【正文】 在集成過程中出現(xiàn)了許多傳統(tǒng)理論無法解釋的科學問題，傳統(tǒng)的集成技術由于不能適應新的需求而逐漸被淘汰，在這種情況下以納米電子學為指導工作的新的器件相繼問世，速度之快出乎人們的預料。 納米科技的應用將引發(fā)一場新的工業(yè)革命 ①德國顯微技術學院院長沃爾夫?qū)?埃爾費爾德“未來幾乎所有現(xiàn)代化技術領域的革新與進步都離不開微納米技術” ② IBM首席科學家 (Armstrong)阿姆斯特朗“我相信納米科技將在信息時代的下一階段占中心地位 ,并發(fā)揮革命的作用 ,正如二十世紀七十年代初以來微納米科技已經(jīng)起的作用那樣 .” ③ 錢學森預言 : ―納米和納米以下結(jié)構是下一階段科技發(fā)展的一個重點 ,會是一次革命 ,從而是二十一世紀又一次產(chǎn)業(yè)革命 .‖ 第四節(jié) 納米材料的應用 20世紀 80年代以來電路元件尺寸下降的速度是很快的，未來的 20年電路元件尺寸將達到亞微米和納米的水平，量子效應的原理性器件、分子電子器件和納米器件成為電子工業(yè)的核心。納米尺度的開關材料、敏感材料、納米級半導體 /鐵電體、納米級半導體 /鐵磁體、納米金屬 /納米半導體集成的超機構材料、單電子晶體管材料、用于存儲的巨磁材料、超小型電子干涉儀所需材料等是 21世紀電子工業(yè)的關鍵材料，這些材料都具有納米結(jié)構。 中國古代銅鏡表面的防銹層也被證明是由納米氧化錫顆粒構成的薄膜 。 中國古代字畫之所以歷經(jīng)千年而不褪色 ， 是因為所用的墨是由納米級的碳黑組成 。 第四節(jié) 納米材料的應用 第四節(jié) 納米材料的應用 圖 68為 IBM的研究人員利用納米技術制作的硬盤，其數(shù)據(jù)存儲容量超過現(xiàn)在硬盤存儲容量的 100倍。從顯微鏡下我們可以觀察到（如圖 69），現(xiàn)在的硬盤表面上看上去非常雜亂無章，而 IBM發(fā)明的新材料的表面磁化顆粒更小，且排列均勻。 圖 68 新型納米材料硬盤，容量增加 100多倍 第四節(jié) 納米材料的應用 圖 69 左圖為 現(xiàn)在存儲器介質(zhì)的表面， IBM發(fā)明的新材料的表面 磁化顆粒更小，且排列均勻 第四節(jié) 納米材料的應用 IBM的研究人員發(fā)明的這種材料是一種全新的材料，通過化學反應生成極小的磁性顆粒，它們大小相等，每個只包含 1000多個原子，顆粒按照格子狀結(jié)構排列，其中沒個顆粒與鄰近顆粒的距離相等，納米顆粒是鐵和鉑的混合物，全新的制作工藝不但能夠精確地控制顆粒大小，而且還能控制顆粒之間的距離。這兩個方面對提高數(shù)據(jù)的村塾密度非常重要。較小的尺寸和均勻的結(jié)構兩者有機地結(jié)合在一起就能進一步提高磁性存儲介質(zhì)上的數(shù)據(jù)密度。 第四節(jié) 納米材料的應用 另外，在二十一世紀特別納米半導體也展現(xiàn)出廣闊的應用前景。納米半導體領域目前的研究現(xiàn)狀是：在納米半導體制備方面，追求獲得量大、尺寸可控、表面清潔，制備方法趨于多樣化，種類和品種繁多；在性質(zhì)和微結(jié)構研究上著重探索普適規(guī)律；研究納米尺寸復合，發(fā)展新型納米半導體復合材料是該領域的熱點；納米半導體材料的光催化及光電轉(zhuǎn)換研究表現(xiàn)出誘人的前景。經(jīng)管納米半導體研究剛剛起步，但它的一系列奇特性能使它成為納米材料科學的一個前沿領域，相信一定會有更新的突破。 