1、The Small World个人简介个人简介雷鸣，雷鸣，2007年中科院物理研究所纳米物理与器件实验室获理学博士学年中科院物理研究所纳米物理与器件实验室获理学博士学位。曾先后到香港科技大学和香港中文大学从事博士后研究工作。现位。曾先后到香港科技大学和香港中文大学从事博士后研究工作。现为北京邮电大学理学院岗位特聘教授，博士生导师。至今在为北京邮电大学理学院岗位特聘教授，博士生导师。至今在Scientific Reports、J.Power Sources、J.Membrane Sci.、Int.J.Hydrogen Energy、JACS、ACS Nano、APL、Nanotechnology
2、等国际重要学术期刊上合作发表论文等国际重要学术期刊上合作发表论文150余篇（第一作者余篇（第一作者42篇，通讯篇，通讯作者文章作者文章35篇），篇），SCI引用引用1500余次（余次（h因子因子25），曾主持完成国家），曾主持完成国家自然科学基金青年基金一项，横向课题两项，国家重点实验室开放基自然科学基金青年基金一项，横向课题两项，国家重点实验室开放基金一项，参与完成国家自然科学基金金一项，参与完成国家自然科学基金3项，参与完成科技部量子调控项，参与完成科技部量子调控重大研究计划项目课题一项。目前主持教育部新世纪优秀人才计划一重大研究计划项目课题一项。目前主持教育部新世纪优秀人才计划一项，国家
3、自然科学基金面上基金两项，国家重点实验室开放基金一项，项，国家自然科学基金面上基金两项，国家重点实验室开放基金一项，横向课题两项。横向课题两项。主要研究方向：主要研究方向：纳米材料与器件及其相关基础科学问题纳米材料与器件及其相关基础科学问题主要包括：主要包括：1.无机光电功能纳米材料及相关光电特性无机光电功能纳米材料及相关光电特性2能量存储与转换材料与器件能量存储与转换材料与器件3新型异质纳米结构光催化材料新型异质纳米结构光催化材料4有机分子材料与场效应晶体管有机分子材料与场效应晶体管本课程的内容本课程的内容1.绪论绪论2.纳米材料纳米材料 2.1 零维纳米结构：纳米粒子零维纳米结构：纳米粒子
4、 2.2 一维纳米结构：纳米线、纳米棒、纳米管一维纳米结构：纳米线、纳米棒、纳米管 2.3 二维纳米结构：薄膜、石墨烯二维纳米结构：薄膜、石墨烯 2.4 特殊纳米材料特殊纳米材料3.纳米材料的制备方法纳米材料的制备方法4.纳米材料的表征纳米材料的表征5.纳米材料的性能纳米材料的性能6.纳米材料的应用纳米材料的应用一、绪论1、引言、引言21世纪是高新技术的世纪，信息信息、生物生物和新材料新材料代表了高新技术发展的方向。在信息产业如火如荼的今天，新材料领域有一项技术引起了世界各国政府和科技界的高度关注，这就是纳米技术纳米技术。纳米技术包含下列四个主要方面：纳米材料、纳米动力学、纳米生物纳米材料、纳
5、米动力学、纳米生物学和纳米药物学、纳米电子学。学和纳米药物学、纳米电子学。1、纳米材料、纳米材料：当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。日本最早用蒸发法制备超微颗粒，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，像铁钴合金，把它做成大约20-30 nm大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍。80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料。原因：磁
6、畴中的单个原子排列的并不是很规则，而单原子中间是一个原子核，外则是电子绕其旋转的电子，这是形成磁性的原因。但是，变成单磁畴后，单个原子排列的很规则，对外显示了强大磁性。这一特性，主要用于制造微特电机。如果将技术发展到一定的时候，用于制造磁悬浮，可以制造出速度更快、更稳定、更节约能源的高速列车。2、纳米动力学：、纳米动力学：主要是微机械和微电机，或总称为微型电动机械系统机械系统（MEMS),用于有传动机械的用于有传动机械的微型传感器和执行器、微型传感器和执行器、光纤通讯系统，特种电子设备、医疗和诊断仪器光纤通讯系统，特种电子设备、医疗和诊断仪器等。用的是等。用的是一种类似于集成电器设计和制造的新
