2022年纳米材料纳米结构性能应用基础2.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用工程名称：纳 M材料和纳 M结构的性能与应用基础首席科学家：解思深中国科学院物理讨论所起止年限：2005.12 至 2022.11 依靠部门：中国科学院1 / 17 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 17 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用一、讨论内容本工程拟解决的关键科学问题是：纳 M 材料和纳 M 结构的可控生长是纳M 材料与纳 M 结构讨论中的基本问题之一；本工程拟从讨论可控生长的条件及生长动力学动身,总结基本试验规 律及纳 M 尺度下物质和能量的

2、输运的规律和理论模型,实现纳 M 材料生长中 尺寸、外形、方向、位置及结构的掌握；纳 M 体系中的尺寸效应、表面与界面、电子相干性是纳 M 材料与纳 M 结构讨论中的另一基本问题；本工程拟讨论纳M 材料中的发光行为、电子的量子输运、纳 M 复合体系的磁性及其它量子相干效应、位错与界面的交互作用、纳 M 材料在外场中的响应,以及它们与电子、声子等元激发的基态和激发态的关系；得到体会规律,提出理论模型,实现对纳 纳 M 材料的优异性能；M 材料与结构的性能调控,揭示在纳 M 材料可掌握备和结构性能关系讨论的基础上,探究纳 M 材料与纳M 结构在制造业、信息技术、能源、环境、健康医疗、生物技术和国家

3、安全等领域中的应用；本工程拟探究如干种关键的纳M 材料和纳 M 结构,在场发射平板显示、光电器件、传感器的应用,并进展高强、高导热、高导电等有用纳 M 材料和纳 M 结构；具体的科学问题分解为以下三个方面：的设计与合成 M 化的动力学过程 3、金属材料结构纳 4、纳 M 氮化物和碳化物材料的可掌握备和应用探究5、与标准的半导体制备环境相兼容的纳M 管/纳 M 线制备技术对性能的影6、讨论电极材料与电极结构纳 M 化对离子、电子传输动力学的影响三）纳 M材料和纳 M结构优异性质的应用 1、一维纳 M 材料为基的原理型量子器件的探究 2、纳 M 材料在场发射器件中的应用和性能提高3、高强、高导热、

4、高导电等纳M 材料和纳 M 结构的应用探究2 / 17 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 17 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用4、纳 M 复合磁性材料在磁致冷和磁传感领域中的可能应用5、通过比表面的调控提升金属 本工程的主要讨论内容-空气电池容量、功率与寿命一）纳 M材料合成方法探究及可控生长讨论 1、系统讨论纳 M 材料合成及可控生长的热力学和动力学过程,查找有利的纳 M 材料合成与生长的工艺条件；由体会规律导出纳M 尺度下影响生长过程的热力学和统计物理的规律,从理论上对热力学和动力学掌握纳 M 材料合成生进步行诠释,进展

5、无机纳 M 材料制备技术和讨论其形成机理,以期实现纳 M材料的可控合成与生长；2、探究 “自下而上 ”制备纳 M 材料的新途径；以溶剂热和复合溶剂热合成为主要方法,进展 -射线、超声、微波等外场帮助的纳 M 材料制备技术；3、一维纳 M 材料的催化生长机理及结构掌握,讨论纳 M 催化剂的组分、尺寸、外形及外场对一维纳M 材料生长的影响,制备物相、外形、尺寸可控的一维纳 M 线、管、带、线圈、空心球和其它纳 M 结构；4、纳 M 异质结构和二元 /赝二元体系的一维纳M 材料的轴向结构掌握；具有一维准有序结构的纳 M 材料和纳 M 芯壳结构的设计与合成；5、纳 M 管/纳 M 线阵列的定位生长与定

6、向生长；通过微纳 M 光刻技术制备金属催化剂图型,利用CVD 方法和外场掌握,在衬底上的确定位置生长纳M 管/纳 M 线的阵列的技术；6、进展与 IC-工艺兼容的纳M 管/纳 M 线合成与集成技术；讨论纳M 管/纳 M 线的合成条件 如温度、衬底、催化材料等 与器件工艺的兼容性；1、一维纳 M 材料和纳 M 异质结构中电子态、声子态和低能元激发的谱学 及相互作用性质的讨论,重点讨论力学性质、电输运性质、发光性质及热学性 质,一维纳 M 材料和纳 M 异质结构中的结构性能关系的尺度效应；2、电介质 /贵金属芯壳纳 M 结构对表面等离子体共振 SPR吸取峰移动的 影响,讨论同轴异质纳 M 棒的荧光

