纳米科学和碳基纳米技术_刘颂豪

中国科学: 物理学 力学 天文学

2013年 第43卷 第5期: 594–607

SCIENTIA SINICA Physica, Mechanica & Astronomica https://www.wendangku.net/doc/c117468443.html,

引用格式: 刘颂豪, 郭邦红, 廖常俊, 等. 纳米科学和碳基纳米技术. 中国科学: 物理学 力学 天文学, 2013, 43: 594–607

Liu S H, Guo B H, Liao C J, et al. Nanoscience and carbon nanotechnology (in Chinese). Sci Sin-Phys Mech Astron, 2013, 43: 594–607, doi:

10.1360/132012-1026

《中国科学》杂志社

SCIENCE CHINA PRESS

评 述

纳米科学和碳基纳米技术

刘颂豪*, 郭邦红, 廖常俊, 程广明

华南师范大学信息光电子科技学院, 广东省微纳光子功能材料与器件重点实验室, 广州 510631 *联系人, E-mail: liush@https://www.wendangku.net/doc/c117468443.html,

收稿日期: 2012-12-29; 接受日期: 2013-01-09; 网络出版日期: 2013-04-23

中国科学院学部咨询评议项目、广东省自然科学重点基金(编号: 10251063101000001)和广州市科普项目基金(编号: 2011KP015)资助

摘要 纳米科学是一个宏大的科学, 纳米材料的种类很多, 本文将众多的纳米材料归结为三大类, 即天然纳米晶体材料、人工纳米结构材料和聚合物功能分子材料. 重点评述了碳基纳米材料的发展, 包括结构特征、光电性质及其在光电子科学技术中的应用, 并对石墨烯作了详细介绍, 特别强调了碳基纳米技术要在应用中发展及其重要性.

关键词 纳米科学, 纳米材料, 碳基纳米技术, 石墨烯 PACS: 81.07.-b, 78.67.-n, 61.46.-w doi: 10.1360/132012-1026

纳米科学技术是目前科学技术发展的一个重要

方向. 物质的最小单位是原子和分子, 纳米粒子比原

子和分子的尺度略大, 它是通过人工控制将具有确

定种类和数量的原子按一定规律构成的, 作为材料

的基本功能单位, 而这种功能, 可以按人类的需要进

行设计, 这开拓了一个广阔的科学技术领域. 这种纳

米粒子, 又称为人工原子或人工分子, 这也表示人类

对原子、分子的控制和应用达到了一个新的高度. 很

多由于使用纳米材料而出现的新现象, 有待仔细测

量和分析, 创新科学研究方法, 探索其科学原理, 发

展新技术, 进行应用研究, 为人类造福.

1 纳米科学与纳米材料

纳米科学(Nanoscience)是研究纳米结构(Nanos- tructure)物理和纳米系统(Nanosystem)物理的科学. 现在研究的纳米结构, 是指从原子-分子尺度到小于光的有效波长, 即低于一个波长的光程长度的结构性材料. 例如, 在可见光区研究二氧化硅的纳米粒子, 应该小于370 nm; 研究硅的纳米粒子, 应该小于162 nm. 所以目前纳米科学主要研究1–100 nm 尺度纳米粒子物理及化学特性, 其中研究纳米结构物理的科学, 又称为纳米物理学(Nanophysics). 原子、分子的特性, 是用量子力学来描述的. 微观粒子的实验都表现出量子特性, 例如, 能量量子化、零点能、量子关联、不确定原理等等. 量子特性,是通过科学仪器得到的, 它与我们日常对宏观物体的感受不同, 因而很难理解和用常规的语言描述, 所

以要在前面加上“量子”二字, 例如, 量子纠缠、量子

起伏、量子比特等. 我们对纳米尺度的微观物体, 也

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会感受到量子特性. 量子现象是客观存在, 现在依然需要深入的理解和富于科学的解释, 随着科学仪器和技术的进步, 我们会更深刻地感受和理解量子物理现象.

同时考虑量子效应和宏观性质起源的科学称为介观物理, 它是纳米结构材料的特性及其应用的理论基础. 一个重要的应用科学是纳米光子学或纳米光电子学(Nanophotonics), 也可以称为集成光子学,是集成光学的一个发展. 纳米光子学属于技术科学,研究的主要内容包括主动和被动纳米结构元器件, 纳米结构波导器件, 纳米元器件的集成技术, 研究其中的物理过程, 包括纳米结构衍射光学, 在“纳米尺度”光的产生、传输与探测技术等. 核心问题是要在亚波长范围内实现对光场相位的分布调整、测量与 控制. 纳米光子学主要应用领域包括通信、信息处理、计算机、存储、显示、传感与环境监测、生物技术、量子信息技术和量子计算等.

现在人工结构材料的尺度进入了纳米, 距离原子尺度只有一步之遥. 在纳米范围内, 材料生长初期,自组装会起到主导作用, 构成规则的结构, 科学上称为“成核”过程的晶核或晶种. 那是理想的晶体或完整的晶体, 几乎没有缺陷和位错、位错和缺陷、晶格的变异、双晶和多晶、杂质、混合等, 都是在材料生长过程中随机的和不可控制的原因产生的. 现在, 材料科学技术的发展, 使得人工控制能得到确定元素构成确定结构的纳米粒子, 其中包含的原子数量有限, 原子间和分子间力作用产生特色有序排列, 出现很多新奇的现象, 会带来很多原来没有预料到的新的应用. 因此, 对于纳米结构材料, 量子效应必须要考虑了. 同时, 纳米尺度人工材料特性的研究, 为量子效应本质的解释带来希望. 因为通过这项研究, 有可能填平宏观概念与量子世界认识之间的鸿沟. 例如, 2010年报道的纳米悬臂就引起极大的关注. 研究人员设法使悬臂达到它的最低能态, 即基态, 探测它是否像量子力学的微振子那样, 具有零点能, 而且从基态起, 它的能量是否是等于本征能量, 取分立的 值,一份一份地增加. 初步试验的成功, 被认为是代表了科学研究的一项突破[1].

纳米科学的一个重要研究内容是纳米结构材料,现在研究开发的纳米材料种类很多, 但主要的有三类. 第一类是天然纳米晶体, 是原子或分子经过自组

装形成的纳米材料, 例如, 碳纳米材料、硅纳米材料、氧化锌纳米管等. 这类材料, 不但晶格特别完整, 形貌特征明显, 更主要的是尺度在减小, 但比表面积在增大, 结果是突出了表面和界面的特性, 这种比表面积的增大会带来很多新的功能. 现在的扩展是通过生长条件的控制, 获得确定结构、形态和尺度的纳米晶体, 以及通过对这些材料的掺杂或表面改性, 增加这些材料的功能. 改性和增加功能的方法包括杂质替换、填隙和表面吸附. 以硅材料为基础发展起来的材料系统, 称为硅基纳米材料, 同样, 以碳为基础发展起来的系列材料, 就称为碳基纳米材料.

第二类是人工纳米结构材料和人工晶体, 人工设计的包括量子点、纳米线、环、膜的复合材料, 它们周期排列或有序组合, 构成一大类材料, 其中利用金属和负折射材料的人工纳米结构材料可以有奇异的光学特性. 金属具有复数电介常数, 它的折射率可能是负的, 而且在纳米尺度, 它是透明的. 在这类纳米结构材料中加入磁性材料或从结构对称性上改进可得到非对称性材料或手性材料. 这类材料, 覆盖了电磁场与物质相互作用的整个领域, 英文称为Metamaterials, 有人音译加意译翻译为迷特材料, 或称为奇特材料, 特异材料, 超材料等, 有广阔应用前景. 我们已经可以用迷特材料的概念来设计和制造各种理想的光电子材料了, 用这种材料可实现超过分辨率极限的图像, 或者构成隐秘材料, 使物体不可见[2]. 纳米复合材料构成了一个宏大的研究领域, 包括利用表面等离子效应构成最小的激光器, 使得激光强度和相干长度都可以成倍地提高[3,4].

第三类是聚合物功能大分子结构材料, 这是一个宏大的研究领域. 聚合物一维成丝, 二维成膜, 缠绕组合, 构成功能片段, 其尺度通常小于100 nm, 是从细胞、组织研究到生物分子研究之间一个极具挑战性的一个发展方向. 研究光与纳米聚合物的相互作用及其应用构成纳米生物光子学的主要内容.

2 四族元素基纳米材料

第一类纳米材料较早得到关注, 其中最引人关注的是四族元素基纳米材料. 四族元素处于元素周期表的中心位置, 可以成为正电性材料, 也可以是负电性材料, 也可以构成单质晶体材料, 是最早得到应用的纳米材料.

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2.1 硅基纳米材料取得的进展

硅纳米材料得到了广泛深入的研究, 取得了很多成果. 因为硅集成电路已经得到很成功的应用, 是电子计算机的核心. 但是, 单晶硅属于间接跃迁型半导体, 它不发光. 硅材料的发光得到了实验证实, 实验上研究如何提高发光效率也取得一定的结果, 但是确定硅材料发光的具体结构元素并将它可控制地制造出来, 进一步提高发光效率, 仍然是一个问题.纳米硅材料的发光为光源、探测器和逻辑处理都由硅材料来完成带来希望, 由此发展起来的集成硅光子学有望在很大程度上提高集成电路的数据处理能力. 但是, 这一领域面临巨大的理论上和技术上的挑战, 使得这项研究工作近几年的进展显得比较缓慢. 现在已经实现的50 Gb/s 的通信用集成硅光子器件, 采用硅上集成硅分布布拉格反射器结合磷化铟发射体构成的混合结构激光光源, 仍然采用混合集成技术[5]. 在硅上生长Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体是很困难的, 晶格不匹配, 热学性质差异也比较大. 但是, 在纳米尺度, 已经实现了在硅上生长出由GaAs 包覆InGaAs 材料的纳米六角形柱体, 可发射950 nm 的激光[6].

硅基材料的开发在技术上遇到的困难源于它自身结构的多样性、复杂性, 以及由此产生的不确定性. 硅在周期表的第三周期, 这一周期包含18个基本电子态, 外层电子结构仍然是八电子的完整壳层结构, 但是出现了10个元素的副周期, 使这一壳层电子的状态数增加了很多. 例如, 宏观地看, 硅就包括带状硅、外延硅、微晶硅、多晶硅、非晶硅、多孔硅、黑硅; 硅的化合物和掺杂的情况就更复杂了, 它的微观结构, 至今还有很多未知. 或者已知是某种纳米结构在起作用, 但是难于在技术上实际控制和利用. 例如, 实验证实, 硅的复杂结构中, 肯定存在发光机制, 其中一种机制是硅/二氧化硅界面束缚激子发光, 但是, 要确定更具体的结构和发光机制就困难. 同样是由于结构的多样性, 得到的是宽带发光, 同时由于存在较多的非辐射复合机制, 发光都比较微弱, 而且, 发光也不在通信波段. 因此开展了掺铒硅材料的研究, 但是在理论和实验上还是面临如何处理复杂结构的问题.

复杂性为制造人工结构可控的硅纳米材料增加了难度. 挑战和机遇并存, 例如, 将硅暴露于飞秒激光六氟化硫产生的等离子体中, 在表面形成密集的

纳米锥体成为超黑硅, 表现出极其丰富的纳米微结

构如图1所示, 这就提出了另外一种思路, 如何开发和利用硅材料的结构复杂性和多样性, 实现对辐射的全吸收和利用. 但是要仔细分析这种纳米结构的细节, 控制它的形态, 实现确定的应用目标, 却是很不容易, 不论理论上和技术上都还有大量的工作 要做[7].

2.2 石墨烯的结构和特性

碳元素处于元素周期表的第二周期的正中间, 是四族元素在最低周期的元素. 第二周期元素的电子结构仅有8个电子态, 正好构成完整的壳层. 碳元素有四个价电子, 还有4个空位, 有利于碳元素之间共价键相互连接. 这个元素周期没有副周期, 构成的材料结构种类有限[8].

