纳米光子学综述
关于《纳米光子学》的基本介绍
关键词：
序言
纳米光子学，被定义为纳米技术和光子学的融合学科，是一个新兴的前沿学科。它为基础研究提供了挑战，也为新技术提供了机遇。纳米光子学在市场上已经取得了一定的影响。它是一个多学科交叉的研究领域，为物理学，化学，应用科学，工程学和生物学，以及生物医学技术创造了机遇。
对于不同的人而言，纳米光子学的意义有所不同，在各自的情况下，纳米光子学的定义都显得非常地狭隘片面。一些书籍和综述里包含了纳米光子学的多个方面以供选择。然而，随着时代的发展，有必要出一本关于纳米光子学的专著来提供一个统一综合的体系。本书迎合了这个需要，就纳米光子学提供了统一的，全方位的描述，以满足各个不同学科读者的需要。本书的目的是为这个涉及面广泛的学科提供必要基础知识，以使各个学科的学者都能迅速掌握最低限度的，必要的知识背景用以研究和发展纳米光子学。作者希望本书既能够作为教育与培训的教科书，也可以作为帮助集光学，光子学和纳米技术于一身的领域研究和发展所需要的参考书。本书的另一个目的是引起研究人员，产业部门和企业促进合作的兴趣，在这个新兴科学上，能够制定出多学科交叉的工程，促使随之产生的技术能够发展和转化。
本书包含了集纳米技术，光子学和生物学于一体的理论知识和各种应用。每章开头的引言介绍了读者能从该章获取的知识。每章结尾的知识要点是需要深刻理解的知识，也可以作为前面所陈述内容的回顾。
纳米光子学—纳米技术领域的研究热点
纳米光子学是一个激动人心的崭新的前沿领域，在这里全世界的研究者们尽情发挥着他们的想象力和创造力。它在纳米范围内处理光与物质的相互作用。纳米光子学作为纳米科技新的分支，向基础研究提出了挑战，并为新技术的诞生创造了机遇。人们对纳米科学方面的兴趣来自于已经实现了的费曼的著名言论——“在底层还有很多的空间”（Feyman,1961,“There’s Plenty of Room at the Bottom”）。他指出如果能将一毫米的长度在十亿分之一米的纳米范围内进行分割，可以想象将会有多少片段和组分可进行操控和处理。
我们生活在一个“纳米热”的时代。纳米方面的一切都被认为是极其令人振奋和有价值的。许多国家已经对纳米技术展开积极的研究。2002年，美国国家研究委员会出版了关于美国国家纳米技术计划的详细报告（NRC Report，2002）。虽然不能断言纳米技术对每个问题都能提供一个较好的解决方法，但纳米光子学仍然创造出足以令人振奋的机会并使新技术成为可能，关键的因素是纳米光子学是在一个比光波长还要短的范围内处理光与物质的相互作用，以及它们的应用。撰写本书的目的是想通过对纳米光子学的介绍激发起更多人对这个新领域的兴趣。为了方便起见，书中列举的例子尽可能出自我们研究所开展的激光，光
子学及生物光子学方面的工作，这些工作都是基于纳米光子学的综合性研究。
作为补充参考，本书英语版还推荐一张由SPIE出版的CD-ROM(CDV497)，其内容为本书作者在SPIC展开的关于纳米光子学的短期课程，以PPT形式提供了大量的彩色插图。
纳米光子学概述
从概念上区分，纳米光子学可以分为三个部分，为辐射的纳米级限制，物质的纳米级限制，纳米级的光处理。
引发光与物质在纳米级范围内相互作用的一种方法是将光限制在远小于其波长的纳米范围内。第二种方法是将物质的尺寸限制在纳米尺度范围内，从而将光与物质的相互作用限制在纳观范围，这种方法界定了纳米材料的领域。最后一种方法是对光处理（如诱导光化学反应或光诱导相变）的纳米级限制，该方法可用于对光子的结构与功能单元进行纳米级加工。
对于辐射的纳米级限制，有诸多的方法可将光限制在纳米级范围。其中之一是使用近场光学传播，这部分将在本书的第3章中进行详细的讨论。一个典型的例子是光通过一个有金属涂层的锥形光纤，由一个远小于光波长的尖端发射出来。
为了制造在光子学中使用的纳米材料，对物质的纳米级限制会涉及到限制物质尺寸以产生纳米结构的多个方面。例如，可以利用同是具有电子和光子特性的纳米粒子，这些纳米既可以用无机材料构成
微纳光子学
微纳光子学主要研究在微纳尺度下光与物质相互作用的规律及其光的产生、传输、调控、探测和传感等方面的应用。微纳光子学亚波长器件能有效提高光子集成度，有望像电子芯片一样把光子器件集成到尺寸很小的单一光芯片上。纳米表面等离子体学是一新兴微纳光子学领域，主要研究金属纳米结构中光与物质的相互作用。它具有尺寸小，速度快和克服传统衍射极限等特点，有望实现电子学和光子学在纳米尺度上的完美联姻，将为新一代的光电技术开创新的平台。金属-介质-金属F-P腔是最基本的纳米等离子体波导结构，具有良好的局域场增强和共振滤波特性，是制作纳米滤波器、波分复用器、光开关、激光器等微纳光器件的基础。但由于纳米等离子体结构中金属腔的固有损耗和能量反射，F-P腔在波分复用器应用中透射效率往往较低，这给实际应用带来不利。 最近，科研人员提出了一种提高表面等离子体F-P腔波分复用器透射效率的双腔逆向干涉相消法。该方法能有效避免腔的能量反射，使入射光能完全从通道端口出射，极大增强了透射效率。此设计方法还能有效的抑制噪声光的反馈。同时，科研人员利用耦合模方法验证了这种设计方法的可行性。这种波分复用器相比目前报道的基于F-P单腔共振滤波的波分复用器的透射效率提高了50%以上。相关的成果于2011年6月20日发表在Optics Express上，论文题目为：Enhancement of transmission efficiency of nanoplasmonic wavelength demultiplexer based on channel drop filters and reflection nanocavities。 “新兴光器件及集成技术专题报告会”上发布《纳米光子学对光子技术更新换代的重要作用》精彩演讲。报告摘要;从上世纪70年代开始，光子学进入微光子学阶段，经过40年的研究，现在已经比较成熟。以半导体激光器为重点的研究已经逐渐转向对激光控制问题的研究和激光应用的研究。同时，光子技术已经进入光电子技术阶段，其特点是研究开发以电控光、光电混合的器件和系统。光电子技术已经逐步占领了电子技术原有的阵地。它的应用领域已经扩大到人类社会生活的各方面，如光通信与光网，平板显示、半导体照明、光盘存储、数码相机等。光电子产业迅速发展壮大起来。在经济发达国家，光电子产业的总产值已经可以与电子产业相比，甚至超过电子产业。近十年来，国际学术界开始大力发展纳光子学及其技术，使光电子技术与纳米技术相结合，对现有光电子技术进行升级改造。 