1、纳米科学技术新纳米科学技术新1234567返回退出纳米科学技术纳米科学技术一、前一、前 言言 纳米科学技术纳米科学技术（Nano Science and Technology)1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米科学技术一、前 言 1234567返回退出纳米科学技术纳米科学技术一、前一、前 言言0.1-100 nm空间尺度小空间尺度小 量子效应量子效应纳米科学技术纳米科学技术 量子力学原理量子力学原理 1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米科学技术一、前 言0.1 -11234567返回退出纳米科学技术纳米科学技术一、前一、前 言言 “一旦到纳米技术范围，量子力学一旦到纳米技术范围，量子
2、力学 效效应就出现了。也就是说，我们要研究开发的这应就出现了。也就是说，我们要研究开发的这个领域，量子力学就变成了一个必要的工具，个领域，量子力学就变成了一个必要的工具，不能总是把量子力学局限在理论研究中，要把不能总是把量子力学局限在理论研究中，要把这个理论应用到实际的开发工作中，即技术工这个理论应用到实际的开发工作中，即技术工作中去。要运用量子力学来设计、研究这方面作中去。要运用量子力学来设计、研究这方面的工作。的工作。”钱学森钱学森1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米科学技术一、前 言 1234567返回退出纳米科学技术纳米科学技术一、前一、前 言言1981年，第一台扫描隧道显微镜（年
3、，第一台扫描隧道显微镜（STM）诞生。）诞生。获诺贝尔奖。获诺贝尔奖。1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米科学技术一、前 言1 9 8 1 年，第1234567返回退出纳米科学技术纳米科学技术二、纳米材料二、纳米材料 20世纪世纪80年代，科学家惊奇地发现，介于宏观与微观之年代，科学家惊奇地发现，介于宏观与微观之间的纳米体系中，材料的许多性质都完全变了模样：间的纳米体系中，材料的许多性质都完全变了模样：金属银失去了典型的金属特征；金属银失去了典型的金属特征；纳米二氧化硅电阻下降了几个数量级；纳米二氧化硅电阻下降了几个数量级；常态下电阻较小的金属到了纳米级电阻会增大；常态下电阻较小的金属到了
4、纳米级电阻会增大；纳米级金属的电阻温度系数下降甚至出现负数；纳米级金属的电阻温度系数下降甚至出现负数；原是绝缘体的氧化物到了纳米级，电阻却反而下降；原是绝缘体的氧化物到了纳米级，电阻却反而下降；10-25nm的铁磁金属微粒矫顽力比相同的宏观材料大的铁磁金属微粒矫顽力比相同的宏观材料大1000倍；倍；颗粒尺寸小于颗粒尺寸小于10nm，矫顽力变为零，表现为超顺磁性。，矫顽力变为零，表现为超顺磁性。1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米科学技术二、纳米材料 2 01234567返回退出纳米科学技术纳米科学技术二、纳米材料二、纳米材料1.纳米微粒的特殊物理性质纳米微粒的特殊物理性质 小尺寸效应小尺寸
5、效应 表面与界面效应表面与界面效应 量子尺寸效应量子尺寸效应1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米科学技术二、纳米材料1.纳米微1234567返回退出纳米科学技术纳米科学技术二、纳米材料二、纳米材料纳米微粒的特殊物理性质纳米微粒的特殊物理性质表面与界面效应表面与界面效应物质粒径的减小物质粒径的减小 比表面积大大增加比表面积大大增加 键态严重失配键态严重失配 出现许多活性中心出现许多活性中心粒径粒径5nm的颗粒，表面占的颗粒，表面占50，粒径，粒径2nm时，表时，表面的体积百分数增加到面的体积百分数增加到80。1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米科学技术二、纳米材料纳米微粒的特殊12345
6、67返回退出纳米科学技术纳米科学技术二、纳米材料二、纳米材料=4EF/3N纳米材料尺寸小纳米材料尺寸小 电子被局限在一个体积十分微小的纳米空间电子被局限在一个体积十分微小的纳米空间 电子平均自由程短电子平均自由程短 电子的局域性和相干性增强电子的局域性和相干性增强 纳米体系包含的原子数大大降低纳米体系包含的原子数大大降低纳米微粒的特殊物理性质纳米微粒的特殊物理性质量子尺寸效应量子尺寸效应1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米科学技术二、纳米材料能级间距 1234567返回退出纳米科学技术纳米科学技术二、纳米材料二、纳米材料2.一种新型的纳米材料一种新型的纳米材料碳纳米管碳纳米管碳的三种形态：