从图2所示的碳的相图来看, 碳的固态相主要就是金刚石和石墨两相. 在较低温度和较低压强下是石墨相. 石墨烯是石墨的基本成分, 石墨烯是这样构成的: 在较低温度和较低压强下, 碳原子的电子结构是在平面内3个互成120°夹角的sp2杂化轨道和一个垂直于杂化轨道平面的p 轨道. 碳原子之间以一个sp2轨道耦合构成共价的σ 键, 同时p 轨道电子叠加成为π键, 形成以双键为特征的烯族. 烯的每个碳原子还有两个互成120°的sp2杂化轨道表现为开链, 可拓展联接下一个石墨烯分子, 仅构成几种相当规整的结构形态. 碳烯键的拓展自联闭合, 构成本征闭环结构, 表现为单键和双键交替连接成六角环形. 所以, 石墨烯是碳原子按六边形结构排列构成的二维原子

图1 由飞秒激光产生的纳米硅锥体构成的超黑硅[7]

Figure 1 Super black silicon composed by nanometer silicon cone

produced from femtosecond laser [7].

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图2 (网络版彩图) 碳的相图[8]

Figure 2 (Color online) Carbon polymorphism [8].

晶体[9].

石墨烯的开链也可以与氢、氧、氮等元素结合构成各类有机大分子, 六角环形结构是芳香族的骨架, 是生物分子材料的一种基本结构. 石墨烯是最致密的二维材料, 表现出特殊和优秀品质, 展现出广阔的应用前景.石墨烯分子很难单独存在, 通常情况下以六角环的形式表现为一种稳定结构. 单层石墨烯叠加成小片, 小片堆积, 构成了通常见到的石墨. 单层石墨烯的结构如图3所示. 图3中, 石墨烯拓展分叉绕行闭合, 结果出现全由单共价键构成的多边形C, 它的边数是可变的. C 为六边形, 就是片状单层石墨烯.

多边形C 的边数少于六, 就会卷曲成球形. 例如, C 在第5边就闭合了, 就是C 60, 形成很规整的球型.所以从理论上预测, 最适合的结构是C 60, 由60个碳原子构成, 具体表现为12个五边形和20个六边形构成的理想球体, 这个理论的预测很快就由实验证实

图3 单层石墨烯的基本结构

Figure 3 Basic structure of single graphene.

了. 接着又相继发现了C 20, C 28, C 32, C 36, C 70, C 80, C 120, C 180, 这个碳原子簇就称为富勒烯(Fullerene), 或称为球烯、球壳烯或巴氏碳球. 如果石墨烯只在一个方向上卷曲闭合, 就会在两个端面留下不会闭合的多边形C, 继续缠绕成管, 称为单壁碳纳米管(Single-wall Carbon Nanotube, CNT 或SCT), 它的直径和绕升角(roll-up angle)作为它的特征值, 也只能取有限的数值, 具体用整数表示为(n , m ), 代表不同尺度的碳纳米管. 碳纳米管的直径通常1–2 nm, 绕升的方向决定纳米管的手征性质. 螺旋绕升成管是碳纳米管形成的基本机制, 是由它的本征性质决定的. 这与氧化锌纳米管的形成机制不同, 氧化锌纳米管的螺旋绕升起源于螺旋位错[10].

石墨烯这类材料, 表面上没有自由的碳基(羟基或烃基), 稳定、光滑而均匀, 韧性好, 刚性好, 电子迁移率高, 电容率低, 电子散射小, 平均自由程长, 有利于导热和导电. 图4是扫描隧道显微镜下看到的碳纳米管的形貌[11].

石墨烯与碱金属的系列化合物变成超导体, 而且临界温度很高, 可望用于发展超快电子器件. 例 如, C 60分子是绝缘体, K 3C 60就转变为超导体, 有很 高的临界温度. 石墨烯超导体与氧化物超导体相比较, 优点是有完美的三维超导特性, 电流密度大, 稳定性高.

石墨烯是人类得到的第一种二维原子晶体材料. 用单层石墨烯, 在室温下, 就可以观察到量子霍尔效

图4 (网络版彩图) 扫描隧道显微镜下看到的碳纳米管的

形貌[11]

Figure 4 (Color online) A single-walled car-bon nanotube shown in

the scanning tunneling micrographs [11].

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应了[12,13]. 对石墨烯的关注, 可以追溯到1859年, 但是, 石墨烯研究迅速发展是在近几年. 2010年诺贝尔奖金获得者盖姆(Andre K. Geim)和诺沃瑟罗夫(Kostya S. Novoselov), 在2004年发现了单原子层石墨烯, 制造了第一支单原子层石墨烯器件, 发现了不寻常的场效应. 诺沃塞洛夫发明的机械剥离获得单层石墨烯的方法简单而有效, 使得关于石墨烯的研究, 即刻在全世界普遍地开展起来. 尽管这样, 我们对它的认识和应用研究还处于开始阶段, 现在也不可能全面对它的性质及其应用进行评述. 但是, 直接与应用相关的研究已经广泛地开展并取得了很大的成绩.

3 本征碳纳米管

碳纳米管发现于1991年, 但是, 对碳纳米管的广泛研究也主要集中在近几年. 实验发现, 碳纳米管包括绝缘体和半导体, 多数碳纳米管是半导体, 其中电子容许的能量状态也分裂为能带, 其带隙随不同尺度而有所改变. 半导体碳纳米管的带隙与管的直径成反比.

半导体碳纳米管与金属接触构成肖特基势垒, 在电场作用下可以注入载流子. 利用肖特基结就可以构成各种半导体器件. 例如, 场效应晶体管及由这种晶体管实现的逻辑电路、场效应发光二极管等.

3.1 场效应晶体管

两个肖特基结组成的结构, 在电场作用下就构成碳纳米场效应晶体管[14]. 2004年报道的碳纳米管场效应晶体管的室温电子迁移率就达到100000 cm 2/Vs, 其结构如图5所示[15].

图5 (网络版彩图) 碳纳米管场效应晶体管的结构[15]

Figure 5 (Color online) Carbon nanotube field-effect transistors [15].

一种改进的设计, 是在碳纳米管上包一层绝缘材料, 门电极也是卷成筒形包在外面, 通过纳米管的尺度的选择和设计, 控制半导体纳米管的带隙, 得到更高迁移率和更低的电容. 这种场效应晶体管的结构如图6所示[16]. 碳纳米管场效应晶体管的电容可 以小到只有0.05 aF/nm, 远低于分布电容. 用于高速器件, 截止频率达到THz, 响应频率主要受到分布电容的影响. 能耗与器件的电容相关, 电容低, 能耗就小. 用于逻辑运算, 电流开关率可以很高, 达到104 –106.

普通MOSFET 场效应晶体管小型化和提高集成度面临的主要问题是能耗. 因为半导体场效应晶体管随着体积变小, 表面散射增加, 增强的隧穿效应导致器件失控, 局部热效应使器件破坏而失效. 碳纳米管场效应晶体管可以克服这些问题.

3.2 CMOS 逻辑器件

非掺杂的本征碳纳米管也能构成CMOS 逻辑器件. 利用界面功函数的区别, 选择Pb 做门电极,构成p-FET, 选择Al 做门电极, 构成n-FET, 已经取得成功. 用这种场效应晶体管研制成功五级环振荡器的扫描电子显微镜图像如图7所示[17], 图7中, 作为参照物的黑色桶状物为发丝. 碳纳米管薄膜晶体管电路已经试验证明可以布排在柔性的塑料表面上[18].

3.3 场效应碳纳米管发光二极管

在外场的激发下, 一维电子气间的强相互作用形成的束缚态是一种激子态. 由肖特基注入的载流子形成激子, 激子复合就可以实现注入发光. 这种发光二极管的结构如图8所示. 它由两组场电极与肖特基极配合组成, 分别控制电子和空隙载流子的注入,

图6 (网络版彩图) 筒形电极的碳纳米场效应晶体管[16]

Figure 6 (Color online) Cylindrical electrode carbon nanotubes

field effect transistor [16].

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图7 (网络版彩图) 扫描电子显微镜下的五级环振荡器[17]

Figure 7 (Color online) A scanning electron micrographs of a five-

stage ring oscillator [17].

图8 (网络版彩图) 场效应碳纳米管发光二极管的结构

Figure 8 (Color online) Structure of field effect carbon nanotubes

light emitting diode.

而场电极之间的电场用于控制激子复合发光.

这是一种新的发光原理, 它不是在异质结附近发光, 而是在碳纳米管上发光, 是可以随电场的改变而移动的. 逆向控制载流子的注入, 也可以构成光的探测器[11].

3.4 本征碳纳米管的其他应用

本征碳纳米管可望提供比硅更小、 更快和更高效的光电子元器件, 除场效应晶体管之外, 纳米管还可以作为天线, 用作特定波长光波发射和接收的导向元件[19]. 用碳纳米管实现低功率开关, 实现可擦除存储, 与现有的器件相比, 其工作电流可降低两个数量级[20]. 同样, 由于低功耗, 可以实现低电压有机发光晶体管的主控显示屏工作[21]. 碳纳米管用作气体传感器, 气体的解吸附不是靠热效应, 因而响应更 快[22]; 用作生物离子通道, 则对通过的离子具有极

高鉴别灵敏度[23]. 所以, 仅仅是碳纳米管本身的特性, 包括它的结构的确定性和均匀性, 一维电子气性质, 机械和热学性能, 化学稳定性等方面的研究及其伴随的相关技术的发展, 也是很值得关心的一个领域.

4 石墨烯掺杂和改性

石墨烯的性质对于表面、界面和掺杂都敏感. 研究石墨烯的掺杂和改性是石墨烯应用的基础研究. 这项研究主要分两个方面, 一是掺杂, 二是尺度和层数对石墨烯的性质的影响.

4.1 石墨烯的掺杂

石墨烯的掺杂是可行的, 但是掺杂的控制是很困难的. 掺杂的形式可表现为桥接、替换、或填隙等. 掺杂原子在石墨烯上的作用或驻留位置. 分为H, B, T3种类型, 如图9所示. 掺杂情况与衬底有关, 也与石墨烯的层数有关. 对于悬空支撑的单层石墨烯的理论分析表明, K, Na, Cs 和Ti, Fe 的作用位置在H, 即六角形中心的位置; Au, Cu, Ni, Sn, F 的作用位置在T, 即角顶的位置; 而Pt, Cr, Cl, S, O, N, P 则可望联接到B 的位置. 对于有空位缺陷的石墨烯, 在缺陷部位提供了更多的成核和掺杂的机会.

对于金属原子与石墨烯的相互作用, 已经报道成功地用原子分辨扫描透射电子显微镜进行了研 究[24]. 研究工作是用热或电子束蒸发的Au 和Cr 在石墨烯薄膜上进行的. 测量中发现了Fe 原子, 可能是样品制备过程中残留下来的. 同时发现, 总是有碳氢化合物以污染物形式驻留表面. 观察发现, Au, Fe 可以驻留在石墨烯表面的T 和B 位置, 但是与晶格的相互作用弱, 它们趋向于自己形成团粒. Cr 原子则能更强地与石墨烯联接, 进入晶格成为其中的杂质. 用表面增强的拉曼散射研究了单层、双层和3层石墨烯上的掺杂情况, 发现Ag 和单层石墨烯之间存在强的相互作用. 镀Ag 构成n-型掺杂石墨烯, 而镀Au 构成

图9 掺杂原子在石墨烯上的位置

Figure 9 The position of doping atom in graphene.

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p-型掺杂石墨烯[25].

对于碳纳米管, 它的本征带隙是由它的直径和

绕升角决定的. 但是, 这个带隙能通过化学方式调

节[26]. 实验证明, 掺氧的方式对带隙的调节具有明显

的效果.