与国际上科技发达的国家相比，目前我国微纳光子学的研究还不算落后，这从我国在微纳光子学领域发表的论文数量和投稿的杂志级别就可看出。但是我国的光子学研究论文大部分是理论方面的，大多数是跟踪国外的。由于国内缺乏先进的科学实验平台，特别是缺乏制备微纳光子学材料和器件的工艺条件，实验方面的论文比较少（除了少数与国外合作研究的论文），创新的思想无法得到实验验证。微光子学方面的情况尚且如此，在纳光子学方面，由于对仪器、设备、工艺和技术的要求更高，与国外的差距正在加大。 在光电子技术方面，由于国际经济的全球化和我国的改革开放形势，吸引跨国公司将制造、加工基地向我国转移。21世纪初光电子企业的大公司纷纷落户我国。而且大量资金投向我国沿海经济发达地区（如广东、上海和京津地区），建立起一大批中外合资或独资企业。但是这些外国企业或技术人员，控制着产业的高端技术，对我国实行技术垄断，使我国的光电子技术至今还处于“下游”，成为外向加工企业。大多数光电子企业采用这样的生产模式：购买国外的芯片进行器件封装，或者购买国外的器件进行系统组装。目前我国光电子企业严重缺乏核心技术和自主知识产权，无法抵御国际经济危机，面临着很大的风险。 为了加快我国的微纳光子学与相关光子技术的发展，我国应该集中投入一部分资金，凝聚一批高水平研究人才，在某些光电子企业集中的地区，依托光子学研究有实力的单位，采用先进的管理模式，建设我
碳纳米材料综述
碳纳米材料综述 课程: 纳米材料 日期：2015 年1２月
碳纳米材料综述 摘要:纳米材料是一种处于纳米量级的新一代材料，具有多种奇异的特性，展现特异的光、电、磁、热、力学、机械等物理化学性能,这使得纳米技术迅速地渗透到各个研究领域,引起了国内外众多的物理学家、化学家和材料学家的广泛关注,也成为当前世界最热门的科学研究热点。物理学家对纳米材料感兴趣是因为它具有独特的电磁性质，化学家是因为它的化学活性以及潜在的应用价值，材料学家所感兴趣的是它的硬度、强度和弹性。毫无疑问,基于纳米材料的纳米科技必将对当今世界的经济发展和社会进步产生重要的影响。因此,对纳米材料的科学研究具有非常重要的意义。其中,碳纳米材料是最热的科学研究材料之一。 我们知道,碳元素是自然界中存在的最重要的元素之一，具有ｓp、sp2、sp3等多种轨道杂化特性。因此,以碳为基础的纳米材料是多种多样的，包括常见的石墨和金刚石，还包括近几年比较热门的碳纳米管、碳纳米线、富勒烯和石墨烯等新型碳纳米材料。 关键词:纳米材料碳纳米材料碳纳米管富勒烯石墨烯 １.前言 从人类认识世界的精度来看，人类的文明发展进程可以划分为模糊时代（工业革命之前)、毫米时代(工业革命到２0世纪初）、微米和纳米时代（20世纪40年代开始至今)。自20世纪80年代初，德国科学家Ｇｌeｉter提出“纳米晶体材料’，的概念，随后采用人工制备首次获得纳米晶体,并对其各种物性进行系统的研究以来,纳米材料己引起世界各国科技界及产业界的广泛关注。纳米材料是指特征尺寸在纳米数量级(通常指1—１00 nm)的极细颗粒组成的固体材料。从广义上讲,纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。通常分为零维材料(纳米微粒),一维材料(直径为纳米量级的纤维),二维材料(厚度为纳米量级的薄膜与多层膜)，以及基于上述低维材料所构成的固体。从狭义上讲，则主要包括纳米微粒及由它构成的纳米固体(体材料与微粒膜)。纳米材料的研究是人类认识客观世界的新层次，是交叉学科跨世纪的战略科技领域[1］。 碳纳米材料主要包括富勒烯、碳纳米管和石墨烯等,是纳米科学技术中不可或缺的材料,从１98５年富勒烯(Fullereｎe）的出现到1991年碳纳米管(ｃaｒｂon ｎanotubｅ,CNＴs)的发现，碳纳米材料所具有的独特物理和化学性质引起了国内外研究人员广泛而深入的研究，二十年来取得了很多的成果。２004 年Ｇeｉm研究组的报道使得石墨烯（Ｇｒaｐhene)成为碳纳米材料新一轮的研究热点，其出现充实了碳纳米材料家族,石墨烯具有由碳原子组成的单层蜂巢状二维结构,由于它只有一个原子的厚度，可以将其视为形成其它各种维度的石墨相关结构碳材料的基本建筑块,石墨烯既可翘曲形成零维的富勒烯及卷曲形成一维的碳纳米管，亦可面对面堆积形成石墨,由于石墨烯具有优异的电学、导热和机械性能及较大的比表面积，因而在储氢材料、超级电容器、高效催化剂及纳米生物传感等方面有着广泛的应用[２]。 2．常见的碳纳米材料
纳米材料的自组装综述
纳米材料的自组装综述 专业：高分子材料与工程 摘要： 自组装技术是制备纳米结构的几种为数不多的方法之一。本文对最近几年自组装技术在纳米科技领域中的一些重大突破和成果进行较为系统地综述,主要包括以下几个方面:自组装单层膜、纳米尺度的表面改性、超分子材料、分子电子学与光子晶体。 关键词： 自组装; 纳米技术; 材料；超分子材料 1 引言 纳米科学与技术是一门在0. 1～100 nm 尺度空间研究电子、原子和分子运动规律和特性的高技术学科。它以现代先进科学技术为基础,是现代科学(混沌物理、量子物理、介观物理、分子生物学) 和现代技术(计算机技术、微电子技术、扫描隧道显微技术、核分析技术) 相结合的产物。它的最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子,制造具有特定功能的产品。纳米技术作为21 世纪新的推动力,将对经济发展、国家安全、人民生活、以至于人们的思维产生深远的影响[1 ] 。 自组装是在无人为干涉条件下,组元自发地组织成一定形状与结构的过程[2 ] 。自组装纳米结构的形成过程、表征及性质测试,吸引了众多化学家、物理学家与材料科学家的兴趣,已经成为目前一个非常活跃并正飞速发展的研究领域[3 ] 。它一般是利用非共价作用将组元(如分子、纳米晶体等) 组织起来,这些非共价作用包括氢键、范德华力、静电力等[1 ,4 ] 。通过选择合适的化学反应条件,有序的纳米