7、工艺。特点是部件很小，一种类似于集成电器设计和制造的新工艺。特点是部件很小，刻蚀的深度往往要求数十至数百微米，而宽度误差很小。这刻蚀的深度往往要求数十至数百微米，而宽度误差很小。这种工艺还可用于制作三相种工艺还可用于制作三相电动机电动机，用于超快速离心机或陀螺，用于超快速离心机或陀螺仪等。在研究方面还要相应地检测准原子尺度的微变形和微仪等。在研究方面还要相应地检测准原子尺度的微变形和微摩擦等。虽然它们目前尚未真正进入纳米尺度，但有很大的摩擦等。虽然它们目前尚未真正进入纳米尺度，但有很大的潜在科学价值和经济价值。潜在科学价值和经济价值。理论上讲：可以使微电机和检测技术达到纳米数量级。理论上讲：可
8、以使微电机和检测技术达到纳米数量级。一、绪论3、纳米生物学和纳米药物学纳米生物学和纳米药物学：如在云母表面用纳米微粒度：如在云母表面用纳米微粒度的胶体金固定的胶体金固定DNA的粒子，在二氧化硅表面的叉指形电极做的粒子，在二氧化硅表面的叉指形电极做生物分子间互作用的试验，磷脂和脂肪酸双层平面生物膜，生物分子间互作用的试验，磷脂和脂肪酸双层平面生物膜，DNA的精细结构等。有了纳米技术，还可用自组装方法在细的精细结构等。有了纳米技术，还可用自组装方法在细胞内放入零件或组件使构成新的材料。新的药物，即使是微胞内放入零件或组件使构成新的材料。新的药物，即使是微米粒子的细粉，也大约有半数不溶于水；但如粒子
9、为纳米尺米粒子的细粉，也大约有半数不溶于水；但如粒子为纳米尺度（即超微粒子），则可溶于水。度（即超微粒子），则可溶于水。纳米生物学发展到一定技术时，可以用纳米材料制成具有识纳米生物学发展到一定技术时，可以用纳米材料制成具有识别能力的纳米生物细胞，并可以吸收癌细胞的生物医药，注别能力的纳米生物细胞，并可以吸收癌细胞的生物医药，注入人体内，可以用于定向杀癌细胞。入人体内，可以用于定向杀癌细胞。4、纳米电子学：、纳米电子学：包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光结构的光/电性质、纳米电子材料的表征，以及原子操纵和原电性质、纳米电子材料的表征，以及原子操纵和原
10、子组装等。当前电子技术的趋势要求器件和系统更小、更快、子组装等。当前电子技术的趋势要求器件和系统更小、更快、更冷，更小，是指响应速度要快。更冷是指单个器件的功耗更冷，更小，是指响应速度要快。更冷是指单个器件的功耗要小。但是更小并非没有限度。要小。但是更小并非没有限度。一、绪论“There is plenty of room at the bottom.”-R.P.Feynman,(Dec 29,1959).“What would happen if we could arrange the atoms one-by-one the way we want them?”2.纳米技术的发展历程 纳
11、米技术的灵感，来自于已故物理学家理查德费曼理查德费曼1959年所作的一次题为在底部还有很大空间的演讲。费曼质问道，为什么我们不可以从另外一个角度出发，从单个的分子甚至原子开始进行组装，以达到我们的要求？他说：“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。1990年7月在美国巴尔的摩召开了国际第一届纳米科学技术学术会议，正式把纳米材料科学作为材料科学的一个新的分支公布于世。2.纳米技术的发展历程1991年：年：vIBM的首席科学家的首席科学家Armstrong曾预言：曾预言：v“我们相信纳米科技将在信息时代的下我们相信纳米科技将在信息时代的下一个阶段占中心地位，并发挥革命
12、的作一个阶段占中心地位，并发挥革命的作用，正如用，正如20世纪世纪70年代初以来微米技术年代初以来微米技术已经起的作用那样。已经起的作用那样。”v克林顿：纳米技术可能是下个世纪前二克林顿：纳米技术可能是下个世纪前二十年最重要的技术。十年最重要的技术。v钱学森预言：钱学森预言：“纳米和纳米以下的结构纳米和纳米以下的结构是下一个阶段科技发展的一个重点，会是下一个阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革命，从而将使是一次技术革命，从而将使21世纪又一世纪又一次产业革命。次产业革命。”v1993年，因发明年，因发明STM而获得而获得Nobel物理学物理学奖的科学家海奖的科学家海罗雷尔：微米技术曾同样罗雷
13、尔：微米技术曾同样被认为对使用牛耕地的农民无关紧要。被认为对使用牛耕地的农民无关紧要。的确，微米与牛毫无关系，但它却改变的确，微米与牛毫无关系，但它却改变了耕作方式，带来了拖拉机。了耕作方式，带来了拖拉机。v1993年，年，Rohrer博士写信给江泽民主席。博士写信给江泽民主席。v他写道：他写道：“我确信纳米科技已经具有了我确信纳米科技已经具有了150年前微米科技所具有的希望和重要意年前微米科技所具有的希望和重要意义。义。150年前，微米成为新的精度标准，年前，微米成为新的精度标准，并成为工业革命的技术基础，最早和最并成为工业革命的技术基础，最早和最好学会并使用微米技术的国家都在工业好学会并使