实验样品是液体悬浮碳纳米管暴露于低剂量的

溴氧后, 经过非线性密度梯度超高速离心分离富集, 再经过光化作用处理得到的. 光谱测量表明, 经过光化处理后的有氧掺杂的碳纳米管的吸收峰略有展宽, 位置基本没有变化, 但是原来的属于E11的980 nm 发射峰随光化作用处理时间的增加而逐渐减弱趋于消失,新的逐渐增加的发射峰出现在1120 nm, 表现出明显的红移, 如图10所示. 图10中特征参数为(6, 5)的碳纳米管经过16 h 的光化作用之后, 原来在980 nm 的发射峰基本上消失了, 发射能量集中在1120 nm 形成一个较宽的发射峰.理论分析表明, 氧掺杂可能有3种形式, 一是溴氧的3个原子与石墨烯形成溴氧化物, 第二是单氧原子形成桥接, 第三是单氧原子插入, 此可解释发射峰比较宽的原因.

红移的发射峰属于氧掺杂部位的发光, 它说明在接有氧的部位, 带隙变窄. 非掺杂碳纳米管中激子的束缚能达到 1 eV, 实验测量到的荧光寿命为10– 100 ps, 吸收峰的位置不变而发射峰明显红移. 这种现象说明光激发在碳纳米管内产生的激子, 会迁移到杂质部位复合发光. 这个实验表明, 吸收和发射是在不同的部位, 表现出一种迁移运动. 合理的解释是,

图10 (网络版彩图) 实验上测量的掺杂和非掺杂碳纳米管

的荧光光谱[26]

Figure 10 (Color online) Doped and non-doped carbon nanotubes

fluorescence spectrum experimentally[26].

氧掺杂只是局部地改变了带隙, 这里有类似于半导体材料中势阱的能带结构. 激子会失去部分能量并

迁移到能量较低部位的势阱中. 激子会迁移并集中于特定部位发光, 这种现象预示可能研制成功碳纳米管激光器. 4.2 原子层外延的石墨烯与叠层控制

单层、双层和多层石墨烯的性质明显不同. 得到大面积的单层石墨烯和双层石墨烯对于应用很重要, 但是都不容易. 因此需要仔细研究石墨烯的生长 过程.

目前, 生产石墨烯的厂家已经很多, 投资者已经认识到这是一个具有很大潜力的市场. 但是,目前出售的很多石墨烯, 在电子显微镜下观察, 表现为折叠、翘曲的石墨片的堆积, 每一石墨片的尺寸都很小, 层数也是不确定的. 理论上, 可以不断分剥得到单层, 但是要将两个单层迭起来成为双层或确定的多层是很困难的. 要制备大面积像单晶那样确定形态和确定层数的多层石墨烯依然面临技术上的挑战. 采用化学汽相外延(Chemical Vapor Deposition, CVD)生长的方法, 在一定的控制条件下, 可以生长一个单原子层的石墨烯, 这种生长过程不是简单的物理沉积[27].

CVD 石墨烯类似于化合物半导体材料生长中的原子层外延技术. 原子层外延技术利用物理吸附和化学吸附的区别, 使外延生长的一次过程, 只能是一个单原子层, 材料的生长仅仅是由于化学吸附(成键)的结果. 这种技术, 对化合物半导体制备已是一项成熟技术. 例如, 砷化镓单晶, 我们可以做到, 在表面布满一层镓原子以后不能继续生长镓, 只有在已经布满了镓原子的表面上生长一个单原子层的砷以后, 才能再生长一原子层的镓, 如此一层原子接着一层原子地交替生长, 厚度控制精度达到单原子层, 所以称为原子层外延技术. 石墨烯属于单质材料, 出现这种单层生长的原因是, 它只在有自由碳基sp2可形成共价键延拓的水平方向生长, 而在表面的上方没有自由的碳基提供生长条件. 由表面催化成核的单层石墨烯只能沿单层边界延拓生长. 同时控制生长参

数, 使得纯物理吸附, 或者自由沉降堆积的条件不存在, 就可以得到表面光滑的、纯净的单层石墨烯. 用这种方法生长的石墨烯, 在电子显微镜下, 可以清楚地看到是均匀平滑的表面. 在水平方向, 不同生长点延拓生长的石墨烯之间准确对接或者终止于接缝线.

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已经报道的是用甲烷和氢混合, 以1000°C 的高温在12.5–50 m 厚铜箔上CVD 生长石墨烯, 都得到相似的好结果. 在这里, 单原子层石墨可以跨越铜箔表面上的阶梯或粗糙的表面连续生长达到厘米尺度, 直到不同成核生长的单层石墨烯互相之间衔接或形成接缝. 石墨烯布满生长表面之后, 生长基本上停止, 表现为一种“自限制”效应.

双层石墨烯的形成. 可能由于是平面延拓未能准确对接. 结果是螺旋式的继续生长, 如图11所示. 但是, 这种生长仅限于很小范围, 继续拓展叠加为3层或者大面积双层的概率都很小. 对于CVD 生长的石墨烯, 按面积实际测量, 得到单层占总面积的 95%, 双层约4%, 余下不到1%是3层石墨烯和多层石墨烯.

这种外延生长方式与半导体原子层外延生长的方式不同. 这里仅限于横向生长, 材料生长与衬底的晶格无需匹配. 自然, 衬底的缺陷也不会延伸进入外延层. 衬底起到的作用仅是表面催化成核, 产生石墨烯初始的生长点. 在他们的实验中, 生长10 min 左右就能得到布满衬底的单层. 继续生长到 1 h, 还是单层, 也没有见到双层扩展. 单层生长快速的原因是衬底上成核的生长点比较密, 单层之间生长并互相对接的结果. 这表示衬底的选择和预先处理技术还是很重要的. 继续生长时, 衬底的成核作用已经不存在. 双层石墨烯和三层石墨烯生长缓慢的原因就是受到可用于生长石墨烯的自由碳键的数目的限制. 从照片上看, 出现双层的概率很小, 两相邻的双层之间要通过外延发展到互相对接构成一个新的完整的单层石墨烯也是不容易的. 改变生长条件, 例如, 在较低温度下裂解甲烷, 就会得到石墨片的堆积.

叠层石墨烯的电学性质与石墨烯的层的数量相

图11 (网络版彩图) 双层石墨烯的形成

Figure 11 (Color online) Double-graphene formation.

关[28,29]. 单层石墨烯属于半金属, 而双层石墨烯属于半导体. 而且, 双层石墨烯处于二维材料的单原子层石墨烯过渡到三维材料中间, 是极具代表性的材料, 很快受到特别关注. 石墨烯的单层生长和可转移特性也为制备和研究这种材料创造了很好的条件. 理论和实验研究都表明, 双层石墨烯和单层石墨烯的性质有很大的区别. 双层石墨烯具有两个的独特性质. 第一是它具有可以通过电场调节的带隙; 第二是在磁场中出现不平常的整数量子霍尔效应, 单层石墨烯中只能见到半整数量子霍尔效应. 采用微机械从天然石墨剥离的单原子层石墨烯重叠构成的双层石墨烯就可以看到整数量子霍尔效应了. 研究发现比较好的重叠方式是上层石墨烯指向右的三角形子晶格A 对准下层石墨烯指向左的三角形子晶格B, 称为A-B 重叠方式, 如图12所示[30].

这样重叠形成的双层石墨烯的整数级量子霍尔效应, 可以恰当地用相对论性双曲型色散四能带模型描述. 同样, 对于在双层石墨烯垂直方向加电场的石墨烯的电学性质, 与实验匹配得最好的理论模型也看描述为四能带模型. 理论和实验都证明, 双层石墨烯是可外场调控带隙的半导体材料. 理论研究证实了A-B 重叠方式的重要性. 在A-B 重叠方式下两个方向相反的子格子对接构成晶体的元胞, 采用紧密约束近似, 计算在电场作用下晶体的能带结构, 得到的结果与实验结果一致. 而在非A-B 重叠的方式下, 会得到趋向于零的带隙, 具有类似于单层石墨烯那样的线性色散关系. 理论分析表明, 外加垂直电压产生的带隙与电子在垂直方向的跳变能量有关, 并在一个较大的范围内接近等于这个跳变能量. 用角分辨发射光谱测量用外延方法制得的双层石墨烯, 它

图12 (网络版彩图) 石墨烯的A1-B2重叠方式[30]

Figure 12 (Color online) A1-B2 overlapping way of graphene [30].

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602

的电子在垂直方向上的跳变能量大约是0.43 eV [31]. 更多的研究表明, 磁场和应力也可以参与带隙的调控.

4.3 石墨烯层刻技术

控制石墨烯层的数量, 或者更具体到用双层石墨烯, 按设计刻蚀单层图案, 造成0层、1层和双层

的空间雕刻结构, 实现对电子输运过程的控制, 构成一类新型的集成电路元器件. 对于这种简单的情况, 我们可以在垂直方向用不同层数的石墨烯得到不同带隙的材料, 而在水平电子输运方向由单层石墨烯连接起来构成需要的能带结构, 就具有集成电路的功能了. 这些不同性质的材料是由同一种材料通过几何尺度的改变实现的. 而通常的半导体器件的能带结构是用改变材料的掺杂(p-n 结), 或者是用不同的材料或材料组分构成异质结或肖特基形成的. 这种同素材料异构开创了一个创新材料技术的新领域.

现在的技术已经可以精密控制得到单层和双层石墨. 新发展的层刻技术, 可以一层一层地刻蚀. 在需要刻蚀的地方, 只刻去一层, 而下面一层和刻蚀周边的石墨烯不受影响, 于是在垂直方向厚度控制的精度可以达到单原子层. 相比之下, 用光刻的方法在横向刻制2 nm 宽的线条都很困难[32].

现在研制的层刻石墨烯电子器件, 是利用单层石墨烯做导体, 双层石墨烯为半导体设计的场效应晶体管, 结构如图13所示[33]. 在这之前已经证明了这种场效应晶体管的原理器件[27], 那是一种制造在硅/氧化硅衬底上的石墨烯场效应晶体管, 初步试验结果表示, 在室温下的电子迁移率达到4050 cm 2/Vs [27].

这种场效应晶体管的制造是基于两种技术,一是可以得到确定层数的大面积石墨烯, 二是可以用局

图13 (网络版彩图) 双层石墨烯场效应晶体管[33]

Figure 13 (Color online) Double-graphene field effect transistor [33].

部剥离的层刻技术, 在平面上得到根据设计需要的以层为计量单位厚度分布图案, 或纳米集成电路. 用CVD 方法分别在两张铜箔上生长一单层石墨, 然后将这两层石墨转移叠加在一起构成双层石墨烯. 从拉曼谱测量可以发现, 这样制造的双层石墨与它原来的单层石墨有明显区别. 选择剥蚀单层的技术, 得到在平面上零层、一层和二层分布的图案, 其制造过程如图14所示.

理想的双层石墨烯图样分布纵向分层剥蚀的过程如下: 先用溅射产生锌的掩膜, 然后用稀盐酸溶解掉锌, 锌膜下面的一个单原子层的石墨也也就没有了. 而再下一层石墨烯和旁边的石墨烯却保存完好. 用各种方式制造的石墨烯做实验, 用扫描电子显微镜图像和原子力显微镜图像检查, 用溅射产生锌的掩膜, 用稀盐酸溶解, 都得到相同的结果: 处理一次只能去掉一单原子层石墨烯, 这是一种一次剥蚀一层的技术, 它表示出石墨烯特有的化学性质[34].

为了探索这种只选择性剥蚀一层的物理机制, 研究人员比较了很多种金属材料、不同的成膜方法和不同的化学试剂. 只有溅射的锌掩膜、稀盐酸溶蚀的效果最好. 初步判断是溅射的作用打断共价键提供了断开的羟基, 及与锌材料匹配的化学势共同作用的结果. 作用机制还在继续探讨, 但是可重复的实验结果已经是事实.

5 其他相关功能器件

石墨烯的单层及其可剥离性质有利于集成光电子器件的发展. 而碳的化合物, 例如碳化硅的优良性能也能发展优良的电子器件.