7、现象及变化规律,分别实现对 SPR 峰和荧 光峰位在较大波长范畴内的调控；3、表面状态和环境对一维纳 M 结构阵列表面化学、生物修饰M 材料和纳 M 异质结构性能的影响,讨论纳 包括官能团的接枝 以及纳 M 异质结构的环境敏锐性等；讨论环境和表面状态对结构或性能的影响；4、纳 M 磁性颗粒的尺度、极化取向和在半导体基体中的分布对磁性金属 / 半导体复合体系中电子传输规律的影响,探究通过掌握磁性金属纳 M 颗粒尺 寸、极化取向和分布优化体系的磁学性质和输运性能的新途径；5、讨论纳 M 化电极的组成、结构与化学能-电能转变的关系,讨论电极与电解质的兼容性及循环稳固性,提升金属-空气电池容量、功率和

8、寿命,探究电 极材料纳 M 化的电池中离子和电子传输的新规律；在剧烈塑性变形过程中微观结构纳 M 化动力学及结构 演化过程和纳 M 晶粒形成机理；讨论塑性变形导致最小极限尺寸晶粒的微观结 构演化及变形行为；讨论金属材料的晶体结构、层错能和变形条件的应变量、应变速率等参量与细化机理的相关性,揭示剧烈塑性变形诱导的纳 M 晶粒形成 机理；通过优化微观结构大幅度提高这些材料的综合力学性能和电学性能；2、金属及其合金纳M 结构的综合力学性能和电学性能；分别采纳剧烈塑性变形技术和电化学沉积工艺制备高致密、高纯度可用于宏观力学性能测试的纳 M 结构 Cu 和 Cu 合金样品,讨论制备工艺条件对纳MCu 和

9、 Cu 合金微观结构的影响；讨论纳 MCu 及合金样品的本征力学性能、塑性变形和强化机制；研 究纳 M 材料中晶界、孪晶界、位错、结构等对材料性能的影响,建立纳 M 金 属材料的结构 性能关系模型,为实现高强度、高导电性功能金属材料奠定基 础；的纳 M 金属材料；一维纳 M 材料可控生长的 1-2种新技术；进展出与 IC-工艺兼容的纳 M 管/纳 M 线合成与集成技术；五年发表 500 篇 SCI 收录的论文,申请国内专利 25 项,国外专利 10 项,出版 1 至 2 本专著；获国家奖 1-2 项；通过本工程的执行,培育和造就一批高层次的讨论人才,形成几个在相关领域中有国际影响的讨论群体；2

10、工程五年预期目标1、探究纳 M 材料和纳 M 结构新体系制备科学和新合成方法,分析纳 M 材料形成阶段的动力学过程,对材料的形成机理进行深化讨论,熟悉纳 M 材料平衡态及非平稳态物相形成的热力学性质,优化纳M 材料合成与生长的工艺条件,完善掌握合成方法,获得无机纳 M 材料的合成与可控生长技术和学问；在相关理论指导下制备物相、外形、尺寸可控及具有特定物相或通常难以合成的纳 M 材料,开拓和进展拥有自主学问产权的纳M 异质结构及阵列的制备技术,建立对该体系性能可调的新原理和新方法,设计合成多种纳 M 异质结构和阵列；2、开拓和进展一维纳M 材料如碳纳 M 管可控生长的热力学和统计物理；进展多组元

11、、多相一维半导体纳 M 材料可控生长的 1-2 种新技术,探究具有轴向超结构的一维半导体纳 M 材料新的制备方法；在一维纳 M 材料的结构、性能关系之间的尺度效应讨论上,找到一些结构与物性的定量关系,提炼出普适的结构物性规律；3、通过深化讨论金属材料微观结构纳M 化过程机理,进展一至两种先进的纳 M 金属和合金制备技术,并获得具有优异综合性能 力学性能和电学性能 的纳 M 金属材料；建立并完善纳M 金属材料的微观结构与本征性能之间的关系,进一步深化懂得纳M 金属材料的结构稳固性及其掌握规律,揭示纳M 金属材料中的一些新规律、新现象和新性能；为纳 代高性能、高稳固性金属材料奠定基础；M 材料的实