14、用微米技术的国家都在工业发展中占据了巨大的优势。同样，未来发展中占据了巨大的优势。同样，未来的技术将属于那些明智地接受纳米作为的技术将属于那些明智地接受纳米作为新标准、并首先学习和使用它的国家。新标准、并首先学习和使用它的国家。”v这些预言十分精辟的指出了纳米体系的这些预言十分精辟的指出了纳米体系的地位和作用。地位和作用。纳米材料的发展大致可以划分为两个阶段：纳米材料的发展大致可以划分为两个阶段：第一阶段第一阶段(1991年以前年以前)：主要是在实验室探索用各种手：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，合成块体段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体(包括薄膜包括薄膜)，研究评
15、估表征的方法，挖掘材料的奇特物理、化学和研究评估表征的方法，挖掘材料的奇特物理、化学和力学性能。力学性能。第二阶段第二阶段(从从1991年到现在年到现在)：纳米组装体系的科学与应：纳米组装体系的科学与应用研究。它的基本内涵是以纳米颗粒以及纳米丝、管用研究。它的基本内涵是以纳米颗粒以及纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究。纳米结构的体系的研究。1 m=103 mm=106 m=109 nm=1010 纳米（Nano meter）又称为毫微米，是一种长度计量单位。广义地，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于广义
16、地，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。如果按维数，纳米材料的基本单元可以分为三类：(1)零维，零维，在空间三维尺度均在纳米尺度；(2)一维，一维，在空间有两维处于纳米尺度；(3)二维，二维，在三维空间中有一维在纳米尺度。因为这些单元往往具有量子性质，所以对零维、一维和二维的基本单元分别又有量子点、量子线和量子阱量子点、量子线和量子阱之称。横截面：横截面：长度：几百纳米至几毫米长度：几百纳米至几毫米纳米材料10 nm30nm50 nmZnO纳米棒纳米棒-蒲公英蒲公英铋多层纳米铋多层纳米带带左：纳米纤维左：
17、纳米纤维 右：碳纳米管右：碳纳米管三维：三维：Nano-flowers中科院物理所先进材料与结构分析实中科院物理所先进材料与结构分析实验室李超荣副研究员、张晓娜、表面验室李超荣副研究员、张晓娜、表面物理国家重点实验室曹则贤研究员通物理国家重点实验室曹则贤研究员通过应力自组装在无机体系过应力自组装在无机体系Ag/SiOx微微米级的内核米级的内核/壳层结构上成功地获得了壳层结构上成功地获得了三角格子铺排和斐波纳契数花样。三角格子铺排和斐波纳契数花样。研究内容以研究内容以Report形式于形式于2005年年8月月5日日发表在发表在Science上。文章发表后在国际上引上。文章发表后在国际上引起了强烈
18、的反响。起了强烈的反响。Nanotechweb 和和 ORF ON Science网站当天就分别以网站当天就分别以“应变的微应变的微结构形成类植物花样结构形成类植物花样”和和“微观世界的花微观世界的花朵朵”作了长篇介绍。作了长篇介绍。Nanobelt/nanoribbonZnOZnO纳米块体材料纳米块体材料 是以纳米结构单元为基础形成的三维大尺寸纳米固体材料，又叫纳米结构材料。具有三个显著特征：尺寸小于100 nm的原子区域显著的界面原子数组成区域间相互作用按照纳米尺度物质单元的结构状态，可分为：按照纳米尺度物质单元的结构状态，可分为：纳米晶材料、纳米非晶态材料、纳米准晶态材料纳米晶材料、纳米
19、非晶态材料、纳米准晶态材料按照组成相的数目，可分为：按照组成相的数目，可分为：纳米相材料、纳米复合材料纳米相材料、纳米复合材料纳米组装体系：纳米组装体系：关于纳米结构组装体系的划分至今并没有一个成熟的看法，根据纳米结构体系构筑过程中的驱动力是靠外因，还是靠内因来划分，大致可分为两类：一是人工纳米结构组装体系，二是纳米结构自一是人工纳米结构组装体系，二是纳米结构自组装体系，统称为纳米尺度的图案材料组装体系，统称为纳米尺度的图案材料(Patterning materials on the nanometer scale)。纳米结构的自组装体系：通过弱的和较小方向性的非共价键，如纳米结构的自组装体系