7、碳的三种形态：C60、金刚石、石墨、金刚石、石墨1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米科学技术二、纳米材料2.一种新型的1234567返回退出纳米科学技术纳米科学技术二、纳米材料二、纳米材料2.一种新型的纳米材料一种新型的纳米材料碳纳米管碳纳米管1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米科学技术二、纳米材料2.一种新型的1234567返回退出纳米科学技术纳米科学技术二、纳米材料二、纳米材料碳纳米管的吸附性质：碳纳米管的吸附性质：“袖中乾坤袖中乾坤”巴基管吸附巴基管吸附HF分子分子1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米科学技术二、纳米材料碳纳米管的吸附1234567返回退出纳米科学技术纳米科学
8、技术二、纳米材料二、纳米材料3.纳米材料的应用纳米材料的应用 （1）在微电子器件方面的应用。在微电子器件方面的应用。纳米材料制作单电子隧穿二极管纳米材料制作单电子隧穿二极管 纳米硅基超晶格。纳米硅基超晶格。（2）在磁记录方面的应用在磁记录方面的应用。（3）在传感器上的应用。在传感器上的应用。纳米陶瓷材料纳米陶瓷材料(LiN6O3,LiTiO3)制成红外检测传感器。制成红外检测传感器。1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米科学技术二、纳米材料3.纳米材1234567返回退出纳米科学技术纳米科学技术其他领域中的应用其他领域中的应用3.纳米机械学纳米机械学 1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米
9、科学技术其他领域中的应用3.纳1234567返回退出纳米科学技术纳米科学技术其他领域中的应用其他领域中的应用1.纳米电子学纳米电子学纳米尺度的分子电子器件纳米尺度的分子电子器件超高密度记录超高密度记录原子开关原理原子开关原理1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米科学技术其他领域中的应用1.纳米1234567返回退出2.纳米生物学纳米生物学 在纳米尺度上研究生命问题在纳米尺度上研究生命问题纳米科学技术纳米科学技术其他领域中的应用其他领域中的应用1 2 3 4 5 6 7 返回退出2.纳米生物学 了解生物大分子1234567返回退出纳米科学技术纳米科学技术三、三、STM的工作原理的工作原理费米能
10、级费米能级功函数功函数EF11 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米科学技术三、S T M的工作原理金属中1234567返回退出纳米科学技术纳米科学技术三、三、STM的工作原理的工作原理 金属金属A金属金属B绝缘层绝缘层或真空SEF1EF21e2e1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米科学技术三、S T M的工作原理 经典1234567返回退出纳米科学技术纳米科学技术三、三、STM的工作原理的工作原理1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米科学技术三、S T M的工作原理微观粒1234567返回退出纳米科学技术纳米科学技术三、三、STM的工作原理的工作原理绝缘层或真空入射波入射波反射波反射波
11、透射波透射波金属金属A金属金属BS1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米科学技术三、S T M的工作原理量子理1234567返回退出纳米科学技术纳米科学技术三、三、STM的工作原理的工作原理 金属金属A做成探针状做成探针状 金属金属B为被研究物质的表面为被研究物质的表面1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米科学技术三、S T M的工作原理 1234567返回退出纳米科学技术纳米科学技术三、三、STM的工作原理的工作原理注意：注意：隧道电流的强度对针尖与样品表面隧道电流的强度对针尖与样品表面的距离十分敏感，呈指数衰减。的距离十分敏感，呈指数衰减。1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米科学技
12、术三、S T M的工作原理注意：1234567返回退出纳米科学技术纳米科学技术三、三、STM的工作原理的工作原理1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米科学技术三、S T M的工作原理针尖在1234567返回退出纳米科学技术纳米科学技术三、三、STM的工作原理的工作原理结论：结论：STMSTM是根据电是根据电子穿过表面势垒的子穿过表面势垒的隧道效应制成的。隧道效应制成的。它利用针尖扫描样它利用针尖扫描样品表面，通过隧道品表面，通过隧道电流获得样品表面电流获得样品表面的图像。的图像。样品样品电子线路电子线路显示器显示器显示器显示器探针探针1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米科学技术三、S T