12、际应用和进展新一4、进展出与 IC- 工艺兼容的纳 M管/ 纳 M线合成与集成技术；实现纳 M管/纳 M线阵列的定位生长和定向生长；进展出纳M管/ 纳 M线场效应晶体管制备工艺和测试技术,制备出原型器件；研制出单色碳纳 M 管场发射平面显示样机,争取实现彩色显示；5 / 17 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 17 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用三、讨论方案1本工程的讨论思路和工程的技术路线及可行性1）本工程的讨论思路本工程以上一个 973 工程 “纳 M 材料与纳 M 结构 ”的五年讨论成果、技术积存为基础,以国家的重大需

13、求为牵引,集中讨论有重要应用或重大科学价值的纳 M 材料与纳 M 结构；坚持试验和理论并举、基础讨论和应用讨论并重,针对纳 M 体系的无限周期结构的缺损、原子或分子数有限和电子态的量子涨落、电子间相互作用等特点,进展与纳M 体系相应的试验方法和理论,发觉纳M 体系中新现象和新规律；阐明材料的结构参数与制备条件之间的内在联系,实现纳 M 材料与纳 M 结构的可掌握备；深化懂得纳M 材料的微观结构与本征性能之间的关系,实现功能设计和调控；在应用讨论方面,探讨纳 M 材料用于器件的可能性,进展以纳M 结构为工作单元的发光、平面显示和纳电子器件；进展面对微纳系统中特殊需求的纳 M 金属材料；探究解决金

14、属-空气电池寿命的有效途径,进展满意移动电源需求的纳 M 金属-空气电池；进展纳 M 复合磁性材料的低场、室温磁制冷新技术；在整个工程中,以纳M 材料的性能讨论为主导,以纳M 材料的制备为基础,探究有应用前景的纳M 材料和器件；2）本工程的技术路线以通过深化讨论纳M 材料与结构的形成机理为基础,揭示材料的结构与制备条件之间的内在联系,进展出如干种重要的纳 M 材料与纳 M 结构可控合成与组装技术；以功能为牵引进展自下而上的可掌握合成和自组装技术,实现从简洁纳 M 材料和结构向具有特定功能的、多组元、复杂结构或超结构的过渡；在此基础上制备出信息业和制造业需要的关键纳 材料的性能讨论和器件应用供应

15、基础；M 材料与纳 M 结构,为纳 M以发觉材料的优异特性和潜在应用为牵引,阐明纳 M 材料的微观结构与本征性能之间的关系,实现功能设计和调控；以讨论表面界面结构、缺陷对性能的影响为动身点,通过表面修饰、掺杂、环境变化和施加外场为手段,结合发展新的纳 M 尺度表征技术,揭示纳 新规律、新现象和新性能；M 尺度体系中的光、电、磁和力学的一些环绕国家目标开展如干项纳 M 材料的应用讨论；以制备和性能讨论的成果为基础,在纳 M 结构的可掌握备的基础上,实现器件前驱体、原型器件的构筑；进展出与 IC-工艺兼容的纳 M 管/纳 M 线合成与集成技术；进展相应的制备工艺和测试技术,制备出原型器件；通过金属

16、及合金材料的结构纳 M 化,和进展纳 M 复合材料,获得具有特殊性能的新型材料；的纳 M 金属材料；建立并完善纳M 金属材料的微观结构与本征性能之间的关系,进一步深化懂得纳M 金属材料的结构稳固性及其掌握规律,揭示纳M金属材料中的一些新规律、新现象和新性能；经费比例： 14.3% 05课题：多元纳 M 复合体系的结构和性能优化 承担单位：南京高校 负责人：张凤鸣 主要学术骨干：都有为、唐少龙、熊诗杰、殷江、高濂 主要讨论内容和目标：讨论多元组成、界面耦合、与尺寸纳 M 化对性能的影响 和变化规律,从而实现对优异磁学性能和其他功能特性的人工调控；讨论核 /壳 结构磁性材料的静态与动态磁性及量子限