第四節(jié) 納米材料的應用 磁學應用 納米磁性材料是納米材料中最早進入工業(yè)化生產(chǎn)、至今還充滿活力、具有寬廣應用前景的一類人工功能材料之一。 磁記錄是信息儲存與處理的重要手段，隨著科學的發(fā)展，要求記錄密度越來越高。磁性納米微粒由于尺寸小，具有單磁疇結(jié)構、矯頑力很高的特性，用它制作磁記錄材料可以提高信嗓比，改善圖像質(zhì)量。 作為磁記錄單位的磁性粒子的大小須滿足以下條件：顆粒的長度應小于記錄波長；粒子的寬度（如可能長度也包括在內(nèi)）應該遠小于記錄深度；一個單位的記錄體積中，應盡可能有更多的磁性粒子。 第四節(jié) 納米材料的應用 1994年， IBM公司研制成巨磁電阻效應的讀出磁頭，將磁盤記錄密度提高了 17倍，達到 5Gbit/in2，最近報道為 11Gbit/in2，從而在與光盤競爭中磁盤重新處于領先地位。 利用巨磁電阻效應在不同的磁化狀態(tài)具有不同電阻值的特點，可以制成隨機儲存器（ MRAM），其優(yōu)點是在無電源的情況下可繼續(xù)保留信息。巨磁電阻材料應用前景非常廣闊。 隨著納米電子學的飛速發(fā)展，電子元件的微型化和高度集成化，要求測量系統(tǒng)也要微型化。 21世紀超導量子相干器件和超微霍耳探測器和超微磁場探測器將成為納米電子學中主要角色。其中以巨磁電阻效應為基礎，設計超微磁場傳感器要求能探測 102T至 106T的磁通密度。如此低的磁通密度在過去是沒有辦法測量的，特別是在超微系統(tǒng)測量如此弱的磁通密度時十分困難的，納米結(jié)構的巨磁電阻器件經(jīng)過定標可能完成上述目標。瑞士蘇黎土高工在實驗室研制成功了納米尺寸的巨磁電阻絲，他們在具有納米孔洞的聚碳酸脂的襯底上通過交替蒸發(fā) Cu和 Co并用電子束進行轟擊，在同心聚碳酸脂多層薄膜孔洞中由 Cu、 Co交替填充形成幾微米長的納米絲，其巨磁電阻值達到 15％，這樣的巨磁電阻陣列體系飽和磁場很低，可以用來探測 10－ 11T的磁通密度。由上述可見，巨磁阻較有廣闊的應用情景。 第四節(jié) 納米材料的應用 磁性液體的主要特點是在磁場作用下可以被磁化，可以在磁場作用下運動，但同時它又是液體，具有液體的流動性。在靜磁場作用下，磁性顆粒將沿著外磁場方向形成一定有序排列的團鏈簇，從而使得液體變?yōu)楦飨虍愋缘慕橘|(zhì)。當光波、聲波在其中傳播時 (如同在各向異性的晶體中傳播一樣 )，會產(chǎn)生光的法拉第旋轉(zhuǎn)、雙折射效應、二向色性以及超聲波傳播速度與衰減的各向異性。此外，磁性液體在靜磁場作用下，介電性質(zhì)亦會呈現(xiàn)各向異性。這些有別于通常液體的奇異性質(zhì)，為若干新穎的磁性器件的發(fā)展奠定了基礎。 第四節(jié) 納米材料的應用 利用磁性液體可以被磁控的特性，人們利用環(huán)狀永磁體在旋轉(zhuǎn)軸密封部件產(chǎn)生一環(huán)狀的磁場分布，從而可將磁性液體約束在磁場之中而形成磁性液體的“ O‖形環(huán)，且沒有磨損，可以做到長壽命的動態(tài)密封。這也是磁性液體較早、較廣泛的應用之一。此外，在電子計算機中為防止塵埃進入硬盤中損壞磁頭與磁盤，在轉(zhuǎn)軸處也已普遍采用磁性液體的防塵密封。 磁性液體的應用主要表現(xiàn)為用于旋轉(zhuǎn)軸的動態(tài)密封、新的潤滑劑、增進揚聲器功率、作阻尼器件等。 