纳米技术简介及应用.doc.doc

纳米技术 纳米科技是20世纪80年代末刚刚诞生，并正在飞速崛起的专门研究1100纳米之间原子、分子物质层次的结构、组成和特殊规律性能的高科技；它的最高境界是直接操纵原子、分子来构建具有特定功能的纳米结构、纳米材料和纳米器件；是一门多学科交叉和综合的高新科技。纳米技术的三个特征是：1、它们必须至少有一个维有1纳米到100纳米的尺度。2、它们的设计过程必须体现微观操控的能力，即能够从根本上左右分子尺度的结构的物理性质与化学性质。3、它们能够组合起来形成更大的结构且具有优异的电气、化学、机械与光学性能。纳米机器人 纳米生物学的近期设想，是在纳米尺度上应用生物学原理，发现新现象，研制可编程的分子机器人，也称纳米机器人。目前涉及的内容可归纳为以下三个方面： 在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的联系。 在纳米尺度上获得生命信息，例如，利用扫描隧道显微镜获取细胞膜和细胞表面的结构信息等。 纳米机器人的研制。纳米机器人是纳米生物学中最具有诱惑力的内容，第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，这种纳米机器人可注入人体血管内，进行健康检查和疾病治疗。还可以用来进行人体器官的修复工作、作整容手术、从基因中除去有害的，或把正常的安装在基因中，使机体正常运行。第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置，第三代纳米机器人将包含有纳米计算机，是一种可以进行人机对话的装置。这种纳米机器人一旦问世将彻底改变人类的劳动和生活方式。量子尺寸效应 当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。早在20世纪60年代，久保（Kubo）采用一电子模型求得金属纳米晶粒的能级间距为：式中：Ef为费米势能，N为粒子中的总电子数。该式指出能级的平均间距与组成粒子中的自由电子总数成反比。能带理论表明，金属费米能级附近电子能级一般是连续的，这一点只有在高温或宏观尺寸情况下才成立。对于只有有限个导电电子的超微粒子来说，低温下能级是离散的，对于宏观物质包含无限个原子（即导电电子数N），由上式可得能级间距0，即对大粒子或宏观物体能级间距几乎为零；而对纳米粒子，所包含原子数有限，N值很小，这就导致有一定的值，即能级间距发生分裂。当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，必须考虑量子尺寸效应。量子尺寸效应会导致纳米粒子磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性有着显著不同。同时处于分立的量子化能级中的电子的波动性给纳米粒子带来一系列特殊性质，如高的光学非线性，特异的催化和光催化性、强氧化性和还原性等。小尺寸效应 当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应。例如，光吸收显著增加，并产生吸收峰的等离子共振频移；磁有序态向磁无序态、超导相向正常相的转变；声子谱发生变化。人们曾用高倍显微镜对纳米金颗粒（2nm）的结构非稳定性进行观察，实时地记录颗粒形态在观察中的变化，发现颗粒形态可以在单晶与多晶、孪晶之间进行连续地变化，这与通常的熔化相变不同，并提出了准熔化相的概念。纳米粒子的小尺寸效应为实用技术开拓了新领域。例如，纳米尺度的强磁性颗粒（FeCo合金，氧化铁等），当颗粒尺寸为单磁畴临界尺寸时，具有甚高的矫顽力，可制成磁性信用卡、磁性钥匙、磁性车票等，还可以制成磁性液体，广泛地应用于电声器件、阻尼器件、旋转密封、润滑、选矿等领域。纳米粒子的熔点可远低于块状金属，例如2nm金颗粒熔点为600K，远远低于块状金的1337K；纳米银粒子熔点可降低到373K，此特性为粉末冶金工业提供了新工艺。利用等离子共振频率随颗粒尺寸变化的性质，可以改变颗粒尺寸，控制吸收边的位移，制造具有一定频宽的微波吸收材料，应用于电磁波屏蔽、隐形飞机等。 表面效应 表面效应是指纳米颗粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后引起的性质上的变化。纳米粒子尺寸小，表面能高，表面原子占相当大的比例。下表表列出纳米粒子尺寸与表面原子数的关系，可以看出随着粒径的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10nm时，比表面积为90m2/g；粒径为5nm时，比表面积为180 m2/g；粒径下降到2nm时，比表面积猛增到450 m2/g。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。Cu纳米粒子粒径从100nm10nm1nm，其比表面积和表面能增加了2个数量级。由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，很容易与其他原子结合而稳定下来。例如金属纳米粒子在空气中会燃烧，无机纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应。纳米粒子尺寸与表面原子数的关系.纳米粒子尺寸d（nm）包含总原子数（个）表面原子所占比例（）103000020440004022508013099宏观量子隧道效应 宏观量子隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。