结构材料能够通过简单地自组装过程而形成,也就是说,这种结构能够在没有外界干涉的状态下,通过它们自身的组装而产生。因此,自组装是制备纳米结构的几种为数不多的方法之一[2 ] ,它已成为纳米科技一个重要的核心理论和技术。纳米材料因其尺寸上的微观性，从而表现出特殊的光、电、磁及界面特性。这些特性使得纳米材料广泛应用于各种领域：涂料 [5 ]、催化剂[6-7] 、电化学[8] 、光化学[ 9]及材料科学[10-12 ](如光电子器件)。 2 自组装单层膜 分子与生物分子膜正在被广泛应用到许多研究领域。自组装单层膜就是其中的一个研究重点。它是分子通过化学键相互作用,自发吸附在固/ 液或固/ 气界面,形成热力学稳定和能量最低的有序膜。在适当的条件下,自组装单层膜可以通过不同类型的分子和衬底来制备,常用的衬底有Au (111) 、Pt(111) 、Ag 、Al 、Si 、云母、玻璃等。 目前,研究最多的自组装单层膜可以分为三种类型[13 ] :由脂肪酸自组装的单层膜; 由有机硅及其衍生物自组装的单层膜;烷烃硫醇在金表面自组装的单层膜。它们的原理很简单,一个烷烃长链分子 (带有10～20 个亚甲基单元) ,其头部基团吸附到所用的衬底上,如硫醇(S —H) 头部基团和Au (111) 衬底已被证明可以进行完美的结合,它代表了一种控制表面性质的模式。硫醇分子在溶液中很容易吸附到金衬底上,形成一密集的单层,尾部基团从表面伸向外部,通过应用带有不同尾基的硫醇分子,化学样品的表面功能可以在很大范围内进行调节。自组装单层膜有着广泛的应用,如电子传输的研究、生物
分会场十三微纳米光子学
分会场十三：微纳米光子学 主席：吴一辉（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所） 李铁（中国科学院上海微系统与信息技术研究所） 特邀报告1：半导体太赫兹光频梳 黎华，中国科学院上海微系统与信息技术研究所，博士生导师，研究 员。2009年博士毕业于中国科学院上海微系统与信息技术研究所， 然后分别在德国慕尼黑工业大学、日本东京大学、法国巴黎七大材料 与量子现象实验室开展博士后研究工作，2015年回国工作，2016年 获得中国科学院“百人计划”A类择优支持。主要研究方向为太赫兹 量子级联激光器及其光频梳、锁模激光器、太赫兹成像及高分辨光谱 技术等。在Advanced Science、Optica、Applied Physics Letters、Optics Express等期刊上发表50余篇论文，曾获“2015中国中国电子学会优秀科技工作者”，“上海市自然科学二等奖”（排名第三）、德国“洪堡”学者奖学金、日本JSPS奖学金等。担任科技部973计划课题负责人、国家自然科学基金面上项目（2项）负责人、KJW 项目（2项）负责人等。 报告摘要： 太赫兹（THz）波（频率范围：0.1-10 THz; 1 THz=1012 Hz）位于红外光和微波之间，在国防安全、生物医疗、空间等领域具有潜在应用。由于缺乏高效THz辐射源和探测器，THz波还没有被完全认知，所以其被称为THz间隙（“terahertz gap”）。在1-5 THz 频率范围内，基于半导体电泵浦的光子学器件THz量子级联激光器（quantum cascade laser, QCL）在输出功率和效率方面比电子学和差频器件高，是关键的THz辐射源器件。本报告主要介绍我们在高性能THz核心器件以及半导体光频梳方面的研究进展。在高性能核心器件方面，我们突破分子束外延生长和半导体工艺技术，研制出高功率（1.2 W）、低发散角（2.4°）、宽频率范围THz QCL器件并实现THz高速探测和多色成像。基于高性能半导体THz QCL器件，成功实现THz QCL光频梳以及双光梳。克服传统THz光谱仪在测量时间和光谱分辨率方面的缺陷，开发出基于THz QCL双光梳的紧凑型高分辨实时光谱检测系统，为将来实现新一代THz光谱仪奠定基础。
三维纳米材料制备技术综述
三维纳米材料制备技术综述 摘要：纳米材料的制备方法甚多。目前，制备纳米材料中最基本的原则有二：一是将大块固体分裂成纳米微粒；二是由单个基本微粒聚集，并控制聚集微粒的生长，使其维持在纳米尺寸。本文主要介绍纳米材料分类和性能，同时介绍了一些三维纳米材料的制备方法，如水热法、溶剂热法和微乳液法。 关键词：纳米材料；纳米器件；纳米阵列；水热法；溶剂热法；微乳液法 1.引言 随着信息科学技术的飞速发展，人们对物质世界认识随之也从宏观转移到了微观，也就是说从宏观的块体材料转移到了微观的纳米材料。所谓纳米材料，是材料尺寸在三维空间中，至少有一个维度处于纳米尺度范围的材料。如果按照维度的数量来划分，纳米材料的的种类基本可以分为四类：（1）零维，指在空间中三维都处在纳米尺度，如量子点，尺度在纳米级的颗粒等；（2）—维，指在空间中两个维度处于纳米尺度，还有一个处于宏观尺度的结构，例如纳米棒、纳米线、纳米管等；（3）二维，是指在空间中只有一个维度处于纳米尺度，其它两个维度具有宏观尺度的材料，典型的二维纳米材料具有层状结构，如多层膜结构、一维超晶格结构等；（4）三维，即在空间中三维都属于宏观尺度的纳米材料，如纳米花、纳米球等各种形貌[1]。 当物质进入纳米级别，其在催化、光、电和热力学等方面都出现特异性，这种现象被称为“纳米效应”。纳米材料具有普通材料所不具备的3大效应：（1）小尺寸效应——其光吸收、电磁、化学活性、催化等性质发生很大变化；（2）表面效应——在催化、吸附等方面具有常规材料无法比拟的优越性；（3）宏观量子隧道效应，例如纳米微粒表现出令人难以置信的奇特的宏观物理特性，如高强度和高韧性，高热膨胀系数、高比热容和低熔点，异常的导电率和磁化率，极强的吸波性,高扩散性，以及高的物理、化学和生物活性等[2]。 纳米科学发展前期，人们更多关注于一维纳米材料，并研究其基本性能。随着纳米科学快速发展，当今研究热点开始转向以微纳结构和纳米结构器件为方向的对纳米阵列组装体系的研究。以特定尺寸和形貌的一维纳米材料为基本单元，采用物理和化学的方法在两维或三维空间内构筑纳米体系，可得到包括纳米阵
纳米材料综述要点