20、：通过弱的和较小方向性的非共价键，如氢键、范德华力和弱的离子键协同作用把原子、离子或分子连接氢键、范德华力和弱的离子键协同作用把原子、离子或分子连接在一起构筑成一个纳米结构或纳米结构的花样。在一起构筑成一个纳米结构或纳米结构的花样。人工纳米结构组装体系：按人类的意志，利用物理和化学的方法人工纳米结构组装体系：按人类的意志，利用物理和化学的方法人工地将纳米尺度的物质单元组装、排列构成一维、二维和三维人工地将纳米尺度的物质单元组装、排列构成一维、二维和三维的纳米结构体系，的纳米结构体系，包括纳米有序阵列体系和介孔复合体系等。这里，人的设计和参与制造起到决定性的作用。球形颗粒的表面积（球形颗粒的表面
21、积（A）与直径）与直径D2的平方成正比，的平方成正比，体积（体积（V）与）与D3成正比，故其比表面积（成正比，故其比表面积（AV）与直）与直径成反比。说明表面原子所占的百分数将会显著地增径成反比。说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。对直径大于加。对直径大于 0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计，微米的颗粒表面效应可忽略不计，当尺寸小于当尺寸小于 0.1微米时，其表面原子百分数激剧增长，微米时，其表面原子百分数激剧增长，甚至甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达克超微颗粒表面积的总和可高达100米米2，这时，这时超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的。超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的
22、。1.表面效应表面效应纳米材料的特异效应纳米材料的特异效应随着粒径减小，表面原子数迅速增加。这是由于粒径随着粒径减小，表面原子数迅速增加。这是由于粒径小，表面积急剧变大所致例如，粒径为小，表面积急剧变大所致例如，粒径为10 nm时，时，比表面积为比表面积为90 m2g，粒径为，粒径为5 nm时，比表面积为时，比表面积为180 m2g，粒径下降到，粒径下降到2 nm，比表面积猛增到，比表面积猛增到450 m2g这样高的比表面，使处于表面的原子数越来这样高的比表面，使处于表面的原子数越来越多，同时，表面能迅速增加。越多，同时，表面能迅速增加。由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面
23、原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合 金属的纳米粒子在空气中会燃烧；无机的纳米粒子金属的纳米粒子在空气中会燃烧；无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应。暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应。下面举例说明纳米粒子表面活性高的原因。如图所示的是单一立方结构的晶粒的二维平面团。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。如下一系列新奇的性质：2.小尺寸效应小尺寸效应（1）特殊的光学性质特殊的光学性质 当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，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。尺寸越小，颜色愈黑。金
24、属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。还可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。1991年春的海湾战争，美国F117A型隐身战斗机外表所包覆的材料中就包含有多种纳米超微颗粒，它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收能力，以欺骗雷达，达到隐形目的，成功地实现了对伊拉克重要军事目标的打击。（2）特殊的热学性质特殊的热学性质 固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的；超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。例如，金的常规熔点为1064，当颗粒尺寸减小到10纳米尺寸时，则降低27，减小到2纳米尺