图14 (网络版彩图) 局部剥蚀单层石墨工艺过程示意图[34]

Figure 14 (Color online) Process schematic diagram of partial

denudation graphene [34].

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603

5.1 可转移光电子器件

单原子层石墨烯可以方便地制造、转移附着到任何基底上, 其面积已经可以达到显示屏那样大了, 继续增大单层石墨烯的面积也是可能的[35]. 石墨烯容易剥离和转移的一个可能的好处是, 任何石墨烯上能够制造的器件, 都可以容易地转移到其他基底上. 首先考虑到的就是用来制造可转移光电子器件. 这项技术支持正在发展一种器件转移和混合集成技术, 这项技术可以将不同材料制造的最优秀的元器件按最优秀的组合实现最佳性能. 例如, 氮化物半导体器件有极优秀的光电子特性: 它构成的发光二极管可包含所有可见光, 而且效率高、稳定性和可靠性好、使用寿命长. 但是, 由于受限于衬底的选择, 高的欧姆接头电阻及热效应, 还需要减薄和去除很昂贵的单晶衬底, 导致成本高, 而且不能使用柔性衬底, 这就限制它的使用. 用石墨烯做衬底, 晶格匹配宽容度大, 已经成功地制造了可转移的氮化镓发光二极管[36].

在石墨烯上异外延生长氮化物薄膜时采用了高密度竖直排列氧化锌纳米墙作过渡层, 虽然在氧的等离子体中处理过的石墨烯粗糙的台阶上氮化镓也能成核生长, 但是容易出现多晶. 采用致密的氧化锌过渡层之后, 生长成功了优质的氮化镓晶体, 为后续的异质外延生长准备了更好的条件. 完成这样生长的技术如图15所示: 用二乙基锌和氧在石墨烯上生长一层致密的氧化锌, 再用三甲基镓和胺就得到高质量的氮化镓了. 这里, 氧化锌致密的程度很重要.

在这样生长成功的氮化镓单晶上已经生长成功

图15 (网络版彩图) 在石墨烯生长氮化镓单晶技术流程

[36]

Figure 15 (Color online) Technology process of gallium nitride

single crystal on graphene [36].

优质的异质结结构. 用这种方法生长成功可转移的发光二极管, 包括2 μm 厚的掺硅n-氮化镓, 三周期氮化镓/铟鎵氮多量子阱和350 nm 掺镁p-氮化镓层.石墨烯构成二极管的n-电极, p-电极是p-氮化镓/镍/金结构. 由于石墨烯层间的结合力弱, 外延时不必太多考虑晶格匹配的问题. 而且, 在器件生长成功之后, 容易剥离和转移到其他基底上. 图16是在普通室内照明条件下拍摄的发光二极管转移到玻璃、金属和塑料上的过程及转移成功之后发光的情况.

5.2 石墨烯支撑的有机光电子器件

有机物的发光和光电子特性有很好的应用前景.研究发现, 利用石墨烯对碳氢化合物的亲和特性, 可以直接在单层石墨烯上制作有机光电子器件. 难于溶解和难于处理的芳香族苯环类有机材料, 通常表现为颗粒和多晶, 限制了在光电器件方面的应用. 但是, 这类共价键有机物可以直接在单层石墨烯上连接成精密控制的类似于单层石墨烯那样的二维晶体, 称为共价键有机网络薄膜, 在石墨烯表面的垂直方向上一层一层的叠加. 这样, 可以直接开发利用π-电子共价键的导电作用, 构成有机光电子器件. 首先考虑到的, 就是利用石墨烯为透明电极, 做成光电二极管, 实现太阳能的收集和利用[37].

5.3 纳米碳化硅高温逻辑器件

在内燃机或其他高温环境内的逻辑控制器件, 为了预防高温对器件性能的影响采取各种保护措施使得器件结构复杂、庞大甚至实际上不可能. 即使采用宽带隙的SiC 能构成可在高温下工作的场效应晶体管, 性能也比较差, 而且半导体结型场效应晶体管

图16 (网络版彩图) 由石墨烯做衬底生长成功的发光二极

管被成功地转移到金属、玻璃和塑料上[36]

Figure 16 (Color online) LED was successfully transferred to metal,

glass and plastic [36].

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604

在高温环境下, 漏电流总是很大, 限制了它在高温环境下的使用. 现在, 纳米尺度的碳化硅纳电机系统(nanoelec- tromechanical system), 已经试验证明了在500°C 温度下优秀的逻辑功能, 是常规半导体逻辑电路达不到的[38]. 试制成功的反相器的电子扫描图像如图17所示.

Output 对应“漏”电极, Cantilever 对应“源”电极, Input 对应“门”电极. 在“通”状态, “门”和“源”之间的间距仅25 nm. 断开状态几乎没有漏电流, 工作频率达到GHz. 而且热学和化学稳定性好, 机械强度高, 不受电磁辐射的影响. 6 在应用中发展碳基纳米技术

每一项科学原理的应用, 都面临技术的挑战. 纳米技术的应用, 表现更为突出. 按照诺贝尔奖获得者诺沃塞洛夫的考察, 石墨烯的研究, 可以追溯到1859年. 但是, 只是在最近几年才得到迅猛的发展. 主要原因之一就是发现了简单而有效的方法获得单层石墨烯. 这使得包括不同领域的很多人都容易很快进入这一领域, 不需要复杂仪器和很大投资就可以开始研究工作. 围绕这些研究工作和相关产业发展服务的公司也很快地建立和发展起来. 石墨烯的应用仍然面临技术挑战, 包括如何得到确定几何特征的单层和多层石墨烯、碳纳米管和富勒烯球, 还有如何操作和使用这些基本的纳米材料, 包括如何控制掺杂, 如何裁剪、连接、排列和组装, 如何测量和表征, 如何与其他材料和器件的配合和集成等问题. 有一项报道介绍了如何将金属性质的纳米管与半导体性质的纳米管区分开的方法, 用原子力显微镜配合激发-探测瞬态光谱技术来区别. 在试验中, 他们用707 nm 激光激发, 用885 nm 激光探测. 如果

图17 反相器的扫描电子显微图像[38]

Figure 17 Scanning electron micrographs of inverter [38].

得到增强的发射, 就是半导体纳米管; 如果得到衰减的发射或增强的吸收, 那就确定为金属性质的纳米

管.他们用激光剥蚀的技术去除金属性质的纳米管保留了半导体性质的纳米管[39]. 用于调制掺杂特性研究的碳纳米管,是用液体悬浮非线性密度梯度超高速离心分选富集出来的, 由

此获得特定尺度, 即特定带隙的碳纳米管[26]. 可以看到, 要得到符合特定要求的碳纳米管依然是很艰难而且效率低的. 同样, 对于富勒烯球的尺度的控制与操作也面临技术上的挑战. 单层石墨烯可以用化学汽相外延生长的方式解决了, 但是要进一步提高生长质量, 即得到真正的二维单晶薄膜, 有控制地生长

双层膜和多层膜, 层间相互叠加的方位和对准精度, 确定部位的表面改性和掺杂等, 都需要有新的思想和新的技术出现. 同时, 对纳米材料的更深入研究也

是必须的. 碳纳米材料的物理原理是新型纳米材料的设计及应用的基础, 纳米材料的设计也面临计算技术的挑战. 这里不是用简单的公式来表征纳米材料的性质, 纳米材料的研究需要从电子的能量状态和场的分布特性出发的计算机仿真模拟, 计算工作量大,计算方法也需认真研究[40]. 但是令人欣慰的是, 现有的石墨烯技术, 已经可以局部商业应用了, 例如, 大面积单层石墨烯就可以有很多种应用. 诺沃塞洛夫认为, 石墨烯的光电子器

件方面的应用还有很多研究工作要做, 而单层石墨烯分子膜透射电子显微镜的载物台, 就可以作为一种产品, 批量生产可供使用了. 将原来的载物片改成单层石墨烯, 透射电子显微镜图像质量就极大地改善. 石墨烯是最薄得载物片, 而且是单晶, 它对被测物体的图像不产生任何背景影响分辨率. 将化学汽

相生长的单层石墨烯剥离下来, 贴在孔目直径几微米的网上, 石墨烯自身的强度和韧性就足够托起微小的样品, 由此制成这种载物台. 另一方面, 单层石墨烯也可以用作显示屏、触摸屏和太阳能电池的透明

电极, 进入规模生产的规范程序, 广泛地使用.

从总体上看, 石墨烯的研究及其应用才开始, 就是说: “Still in its infancy”[41].

更重要的是, 碳是生态循环中的一个重要元素, 涉及的面很宽. 石墨烯的应用, 不局限于光电子技术领域.石墨烯具有一些奇特的, 甚至看似矛盾的特性, 例如很柔韧, 但是又有超过金刚石的坚硬, 它导电但是又像玻璃一样透明. 在生物医学领域, 用碳纳米技

中国科学: 物理学 力学 天文学 2013年 第43卷 第5期

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术构成极小的生物化学传感器. 石墨烯用做药物载体, 已经用于开发抗肿瘤和治疗艾滋病的新药. 研究用C 60携带功能生物分子, 有人在考虑石墨烯构成分子筛用于DNA 排序.

石墨烯与其他材料结合构成的复合材料, 可以应用到几乎所有科学技术领域, 解决材料科学面临的各种严峻的技术难题.正如因发现石墨烯获得诺贝尔奖的盖姆说, “我希望石墨烯像塑料那样改变我们的日常生活[41]”. 另一位分享这项诺贝尔奖的诺沃塞洛夫说: “石墨烯是二维物体, 而作为‘平地(Flatland)’,又是多维的罗曼斯(Romance), 石墨烯远不仅仅是一种平面晶体[9]”. 一种典型材料的开发与应用, 对科学技术的发展和人类的日常生活都会带来重大的影响. 回顾这些发展的历史, 我们见到, 硅材料的开发, 使我们发展了集成电路, 出现了计算机, 更新了整个微电子学科. Ⅲ-Ⅴ族材料的开发利用, 发展了半导体激光器和光探测器, 为光通信奠定了基础, 发展了丰富多彩的光电子科学技术. 塑料和纤维的出现, 已经进入我们日常生活的各个领域. 现在, 我们已经感觉得到, 碳纳米技术同时在微电子、光电子、生物学和其他材料科学领域里, 表现出独特的魅力. 因此, 我们应该加大在碳纳米技术的投入, 让更多人关注碳纳米技术的发展.

致谢 感谢北京大学物理学院秦国刚院士、中国科学院半导体研究所的王启明院士、王占国院士等给予的意见和 建议.