纳米材料综述 一、基本定义 1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着 纳米科学技术的正式诞生。 1、纳米 纳米是一种长度单位，1纳米=1×10-9米，即1米的十亿分之一，单位符 号为 nm。 2、纳米技术 纳米技术是在单个原子、分子层次上对物质的种类、数量和结构形态进行 精确的观测、识别和控制的技术，是在纳米尺度范围内研究物质的特性和 相互作用，并利用这些特性制造具有特定功能产品的多学科交叉的高新技 术。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出 具有特定功能的产品。 纳米技术的发展大致可以划分为3个阶段： 第一阶段(1990年即在召开“Nano 1”以前主要是在实验室探索各种纳米粉体的制备手段，合成纳米块体(包括薄膜，研究评估表征的方法，探索纳米材料的特殊性能。研究对象一般局限于纳米晶或纳米相材料。 第二阶段 (1990年～1994年人们关注的热点是设计纳米复合材料： ?纳米微粒与纳米微粒复合(0-0复合， ?纳米微粒与常规块体复合(0-3复合， ?纳米复合薄膜(0-2复合。 第三阶段(从1994年至今纳米组装体系研究。它的基本内涵是以纳米颗粒 以及纳米丝、管等为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究。 3、纳米材料 材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料就称为纳米 材料。纳米材料和宏观材料迥然不同，它具有奇特的光学、电学、磁学、热学和力学等方面的性质。
图1 纳米颗粒材料SEM图 二、纳米材料的基本性质 由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。 1、力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。 2、热学性质 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，从而有效地将太阳光能转换为热能。 3、电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成
纳米材料制备方法综述
纳米材料制备方法综述 摘要：纳米材料由于其特殊性质，近年来受到人们极大的关注。随着纳米科技的发展，纳米材料的制备方法已日趋成熟。纳米材料的制备方法按物态一般可归纳为气相法、液相法、固相法。目前，各国科学家在纳米材料的研究方面已取得了显著的成果。纳米材料将推动21世纪的信息技术、医学、环境、自动化技术及能源科学的发展, 对生产力的发展产生深远的影响。 关键字：纳米材料，制备，固相法，液相法，气相法 近年来，纳米材料作为一种新型的材料得到了人们的广泛关注。纳米材料是指任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料，具有表面与界面效应，量子尺寸效应，小尺寸效应和宏观量子隧道效应，因而纳米具有很多奇特的性能，广泛应用于各个领域。为此，本文综述了纳米材料制备的各种方法并说明其优缺点。 目前纳米材料制备采用的方法按物态可分为：气相法、液相法和固相法。 一、气相法 气相法是将高温的蒸汽在冷阱中冷凝或在衬底上沉积和生长低维纳米材料的方法。气相法主要包括物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD），在某些情况下使用其他热源获得气源，如电阻加热法，高频感应电流加热法，混合等离子加热法，通电加热蒸发法。 1、物理气相沉积（PVD） 在PVD过程中没有化学反应产生，其主要过程是固体材料的蒸发和蒸发蒸气的冷凝或沉积。采用PVD可制备出高质量的纳米材料粉体。PVD可分为制备出高质量的纳米粉体。PVD可分为蒸气-冷凝法和溅射法。 1.1蒸气-冷凝法 此种制备方法是在低压的Ar、He等惰性气体中加热物质（如金属等），使其蒸发汽化, 然后在气体介质中冷凝后形成5-100 nm的纳米微粒。通过在纯净的惰性气体中的蒸发和冷凝过程获得较干净的纳米粉体。此方法制备的颗粒表面清洁，颗粒度整齐，生长条件易于控制，但是粒径分布范围狭窄。 1.2溅射法 用两块金属板分别作为阳极和阴极，阴极为蒸发用的材料，在两电极间充入Ar气(40～250Pa)，两电极间施加的电压范围为0.3～1.5kv。由于两极间的辉光放电使Ar离子形成，在电场的作用下Ar离子冲击阴极靶材表面，使靶材原产从其表面蒸发出来形成超微粒子．并在附着面上沉积下来。用溅射法制备纳米微粒有许多优点:可制备多种纳米金属，包括高熔
纳米光子学综述
关于《纳米光子学》的基本介绍 关键词： 序言 纳米光子学，被定义为纳米技术和光子学的融合学科，是一个新兴的前沿学科。它为基础研究提供了挑战，也为新技术提供了机遇。纳米光子学在市场上已经取得了一定的影响。它是一个多学科交叉的研究领域，为物理学，化学，应用科学，工程学和生物学，以及生物医学技术创造了机遇。 对于不同的人而言，纳米光子学的意义有所不同，在各自的情况下，纳米光子学的定义都显得非常地狭隘片面。一些书籍和综述里包含了纳米光子学的多个方面以供选择。然而，随着时代的发展，有必要出一本关于纳米光子学的专著来提供一个统一综合的体系。本书迎合了这个需要，就纳米光子学提供了统一的，全方位的描述，以满足各个不同学科读者的需要。本书的目的是为这个涉及面广泛的学科提供必要基础知识，以使各个学科的学者都能迅速掌握最低限度的，必要的知识背景用以研究和发展纳米光子学。作者希望本书既能够作为教育与培训的教科书，也可以作为帮助集光学，光子学和纳米技术于一身的领域研究和发展所需要的参考书。本书的另一个目的是引起研究人员，产业部门和企业促进合作的兴趣，在这个新兴科学上，能够制定出多学科交叉的工程，促使随之产生的技术能够发展和转化。 本书包含了集纳米技术，光子学和生物学于一体的理论知识和各种应用。每章开头的引言介绍了读者能从该章获取的知识。每章结尾的知识要点是需要深刻理解的知识，也可以作为前面所陈述内容的回顾。 纳米光子学—纳米技术领域的研究热点 纳米光子学是一个激动人心的崭新的前沿领域，在这里全世界的研究者们尽情发挥着他们的想象力和创造力。它在纳米范围内处理光与物质的相互作用。纳米光子学作为纳米科技新的分支，向基础研究提出了挑战，并为新技术的诞生创造了机遇。人们对纳米科学方面的兴趣来自于已经实现了的费曼的著名言论——“在底层还有很多的空间”（Feyman,1961,“There’s Plenty of Room at the Bottom”）。他指出如果能将一毫米的长度在十亿分之一米的纳米范围内进行分割，可以想象将会有多少片段和组分可进行操控和处理。 我们生活在一个“纳米热”的时代。纳米方面的一切都被认为是极其令人振奋和有价值的。许多国家已经对纳米技术展开积极的研究。2002年，美国国家研究委员会出版了关于美国国家纳米技术计划的详细报告（NRC Report，2002）。虽然不能断言纳米技术对每个问题都能提供一个较好的解决方法，但纳米光子学仍然创造出足以令人振奋的机会并使新技术成为可能，关键的因素是纳米光子学是在一个比光波长还要短的范围内处理光与物质的相互作用，以及它们的应用。撰写本书的目的是想通过对纳米光子学的介绍激发起更多人对这个新领域的兴趣。为了方便起见，书中列举的例子尽可能出自我们研究所开展的激光，光