17、域效应,揭示出性能与微结构之间的内在联系；讨论磁性纳M 结构材料的输运性质及在磁致冷和磁传感技术等领域中的应用；利用具有优异特性的纳 M 材料,改进高聚物和陶瓷材料的综合性能,通过两相复合研制出高强度、高导电性、高介电性、高导热性多元纳 M 复合体系；经费比例： 16% 06课题：纳 M 材料与纳 M 结构优异性能的讨论和应用承担单位：清华高校 负责人：范守善主要学术骨干：朱嘉麟、李亚栋、姜开利、唐成春主要讨论内容和目标：进展出与 IC-工艺兼容的纳 M 管/纳 M 线合成与集成技术,实现纳 M 管/纳 M 线阵列的定位和定向生长；进展出纳 M 管/纳 M 线场效应晶体管制备工艺和测试技术,制

18、备出原型器件,研制出单色碳纳 M 管场发射平面显示样机,争取实现彩色显示；实现对单分散金属、半导体纳 M 粒子尺寸、外形、分散度以及微观结构的掌握,讨论其在纳 应用中的基本科学问题；经费比例： 14.3% M 催化与纳 M 生物技术07课题：纳 M 新能源材料能量转化的新规律及在高端电池中的应用 承担单位：南开高校 负责人：陈军 主要学术骨干：黄唯平、唐祥海主要讨论内容和目标：设计合成纳M 新能源材料,讨论组成、结构对化学能转变电能的影响,探究电子、离子传输的新规律,讨论电极界面结构、电解质对 能量转化和能量传输的影响,电极与电解质的兼容性以及电极的循环稳固性,构建纳 M 材料电极的新型金属

19、-空气电池；经费比例： 7.2% 4各课题之间的关系9 / 17 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 17 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用为了推动工程顺当地实施,我们全盘考虑了工程的实施方案,把前面提到的 4 项主要讨论内容划分为3 个层面,组织7 个课题进行分工讨论； 3 个层面是： 1纳 M 材料可控生长新方法和新原理、纳M 受限体系热力学； 2纳 M 材料性能调控、优化和稳固性；3纳 M 材料的应用基础的科学问题,原型纳M器件的设计、制作和纳M 材料在提升金属 -空气电池性能上的应用； 3 个层面相互联系,相互依靠,总工

20、程的讨论目标和关键地科学问题作为 2 条纵线贯穿 3个层面地讨论,并作为纽带把 7 个课题紧紧锁定在 4 个主要讨论内容上；在战略部署上,在第一个层面地讨论上,主要支配了一个子课题 01 课题 ,在其次个层面讨论上,部署了4 个子课题 02、03、04、05 课题 联合进行讨论,在第三个层面上,以 06 和 07 课题作为骨干力气与其他课题协作进行重点突破；这套讨论方案和讨论力气地部署与前一期 973 工程“ 纳M 材料和纳 M 结构” 相比较,讨论重心有明显地转移,在性能优化调控和纳M 材料应用两个方面有所拓展,加强了讨论力气的部署；在制备科学方面,把纳M 材料可控生长和纳M受限体系热力学讨

21、论作为重点,同时在纳M 材料应用讨论上强调应用目标地牵引,强调讨论应用的新原理和基本的科研问题,确保了整个工程的讨论向深层 次进展；整个讨论方案概括为一个工程、两个贯穿、三个层面、四个主要讨论 内容、 7 个课题； 7 个子课题有分工,有协作,表达了整体的团队精神；首席科 学家在部署每一个子课题承担科研任务地同时,也明确了他们在整个工程中的 位置和作用,以及其他课题地联系；01 课题做一些探干脆的工作,加强试验和理论的结合,其余课题关于制备、生长动力学和热力学方面的讨论结果都集中在 主要侧重于第一个层面和第一方面内容的讨论；01 课题加以归纳和综合, 01 课题 06 和 07 课题主要的任务