25、寸时的熔点为327左右。金属纳米颗粒表面上的原子十分活泼。可用纳米颗粒的粉体作为火箭的固体燃料、催化剂。例如,在火箭发射的固体燃料推进剂中添加l重量比的超微铝或镍颗粒，每克燃料的燃烧热可增加 l 倍。（3）特殊的磁学性质特殊的磁学性质 小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同；大块的纯铁矫顽力约为 80安/米，而当颗粒尺寸减小到 20纳米以下时，其矫顽力可增加1千倍；若进一步减小其尺寸，大约小于 6纳米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性，人们已将磁性超微颗粒制成用途广
26、泛的磁性液体。人们发现鸽子、海豚、蝴蝶以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。磁性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘，生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。蜜蜂的体内也存在磁性的纳米粒子，这种磁性的纳米粒子具有“罗盘”的作用，可以为蜜蜂的活动导航。以前人们认为蜜蜂是利用北极星或通过摇摆舞向同伴传递信息来辨别方向的。最近，英国科学家发现，蜜蜜蜂的腹部存在磁性纳米粒子，这种磁性跟粒子具有指蜂的腹部存在磁性纳米粒子，这种磁性跟粒子具有指南针功能，蜜蜂利用这种南针功能，蜜蜂利用这种“罗盘罗盘”来确定其周围环境来确定其周围环境,在自己
27、头脑里的图像而判明方向。在自己头脑里的图像而判明方向。磁性超微粒子的发现对于了解螃蟹的进化历史提供了十分有意义的科学依据据生物科学家最近研究指出，人们非常熟悉的螃蟹原先并不像现在这样“横行”运动，而是像其他生物一样前后运动，这是因为亿万年前的螃蟹第一对触角里有几颗用于定向的磁性纳米微粒，就像是几只小指南针螃蟹的祖先靠这种“指南针”堂堂正正地前进后退，行走自如。后来，由于地球的磁场发生了多次剧烈的倒转，使螃蟹体内的小磁粒失去了原来的定向作用，于是使它失去了前后行动的功能，变成了横行。研究生物体内的纳米颗粒对于了解生物的进化和运动的行为是很有意义的。（4）特殊的力学性质）特殊的力学性质 陶瓷材料在
28、通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出很好的韧性与一定的延展性。美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬35倍。（5）量子尺寸效应）量子尺寸效应 大块材料中能级、能级合并成能带，由于电子数目很多，能带中能级的间距很小，看作是连续的。对超微颗粒而言，连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或者磁场
29、能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应。例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现。纳米微粒的量子尺寸效应等使它对某种波长的光吸收带有蓝移现象。纳米微粒粉体对各种波长光的吸收带有宽化现象。纳米微粒的紫外吸收材料就是利用这两个特性。通常的纳米微粒紫外吸收材料是将纳米微粒分散到树脂中制成膜，这种膜对紫外有吸收能力依赖于纳米粒子的尺寸和树脂中纳米粒子的掺加量和组分。目前，对紫外吸收好的几种材料有：3040nm的TiO2纳米粒子的树
30、脂膜；Fe2O3纳米微粒的聚固醇树脂膜。例如，防晒油、化妆品中普遍加入纳米微粒。我们知道，大气中的紫外线主要是在300-400 nm波段，太阳光对人体有伤害的紫外线也是在此波段。防晒油和化妆品中就是要选择对这个波段有强吸收的纳米微粒。最近研究表明，纳米TiO2、纳米ZnO、纳米SiO2、纳米Al2O3、纳米云母、氧化铁都有在这个波段吸收紫外光的特征。塑料制品容易老化变脆，如果在塑料表面涂上一层含有纳米微粒的透明涂层，这种涂层对300400nm范围有较强的紫外吸收性能，这样就可以防止塑料老化。最近发现，纳米Al2O3粉体对250nm以下的紫外光有很强的吸收能力，这一特性可用于提高日光灯管使用寿命
