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納米材料的物理制備方法
麗水師范�？茖W校物理系 費金喜 朱維婷 吳紅玉 2006/12/15
摘 要：重點在于對納米材料的分類、相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域及其物理的制備方法進行了較系統(tǒng)的概述，在此基礎(chǔ)上來促進納米材料的物理制備方法的新發(fā)明。
關(guān)鍵詞：納米材料；納米微粒；納米薄膜；納米固體；物理制備方法；濺射
1 引言
早在1959年，著名科學家Feynman Richard就曾設(shè)想，有一天如果能按自己的愿望任意擺布原子的排列，人類就將成為真正意義上的“造物主”。納米科學的興起和發(fā)展，將使Feynman。夢想最終成為現(xiàn)實。納米科學技術(shù)是20世紀80年代中后期逐漸發(fā)展起來的，融介觀體系物理、量子力學等現(xiàn)代科學為一體并與超微細加工、計算機、掃描隧道顯微鏡等先進工程技術(shù)相結(jié)合的多方位、多學科的新科技。它是在1～100ｎｍ尺度上研究自然界現(xiàn)象中原子、分子行為與規(guī)律，以期在深化對客觀世界認識的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)由人類按需要制造出性能獨特的產(chǎn)品。納米科技的出現(xiàn)，無疑是現(xiàn)代科學的重大突破，它在材料科學、凝聚態(tài)物理學、機械制造、信息科學、電子技術(shù)、生物遺傳、高分子化學以及國防和空間技術(shù)等眾多領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景，因而對它的研究受到了世界范圍的高度重視。納米科技的研究與發(fā)展，無疑將極大地改變?nèi)藗兊乃季S方式和傳統(tǒng)觀念，深刻影響國民經(jīng)濟的未來發(fā)展。
納米科技的急速發(fā)展已引發(fā)了若干新的研究分支，如納米材料學、納米物理學、納米電子學、納米生物學、納米機械學、納米摩擦學與微加工技術(shù)等。在納米科技中，當前人們普遍關(guān)心和有待解決的理論與實踐問題主要有：微材料特性、微觀摩擦、微系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計理論及納米級結(jié)構(gòu)和制備工藝等。
2 納米材料的分類及其相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域
納米材料一般分為：納米微粒、納米薄膜（多層膜和顆粒膜）、納米固體。納米微粒是納米體系的典型代表，一般為球形或類球形（與制備方法密切相關(guān)），它屬于超微粒子范圍（1～1000ｎｍ）。由于尺寸小、比表面大和量子尺寸效應(yīng)等原因，它具有不同于常規(guī)固體的新特性，也有異于傳統(tǒng)材料科學中的尺寸效應(yīng)。比如，當尺寸減小到數(shù)個至數(shù)十個納米時，原來是良導體的金屬會變成絕緣體，原為典型共價鍵無極性的絕緣體其電阻大大下降甚至成為導體，原為ｐ型的半導體可能變?yōu)椋钚�。常�?guī)固體在一定條件下其物理性能是穩(wěn)定的，而在納米態(tài)下其性能就受到了顆粒尺寸的強烈影響，出現(xiàn)幻數(shù)效應(yīng)。從技術(shù)應(yīng)用的角度講，納米顆粒的表面效應(yīng)等使它在催化、粉末冶金、燃料、磁記錄、涂料、傳熱、雷達波隱形、光吸收、光電轉(zhuǎn)換、氣敏傳感等方面有巨大的應(yīng)用前景。
納米薄膜是由納米晶粒組成的準二維系統(tǒng)，它具有約占50%的界面組元，因而顯示出與晶態(tài)、非晶態(tài)物質(zhì)均不同的嶄新性質(zhì)。比如，納米晶Si膜具有熱穩(wěn)定性好、光吸收能力強、摻雜效應(yīng)高、室溫電導率可在大范圍內(nèi)變化等優(yōu)點。據(jù)估計，納米薄膜將在壓阻傳感器、光電磁器件及其它薄膜微電子器件中發(fā)揮重要作用。
納米固體是由大量納米微粒在保持表（界）面清潔條件下組成的三維系統(tǒng)，其界面原子所占比例很高，因此，與傳統(tǒng)材料科學不同，表面和界面不再往往只被看成為一種缺陷，而成為一重要的組元，從而具有高熱膨脹性、高比熱、高擴散性、高電導性、高強度、高溶解度及界面合金化、低熔點、高韌性和低飽和磁化率等許多異常特性，可以在表面催化、磁記錄、傳感器以及工程技術(shù)上有廣泛的應(yīng)用。
總體而言，目前對納米材料的研究主要有兩個方面。一是探索新的合成方法，發(fā)展新型的納米材料。二是系統(tǒng)地研究納米材料的性能、微結(jié)構(gòu)和譜學特征等，對照常規(guī)材料探究納米材料的特殊規(guī)律，建立描述和表征納米材料的新概念和新理論。
3 納米材料的物理制備方法
納米材料其實并不神密和新奇，自然界中廣泛存在著天然形成的納米材料，如蛋白石、隕石碎片、動物的牙齒、海洋沉積物等就都是由納米微粒構(gòu)成的。人工制備納米材料的實踐也已有1000年的歷史，中國古代利用蠟燭燃燒之煙霧制成碳黑作為墨的原料和著色的染料，就是最早的人工納米材料。另外，中國古代銅鏡表面的防銹層經(jīng)檢驗也已證實為納米SnO2顆粒構(gòu)成的薄膜。然而，人們自覺地將納米微粒作為研究對象，從而用人工方法有意識地獲得納米粒子則是在20世紀60年代。
1963年，Ryozi Uyeda等人用氣體蒸發(fā)（或“冷凝”）法獲得了較干凈的超微粒，并對單個金屬微粒的形貌和晶體結(jié)構(gòu)進行了電鏡和電子衍射研究。1984年，Gleiter等人[1]用同樣的方法制備出了納米相材料TiO2。值得指出的是，俄羅斯和前蘇聯(lián)的科學家在納米材料方面也有不少開創(chuàng)性工作[2]，只是由于英文翻譯遲等原因而未能在國際上得到應(yīng)有的關(guān)注和肯定。比如Morokhov等人[3]早在1977年就首次制備成功了納米晶材料并研究其性質(zhì)。
“納米材料”這一概念在20世紀80年（未完，下一頁）
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