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中国科学: 物理学力学天文学 2013年第43卷第5期

Nanoscience and carbon nanotechnology

LIU SongHao*,GUO BangHong, LIAO ChangJun & CHENG GuangMing

Laboratory of Nanophotonic Functional Materials and Devices, School of Information and Optoelectronic Science and Engineering,

South China Normal University, Guangzhou 510631, China

Nanoscience is a grand and wide science, and there are many kinds of nanomaterials. In this paper nanomaterials are divided into three: the naturial nanocrystals, the artificial nano structural materials and the functional polymer materials. Carbon nanotechnologies which are in the fast-development areas are reviewed in detail including their structural features, opto-electronic properties and its applications used as optoelectronic devices. And the graphene

are introduced in detail. Especially emphasize is put on the the carbon nanotechnology development and its importance.

nanoscience, nanomaterials, carbon nanotechnology, graphene

PACS: 81.07.-b, 78.67.-n, 61.46.-w

doi: 10.1360/132012-1026

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高分子材料与工程专业考研学校选择

高分子材料与工程专业考研学校选择作者：admin 更新时间：2009-3-9 20:25:14 在全国高校中在高分子领域领先： 工科： 偏合成的：浙江大学（国内高分子鼻祖，尤其在合成方面）、华东理工、北京化工大学、清华大学； 偏加工和应用的：四川大学、华南理工大学、东华大学（原中国纺织大学）、上海交通大学理科：偏合成的：北京大学（好像北大遥遥领先，其他象南开、南京大学明显差一些）；偏性能形态研究的：中科院北化所（明显领先）、南京大学、复旦大学、北京大学（上述为网上摘录，不一定全面）简单评述下 浙江大学是出高分子院士最多的学校。 北京大学合成做的好，特别是高分子液晶。 复旦大学的研究偏向理论研究，有杨玉良和江明两位院士，实力不凡。上海交通大学也有新评上一个高分子方面的院士：颜德岳， 华南理工和北京化工大学研究领域较广，在橡胶、塑料、纤维方面做的都不错。华南理工大学有3位中科院院士程镕时、姜中宏生、曹镛、长江学者特聘教授2人、珠江学者特聘教授2人、博士生导师43人），副教授、副研究员和高级工程师67人；高分子加工实力很强的。在全国排前3名。 四川大学有高分子材料工程国家重点实验室，主要是做塑料的加工改性，实力虽有下滑，但仍然很强，毕竟其根基很厚。 东华大学的研究重点在纤维方面，建有纤维素改性国家重点实验室。 中科院长春应化所和中科院北京化学研究所共同建有高分子化学与物理国家重点实验室。长春应化所在一直是在做合成方面比较强。化学所在前两年还有个工程塑料国家重点实验室，不过现在降格为中科院的重点实验室了。所以化学所的合成和加工做的都还不错。 青岛科技大学在高分子方面主要的特色是其橡胶，2003年建成了教育部橡塑工程重点实验室，也是多年来对青岛科技大学研究工作的肯定。 研究生的方向很多，大的方面大概一下几个：树脂合成（环氧，丙烯酸，聚苯，聚酯等每个方向都很多）；塑料/纤维加工（加工工艺川大最强的，模具和机械华南理工及北化都不错）；生物医用高分子（华东理工等）；高分子理论及表征（中科院化学所及南京大学最强）；液晶高分子（吉大，北大，北科大等）；导电高分子（化学所等）；纳米高分子（化学所）；碳纤维/碳纳米（北化，清华）；有机硅（化学所）等等 而在珠三角这一带，华南理工中山大学都是不错选择，有志在高分子领域深入了解的同学可以报读。 下面附有2009年华南理工大学科学与工程学院硕士招生目录及初复试科目材料高分子材料与工程专业考研学校选择 作者：admin 更新时间：2009-3-9 20:25:14 高分子化学与物理专业设置如下研究方向 01 高分子物理、02高分子合成与高分子化学、03 功能高分子、04高分子结构与性能、05天然高分子与生物医用高分子、06环境友好高分子 09年初试科目：①101政治② 201英语③629物理化学(一) ④865有机化学复试：复试笔试科目：979高分子化学与物理 材料物理与化学专业设置如下研究方向： 01 、高分子光电材料与器件物理、02 金属材料表面物理化学、03 生态环境材料、04功能材料制备、结构与性能、05纳米材料与纳米技术、06纳米材料与新型能源材料、07非线性

纳米科技与纳米材料课程总结

西南科技大学 纳米科技与纳米材料课程 总 结 报 告 报告人：理学院光信息1102班杨星 时间：2012.4.9

早在1959年，美国著名的物理学家，诺贝尔奖金获得者费曼就设想：“如果有朝一日人们能把百科全书存储在一个针尖大小的空间内并能移动原子，那么这将给科学带来什么！”这正是对纳米科技的预言，也就是人们常说的小尺寸大世界。 纳米科技是研究尺寸在0.1～100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。 纳米材料和技术是纳米科技领域最富有活力、研究内涵十分丰富的学科分支。“纳米”是一个尺度的度量，最早把这个术语用到技术上的是日本在1974年底，但是以“纳米”来命名的材料是在20世纪80年代，它作为一种材料的定义把纳米颗粒限制到1～100nm范围。 可以说纳米技术是前沿科学，有很大的探索空间和发展领域，比如：医疗药物、环境能源、宇航交通等等。而今纳米时代正走向我们，从古文明到工业革命，从蒸汽机到微电子技术的应用，纳米时代的到来将不会很远。

这门课程我最深刻的内容是：第二讲扫描隧道显微镜及其应用 引言： 在物理学、化学、材料学和生物研究中，物质真实表面状态的研究具有重要意义。常用的手段有： 1.光学显微镜：由于可见光波长所限，光学显微镜的分别率非常 有限（一般1000nm，分辨率高的可到250nm，理论极限为200nm）。 2.扫描电镜：虽然给表面观察及分析提供了有力的工具，但由于 高能电子束对样品有一定穿透深度，所得的信息也不能反映 “真实”表面状态，分辨率3nm。 3.透射电镜：虽有很高的分辨率，但它所获得的图像实际上是很 薄样品的内部信息，用于表面微观观察及分析几乎是不可能的。 分辨率0.1nm。 4.针对这一问题，宾尼与罗雷尔于1982年发明了扫描隧道显微镜。 在不到5年的时间内，分辨率就达到了原子水平。分辨率0.01nm。 扫描隧道显微镜的基本原理： 1982年，国际商业机器公司（IBM）苏黎世研究所的 Gerd Binnig 和 Heindch Rohrer及其同事们成功地研制出世界上第一台新型的表面分析仪器，即扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）。它使人类第一次能够直接观察到物质表面上的单个原子及其排列状态，并能够研究其相关的物理和化学特性。因此，它对表面物理和化学、材料科学、生命科学以及微电子技术等研究领域有着十分重大的意义和广阔的应用前景。STM的发明被国际科学界公认为20世

纳米技术在高分子材料改性中的应用

纳米技术在高分子材料改性中的应用 （南通大学化学化工学院高分子材料与工程132 朱梦成1308052064 ） [摘要] 纳米材料及其技术是随着科技发展而形成的新型应用技术。纳米材料的研究是从金属粉末、陶瓷等领域开始的,现已在微电子、冶金、化工、电子、国防、核技术、航天、医学和生物工程等领域得到广泛的应用。近年来将纳米材料分散于聚合物中以提高高分子材料性能的研究也日益活跃,并取得了许多可观的成果。 [关键词] 纳米技术；高分子材料；改性；应用 1纳米粒子的特性及其对纳米复合材料的性能影响 1.1纳米粒子的特性 纳米粒子按成分分可以是金属,也可以是非金属,包括无机物和有机高分子等;按相结构分可以是单相,也可以是多相;根据原子排列的对称性和有序程度,有晶态、非晶态、准晶态。由于颗粒尺寸进入纳米量级后,其结构与常规材料相比发生了很大的变化,使其在催化、光电、磁性、热、力学等方面表现出许多奇异的物理和化学性能,具有许多重要的应用价值。 1.1.1表面与界面效应 纳米微粒比表面积大,位于表面的原子占相当大的比例,表面能高。由于表面原子缺少邻近配位的原子和具有高的表面能,使得表面原子具有很大的化学活性,从而使纳米粒子表现出强烈的表面效应。利用纳米材料的这种特点,能与某些大分子发生键合作用,提高分子间的键合力,从而使添加纳米材料的复合材料的强度、韧性大幅度提高。 1.1.2小尺寸效应 当超细微粒的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时,晶体周期性的边界条件将被破坏,导致其磁性、光吸收、热、化学活性、催化性及熔点等发生变化。如银的熔点为900℃,而纳米银粉的熔点仅为100℃(一般纳米材料的熔点为其原来块体材料的30%~50%)。应用于高分子材料改性,利用纳米材料的高流动性和小尺寸效应,可使纳米复合材料的延展性提高,摩擦系数减小,材料表面光洁度

纳米技术在高分子材料中的应用

2013年11月（下） [摘要]当材料尺寸无限减小，达到纳米级别时材料将显现出有独特的效应如：小尺寸效应、量子尺寸效应和表面效应等，这些效应与聚合 物密度小，耐腐蚀、易加工等优良特性有机结合，便形成了一类新型功能高分子材料。本文综述了纳米技术在塑料、橡胶、纤维三类高分子材料中的典型应用。 [关键词]纳米高分子材料；纳米塑料；纳米橡胶 纳米技术在高分子材料中的应用 丰艳兰 曾小飞 （华东交通大学理工学院，江西南昌330010） 纳米技术一词从提出到发展只有二十几年的时间，它的提出掀起了科技届的研究浪潮，有专家预言它必将引领新时代的科技变革，于是世界各国、地区都积极制定计划，加强投入，力争占领科技至高点。近年来，随着纳米技术的成熟与改善，国内外对于聚合物基纳米复合材料的研究已显现成效。高分子基纳米复合材料是各种纳米结构单元与有机高分子材料复合形成的一种新型材料，常见的纳米高分子基复合材料有：纳米复合塑料、纳米复合橡胶、纳米复合纤维。 1纳米复合塑料 纳米复合塑料是指塑料中分散了纳米级尺寸的超微细分散相，分散相为聚合物时，称为聚合物分子纳米复合塑料；分散相为无机填料时，称为无机填料纳米复合塑料，研究较多的是无机填料作为分散相。众所周知，塑料作为一种用途广泛的材料有着自身的缺点：如强度较差、不耐老化、透气性差等。发展纳米复合塑料可以很好地改善这些方面的性能。 1）无机纳米材料复合塑料能够很好地改善塑料的强度，起到增强增韧的效果。比如在尼龙塑料当中增加少量的纳米粘土生产的纳米复合塑料，既保持了产品的塑性，又提高了它的刚性和强度，更提高了它的抗弯能力，可以作为车体材料进行使用。 2）使用纳米添加剂改善的塑料制品可以大大提高抗老化能力，塑料的老化主要原因是光老化，将纳米TiO 2等粒子填充到塑料基体当中，纳米TiO 2可以很好地吸收紫外线，降低紫外线对塑料的破坏，提高塑料制品的抗老化能力。比如用添加0.1％~0.5％的纳米TiO 2制成的透明塑料包装材料包装食品，可以减少紫外线对食品营养成分的损失，保持食品的营养价值。 3）可以赋予塑料一些新的功能。比如在农膜的使用当中，有一种纳米转光膜，它就是利用纳米技术，在农膜塑料生产过程中添加纳米黏土，这种农膜被称为纳米转光膜，由于纳米黏土的存在，它能够很好地强化、放大有利于农作物生产的特征光，而过滤掉不利于农作物生长的光，从而大大促进农作物的光合作用，使农作物果实更大更有营养。 2纳米复合橡胶 纳米橡胶是指尺寸在1~100的纳米无机粒子分散在连续相橡胶基体中构成的复合材料。利用纳米粒子作为补强材料填充到橡胶中，可以很好地发挥纳米粉体的小尺寸效应、量子效应等表面效应，提高粉体与橡胶大分子间作用力的，弥补界面区化学作用力的缺乏，从而增强对橡胶的补强效果。赋予橡胶制品更高的性能，延长橡胶制品的使用寿命。现有研究表明，纳米黏土复合橡胶能够很好地提高材料的模量、硬度和强度，提高橡胶的气体阻隔性、耐油、阻燃性能。Si 3N 4陶瓷粉体分散在橡胶中，能很好地发挥Si 3N 4的高化学稳定性、优良的机械性能和介电性能。 3纳米复合纤维 纳米纤维有广义和狭义之分，狭义的纳米纤维指纤维直径为纳米量级的超细纤维，广义的纳米纤维还包括将纳米颗粒填充到普通纤维中对其进行改性的纤维。目前国内外开发的热点是后者；所采用纳米颗粒的性能不同，可开发各种不同的功能性纤维。 1）可用于开发抗菌纤维产品，将具有抗菌作用的成分：银离子、铜离子、锌离子等微粒离子及其化合物通过物理吸附离子交换等方法制成抗菌剂，填充至纤维材料中，金属离子在低浓度下可以破坏细菌的细胞膜或细胞原生质活性酶的活性，从而起到抗菌作用。这种抗菌纤维常用来制作手术服、护士服、手术巾等医疗用品，还可制造衣物、鞋袜等生活用品。 2）可用于开发紫外线防护纤维，将ZnO 、SiO 2等纳米粉体利用共混纺丝法或后整理法制得防紫外线纤维或织物。纳米材料可做紫外线屏蔽剂，主要是因为纳米粒子的尺寸比紫外线相当或更小，小尺寸效应导致其对紫外线的吸收更强。通过以上方法制得的紫外线防护纤维可广泛用于制造遮阳伞、遮阳冒、泳衣、防晒服等。 3）可用于开发远红外纤维。研究表明，将具有较高远红外发射率的陶瓷微粉加入到高分子聚合物中，经纺丝加工可制成远红外纳米纤维，其中的纳米粒子可以有效地吸收材料本身释放的远红外射线，从而达到促进血液循环，调节新陈代谢的保温保健功能。同样，由于纳米粒子可以很好地吸收电磁波，这种纤维材料还可以用于制作军用服装。 4）可用于开发超双疏织物。对织物进行纳米表面处理，使之形成纳米尺寸的凹凸结构，利用纳米结构的表面效应可以实现既疏水又疏油的超双疏性。 纳米技术作为一项高新技术在材料领域有着非常广阔的应用前景，而高分子材料作为发展最快、品种多样、应用广泛、价廉性优的一类材料，加强两者结合的有机结合，可实现开发高性能高分子材料的现实意义。 作者简介：丰艳兰，1982年生，女，江西丰城人，华东交通大学理工学院助教，本科学历，研究方向为新材料应用研究；曾小飞，1983年生，男，江西丰城人，华东交通大学理工学院助教，研究生学历，研究方向为材料科学的发展及应用。 [参考文献] [1]肖亚航.纳米塑料的性能及应用前景[J].黑龙江科技信息,2010. [2]施利毅.纳米材料在高性能橡胶开发中的应用进展[J].中国橡胶,2007.[3]白鸟世明.高功能纳米复合纤维[J].产业用纺织品,2009. 112