第四節(jié) 納米材料的應用 非晶材料通常采用熔融快淬的工藝， FeBiB是一類重要的非晶態(tài)軟磁材料，如果直接將非晶材料在晶化溫度進行退火，所獲得的晶粒分布往往是非均勻的，為了獲得均勻的納米微晶材料，人們在 FeSiB合金中再添加 Nb， Cu元素， Cu， Nb均不回溶于 FeSi合金，添加 Cu有利于生成鐵微品的成核中心，而Nb有利于細化晶粒。 1988年牌號為 Finement的著名納米微晶軟磁材料問世了，其組成為 ，它的磁導率高達 105，飽和磁感應強度為 ，其性能優(yōu)于鐵氧體與非磁性材料，作為工作頻率為 30KHz的 2KW開關電源變壓器，重量僅為 300g，體積僅為鐵氧體的 1/5，效率高達 96％。 第四節(jié) 納米材料的應用 繼 FeSiB納米微晶軟磁材料后， 20世紀 90年代 FeMB， FeMC， FeMN， FeMO等系列納米微晶軟磁材料如雨后春筍破土而出，其中 M為 Zr， Hf， Nb， Ta， V等元素，例如組成為，納米微晶軟磁材料目前沿著高頻、多功能方向發(fā)展，其應用領域?qū)⒈榧败洿挪牧蠎玫母鞣矫妫绻β首儔浩?、脈沖變壓器、高頻高壓器、可飽和電抗器、互感器、磁屏蔽、磁頭、磁開關、傳感器等，它將成為鐵氧體的有力競爭者。新近發(fā)現(xiàn)的納米微晶軟磁材料在高頻場中具有巨磁阻抗效應，又為它作為磁敏感元件的應用增添了多彩的一筆。 第四節(jié) 納米材料的應用 由于稀土永磁材料的問世，使永磁材料的性能突飛猛進。稀土永磁材料已經(jīng)歷了 SmCo5， Sm2CO17以及 Nb2Fe14B3個發(fā)展階段；目前燒結(jié)Nd2Fel4B稀土永磁的磁能積已高達 432kJ／ m3(54MGOe)，接近理論值512kJ／ m3(64MGOe)，并已進入規(guī)模生產(chǎn)，此外作為粘結(jié)永磁體原材料的快粹 NbFeB磁粉，晶粒尺寸約為 20~50nm為典型的納米微晶稀土永磁材料，美國 GM公司快淬 NbFeB磁粉的年產(chǎn)量已達 4500t／ a(噸／年 ). 永磁材料的磁晶各向異性遠高于軟磁材料，如將軟磁相與永磁相在納米尺度范圍內(nèi)進行復合，就有可能獲得兼?zhèn)涓唢柡痛呕瘡姸?、高矯頑力二者優(yōu)點的新型永磁材料。微磁學理論表明，稀土永磁相的晶粒尺寸只有低于 20nm時，通過交換糯合才有可能增大剩磁值 . 第四節(jié) 納米材料的應用 磁致冷是利用自旋系統(tǒng)磁熵變的致冷方式進行制冷的。與通常的壓縮氣體式致冷方式相比較，它具有效率高、功能低、噪音小、體積小、無污染等優(yōu)點。 磁致冷發(fā)展的趨勢是由低溫向高溫發(fā)展， 20世紀 30年代利用順磁鹽作為磁致冷工質(zhì)，采用絕熱去磁方式成功地獲得 mk量級的低溫， 20世紀80年代采用順磁性石榴石化合物成功地應用于 ~15K的磁致冷， 20世紀 90年代用磁性 Fe離子取代部分非磁性 Gd離子，由于 Fe離子與 Cd離子間存在超交換作用，使局域磁矩有序化，構成磁性的納米團簇 ,當溫度大于 15K時其磁梢變高，從而成為 15~30K溫區(qū)最佳的磁致冷工質(zhì)。 第四節(jié) 納米材料的應用 納米催化 化學催化的作用主要可歸結(jié)為 3個方面：一是提高反應速度，增加反應效率；二是決定反應路徑，有優(yōu)良的選擇性，例如只進行氫化，脫氫反應，不發(fā)生氫化分解和脫水反應；三是降低反應溫度。納米粒子作為催化劑必須滿足上述的條件。納米粒子的催化作用不僅表現(xiàn)為高活性，而且還提高了化學反應的選擇性。 