31、上。我们知道，日光灯管是利用水银的紫外谱线来激发灯管壁的荧光粉导致高亮度照明。一般来说，185nm的短波紫外光对灯管的寿命有影响，而且灯管的紫外线泄漏对人体有损害，这一关键问题一直是困扰日光灯管工业的主要问题。如果把几个纳米的Al2O3粉掺合到稀土荧光粉中，利用纳米紫外吸收的蓝移现象有可能吸收掉这种有害的紫外光，而且不降低荧光粉的发光效率，在这方面的试验工作正在进行。（6）宏观量子隧道效应）宏观量子隧道效应量子隧道效应：微观粒子具有穿越势垒的能力宏观量子隧道效应：人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。例如，在制造半导体集
32、成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在025微米。目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件。宏观量子隧道效应的研究对基础研究及实用都有着重要意义。它限定了磁带，磁盘进行信息贮存的时间极限。量子隧道效应将会是未来微电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限。当微电子器件进一步细微化时，必须要考虑上述的量子效应。（6）宏观量子隧道效应）宏观量子隧道效应（7）其它特性）其它特性纳米材料的莲花效应纳米材料的莲花效应照理说荷叶的基本化学成分是多醣类的碳水化合物，有许多的羟基（-OH）、（-NH
33、）等极性原子团，在自然环境中很容易吸附水分或污垢。但洒在荷叶叶面上的水却会自动聚集成水珠，且水珠的滚动把落在叶面上的尘埃污泥粘吸滚出叶面，使叶面始终保持干净。经过科学家的观 察研究，在1990年代初终于揭开了荷叶叶面的奥妙。原来在荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。经过电子显微镜的分析，莲花的叶面是由一层极细致的表面所组成，并非想象中的光滑。而此细致的表面的结构与粗糙度为微米至纳米尺寸的大小。叶面上布满细微的凸状物再加上表面所存在的蜡质，这使得在尺寸上远大于该结构的灰尘、雨水等降落在叶面上时，只能和叶面上凸状物形成点的接触。液滴在自身的表面张力作用下形成球状，由液滴在滚动中吸
34、附灰尘，并滚出叶面，这样的能力胜过人类的任何清洁科技。这就是莲花纳米表面自我洁净的奥妙所在。鹅毛和鸭毛是防水的。原来鹅毛和鸭毛的排列非常整齐，且毛与毛之间的隙缝极小，小到纳米尺寸，所以水分子无法穿透层层的鹅毛和鸭毛，但却极易通气，故鹅与鸭得以在水中保持身体的干燥。把透明疏油、疏水的纳米材料颗粒组合在大楼表面或窗玻璃上，大楼不会被空气中的油污弄脏，玻璃也不会沾上水蒸气而永远透明。1981 年，在瑞士苏黎世 IBM 实验室的Binnig 和 Rohrer 兩位科学家发明了STM，并获得1986 年诺贝尔物理奖。扫描隧道显微术扫描隧道显微术(Scanning Tunnelling Microscop
35、y)STM具有惊人的分辨本领，水平分辨率小于0.1纳米，垂直分辨率小于0.001纳米。一般来讲，物体在固态下原子之间的距离在零点一到零点几个纳米之间。在扫描隧道显微镜下，导电物质表面结构的原子、分子状态清晰可见。硅(111)面原子重构象扫描隧道显微术扫描隧道显微术(Scanning Tunnelling Microscopy)STM的基本原理是利用量子理论中的隧道效应。将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近时（通常小于1nm），在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。这种现象即是隧道效应。隧道电流I可以表示为：由于隧道电流I与针尖和
36、样品表面之间的距离s成指数关系，所以，电流I对针尖和样品表面之间的距离s变化非常敏感。如果此距离减小仅仅0.1nm，隧道电流I将会增加10倍；反之，如果距离增加0.1nm，隧道电流I就会减少10倍。STM恒高度恒高度扫描模式示意图扫描模式示意图Constant Hight Mode STM恒电流恒电流扫描模式示意图扫描模式示意图原子操纵术原子操纵术(Atomic manipulation)通过STM针尖，除了能帮助我们了解物质表面的几何构造、电子性质外，更有一些应用，原子操纵术便是其一。原子操纵术的原理是在形成隧道电流时，由于针尖和样品表面距离很近（约1 nm），针尖跟表面的偏压虽不大，但所产