纳米材料文献综述
北京化工大学北方学院NORTH COLLEGE OF BEIJING UNIVERSITY OF CHEMICAL TECHNOLOGY 碳纳米管的性质与应用 姓名：赵开 专业：应用化学 班级： 0804 学号： 080105097 2011年05月
文献综述 前言 本人论题为《碳纳米管的性质与应用》。碳纳米管是一维碳基纳米材料，其径向尺寸为纳米级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口。碳纳米管具有尺寸小、机械强度高、比表面大、电导率高、界面效应强等力学，电磁学特点。近年来，碳纳米管在力学、电磁学、医学等方面得到了广泛应用。 本文根据众多学者对碳纳米管的研究成果，借鉴他们的成功经验，就碳纳米管的性质及其功能等方面结合最新碳纳米管的应用做一些简要介绍。本文主要查阅近几年关于碳纳米管相关研究的文献期刊。
碳纳米管（CNT）是碳的同素异形体之一，是由六元碳环构成的类石墨平面卷曲而成的纳米级中空管，其中每个碳原子通过SP2杂化与周围3个碳原子发生完全键合。碳纳米管是由一层或多层石墨按照一定方式卷曲而成的具有管状结构的纳米材料。由单层石墨平面卷曲形成单壁碳纳米管（SWNT），多层石墨平面卷曲形成多壁碳纳米管（MWNT）。自从1991年日本科学家lijima发现碳纳米管以来，其以优异的力学、热学以及光电特性受到了化学、物理、生物、医学、材料等多个领域研究者的广关注。 一、碳纳米管的性质 碳纳米管的分类 研究碳纳米管的性质首先要对其进行分类。（1）按照石墨层数分类，碳纳米管可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。（2）按照手性分类，碳纳米管可分为手性管和非手性管。其中非手性管又可分为扶手椅型管和锯齿型管。（3）按照导电性能分类，碳纳米管可分为导体管和半导体管。 碳纳米管的力学性能 碳纳米管无缝管状结构和管身良好的石墨化程度赋予了碳纳米管优异的力学性能。其拉伸强度是钢的100倍，而质量只有钢的1/ 6，并且延伸率可达到20 %，其长度和直径之比可达100～1000，远远超出一般材料的长径比，因而被称为“超强纤维”。碳纳米管具有如此优良的力学性能是一种绝好的纤维材料。它具有碳纤维的固有性质，强度及韧性均远优于其他纤维材料[1]。单壁碳纳米管的杨氏模量在1012Pa范围内，在轴向施加压力或弯曲碳纳米管时，当外力大于欧拉强度极限或弯曲强度，它不会断裂而是先发生大角度弯曲然后打卷形成麻花状物体，但是当外力释放后碳纳米管仍可以恢复原状。 碳纳米管的电磁性能
纳米光子学1-余
1表面等离子激元（SPPs）： 定义：是在金属表面区域的一种自由电子和光子相互作用的形成的电磁模。 性质：1.在垂直于界面的方向场强呈指数衰减；2.能够突破衍射极限；3.具有很强的局域场增强效应；4.只能发生在介电参数（实部）符号相反（即金属和介质）的界面两侧。激发方式：(1)波导结构：利用波导边界处的倏逝波激发表面等离子体波，使波导中的光场能量耦合到表面等离子体波中。在实际的研究中，常采用光纤做波导，剥去光纤某段的包层，再镀上金属；(2)棱镜耦合：包括两种，一种是Kretschmann 结构，另一种是Otto 结构。Kretschmann 结构适用于金属薄膜，入射光以大于全反射角的角度入射，利用棱镜的高折射率进行波矢补偿，类似于油浸透镜的原理。2sin spp p k n p q l =；对于较厚的金属膜，Otto 结构比较适合。在该结构中，虽然全反射棱镜和金属膜之间有很小的空气间隙(近场区域)，仍可在金属和空气间隙的界面上激发SPPs。(3)光栅耦合：利用光栅引入一个额外的波矢量的增量实现波矢量的匹配。(4)近场耦合：对于粗糙表面，不需要任何额外的结构设计，表面粗糙的衍射效应就可以提供在金属膜表面激发SPPs 所需的波矢补偿即直接的光照射便激发SPPs。(5)NSOM 激发：用一个尺寸小于波长的探针尖在近场范围内去照射金属表面，由于探针尖尺寸很小，从探针尖出来的光会包含波矢量大于SPPs 矢量的分量，这样就能够实现波矢量的匹配。(6)采用强聚焦光束，利用高数值孔径的显微目镜可直接接触到介质层，在介质层与目镜之间涂上匹配油层，高数值孔径能够提供足够大的入射角，实现波矢量匹配，从而激发出表面等离子体波。 2金属电介质界面表面等离子色散关系的物理意义： 1/2m d m d c εεωβεε??=??+??,β为传播常数。m ε表示金属或者半导体介质相对介电常数；d ε表示电介质相对介电常数。其实部和虚部为：1/2d mr r d mr c εεωβεε??=??+??，3/222()mi d mr i mr d mr c εεεωβεεε??=??+?? 物理意义：等离子体中存在的波的频率和波矢之间的关系需满足色散关系，而色散关系完全确定给定条件下等离子体中可能存在的波的全部性质。SPP 色散关系可以完全描述SPP 的光特性，是进行SPP 相关研究的基本理论基础。 3任选一种表面等离子激元应用，简述原理。 表面等离子传感器（图） 偏振光入射到金属薄膜上，经聚焦若入射角度满足()()2121arcsin εωωεωωθ+=，产生SP 激发，SP 与n 有敏感的关系，下面是流体通道，内放有特殊物质，从而折射率n 变化，即θ也变化，角度的变化反应n 变化，从而确定生物组织是否变化。 4光子晶体的基本概念（带隙成因与电子材料的区别） 概念：是一种介电常数周期性调制的微结构材料，尺度为波长量级，具有光子带隙特性的人造周期性电介质结构，是1987年美国贝尔研究中心的Eyablono witch 和普林斯的S.John 分别独立提出了光子晶作的概念。 光子带隙：在一定频率范围内的光子在光子晶体的范围内的某些方向上是禁止传播的。完全带隙，在一定频率范围内，任何偏振与传播方向的电磁波都被严格禁止，这种情况只有在三维晶体中才能实现。光子晶体特性：①抑制自发辐射：带隙中密度力零，自发辐射几乎为零，这也抑制了自发辐射②光子局域化，光子晶体原有的对称性遭到破坏时，即有了缺陷，在光子晶体中禁带就可能出现频宽极窄的缺陷态或域态。与缺陷频率符合的光子会被局限在缺陷位置，而不能向空间传播。 