第四節(jié) 納米材料的應用 半導體的光催化效應是指在光的照射下，價帶電子躍遷到導帶，價帶的孔穴把周圍環(huán)境中的烴基電子奪過來，短基變成自由基，作為強氧化劑將酯類變化如下：酯 → 醇 →醛 → 酸 → CO2，完成了對有機物的降解。納米半導體比常規(guī)半導體光催化活性高得多。最近十幾年來，半導體光催化在應用中得到飛快的發(fā)展。 半導體的光催化 具有這種光催化半導體的能隙既不能太寬，也不能太窄，對太陽光敏感的具有光催化特性的半導體能隙一般為 ~。納米半導體比常規(guī)半導體光催化活性高得多，原因在于： ? 由于量子尺寸效應使其導帶和價帶能級變成分立能級，能隙變寬，導帶電位變得更負，而價帶電位變得更正。這意味著納米半導體粒子具有更強的氧化和還原能力。 ? 納米半導體粒子的粒徑小，光生載流子比粗顆粒更容易通過擴散從粒子內(nèi)遷移到表面，有利于得或失電子，促進氧化和還原反應。 半導體的光催化效應發(fā)現(xiàn)以來，一直引起人們的重視，原因在于這種效應在環(huán)保、水質(zhì)處理、有機物降解、失效農(nóng)藥降解等方面有重要的應用。近年來，人們一直致力于尋找光活性好、光催化效率高、經(jīng)濟價廉的材料，特別是對太陽敏感的材料，以便利用光催化開發(fā)新產(chǎn)品，擴大應用范圍。常用的光催化半導體納米粒子有 TiO2(銳鐵礦相 )、Fe2O3， CdS， ZnS， PbS， PbSe， ZnFe2O4等。主要用處：將在這類材料做成空心小球，浮在含有有機物的廢水表面上，利太陽光可進行有機物的降解。 納米催化劑 ——半導體的光催化 TiO2在光照條件下，可將附在表面上的有機物、細菌以及其它灰塵分解掉，直至生成二氧化碳和水。另外，光照還會導致二氧化鈦擁有超親水性，使得水滴在表面上無法形成。日本東京大學藤島昭教授領導的研究小組利用二氧化鈦的這些性質(zhì)，研制成功了多種“自清潔型”的環(huán)保產(chǎn)品。 第四節(jié) 納米材料的應用 、半導體粒子的熱催化 金屬納米粒子十分活潑，可以作為助燃劑在燃料中使用，也可以摻雜到高能密度的材料，如炸藥中，增加爆炸效率，也可以作為引爆劑進行使用。 納米催化劑 納米催化劑有以下幾種： 一、金屬納米粒子催化劑，主要以貴金屬為主，如： Pt，Rh， Ag， Pd，金屬的有 Fe， Co， Ni等 二、是以氧化物為載體把粒徑為 1－ 10納米的金屬粒子分散到這種多孔的襯底上。襯底的種類很多，如氧化鋁、氧化硅、氧化鎂、氧化鈦、沸石等 三、是碳化鎢、 ?－ Al2O3， ?－ Fe2O3等納米粒子聚合或者是分散于載體上。 ? 在高分子聚合物氧化、還原及合成反應中直接用納米態(tài)鉑黑、銀、銅、氧化鋁、氧化鐵等作催化劑，大大提高反應效率； ? 利用納米鎳作為火箭固體染料反應催化劑，燃燒效率提高 100倍； ? 在汽車尾氣凈化催化劑中的常規(guī)稀土化合物換以稀土納米粒子后，提高了尾氣中的一氧化碳、碳氫化合物和氮氧化物的轉(zhuǎn)化率，也就是說含有稀土納米粉末的催化劑除污染的效果更好。 ? 用納米 La2O3和 CeO2作為汽車尾氣凈化劑涂層的添加劑，通過比較表明：用納米粉末一次涂層量比非納米一次涂層量高近一倍，從而催化活性大有提高， CO 50％轉(zhuǎn)化時溫度降低了近 40℃ 。 ? 如超細硼粉、高鉻酸銨粉可以作為炸藥的有效催化劑； ? 用超細的 Fe3O4微粒做催化劑可以在低溫 (270～ 300℃) 下將