13、 M的工作原理结论：1234567返回退出纳米科学技术纳米科学技术四、四、STM的仪器设备的仪器设备STMSTM仪器设备全景图仪器设备全景图计算机控制系统计算机控制系统STM STM 主体设备主体设备电子反馈系统电子反馈系统高分辨率显示终端高分辨率显示终端1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米科学技术四、S T M的仪器设备S T M1234567返回退出纳米科学技术纳米科学技术四、四、STM的仪器设备的仪器设备STM主体主体S T M 的核心部件的核心部件 探头探头 装在主体箱装在主体箱1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米科学技术四、S T M的仪器设备S T M1234567返回退出
14、纳米科学技术纳米科学技术四、四、STM的仪器设备的仪器设备电子反馈系统电子反馈系统:产生隧道电流产生隧道电流,控制隧道电流的恒定控制隧道电流的恒定高分辨率显示终端：高分辨率显示终端：显示所获取的显微图像显示所获取的显微图像计算机控制系统：计算机控制系统：发出指令，控制系统运转，收集、存储所获得的发出指令，控制系统运转，收集、存储所获得的图像，对原始图像进行处理（如平滑、背景扣除、区域缩小或放大图像，对原始图像进行处理（如平滑、背景扣除、区域缩小或放大、剖面线等）、剖面线等）1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米科学技术四、S T M的仪器设备电子反1234567返回退出纳米科学技术纳米科学技
15、术四、四、STM的仪器设备的仪器设备恒流工作模式恒流工作模式 STM 的工作方式的工作方式恒高工作模式恒高工作模式1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米科学技术四、S T M的仪器设备恒流工1234567返回退出纳米科学技术纳米科学技术四、四、STM的仪器设备的仪器设备主要技术问题主要技术问题 要想达到原子级要想达到原子级的分辨率，探针的分辨率，探针尖端最好只有一尖端最好只有一个原子。个原子。探针制作探针制作 1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米科学技术四、S T M的仪器设备主要技1234567返回退出纳米科学技术纳米科学技术四、四、STM的仪器设备的仪器设备主要技术问题主要技术问题探
16、针探针样品表面样品表面1nm1nm探针不与样探针不与样品表面接触品表面接触1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米科学技术四、S T M的仪器设备主要技1234567返回退出纳米科学技术纳米科学技术四、四、STM的仪器设备的仪器设备如何实现针尖在样品表面扫描？如何实现针尖在样品表面扫描？1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米科学技术四、S T M的仪器设备主要技1234567返回退出纳米科学技术纳米科学技术四、四、STM的仪器设备的仪器设备 STM STM 的独特优点的独特优点分辨率高分辨率高：横向：横向0.1nm,0.1nm,纵向纵向0.01nm0.01nm。同时获得原子和电子同时获得原子
17、和电子 结构的丰富信息。结构的丰富信息。工作条件范围大工作条件范围大（空气、（空气、常温、液体常温、液体）1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米科学技术四、S T M的仪器设备 S T1234567返回退出纳米科学技术纳米科学技术五、五、STM的应用的应用1、观察和研究固体表面的微观结构观察和研究固体表面的微观结构1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米科学技术五、S T M的应用1 、观1234567返回退出纳米科学技术纳米科学技术五、五、STM的应用的应用2、观察、观察DNA分子分子揭示生命的奥秘揭示生命的奥秘世界上第一张世界上第一张DNA图像图像小白鼠小白鼠DNA1 2 3 4 5 6