与半导体的区别：半导体：原子周期性排列，原子尺度自然结构，控制电流。1950年电子技术革命。光子晶体：介电常数周期性变化，尺度波长量级，人工结构，控制电磁波传播，现在光学新领域。 与电子材料的区别：①电子和光子具有不同波，可见光400－700nm，电子0.1nm②电子系统遵循薛定谔方程???E )r (V u 2h 22=+??，光子系统依照亥姆霍兹方程()()0E r c E E 22=????+??εω③带隙成因不同：电子在周期场中传播时由于会受到周期势场的布拉格散射会形成能带结绝，带与带之间可能存在带隙，电子波的能量如果落在带隙中，传播是禁止的，电磁波在周期性介质材料中传播时，由于受到调制而形成光子能带结构，频率落在带隙内的电磁波不能通过介质，而被全部反射，即形成光子带隙。 （图） 自然界的光子晶体： 蛋白石：一种天然宝石，以乳白色居多，不同角度观赏呈不周颜色，具有七彩缤纷的外观。成因：含SiO2地下水渗入岩缝沉积形成，沉积1CM3的蛋白石约需10000年。应用：已有多种基于光子晶体的全新光子学器被相继提出，包括无阈值的激光器，无损耗的反射镜和弯曲光路。高晶质因子的光学微腔，低驱动能量的非线性开关和放大器，波长分辨率极高而体积极小的超棱镜，具有色散补偿作用的光子晶体光纤，以及提高效率的发光二极管等。光子晶体近期在国际上的应用进一步深化，具体表现在：1、与纳米技术结合，用于制造微米级的激光硅基。2、与量子点结合，使得原子和光子的相互作用影响材的性质，从而达到减小吸收等作用。3、光子晶体的光纤应用。 5微腔的品质因子，精细度，自由电子谱宽度。 光学微腔是一种尺寸在微米量级或者亚微米量级的光学谐振腔。它利用在折射率不连续的界面上的反射全反射散射或衍射效应，至少在一个方面将光限制在一个很小的区域。 最简单模型：（C－J 2模型，即单膜场与二原子能级作用，可给出解析解） )a a a (g a a W 2 W H R d ++++++?=σσ理想腔：无损振荡—Rabi 实际：Dumped 振荡。 三种典型的微腔：1、F－P 腔：Q 不高，模式体积大。2、回单壁模式微腔：轴对称，内反射对光控制，Q 很高，容易集成。3、光子晶体微腔：引入缺陷，Q 高，模式体积小。（画图，公式）
纳米材料综述 论文
纳米材料综述 1 引言 纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9米)的超细材料，它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般为100一102nm。它包括体积分数近似相等的两个部分:一是直径为几个或几十个纳米的粒子;二是粒子间的界面。前者具有长程序的晶状结构，后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构。 1984年德国萨尔兰大学的Gleiter以及美国阿贡试验室的Siegel相继成功地制得了纯物质的纳米细粉。Gleiter在高真空的条件下将粒径为6nm的Fe粒子原位加压成形，烧结得到纳米微晶块体，从而使纳米材料进入了一个新的阶段。1990年7月在美国召开的第一届国际纳米科学技术会议，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。从材料的结构单元层次来说，它介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。在纳米材料中，界面原子占极大比例，而且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构. 在纳米材料中，纳米晶粒和由此而产生的高浓度晶界是它的两个重要特征。纳米晶粒中的原子排列已不能处理成无限长程有序，通常大晶体的连续能带分裂成接近分子轨道的能级，高浓度晶界及晶界原子的特殊结构导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变。纳米相材料和其他固体材料都是由同样的原子组成，只不过这些原子排列成了纳米级的原子团，成为组成这些新材料的结构粒子或结构单元。其常规纳米材料中的基本颗粒直径不到l00nm，包含的原子不到几万个。一个直径为3nm的原子团包含大约900个原子，几乎是英文里一个句点的百万分之一，这个比例相当于一条300多米长的帆船跟整个地球的比例。 2 纳米材料特性 一般在宏观领域中，某种物质固体的理化特性与该固体的尺度大小无关。当物质颗粒小于100 nm时，物质本身的许多固有特性均发生质的变化。这种现象称为“纳米效应”。纳米材料具有三大效应：表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。 2.1表面效应 纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。随着粒径变小，表面原子所占百分数将会显著增加。当粒径降到1 nm时，表面原子数比例达到约90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子表面。由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。 2.2小尺寸效应 由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，比表面积增加，从而产生一系列新奇的性质： 1)特殊的光学性质：纳米金属的光吸收性显著增强。粒度越小，光反射率越低。所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑。金属超微颗粒对光的反射率通常可低于l％，约几微米的厚度就能完全消光。相反，一些
纳米材料研究综述