高分子材料科学基础B卷答案

【高分子材料科学基础】课程试题（B卷）【半开卷】 姓名____________ 学号 _______________专业及班级_______________________ 本试卷共有五道大题， 一?填空题（每空1分，共30分） 1.材料按化学组成分类，可分为金属材料、无机材料和高分子材料三类。 2.高分子材料按大分子主链结构可分为碳链高分子材料、杂链高分子材料和元素______ 材料 3.20世纪70年代人们把能源、信息和材料归纳为现代物质文明的三大支柱。 4.原子的排列可分为三个等级，第一种是无序排列，第二种是短程有序而长程无序，第三种是长程有序。 5.从几何学的角度，结构缺陷可分为点缺陷、线缺陷、面缺陷及体缺陷。 6.由低分子单体合成聚合物的反应称为聚合反应。 7.由于单体单元排列方式的不同，可构成不同类型的共聚物，可分为四种类型无规共聚物、交替共聚物、嵌段共聚物、接枝共聚物。 8.高强度、耐高温、耐老化的高分子材料是当前高分子材料的重要研究课题。 9.大分子链形态的基本类型包括：伸直链、折叠链、螺旋形链、无规线团。 10.聚合物晶态结构的基本模型有两种：一种是缨状胶束模型，另一种是折叠链模型。 11在室温下，塑料处于玻璃态，玻璃化温度是非晶态塑料使用的上线温度二点则是结晶聚合物使用的上线温度，对于橡胶，玻璃化温度是其使用的下限温度。 12橡胶制品的主要原料是生胶、再生胶以及配合剂。 13.酚醛树脂是由苯酚和甲醛两种物质合成的。

'、NiMi 10 1 04 5 1（第2页 5 10 =40000 10 5 14.丁苯橡胶是由丁二烯和苯乙烯两种原料合成的。 15?聚酰胺类的习惯名称为尼龙。 16.聚对苯二甲酸乙二酯的商品名为涤纶。 17.聚丙烯腈的商品名为腈纶。 二?名词解释（共10小题，每题2分，共20分） 1.引发剂：引发剂是容易分解成自由基的化合物，分子结构上具有弱键，在热能或辐射能的作用下，沿弱键均裂成自由基。 2.笼蔽效应：引发剂分解成初始自由基后，必须扩散出溶剂所形成的“笼子”才能引发单体聚合，这时会有部分初始自由基在扩散出“笼子”之前因相互复合而失去引发单体聚合的能力，这就成为笼蔽效应。 3.诱导分解：诱导分解实际上是自由基向引发剂的转移反应，其结果使引发剂效率降低。 4.热固性塑料：是由单体直接形成网状聚合物或通过交联线型预聚体而形成，一旦形成交联聚合物，受热后不能再恢复到可塑状态。 5.连锁聚合：活性中心引发单体，迅速连锁增长的聚合。烯类单体的加聚反应大部分属于连锁聚合。连锁聚合需活性中心，根据活性中心的不同可分为自由基聚合、阳离子聚合和阴离子聚合。 6.体形缩聚：在缩聚反应中，单体分子多于两个官能团时，则能形成支化或交联等非线型结构的产物，此类反应称体型缩聚反应。 7.凝胶点：体形缩聚初期为线型产物，当达到一定程度时，体系粘度突然增大，出现不溶不熔且具有弹性的凝胶一一体型产物（即凝胶化现象或凝胶化作用），这时的P称凝胶点Pc。 8.自动加速现象：随着聚合反应进行，聚合速率不但没有降低，反而迅速增加，这种反常的动力学行为称为自动加速现象。 9.应力松弛：在温度、应变恒定的条件下，材料的内应力随时间延长而逐渐减小的现象称为应力松弛。 10.乳液聚合：是单体在水中分散成乳液状而进行的聚合，体系由单体、水、水溶性引发剂、水溶性乳化剂组成。 四?计算题（共5小题，1，2, 3题每题5分，4题10分共25分） 1.设一聚合物样品，其中分子量为104的分子有10 mol,分子量为105的分子有5 mol,求分子 Mn

四下7 纳米技术就在我们身边(教案)

7纳米技术就在我们身边 文本分析 本文是一篇科学小品文，作者既简洁又准确地向我们介绍了纳米、纳米技术、纳米技术在生活中的运用等内容。文章语言通俗易懂，运用列数字、举例子等说明方法，使我们对纳米这一陌生而又新奇的科技有了一定的了解和认识，也让我们对科技的未来有了美妙的畅想。 教学目标 1.会认12个生字（包括1个多音字），会写15个生字，重点理解“特性、灵敏、检测”等词语。 2.正确、流利地朗读课文，了解纳米的相关知识。 3.自主、合作探究纳米技术在生活中的运用以及新奇的表现。 4.领会纳米的新奇所在，培养爱科学、学科学的精神。 教学重点 自主、合作探究纳米技 术在生活中的运用以及新 奇的表现。 教 学 难 点 有科学依据地大胆想 象，培养学生的科学精神 和创造能力。 课 时 安 排 2 课 时 第一课时 教学目标 1.会认“乒、乓、拥”等11个生字和多音字“率”，会写“纳、箱、臭”等15个生字，正确读写“纳米、无能为力、拥有”等词语。 2.正确、流利地朗读课文，把握文章的主要内容。 教学重点 了解纳米的相关知识，培养搜集信息的能力。 教学过程 一、激趣导入，揭示课题 1.谈话导入。 导语：纳米是20世纪90年代开始兴起的一个名词。“纳米技术”是继互联网、基因之后人们关注的又一大热点，那么什么是“纳米技术”？“纳米技术”对人类社会的发展有什么好处？要想对这两个问题有一个初步的了解，就让我们一起来阅读刘忠范写的《纳米技术就在我们身边》这篇文章吧。 2.板书课题，理解课题。 预设：引导学生思考：什么是纳米？什么是纳米技术？纳米技术在生活中有什么运用？ 二、初读课文，检测预习

高分子纳米生物材料的发展现状及前景

高分子纳米生物材料的发展现状及前景 纳米材料研究都是从20世纪80年代开始的，是在之前三次工业革命的基础上发展起来的的新兴科技领域。巨大的需求与技术支撑，使其在材料、生物、医学、高分子等领域开拓出一片片新大陆，筑起21世纪工业革命的基石。而纳米技术作为一项高新技术在高分子材料中有着非常广阔的应用前景，对开发具有特殊性能的高分子材料有着重要的实际意义 纳米高分子材料，也称高分子纳米微粒或高分子超微粒，粒径尺度在1 nm～1000 nm范围。这种粒子具有胶体性、稳定性和优异的吸附性能，可用于药物、基因传递和药物控释载体，以及免疫分析、介入性诊疗等方面。 1纳米科技与高分子材料的邂逅 高分子材料学的一个重要方面就是改变单一聚合物的凝聚态,或添加填料来使高分子材料使用性能大幅提升。而纳米微粒的小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应能在声、光、电、磁、力学等物理特性方面呈现许多奇异的物理、化学性质。金属、无机非金属和聚合物的纳米粒、纳米丝、纳米薄膜、纳米块体以及由不同组元构成的纳米复合材料,可实现组元材料的优势互补或加强。通过微乳液聚合方法得到的纳米高分子材料具有巨大的比表面积,纳米粒子的特异性能使其在这一领域的发展过程中顺应高分子复合材料对高性能填料的需求,出现了一些普通微米级材料所不具有的新性质和新功能,纳米科技与高分子材料科学的交融互助对高分子材料科学突破传统理念发挥了重要作用。 高分子纳米复合材料的应用及前景 由于高分子纳米复合材料既能发挥纳米粒子自身的小尺寸效应、表面效应和量子效应,以及粒子的协同效应,而且兼有高分子材料本身的优点,使得它们在催化、力学、物理功能(光、电、磁、敏感)等方面呈现出常规材料不具备的特性,故而有广阔的应用前景利用纳米粒子的催化特性,并用高聚物作为载体,既能发挥纳米粒子的高催化性和选择催化性,又能通过高聚物的稳定作用使之具有长效稳定性。 纳米粒子加入聚合物基体后,能够改善材料的力学性能。如纳米A-Al2O3/环氧树脂体系,粒径27nm,用量1%~5%(质量分数)时,玻璃化转变温度提高,模量达极大值,用量超过10%(质量分数)后,模量下降[79]。又如插层原位聚合制备的聚合物基有机)无机纳米级复合材料(聚酰胺/粘土纳米复合材料等)具有高强度、高模量、高热变形温度等优点,目前已有产品出现,用作自行车、汽车零部件等[55]。尤其引人注目的是高分子纳米复合材料在功能材料领域方面的应用,包括磁性、电学性质、光学性质、光电性质及敏感性质等方面。 磁性纳米粒子由于尺寸小,具有单磁畴结构,矫顽力很高,用它制作磁记录材料可以提高记录密度,提高信噪比;一般要求与聚合物复合的纳米粒子,采用单磁畴针状微粒,且不能小于超顺磁性临界尺寸(10nm)。 利用纳米粒子的电学性质,可以制成导电涂料、导电胶等,例如用纳米银代替微米银制成导电胶,可以节省银的用量;还可以用纳米微粒制成绝缘糊、介电糊等。另外可用于静电屏蔽材料,日本松下公司应用纳米微粒Fe2O3、TiO2、Cr2O3、ZnO等具有半导体特性的氧化物粒子制成具有良好静电屏蔽的涂料,而且可以调节其颜色;在化纤制品中加入金属纳米粒子可以解决其静电问题,提高安全性。 利用复合体系的光学性能,可以制成如下材料:(1)优异的光吸收材料。例如在塑料制品表面上涂上一层含有吸收紫外线的纳米粒子的透明涂层,可以防止塑料

浙江大学高分子科学与工程学(系)第十一期SRTP结题汇总

浙江大学高分子科学与工程学 (系)第十一期SRTP结题汇总表 1.学生参加SRTP总评成绩按优秀、良好、中等、合格、不合格等级评定。 2.成果形式：按论文（设计）、产品（开发）、专利（推广）、研究报告、调研报告等类别。 3.由学院(系)本科教学管理填写,并存档。

