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[行业信息集锦] 碳纳米材料简介

[行业信息集锦] 碳纳米材料简介

开始于二十世纪八十年代的纳米技术,做为一个新兴的交叉学科,正在对物理、化学、生物学、材料学及微加工技术等领域产生深远影响,并越来越引起各个领域科技工作者的兴趣。纳米技术、信息技术与生物技术被统称为二十一世纪最具影响力的三大主导技术,而纳米技术更是做为两大技术的核心和基础引起广泛关注。因此,有人预言纳米技术的发展必将引起世界范围内的科学和技术革命性进步,进而引起产业革命。1981年,Gleiter首次提出了“纳米晶体材料(Nanocrystalline Materials)”的设计理念。纳米材料是纳米技术的研究基础,纳米材料用纳米尺度来定义材料,一般指纳米粒子尺寸为1-100nm的粉体、块体、薄膜、纤维等材料,介于团簇及宏观材料之间的过渡区域。2000年,Gleiter对纳米材料进行了再次定义和分类。相对于我们通常所接触到的三维材料而言,纳米材料可以按照维度来分类,低维纳米材料基本上分三类:零维,指在空间三维尺度上均为纳米尺度,如纳米金刚石及原子团簇等;一维,指在空间二维尺度上有两个维度处于纳米尺度,如纳米管、纳米线和纳米条带等;二维,指在空间上,仅有一个维度处于纳米尺度,如超薄膜等。在过去的几十年的发展历程中,先进的制备和表征技术极大地促进了纳米技术及纳米材料向着更理性、更有利于科学发展的方向前进。这也为材料的物理、化学及力学性质方面的研究提供了有利的条件。纳米材料研究的重要性在于:纳米尺度范围内,材料的物理、化学及力学性质随其尺寸的减少而发生显著变化,并且,有可能不符合宏观材料所遵循的变化规律。众所周知,材料的结构变化决定性能的变化,当纳米粒子的尺寸与光波波长、电子的德布罗意波长、超导态的相干长度及透射物深度等尺寸可比拟,或是更小时,晶体周期性边界条件将被破坏。纳米晶体颗粒的表面层附近的原子密度减小,进而可导致电子被局域在一个体积微小的纳空间。因此,体系的电子结构及电子输运能力都会发生改变,电子的平均自由程下降。尺度下降会使得纳米颗粒中原子数明显降低,其宏观尺度下的连续能带消失,出现了不连续的分散能级。同吉林大学博士学位论文时,人们可以利用纳米材料的这些性质,设计新型材料,进而进行技术革新。随着纳米材料尺寸的减小,表面原子数比率增多,通过在表面引入缺陷可以使得原子配位不足,使得表面原子间距与内部原子间距出现显著差别,与此同时,表面缺陷的引入具有较高的表面活性。另外,利用纳米颗粒的特性,人们可以合成原子排列与宏观材料截然不同的复合材料,基于这些性质,使制备过去难以制备的具有特殊性能的新材料成为可能。
    1988年,第一届国际真空微电子会议正式确立了真空微电子学的概念。自此,人们开始广泛关注并着手将场发射冷阴极材料应用到先进微电子器件中。传统的场发射冷阴极材料主要有以下几种类型:硅基材料,如硅和碳化硅;金属材料,如钛,钼,钨等;而目前场发射冷阴极材料的研究热点集中在碳基材料,如金刚石、类金刚石、非晶碳、碳纳米管及碳纳米锥等;同时,宽带隙Ⅲ族氮化物半导体材料,如氮化硼、氮化铝、氮化镓以及氧化锌等也是大家关注的热点材料。硅基材料和高熔点金属是最早应用到场发射中的材料,目前,在扫描电子显微镜、冷发射电子枪以及场发射平板显示器等方面都已经进行了大批量的工业化生产。碳基材料如金刚石、类金刚石、碳纳米管、碳纳米纤维以及碳纳米锥等,均表现出较好的场致电子发射性能,并逐渐成为场发射研究的热点之一。金刚石材料是典型的半导体材料,其禁带宽度为5.5eV,表面吸附氢原子后形成负电子亲和势,即导带中的电子不需要穿过势垒即可跃迁到真空。同时,由于同样的电子亲和势作用,场发射过程中电子的供给遇到一定困难,使其应用受到部分限制。碳纳米管是目前最热门的冷阴极场发射材料,其直径为几到几十纳米,在一定电场强度下产生足够大的场增强因子,进而获得较好的电子发射性能。实验证明,碳纳米管不仅帽端有利于电子发射,同时,管体缺陷处也会成为电子发射点,在电场作用下发射电子。碳纳米锥最初是作为类碳纳米管帽端结构来进行研究的,由于其结构的特殊性,具有更大的场增强因子,在场发射方面研究的较多,有关在场发射方面的应用将在后面章节中详细讨论。氮化硼材料也是一类很有发展潜力的场发射材料。由于与金刚石材料电子结构相似,因此,可预见其具有较好场发射性能潜力。与此同时,由于六方氮化硼材料与石墨烯具有相似的几何结构,可被制备成管状、锥状及薄膜状材料,以此调整并改善其电子结构,进而提升其在场发射应用方面的潜力。
纳米技术的进步为群众生活带来了多大便利,可以列一下
冶炼的思考
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