文章编号:1004-3888(2003)05-0397-04 纳米材料研究综述 Ξ 张万忠,李万雄 (湖北农学院环境工程系,湖北荆州434025) 摘 要:综述了纳米材料的研究概况,介绍了纳米材料的研究现状、特点、结构、特性、制备 方法及其应用状况。 关键词:纳米材料;结构与特性;制备与应用中图分类号:O157 文献标志码:A 纳米材料是指微观结构至少在一维方向上受 纳米尺度调制的各种固态材料[1],其晶粒或颗粒尺寸在1～100nm 数量级,主要由纳米晶粒和晶粒界面两部分组成,其晶粒中原子的长程有序排列和无序界面成分的组成后有大量的界面(6×1025m 3/10nm 晶粒尺寸),晶界原子达15%～50%,且原子排列互不相同,界面周围的晶格原子 结构互不相关,使得纳米材料成为介于晶态与非 晶态之间的一种新的结构状态[2]。此外,由于纳米晶粒中的原子排列的非无限长程有序性,使得通常大晶体材料中表现出的连续能带分裂为接近分子轨道的能级。高浓度界面及原子能级的特殊结构,使其具有不同于常规材料和单个分子的性质如表面效应、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等,导致了纳米材料的力学性能、磁性、介电性、超导性光学乃至力学性能发生改变,使之在电子学、光学、化工陶瓷、生物、医药等诸多方面具有重要价值,得到了广泛应用[3,4]。 1 纳米材料研究的现状与特点 1.1 纳米材料研究的现状 上世纪70年代纳米颗粒材料问世,80年代 中期在实验室合成了纳米块体材料,80年代中期以后,成为材料科学和凝聚态物理研究的前沿热点。可大致分为3个阶段;第一阶段(1990年以前),主要是在实验室探索用各种手段制备各种材 料的纳米颗粒粉体,合成块体(包括薄膜),研究评价表征的方法,探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能;第二阶段(1994年前),人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特的物理、化学和力学性能,设计纳米复合材料,通常采用纳米微粒与纳米微粒复合,纳米微粒与常规块体复合及发展复合纳米薄膜;第三阶段(从1994年到现在),纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构的材料体系越来越受到人们的关注,正在成为纳米材料研究的新的热点。 1.2 纳米材料研究的特点 (1)纳米材料研究的内涵逐渐扩大 第一阶 段主要集中在纳米颗粒(纳米晶、纳米相、纳米非晶等)以及由它们组成的薄膜与块体,到第三阶段纳米材料研究对象发展到纳米丝、纳米管、微孔和介孔材料(包括凝胶和气凝胶)。 (2)纳米材料的概念不断拓宽 1994年以 前,纳米结构材料仅仅包括纳米微粒及其形成的纳米块体、纳米薄膜,现在纳米结构材料的含意还包括纳米组装体系,该体系除了包含纳米微粒实体的组元,还包括支撑它们的具有纳米尺度的空间基体,因此,纳米结构材料内涵变得丰富多彩。 (3)基础研究和应用研究并重 目前,基础研究和应用研究出现并行发展的新局面,纳米材料的应用成为人们关注的热点,纳米材料进入实用阶段,纳米材料及相应产品开始陆续进入市场。 Ξ 收稿日期:2003206206 第一作者简介:张万忠(1965-),男,河南罗山县人,理学硕士,湖北农学院环境工程系副教授. 第23卷 第5期Vol.23No.5 湖 北 农 学 院 学 报 Journal of Hubei Agricultural College 2003年10月Oct.2003
H. GLEITER纳米材料综述
NANOSTRUCTURED MATERIALS:BASIC CONCEPTS AND MICROSTRUCTURE p H.GLEITER Forschungszentrum Karlsruhe,Institute of Nanotechnology,D-76021Karlsruhe,Germany (Received 1June 1999;accepted 15July 1999) Abstract DNanostructured Materials (NsM)are materials with a microstructure the characteristic length scale of which is on the order of a few (typically 1±10)nanometers.NsM may be in or far away from ther-modynamic equilibrium.NsM synthesized by supramolecular chemistry are examples of NsM in thermo-dynamic equilibrium.NsM consisting of nanometer-sized crystallites (e.g.of Au or NaCl)with di erent crystallographic orientations and/or chemical compositions are far away from thermodynamic equilibrium.The properties of NsM deviate from those of single crystals (or coarse-grained polycrystals)and/or glasses with the same average chemical composition.This deviation results from the reduced size and/or dimen-sionality of the nanometer-sized crystallites as well as from the numerous interfaces between adjacent crys-tallites.An attempt is made to summarize the basic physical concepts and the microstructural features of equilibrium and non-equilibrium NsM.