu 等块状材料。 随后发现 TiO2 纳米陶瓷在室温下出现良好韧性，使人们看到了改善陶瓷脆性的希望。 国际纳米科技发展态势和特点 (3) 各国竞相出台纳米科技发展战略和计划 发达国家和地区雄心勃勃 ， 兴工业化经济体瞄准先机 ， 发展中大国奋力赶超。 ① 世界各国纳米科技发展各有千秋 技论文方面日、德、中三国不相上下 2020~2020 年纳米研究论文，美国以较大的优势领先于其他国家， 3 年累计论文数超过 10000 篇，几乎占全部论文产出的 30%。 日本(%)、德国 (%)、中国 (%)和法国 (%)列在其后，它们各自的论文总数都超过了 3000 篇。 ② 申请纳米技术发明专利方面美国独占鳌头 美国专利商标局 2020～ 2020 年共受理 2236 项关于纳米技术的专利。 其中最多的国 11 家是美国 (1454 项 )，日本 (368 项 )和德国 (118 项 )。 60%、 %和 %列在第二位和第三位。 英国、韩国、加拿大、法国和中国台湾的专利数也较多，所占比例都超过了 1%。 专利反映了研究成果实用化的能力。 在论文数最多的 20 个国家和地区中，专利数所占比例超过论文数所占比例的国家和地区只有美国、日本和中国台湾。 这说明 ，很多国家和地区在纳米技术研究上具备一定的实力，但比较侧重于基础研究，而实用化能力较弱。 2020 年 我国纳米科技领域的论文数量、专利数量以及论文被引用次数等指标已达到 ―世界第一 ‖的水平。 ③ 就整体而言纳米科技大国各有所长 美国纳米技术的应用研究在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪等领域快速发展。 随着纳米技术在癌症诊断和生物分子追踪中的应用，目前美国纳米研究热点已逐步转向医学领域。 医学纳米技术已经被列为美国国家的优先科研计划。 在纳米医学方面，纳米传感器可在实验室条件下对多种癌症进行早期诊断，而且， 已能在实验室条件下对前列腺癌、直肠癌等多种癌症进行早期诊断。 日本纳米技术的研究开发实力强大，某些方面处于世界领先水平，但尚未脱离基础和应用研究阶段，距离实用化还有相当一段路要走。 在纳米技术的研发上，日本最重视的是应用研究，尤其是纳米新材料研究。 除了碳纳米管外，日本开发出多种不同结构的纳米材料，如纳米链、中空微粒、多层螺旋状结构、富勒结构套富勒结构、纳米管套富勒结构、酒杯叠酒杯状结构等。 欧盟在纳米科学方面颇具实力，特别是在光学和光电材料、有机电子学和光电学、磁性材料、仿生材料、纳米生物材料、超导体、复合材 料、医学材料、智能材料等方面的研究能力较强。 中国在纳米材料及其应用、扫描隧道显微镜分析和单原子操纵等方面研究较多，主要以金属和无机非金属纳米材料为主，约占 80%，高分子和化学合成材料也是一个重要方面，而在纳米电子学、纳米器件和纳米生物医学研究方面与发达国家有明显差距。 作业和课后反思 什么是纳米材料 纳米材料怎么分类。 参考资料 讲义 114页 ， 曹茂盛 . 纳米材料导论 [M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社 , 2020: 110. 12 教学单元 二 章节名称 发展纳米科技 的意义 教学日期 第 7 周 4 月 14 日 学时 2 教学目标 掌握纳米技术的应用及其前景，了解国际纳米科技发展态势和特点 教学内容 国际纳米科技发展态势和特点、纳米技术的应用及其前景 重点 纳米技术的应用及其前景 难点 纳米技术的应用及其前景 课前准备情况及其他要求： 教师：（ 1）提前告知班长或学习委员，通知全班学生预习 上 次上课内容。 （ 2）准备 PPT、教材、教案等教学用具。 提前准备好平时成绩记载册。 学生：（ 1）提前预习参考教材讲义，并自行查阅讲义项目内容的第 1 章。 （ 2）归纳总结自己了解的纳米 材料知识 ，课上抽点问答。 教学过程及教学方法： （图示法，讲授法，举例法） 发展纳米科技的意义 纳米技术的应用及其前景 (1) 直接操纵原子方面： 日本科学家成功将硅原子堆成一个 ―金字塔 ‖，首次实现原子三维空间的立体搬迁。 1991 年， IBM 的科学家制造了超快的氙原子开关。 可能将美国国会图书馆的全部藏书存储在一个直径为 cm的硅片上。 美国科学家们制造出一种尺寸只有 4 nm 的复杂分子，具有 ―开 ‖和 ―关 ‖的特性，由激光驱动，并且开、关速度很快。 (2) 新材料的出现 传统陶瓷材料质地较脆，韧性、强度较差，其应用受到限制。 纳米陶瓷可能克服陶瓷材料的脆性，具有象金属一样的柔韧性和可加工性（理想）。 (3) 纳米技术在微电子学上的应用 纳米电子学是基于纳米粒子的量子效应来设计并制备纳米量子器件。 它包括纳米有序（无序）阵列体系、纳米微粒与微孔固体组装体系、纳米超结构组装体系。 纳米电子学的最终目标：是将集成电路进一步减小，研制出由单原子或单分子构成的在室温能使用的各种器件。 (4) 纳米技术在光电领域的应用 纳米技术的发展，使微电子和光电子的结合更加紧密，使光电器件的性能大大提高。 美国桑迪亚国家实验室（ Sandia NationalLaboratories）发现：纳米激光器的微小尺寸可以使光子被限制在少数几个状态上，而低音廊效应则使光子受到约束，直到所产生的光波累积起足够多的能量后透过此结构。 激光器达到极高的工作效率，而能量阈则很低。 实验发现，纳米激光器工作时只需约 100 微安的电流。 (5) 纳米技术在化工领域的应用 13 纳米粒子作为光催化剂的优点。 首先是粒径小，比表面积大，光催化效率高。 另外，纳米粒子生成的电子、空穴在到达表面之前，大部分不会重新结合。 因此，化学反应活性高。 其次，纳米粒子分散在介质中往往具有透明性，容易运用光学手段和方法来观察界面间的电荷转移 、质子转移、半导体能级结构与表面态密度的影响。 (6) 纳米技术在医学上的应用 生物体内的 RNA 蛋白质复合体，其线度在 15~20 nm 之间，并且生物体内的多种病。