37、生的电场（偏压距离）却由于距离很小而变得很大。因此原子在受到针头电场的吸引而被略拉离表面，此时即可将原子沿表面移到想要的位置，再将针尖缩回，则原子便可留在新的位置。通过原子操纵术得到的各种量子围栏（通过原子操纵术得到的各种量子围栏（Quantum corral）1990年美国IBM的两个科学家，首度将一颗颗氙原子在镍表面上拖拽，逐颗将35颗原子排成IBM三个英文字母 将铁将铁(Fe)(Fe)原子于铜原子于铜(Cu)(Cu)表表面排列成面排列成 原子原子 二字二字 ，汉，汉字的大小只有几个纳米。字的大小只有几个纳米。一九九一年，日本电气公司(NEC)首席研究员的饭岛澄男利用碳电弧放电法合成C60
38、分子时，偶然于阴极处发现针状物，经过高分辨率穿透式电子显微镜分析其结构，发现这些针状物为碳原子所构成的中空管状体，直径约为数纳米至数十纳米，长度可达数微米的中空管状物直径约为数纳米至数十纳米，长度可达数微米的中空管状物，其比重只有钢的六分之一，而强度却是钢的100倍。纳米碳管纳米碳管 单层纳米碳管单层纳米碳管 多层纳米碳管多层纳米碳管 正二十面体正二十面体 共二十个面，每个面都是正三角形；每个面角共二十个面，每个面都是正三角形；每个面角都是五面角，共十二个顶点。都是五面角，共十二个顶点。将每个顶角都截掉，截口处产生十将每个顶角都截掉，截口处产生十二个正五边形，原来的每个正三角形都变成了正六边形
39、。二个正五边形，原来的每个正三角形都变成了正六边形。20 个正六边形，个正六边形，12 个正五边形个正五边形 截角正二十面体。截角正二十面体。碳簇碳簇 以以 C60（足球烯，富勒烯）为最常见。（足球烯，富勒烯）为最常见。从正二十面体出发，去理解从正二十面体出发，去理解 C60 的几何形状。的几何形状。科学家就纳米碳管的尖端施以小电压后(较电子枪所需的电压小多了)，就可轻易地释放电子。现在韩国三星公司已可将纳米碳管做成超微小电场电子发射或简称为场发射屏幕(field-emission display)，若技术成熟把成本降低后，将取代传统式体积庞大的阴极射线管(CRT)屏幕。未来可期的事是：厚度如
40、同纸张的纳米碳管显示器将比传统阴极电视或液晶屏幕薄上千万倍。除省电外，纳米碳管显示器具可卷曲的特性将更方便携带，并且降低了搬运的困难。场发射显示器场发射显示器Field Emission Display,FEDField Emission Display,FED v 场发射电极理论最早场发射电极理论最早是在是在19281928年由年由R.H.R.H.FowlerFowler与与L.W.L.W.NordheimNordheim共同提出。共同提出。v 19681968年由年由C.A.C.A.SpindtSpindt提出运用场发提出运用场发射电子作为显示器。射电子作为显示器。场发射显示器的原理类似阴
41、极射线管场发射显示器的原理类似阴极射线管 场发射显示器則由数十万个主动冷发射子所构成，每一场发射显示器則由数十万个主动冷发射子所构成，每一像素有固定独立的电子发射子，毋须使用偏向板。像素有固定独立的电子发射子，毋须使用偏向板。简单的说就是利用无数的纳米碳管尖端放电，来取简单的说就是利用无数的纳米碳管尖端放电，来取代传统阴极射线管中的电子枪，它不仅保留了传代传统阴极射线管中的电子枪，它不仅保留了传统阴极射线管电视优秀的影像品质，而且能源消统阴极射线管电视优秀的影像品质，而且能源消耗低，整個荧幕的厚度可以從阴极射线管的耗低，整個荧幕的厚度可以從阴极射线管的50cm50cm压缩到压缩到1cm1cm，
42、重量也大幅减轻，重量也大幅减轻。单层纳米碳管单层纳米碳管(SWCNT)(SWCNT)制作射极的新方法制作射极的新方法 v仅需仅需4V4V的驱动电压就能释放出电子。的驱动电压就能释放出电子。v在以尖端直径约在以尖端直径约20-30nm20-30nm的圆锥状硅晶片作为射的圆锥状硅晶片作为射极所用传统场发射元件的制备基础上，再加上在极所用传统场发射元件的制备基础上，再加上在硅晶片尖端以热硅晶片尖端以热CVDCVD（化学气相沉积）法生长（化学气相沉积）法生长SWCNTSWCNT的制备而成。的制备而成。v使使圆锥状硅圆锥状硅晶片的尖端成晶片的尖端成長長SWCNTSWCNT的的射极射极（左）（左）和将之和