22、是基础和应用讨论的连接,要以应用来带动基础讨论,其他课题组有应用苗头的研究成果和指导应用的新原理的讨论成果主要集中到06 和 07 课题加以集成,上述 2 个课题主要集中在第三个层面,环绕第四项讨论内容开展工作,一些原理型的纳M 器件和新型纳M 材料电池是上述两个课题主攻的讨论内容；02、03、04、05 课题都是以性能、规律的探究、结构和性能的关系为主线,侧重在其次个层面,环绕其次、第三讨论内容开展讨论工作,它们承上启下,与 01 课题、 06、07 课题有上下游的连接关系；02、03、04、05 课题在其次层面上既有分工,又有紧密的联系,02 课题讨论对象侧重于一维纳M 材料,以输运特性以

23、及和下一代器件相关的物性讨论为主；与06 课题有紧密的联系, 03 课题侧重纳 M 异质结构的设计和性能的调控,讨论对象以纳 M 阵列为主,性能侧重于光学特性,与 02、05 课题有紧密的联系； 04 课题讨论的对象是三维纳 M 体材料及体材料表面纳 M 化,侧重讨论纳 M 结构演化过程与优异综合性能的关系,在制备科学上与 01 课题有亲密的联系,与此同时,也要开展一部分第三个层面的讨论,环绕结构材料性能升级、表面结构性能优化,以及面对微纳系统需求的纳 M 金属材料等方面开展应用讨论工作；05 课题讨论对象是多元纳M10 / 17 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 17

24、 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用复合体系,着重讨论材料体系的设计和性能优化的关系,以磁学性能讨论为主,适当担负一部分第三层面的讨论,同时,也要以磁致冷和磁传感为背景开展纳 M 磁性材料的应用讨论； 03 课题和 05 课题仍要与 07 课题紧密结合,依据07 课题对新型电池性能升级所需求的纳 M 材料进行异质纳 M 材料的设计和制备,给 07 课题进行新型纳 M 电池的设计、制作供应材料基础,使 07 课题集中讨论电极与电解质、离子和电子输运和化学能-电能转换规律等基本科学问题,探究解决金属 -空气电池寿命的有效途径,进展满意移动电源需求的纳 M

25、 金属 -空气电池；整个课题之间做到优势互补,相互联系；本工程在组织子课题上与 上一个 973工程 “纳 M 材料和纳 M 结构”有所不同,不再单独设立理论课题,而 是把理论功底好的科研骨干分散到相关的子课题中,使理论讨论更有针对性地与试验工作相结合,以利提高讨论水平和深度；四、年度方案11 / 17 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 17 页精选学习资料 - - - - - - - - - 讨论内容个人资料整理仅限学习使用预期目标2005 年 12 月2006 年 11 月探究出无机纳 M 材料的可行的合成改进设备,设计、探究无机纳M方案；解决一维纳M 材料的低成材料

26、的可行的合成方案,优化制本、大规模、结构可控生长中的关键技术问题；备过程,挑选重要的目标材料制备其一维纳 M 结构；讨论一维纳 M 材料可控生长,二 元和赝二元体系的一维纳 M 材料 的轴向结构掌握的合成技术；建理论协作试验,帮助理清机理,获 得试验过程数据,探讨建立模型；找出正确工艺条件,制备出可供规 律探究讨论的系列试样；第立理论模型,探讨运算方法；研揭示剧烈塑性变形诱导的纳M 晶粒究纳 M 异质结构及阵列制备科学形成机理；摸索出新的多元纳M 复和技术；合材料的制备条件 ,进行初步的性能系统讨论不同晶体结构金属材料分析和测试；实现纳M 电极材料的可控规模化制备,提升金属-空气电如 FCC

27、、BCC 和 HCP）在剧烈一池容量、功率与寿命；塑性变形过程中微观结构纳M 化年动力学及结构演化过程和纳M 晶发表 100 篇 SCI 论文,申请专利 5形成机理；项,国外 2 项；确定用于讨论有关磁性和其它性质的合适的多元纳 M 复合体系 ,制定出具体的试验方案 ,并针对这些体系进行相应的试验制备条件和理论运算的初步探究；实现对单分散金属纳 M 粒子、纳M 管/纳 M 线尺寸与结构掌握；生长出取向的纳 M 管/纳 M 线阵列；讨论场发射阴极的制备技术及其场发射特性；重点讨论设计合成纳 M 结构金属电极材料；12 / 17 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 17 页精选学习资料 - - - -