浙江大学高分子科学与工程学 (系)第十一期SRTP结题汇总表 1.学生参加SRTP总评成绩按优秀、良好、中等、合格、不合格等级评定。 2.成果形式：按论文（设计）、产品（开发）、专利（推广）、研究报告、调研报告等类别。 3.由学院(系)本科教学管理填写,并存档。

浙江大学高分子科学与工程学 (系)第十一期SRTP结题汇总表 2.成果形式：按论文（设计）、产品（开发）、专利（推广）、研究报告、调研报告等类别。 3.由学院(系)本科教学管理填写,并存档。

浙江大学高分子科学与工程学 (系)第十一期SRTP结题汇总表 1.学生参加SRTP总评成绩按优秀、良好、中等、合格、不合格等级评定。 2.成果形式：按论文（设计）、产品（开发）、专利（推广）、研究报告、调研报告等类别。 3.由学院(系)本科教学管理填写,并存档。

浙江大学高分子科学与工程学 (系)第十一期SRTP成果发表登记汇总表 1.此表作为每期SRTP成果已在公开杂志发表登记，请学院(系)本科教学管理科负责收集汇总填写，并复印论文全文、封面和目录一份，及时上报学业指导中心，学院(系)组织正式发表 优秀成果（论文）汇编。 2.立项负责人（教师或学生）作为第一作者和项目组成员（学生或教师），分别填在教师或学生栏目。 3.备注栏应写明论文发表的级别（如SCI、核心、一级、二级等）。

对纳米材料的认识

浅谈对纳米材料的认识 “纳米”这个词语我们并不陌生，生活中常见的有“纳米洗衣机”、“纳米羊绒衫”等等。纳米材料几乎无处不在，在这里简单谈谈我对纳米材料的认识。 纳米级结构材料简称为纳米材料(nanometer material)是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。它从思维方式的概念表明生产和科研的对象将向更小的尺寸、更深的层次发展，将从微米层次深人至纳米层次。纳米技术未来的目标是按照需要，操纵原子、分子构建纳米级的具有一定功能的器件或产品。 纳米材料具有许多的特殊性质。由于纳米级尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度等物理特征尺寸相当或更小，使得晶体周期性的边界条件被破坏纳米微粒的表面层附近的原子密度减小；电子的平均自由程很短，而局域性和相干性增强。尺寸下降还使纳米体系包含的原子数大大下降，宏观固定的准连续能带转变为离散的能级。这些导致纳米材料宏观的声、光、电、磁、热、力学等的物理效应与常规材料有所不同，体现为量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观隧道效应等。 纳米科学与技术主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征三个研究领域。 经过几十年对纳米技术的研究探索。现在科学家已经能够在实验室操纵单个原子．纳米技术有了飞跃式的发展。纳米技术的应用研究正在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪四大领域高速发展。 目前，不少国家纷纷制定相关计划，投入巨资抢占纳米技术的战略高地。每一种新科技的出现，似乎都包涵着无限可能，尤其是纳米机器人具有不可限量的应用前景。用不了多久，个头只有分子大小的神奇纳米机器人将源源不断地进入人类的日常生活。

高分子纳米材料及其应用

高分子纳米材料（论文）题目：高分子纳米材料及其应用 化工学院学院高分子材料与工程专业 学号0502110202 学生姓名 指导教师 二〇〇一四年十一月

高分子纳米材料及其应用 摘要：高分子纳米材料是一门新兴并且发展迅速的一门科学。其具有很多独特 的性质，应用前景非常广阔。本文主要介绍了高分子材料的性质，同时介绍了高分子纳米复合材料常见的制备方法及其在各个领域的应用。 关键词：性质；纳米复合材料；制备方法；应用 Abstract: Polymer nano-materials is an emerging and rapidly developing research direction. It has many unique properties and broad application. This paper describes the properties of polymer materials, and also introduced preparation method of the polymer nano-composite materials .The paper also introduces its application in various fields. Key words:Properties; Nano-composite materials; Preparation method; Application 1 引言 纳米材料科学是一门新兴的并正在迅速发展的材料科学。由于纳米材料体系具有许多独 特的性质，应用前景广阔，而且涉及到原子物理、凝聚态物理、胶体化学、配位化学、化学 反应动力学和表面、界面科学等多种学科，在实际应用和理论上都具有极大的研究价值，所 以成为近些年来材料科学领域研究的热点之一，被誉为“21世纪最有前途的材料”。[1, 2] 纳米作为一个材料的衡量尺度，其大小为1 nm (纳米) =10~9 m (米)，即十亿分之一米， 大约是10个原子的尺度。最初定义的纳米材料仅仅是指1~100 nm 尺度范围的纳米颗粒及 由他们构成的纳米固体和薄膜。目前，在广义上定义的纳米材料是指三维空间尺度里至少有 一维是纳米尺寸或者由它们作为结构基本单元的材料；根据定义按照空间维度可以将纳米材 料分为三类：(1) 维度为零的纳米材料，是指纳米颗粒、原子团簇等三维空间尺度均在纳米 尺寸的材料；(2) 维度为一的纳米材料，是指纳米线、纳米管等三维空间尺度中有两维是纳 米尺度的材料；(3) 维度为二的纳米材料，是指纳米膜、超晶格等三维空间尺度中仅有一维 是纳米级的材料；[3] 2 纳米材料的性质[4, 5] 物质的尺寸一旦与原子尺寸在同一量级时，其表面电子结构和晶体结构就会发生变化， 导致纳米材料会具备一些表面效应、小尺寸效应等优异特性。 (1)量子尺寸效应。量子尺寸效应又称量子限域效应，当粒子尺寸下降到一定程度时，金属 费米能级附近的电子能级由准连续能级变为离散能级，以及能隙变宽现象均为量子尺寸 效应。材料或物质的物理性质在很多方面都是由材料的电子结构决定的，当材料尺寸小

高分子材料与工程专业排名一览表

一、工科：偏合成的：浙江大学（国内高分子鼻祖，尤其在合成方面）、华东理工、北京化工大学、清华大学；偏加工和应用的：四川大学、华南理工、东华大学（原中国纺织大学）、上海交通大学 理科：偏合成的：北京大学（好像北大遥遥领先，其他象南开、南京大学明显差一些）；偏性能形态研究的：南京大学、复旦大学、北京大学 5－10年这个行业发展都会不错。 二、高分子材料与工程就业前景分析高分子材料与工程专业排名一览表 【北京市】清华大学、北京理工大学、北京航空航天大学、北京化工大学、北京服装学院、北京石油化工学院、北京工商大学 【天津市】天津大学、天津科技大学 【河北省】河北工业大学、河北科技大学、河北大学、燕山大学 【山西省】太原理工大学、华北工学院 【辽宁省】大连轻工业学院、沈阳化工学院、大连理工大学、大连轻工业学院、沈阳工业大学、沈阳工业学院 【吉林省】吉林大学、长春工业大学、吉林建筑工程学院 【黑龙江省】哈尔滨工业大学、哈尔滨理工大学、齐齐哈尔大学、东北林业大学 【上海市】复旦大学、华东理工大学、东华大学、上海大学 【江苏省】江苏大学、南京理工大学、江南大学、扬州大学、南京工业大学、江苏工业学院、江苏大学、南京林业大学、华东船舶工业学院 【浙江省】浙江大学、浙江工业大学 【安徽省】中国科学技术大学、合肥工业大学、安徽大学、安徽建筑工业学院、安徽工业大学、安徽理工大学 【福建省】福建师范大学 【江西省】南昌大学、华东交通大学 【山东省】山东大学、青岛大学、青岛科技大学、济南大学、烟台大学六 【河南省】郑州大学、河南科技大学、郑州轻工业学院 【湖北省】湖北大学、武汉理工大学、湖北工学院、武汉化工学院、武汉科技学院、湖北科技大学

高分子材料与工程

高分子材料与工程 高分子材料与工程行业调研 ? 报告简介 ? 调研目的 ? 行业介绍 ? 报告内容 ? 报告分析 报告人:3337宿舍张文皓秦冰洋翟金晓宋建平 3338宿舍刘增辉张元帅孟涛马保刚 1报告简介: 主要内容：高分子材料与工程专业 __ 2调研目的：

通过调查，了解高分子材料与工程专业现状和前景，就业方向， 岗位要求等情况。 3行业简介 培养目标 高分子材料与工程专业”：是培养具备高分子材料与工程等方面 的知识，能在高分子材料的合成改性和加工成型等领域从事科学研究、技术开发、工艺和设备设计、生产及经营管理等方面工作的高级工程技术人才的学科。 专业特色 的计算机应用能力和语言表达能力；身心健康并富有创新精神的 高素质研究应用型专门人才。 4报告内容 ⑴从业领域

可到石油化工、电子电器、建材、汽车、包装、航空航天、军工、轻纺及医药等系统的科研（设计）院所、企业从事塑料、橡胶、化纤、涂料、粘合剂、复合材料的合成、加工、应用、生产技术管理和市场开发等工作，以及为高新技术领域研究开发高性能材料、功能材料、生物医用材料、光电材料、精细高分子材料和其它特种高分子材料，也可到高等院校从事教学、科研工作。⑵ __ ①截止到 xx年12月24日，324030位高分子材料与工程专业毕业生的平均薪资为4994元，其中应届毕业生工资3568元，0-2年工资4242元，10年以上工资1000元，3-5年工资5331元，6-7年工资6818元，8-10年工资7685元。 高分子材料与工程专业招聘要求 针对高分子材料与工程专业，招聘企业给出的工资面议最多，占比75%；不限工作经验要求的最多，占比62%；大专学历要求的最多，占比25%。 高分子材料与工程专业就业方向 高分子材料与工程专业学生毕业后可在各种材料的制备、加工成型、材料结构与性能等领域从事科学研究与教学、技术开发、工艺和

部编版四年级下册语文第7课《纳米技术就在我们身边》优质教案

7 纳米技术就在我们身边 【教学目标】 1.认识“乒、乓”等11个生字，读准多音字“率”，会写“纳、拥”等15个字，会写“纳米、拥有”等词语。 2.正确、流利地朗读课文，能把文中的科技术语读正确。能提出不懂的问题和同学交流解决。 3.能结合课文内容和查找的资料，说出对“纳米技术就在我们身边”“纳米技术可以让人们更加健康”的理解。 4.能结合对纳米技术的认识，发挥想象，说说自己对它的运用。【重点难点】 重点： 能提出不懂的问题和同学交流解决。 难点： 能结合课文内容和查找的资料，说出对“纳米技术就在我们身边”“纳米技术可以让人们更加健康”的理解。 【教学准备】 多媒体课件 【课时安排】 2课时 第一课时 教学过程 一、质疑导入

板书课题。 师：当你看到这个标题，你有什么疑问？你想知道些什么？（纳米技术是什么？我们身边有它吗？它在哪些地方呢？等等）师：今天我们就一起走进《纳米技术就在我们身边》，解开这些疑问。 二、学习生字词 1.出示生字，引导学生读准字音、记住字形。讲解本课的多音字。 生字：纳拥箱臭蔬碳钢隐健康胞疾防灶需 2.指导学生进行生字书写，要引导学生观察生字结构，发现规律，分类学习。 3.提示易错字：“灶”读zào，不读zhào；“乒”读pīng，不读b īng。 三、初读课文，整体感知 1.用自己喜欢的方式读读课文，读准字音，读通课文。 2.检查朗读（抽读、举手读），指导把科技术语读正确。（碳纳米管、碳纳米管天梯、纳米缓释技术等） 3.学生交流：读了课文，知道了什么？还有哪些问题？ 第二课时 教学过程 一、细读课文，深入理解 1.读一、二自然段，理解“纳米”“纳米技术”