43、将之並並列如右的电子显微镜照片。列如右的电子显微镜照片。v 以奈米碳管作為場發射子，具有相当低的驱动电压，仅需以奈米碳管作為場發射子，具有相当低的驱动电压，仅需4V4V的驱动电压就能释放出电子。的驱动电压就能释放出电子。v MilneMilne等科学家发展出以单一光罩与自对准技术制造出场等科学家发展出以单一光罩与自对准技术制造出场发射微阴极的技术，这项技术能保证纳米碳管与闸极针孔发射微阴极的技术，这项技术能保证纳米碳管与闸极针孔中心能共线。中心能共线。v 每一微空中约有每一微空中约有1010余支纳米碳管，其直径约余支纳米碳管，其直径约10-50nm10-50nm，长，长度度0.4 0.4 微米
44、。微米。v利用半導體製利用半導體製程成功製作三程成功製作三極場發射元件，極場發射元件，可利用閘極控可利用閘極控制場發射電流制場發射電流密度。密度。v 奈米碳管商用的第一個殺手級應用將會是在顯示器市場，市場大餅約為奈米碳管商用的第一個殺手級應用將會是在顯示器市場，市場大餅約為 400 400 億美元。億美元。v 目前包括日本伊勢電子、目前包括日本伊勢電子、NECNEC、韓國三星等，已經有能力量產、韓國三星等，已經有能力量產CNT-FEDCNT-FED。這些。這些廠商多採用廠商多採用CVDCVD（化學氣相沈積）製造方法。（化學氣相沈積）製造方法。v 奈米碳管可用於電視、個人電腦顯示器，目前已進入試
45、作階段。一般預估奈米碳管可用於電視、個人電腦顯示器，目前已進入試作階段。一般預估 200520052010 2010 年左右就可製造出省電、厚度僅數公釐的大畫面顯示器。年左右就可製造出省電、厚度僅數公釐的大畫面顯示器。根据科学家的研究，纳米碳管此类的碳结构可提供有效且清洁的储氢能力，较某些已知的固体材料在室温下可储存更多的氢，每个碳管就像是微小的海绵，可作为汽车中燃料电池的氢容器。纳米电池纳米电池-储氢的纳米碳管储氢的纳米碳管 纳米齿轮纳米齿轮 由日本Morinobu ndo 教授所领导的科技研究小组，于2002年2月初发表，利用纳米材料的组成，于现有的制作技术，已成功研制出世界上最小的齿轮。
46、该齿轮直径仅有直径仅有0.2mm，且具有良好的抗磨损、抗热、滑动特性，这无非为实现分子机器的实现又迈进了一大步。此外，科学家利用苯甲基与C60的键结形成分子齿轮的雏型。因此，我们设想若能将多个分子以准确的位置键结至纳米碳管上，这样所形成的分子齿轮，将成为组成纳米机器非常有用的组件。纳米药物导弹纳米药物导弹 近来发现C60的结构能够迅速地与爱滋病毒结合，而将爱滋病毒的毒性减低，故可发展C60的衍生药物来阻止病毒的扩散。亦有报导指出，C60球内可填充金属元素，未来可利用其中空构造来携带药物。当这些纳米药物导弹进入人体到达患病处时，释放其内部的药物以破坏病毒体内的基因蛋白机制，达到准确歼灭目标的作用
47、。美国密西根大学的科学家詹姆斯、贝克（James R.Baker Jr）等人研究出一种树状的纳米级的合成分子，称之为树状聚合物（dendrimers）。它的表面形成了大量的分子基因，可以像钩子一样携带有用的分子。树状聚合物不会引起任何免疫反应，可成为良好的输送载体。材料世界中的大力士材料世界中的大力士纳米金属块体纳米金属块体 金属纳米颗粒粉体制成块状金属材料，它会变得十分结实，强度比一般金属高十几倍，同时又可以像橡胶一样富于弹性。图图4.纳米金属铜的超延展性隐身材料隐身材料 战斗机F117A型机身表面包覆了红外与微波隐身材料，它具有优异的宽频带微波吸收能力，可以逃避雷达的监视。原因：一方面由于
48、纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率透过率比常规材料要强强得多，这就大大减少减少波的反射率反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用；另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3 4个数量级，对红外光和电磁波的吸收率吸收率也比常规材料大大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。Nano-Lasers using ZnO NanowiresZnO nanowires grown by VLS method.Emission spectrum from ZnO nanowires.Wavelength(nm)370380390400Intensity(a.u.)只能通过一个电子，从而构成了单电子晶体管。通常的晶体管约需10万个电子，而单电子晶体管只需要一个电子即可。因此其体积仅为传统晶体管的1%，耗电也仅为传统晶体管的十万分之一。单电子晶体管新型半导体与异质纳米结构及新型半导体与异质纳米结构及其性能研究其性能研究谢 谢！