#2000Acta Metallurgica Inc.Published by Elsevier Science Ltd.All rights reserved. Keywords:Nanostructured materials;Chemical stability;Thermodynamics;Mechanical properties;Micro-structure 1.BASIC CONCEPTS 1.1.Categories of nanostructured materials One of the very basic results of the physics and chemistry of solids is the insight that most proper-ties of solids depend on the microstructure,i.e.the chemical composition,the arrangement of the atoms (the atomic structure)and the size of a solid in one,two or three dimensions.In other words,if one changes one or several of these parameters,the properties of a solid vary.The most well-known example of the correlation between the atomic structure and the properties of a bulk material is probably the spectacular variation in the hardness of carbon when it transforms from diamond to https://www.360docs.net/doc/4f13583648.html,parable variations have been noted if the atomic structure of a solid deviates far from equilibrium or if its size is reduced to a few intera-tomic spacings in one,two or three dimensions.An example of the latter case is the change in color of CdS crystals if their size is reduced to a few nano-meters [1]. The synthesis of materials and/or devices with new properties by means of the controlled manipu- lation of their microstructure on the atomic level has become an emerging interdisciplinary ?eld based on solid state physics,chemistry,biology and materials science.The materials and/or devices involved may be divided into the following three categories [2]. The ?rst category comprises materials and/or devices with reduced dimensions and/or dimension-ality in the form of (isolated,substrate-supported or embedded)nanometer-sized particles,thin wires or thin ?lms.CVD,PVD,inert gas condensation,var-ious aerosol techniques,precipitation from the vapor,from supersaturated liquids or solids (both crystalline and amorphous)appear to be the tech-niques most frequently used to generate this type of microstructure.Well-known examples of technologi-cal applications of materials the properties of which depend on this type of microstructure are catalysts and semiconductor devices utilizing single or multi-layer quantum well structures. The second category comprises materials and/or devices in which the nanometer-sized microstructure is limited to a thin (nanometer-sized)surface region of a bulk material.PVD,CVD,ion implantation and laser beam treatments are the most widely applied procedures to modify the chemical compo-sition and/or atomic structure of solid surfaces on a nanometer scale.Surfaces with enhanced corrosion resistance,hardness,wear resistance or protective Acta mater.48(2000)1±29 1359-6454/00/$20.00#2000Acta Metallurgica Inc.Published by Elsevier Science Ltd.All rights reserved.PII:S 1359-6454(99)00285- 2 https://www.360docs.net/doc/4f13583648.html,/locate/actamat p The Millennium Special Issue DA Selection of Major Topics in Materials Science and Engineering:Current status and future directions,edited by S.Suresh.