18、 7 返回退出纳米科学技术五、S T M的应用2、观察D5、进行纳米级微加工表面刻蚀常温、液体）2、观察DNA分子揭示生命的奥秘纳米材料效应：小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应。如何实现针尖在样品表面扫描？能级间距 =4EF/3N了解生物大分子的精细结构及其纳米陶瓷材料(LiN6O3,LiTiO3)空间尺度小 量子效应在外电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的绝缘层(一般为空气或液体)流向另一个电极，产生隧道电流。（1）在微电子器件方面的应用。（Nano Science and Technology)48个Fe原子在Cu表面围成围栏将产生出什么样的奇迹！在这里，纳米不仅仅意味着空间尺度小
19、，而且提供了一种新的思考方式，既生产过程要求越来越精细，以致于能够直接操纵单个原子和分子以制造具有特定功能的产品。1234567返回退出纳米科学技术纳米科学技术五、五、STM的应用的应用DNA合成瞬间合成瞬间平行双链平行双链DNA2、观察、观察DNA分子分子揭示生命的奥秘揭示生命的奥秘5 、进行纳米级微加工表面刻蚀1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米1234567返回退出纳米科学技术纳米科学技术五、五、STM的应用的应用3 3、改造微观世界的手段、改造微观世界的手段 1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米科学技术五、S T M的应用3、改造微1234567返回退出纳米科学技术纳米科学技术
20、五、五、STM的应用的应用I B M 纳米小人纳米小人1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米科学技术五、S T M的应用I B M1234567返回退出纳米科学技术纳米科学技术五、五、STM的应用的应用4 4、构造超微结构、构造超微结构量子围栏图量子围栏图4848个个FeFe原子在原子在CuCu表面围成围栏表面围成围栏1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米科学技术五、S T M的应用4、构造超1234567返回退出纳米科学技术纳米科学技术五、五、STM的应用的应用5 5、进行纳米级微加工、进行纳米级微加工表面刻蚀表面刻蚀1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米科学技术五、S T M的应用5
21、 、进行1234567返回退出纳米科学技术纳米科学技术五、五、STM的应用的应用5 5、进行纳米级微加工、进行纳米级微加工表面刻蚀表面刻蚀1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米科学技术五、S T M的应用5 、进行1234567返回退出纳米科学技术纳米科学技术五、五、STM的应用的应用5 5、进行纳米级微加工、进行纳米级微加工表面刻蚀表面刻蚀1 2 3 4 5 6 7 返回退出纳米科学技术五、S T M的应用5 、进行砷化镓GaAs表面的真空STM图像砷化镓G a A s 表面的真空S T M图像硅表面77重构图硅表面7 7 重构图Na过饱和吸附于过饱和吸附于GaAs表面的真表面的真空空ST
22、M图像图像N a 过饱和吸附于G a A s 表面的真空S T M图像石墨表面碳原子的规则排列石墨表面碳原子的规则排列石墨表面碳原子的规则排列吸附在铂晶体表面的碘原子吸附在铂晶体表面的碘原子吸附在铂晶体表面的碘原子1234567返回退出2 纳米科学技术纳米科学技术六、结束语六、结束语“如果有一天可以按人们如果有一天可以按人们 的意志安排一个个原子，的意志安排一个个原子，将产生出什么样的奇迹！将产生出什么样的奇迹！”费曼费曼费曼1 2 3 4 5 6 7 返回退出2 纳米科学技术六、结束语“如果1234567返回退出2 纳米科学技术纳米科学技术六、结束语六、结束语 “一个充满挑战的时代也往往是一
23、个充满挑战的时代也往往是一个充满机会的时代一个充满机会的时代”。记住：记住：机会总是降临到有准备的人的机会总是降临到有准备的人的头上。头上。1 2 3 4 5 6 7 返回退出2 纳米科学技术六、结束语 什么是纳米技术？纳米材料有哪些效应？请列举一个效应说什么是纳米技术？纳米材料有哪些效应？请列举一个效应说明其应用。明其应用。纳米材料效应：纳米材料效应：小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应。寸效应。纳米技术：在这里，纳米不仅仅意味着空间尺度小，而且提供纳米技术：在这里，纳米不仅仅意味着空间尺度小，而且提供了一种新的思考方式，既生产过程要求越来越精细，以致于能了一种新的思考方式，既生产过程要求越来越精细，以致于能够直接操纵单个原子和分子以制造具有特定功能的产品。够直接操纵单个原子和分子以制造具有特定功能的产品。什么是纳米技术？纳米材料有哪些效应？请列举一个效应说明其应用