药用高分子材料——纳米药物载体技术

纳米药物载体技术 用纳米粒子作为药物载体可实现靶向输送、缓释给药的目的, 这是由于小粒子可以进入很多大粒子难以进入的人体器官组织, 如小于50nm 的粒子就能穿过肝脏皮或通过淋巴传送到脾和骨髓, 也可能到达肿瘤组织。另外纳米粒子能越过许多生物屏障到达病灶部位, 如透过血脑屏障( BBB) 把药物送到脑部, 通过口服给药可使药物在淋巴结中富集等。具有生物活性的大分子药物( 如多肽、蛋白类药物) 很难越过生物屏障, 用纳米粒子作为载体可克服这一困难, 并提高其在体输送过程中的稳定性。用纳米粒子实现基因非病毒转染, 是输送基因药物的有效途径。 药物既可以通过物理包埋也可以通过化学键合的方式结合到聚合物纳米粒子中。载有药物的聚合物纳米粒子通常以胶体分散体的形式通过口服、经皮、皮下及肌肉注射、动脉注射、静脉点滴和体腔黏膜吸附等给药方式进入人体。制备聚合物纳米粒子的方法主要有以下几种: ( 1) 单体聚合形成聚合物纳米粒子; ( 2) 聚合物后分散形成纳米粒子; ( 3) 结构规整的两亲性聚合物在水介质中自组装形成纳米粒子。 1 单体聚合制备的聚合物纳米粒子 聚氰基丙烯酸烷基酯( PACA) 在人体极易生物降解, 且对许多组织具有生物相容性。制备聚氰基丙烯酸烷基酯纳米粒子采用的是阴离子引发的乳液聚合方法, 通常以OH-为引发剂, 反应一般在酸性水介质中进行, 常用的乳化剂有葡聚糖、乙二醇与丙二醇的嵌段共聚物和聚山梨酸酯等, 具体制备过程见图1。当反应介质pH 值偏高时, OH-浓度大, 反应速度快, 形成的PACA 分子量低, 以此作为给药载体材料进入人体后, 降解速度太快, 不利于药物缓释。因此聚合反应介质的pH 值通常控制在1.0~ 3.5 围。

10080011-高分子材料与工程专业实验

高分子材料与工程专业实验教学大纲 Experiments of Po1ymer Science & Engineering 课程编号：10080011 课程性质：专业核心课 适用专业：高分子材料与工程专业 先修课：高分子化学、高分子物理、高聚物成型加工原理 后续课：毕业论文 总学分：2.5学分 教学目的和基本要求：本课程是高分子材料专业和复合材料专业的专业实验课程，通过对一些典型的高分子的合成及材料性能的测试的训练，掌握本体聚合、溶液聚合、悬浮聚合、乳液聚合的基本原理和特点，掌握高分子材料热、力学基本性能的测试方法和原理，以及测试设备的基本结构和使用步骤。熟悉通用高分子的基本性能，并能够在此基础上进一步设计对不同高分子材料基本性能的方法。 实验名称与学时安排 实验一、甲基丙烯酸甲酯的本体浇注聚合 实验性质：综合性实验 实验内容：通过本体聚合的方法制得聚甲基丙烯酸甲酯。 实验目的与要求： 1．过本实验了解本体聚合的基本原理和特点，并着重了解聚合温度对产品质量的影响。 2．掌握有机玻璃制造的技术。要求所制得的产品透明、无气泡、平整。 实验二、丙烯酰胺的溶液聚合及其水处理实验 实验性质：综合性实验 实验内容：用溶液聚合的方法制得聚丙烯酰胺，并进行水处理实验。 实验目的与要求： 1．通过本实验了解溶液聚合的原理及优缺点。 2．了解产物的分子量与引发剂用量、分子量调节剂及温度的关系。 3．了解用高分子絮凝剂进行水处理的基本原理和方法。

实验三、苯乙烯悬浮聚合 实验性质：综合性实验 实验内容：用悬浮聚合的方法制得珠状聚苯乙烯。 实验目的与要求： 通过本实验了解和掌握有关悬浮聚合的特点及操作方法。要求制得颗粒大小较均匀的无色透明珠状聚合物。 实验四、醋酸乙烯乳液聚合 实验性质：综合性实验 实验内容：制备聚醋酸乙烯乳液。 实验目的与要求： 1．掌握聚醋酸乙烯乳液的制备方法及反应原理。 2．了解聚醋酸乙烯乳液聚合“实际体系”与典型的乳液聚合体系的差别。 实验五、环氧树酯的合成和应用 实验性质：综合性实验 实验内容：通过环氧氯丙烷与双酚A缩聚制取环氧树酯，了解环氧树脂的使用方法和性能。 实验目的与要求： 1．制备低分子量的环氧树脂。 2．环氧树脂的浇铸实验。 3．环氧树脂的粘接实验。 实验六、酚醛树脂的制备 实验性质：综合性实验 实验内容：制备热固性酚醛树脂。 实验目的与要求： 熟悉和掌握热固性酚醛树脂的合成方法和固化过程。 实验七、聚合物的差热分析 实验性质：设计性实验 实验内容：用DTA、DSC测定聚合物的T g，T c，T m，X0。 实验目的与要求： 1．掌握DTA、DSC的基本原理。 2．学会用DTA、DSC测定聚合物的T g，T c，T m，X0。 实验八、聚合物的热重分析 实验性质：设计性实验 实验内容：用TGA测定聚合物的T d。 实验目的与要求： 1．掌握热重分析的实验技术。 2．从热谱图求出聚合物的热分解温度T d。 实验九、塑料耐热性实验 实验性质：设计性实验 实验内容：用维卡软化点测定仪测定高聚物热变形温度及软化点。 实验目的与要求： 1．掌握高聚物热变形温度及软化点测定方法。 2．了解热变形试验机的使用方法。 实验十、粘度法测定聚合物的分子量

生活中的纳米技术的认识和感想

生活中的纳米技术的感想 熊靖雯 法学1402班U201416553 ·初印象 对纳米这个词的第一印象大概是初中物理课堂时老师说到质子与分子时偶然的提到，于是这个概念就随着那句“一件纳米衣服可以穿几年不洗不换”深刻的印在我的脑海里。 而现在纳米这个概念对于人们来说似乎不在那么陌生了，我们在生活的各个领域甚至有时会偶尔不经意发现它的存在。 但归根结底我对纳米的了解其实也不过是这是种很小的度量单位，可以应用于各种材料制作方面。于是本学期的公选课我选了这门生活中的纳米技术，希望可以更进一步了解这种神奇而实用的技术，了解它应用的一些基本原理，了解它具体可以影响与改变我们生活中的什么。 ·初接触 像初中物理老师提及的一样，纳米技术在纺织服装领域有着广泛的应用。通过简单的了解，我知道了除了可以利用纳米技术制作防水防灰尘的衣服，还可以利用纳米技术改变衣服材质增加衣物的舒适感，或者加入纳米物质使衣物有效的避免散发汗臭味等不良气味，还可以应用于军队士兵的服装上。使用这种纳米技术做出的衣物可以有效的吸收电磁波，增强士兵在战场上的隐蔽能力保护士兵的安全，在未来的战场上有很广的前景。 其中让我觉得最神奇的是科学家利用纳米技术发明了第一批有机发光体材料，这种材料的应用性很灵活而且很神奇，能制造的像叶子一样薄，也可以用作当背景屏幕，还可以在上面展览画作，甚至制作成衣服后可以在上面放电影。这不禁让我想起了小时候看的天线宝宝，原来觉得神奇的事情其实已经随着科学技术的发展变成现实了啊。 总的来说，纳米科技在纺织服装上的应用主要是利用其小分子的特性，通过加工处理改变原有衣物材料的质地或性能，增加一些新的功能。或改变产品的外观效果使其防缩防皱，或改变产品的质地增加着装的舒适度与人体的贴合性，或强化产品的抗污清洁能力，或增加一些护体或保健的功能，比如防紫外线等。 像上面说的一样，纳米材料的应用不仅是高科技或者军用领域，现在也正在广泛的进入民用领域，提高我们的生活水平，给生活带来极大的便利。科技与人们的生活越来越不可分离的，人们生活的需要使纳米这种物质的应用更亲民化，也是这种看起来神秘的物质变得有些可爱了。 随着生产力的发展，人们的生活水平日益提高，对生活质量的要求也越来越高。纳米技术的出现使人们在改善衣服的材质上有了新的突破方面。我们又在自然中寻找制作材料，到自己加工改造制作材料，到可以应用纳米技术自己创造出新的材料。不得不说纳米技术在生活中的应用，不仅反映着生产力发展水平的提高，人类智慧的应用，也间接反映了社会心理。我们在追求美学的同时，也更在注重对自身的保护。 但是这些新材料在衣物上的应用给人们带来前所未有的新体验或舒适感的同时。其实也存在着问题。纳米材料是否对人类健康全然没有损害还有待考证，所有的纳米材料应用的无毒性也还有待进一步研究。在纳米材料的安全性上我们还是应该予以重视，要有效的避免这种新材料的应用对人们的害处反而大于其益处。

高分子材料与工程专业就业前景

高分子材料与工程专业就业前景 - - - - 高分子材料与工程专业就业前景 目前的形式看来高分子很好就业，我们班想找工作的都找到了不错的工作，如果是女孩子的话我觉得还是别学理工科了，不管是理工科什么专业找工作女孩子总体上是比不过男孩子的，我们就业的去向很多，就我们03级高分子的给你举一下例子吧，我在LG化学，从事ABS树脂的生产技术，我室友去了广本研究汽车上的高分子了，还有去海尔生产电器高分子研究，有去比亚迪做电池的，还有去其它一些大型汽车公司的，还有在大连膜研究分司的，去日本NOK公司研究密封设备的，总是高分子是塑料，橡胶，纤维，涂料（油漆，颜料等）几大领域，应用非常广泛，跟日常生活关每次极大，就业面非常广，当然化工类的在刚工作时是不会得到IT业那么高的工资的，但经验多了，工资就不是问题了，IT正好相反，当老了就没有人要了(大连理工） 关于这个专业在开始找工作时的情况：我在2006年11月份，已经找到了三个公司美的、格力漆包线、金川公司等。我自己感觉这个专业最近几年找到工作不是问题，关键是待遇好坏，我同学他们刚签工作时的薪水最高3000，可能和其他专业差了很多。工作中：我只能拿我在金川公司工作的情况和你说说，在这个公司我干的是电线电缆生产的行业，现在在各个车间实习，最后从技术到管理。这个专业污染方面可能和我们主公司的重工业没法相提并论，但也存在着污染。如果在将来能够将技术和管理做好的话待遇方面也应该是可观的。考研方面：可能在社会上各种企业最终看中的都是个人的能力，但在我们企业中可以明显地看出区别。本科生2500/月，四人两室两厅，半年后助理工程师；硕士生3500/月，两人两室两厅，三个月后工程师；博士生10万以上/年，配车，一人三室两厅，处级待遇。看到这些应该可想而知了吧。有时候会想毕业后想工作几年然后再考研，但是在工作中一方面是时间问题，公司不会因你要考研而施舍给你时间让你有充裕的时间复习，另一方面人在企业中可能受环境的影响不自主地产生一种惰性，有了这种惰性考研的理想就更远了一步. (哈理工) 高分子简单来说分三类：塑料、橡胶、纤维。我们这一届就业形势还不错的，汽车公司啊，化工的都可以。当然了，如果是女生，我还是建议不要学这个，学学经济、会计、英语就可以了，男生嘛，计算机学的好的话工资会很高，自动化比较好就业（南昌大学） 高分子材料还是有很多应用方向的单单是在我们学校的这些兄弟们，就遍布了祖国各地，而且从事的行业也都不尽相同高分子材料的主要方向有塑料、橡胶、合成纤维、粘合剂以及涂料，在交叉领域中还有复合材料。 高分子材料科学主要就是研究这些，当然，这些都是相对比较泛泛的因为想学好一个都是很深入的，何况是5个方向不过学的再深入，到了工作单位，也依然要从新学起，因为方向太多，生产工艺太多，尽管产品可能一样，但是生产过程却