早期曾用来解释纳米镍粒子在低温继续保持超顺磁性。近年来人们发现FeNi薄膜中畴壁运动速度在低于某一临界温度时基本上与温度无关。于是，有人提出量子理想的零点震动可以在低温起着类似热起伏的效应。从而使零温度附近微颗粒磁化矢量的重取向，保持有限的驰豫时间，即在绝对零度仍然存在非零的磁化反转率。宏观量子隧道效应的研究对基础研究及实用都有着重要的意义，它限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极限。量子尺寸效应，隧道效应将会是未来电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限。当电子器件进一步细微化时，必须要考虑上述的量子效应。上述的量子尺寸效应、表面效应、小尺寸效应及量子隧道效应都是纳米微粒与纳米固体的基本特性。除此之外，纳米材料还有在此基础上的介电限域效应、表面缺陷、量子隧穿等。这些特性使纳米微粒和纳米固体表现出许多奇异的物理、化学性质，出现一些“反常现象”。例如金属为导体，在低温时纳米金属微粒由于量子尺寸效应会呈现电绝缘性；一般PbTiO3，BaTiO3和SrTiO3等是典型铁电体，但当其尺寸进入纳米数量级就会变成顺电体；铁磁性的物质进入纳米尺度（5nm）时，由多畴变成单畴，于是显示极强顺磁效应；当粒径为十几纳米的氮化硅微粒组成了纳米陶瓷时，已不具有典型共价键特征，界面键结构出现部分极性，在交流电下电阻很小；化学惰性极高的金属铂制成纳米粒子（铂黑）后，却成为活性极好的催化剂；金属由于光反射现象呈现出各种美丽的颜色，而金属的纳米粒子光反射能力显著降低，通常可低于1，由于小尺寸和表面效应使纳米粒子对光吸收表现极强能力；由纳米粒子组成的纳米固体在较宽谱范围显示出对光的均匀吸收性，纳米复合多层膜在717GHz频率的吸收峰高达14dB，在10dB水平的吸收频宽为2GHz；颗粒为6nm的纳米Fe晶体的断裂强度较之多晶Fe提高12倍；纳米Cu晶体自扩散是传统晶体的1016至1019倍，是晶界扩散的103倍；纳米金属Cu的比热是传统纯Cu的两倍；纳米固体Pd热膨胀提高一倍；纳米Ag晶体作为稀释致冷机的热交换器效率较传统材料高30；纳米磁性金属的磁化率是普通金属的20倍，而饱和磁矩是普通金属的1/2。纳米复合材料 复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。在复合材料中，通常有一相为连续相，称为基体；另一相为分散相，称为增强材料。分散相是以独立的相态分布在整个连续相中，两相之间存在着相界面。分散相可以是纤维状、颗粒状或是弥散的填料。复合材料中各个组分虽然保持其相对独立性，但复合材料的性质却不是各个组分性能的简单加和，而是在保持各个组分材料的某些特点基础上，具有组分间协同作用所产生的综合性能。由于复合材料各组分间“取长补短”，充分弥补了单一材料的缺点，产生了单一材料所不具备的新性能，开创了材料设计方面的新局面。纳米复合材料是由两种或两种以上的固相至少在一维以纳米级大小（1-100 nm）复合而成的复合材料。这些固相可以是非晶质、半晶质、晶质或者兼而有之，而且可以是无机物、有机物或二者兼有。纳米复合材料也可以是指分散相尺寸有一维小于100nm的复合材料，分散相的组成可以是无机化合物，也可以是有机化合物，无机化合物通常是指陶瓷、金属等，有机化合物通常是指有机高分子材料。当纳米材料为分散相，有机聚合物为连续相时，就是聚合物基纳米复合材料。纳米复合材料与常规的无机填料/聚合物体系不同，不是有机相与无机相的简单混合，而是两相在纳米尺寸范围内复合而成。由于分散相与连续相之间界面面积非常大，界面间具有很强的相互作用，产生理想的粘接性能，使界面模糊。作为分散相的有机聚合物通常是指刚性棒状高分子，包括溶致液晶聚合物、热致液晶聚合物和其它刚直高分子，它们以分子水平分散在柔性聚合物基体中，构成无机物有机聚合物纳米复合材料。作为连续相的有机聚合物可以是热塑性聚合物、热固性聚合物。聚合物基无机纳米复合材料不仅具有纳米材料的表面效应、量子尺寸效应等性质，而且将无机物的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与聚合物的韧性、加工性及介电性能糅合在一起，从而产生许多特异的性能。 纳米结构 所谓纳米结构，是指以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑的一种新体系，包括一维、二维和三维体系。其构成体系的物质单元可以是纳米微粒、团簇，也可以是纳米线、纳米管、纳米棒、纳米丝及纳米孔洞等等。纳米结构的构筑过程也即通常意义上纳米结构的组装过程。纳米结构的合成与组装是整个纳米科技发展的基石，是纳米科技在分散与包覆、高比表面材料、纳米功能器件、强化功能材料等方面实现突破的关键。 纳米阵列 高度取向的纳米阵列是以纳米颗粒、纳米线、纳米管为基本单元，采用物理和化学的方法在两维或三维空间内构筑的纳米体系。高度取向的纳米阵列结构除了具有一般纳米材料的性质外，它的量子效应突出，具有比无序的纳米材料更加优异的性能。纳米阵列结构很容易通过电、磁、光等外场实现对其外场的控制，从而使其成为设计纳米超微器件的基础。目前，有序纳米材料结构已经在垂直磁记录、微电极束、光电元件、润滑、传感器、化学电源、多相催化等许多领域开始得到应用。 扫描隧道显微镜 扫描隧道显微镜（Scanning Tunnel Microscope）简称STM，1982 年由G.Ginning和H. Rohrer在IBM苏黎世研究所研制成功，二人因此于1986年10月获诺贝尔物理奖。STM的原理是：利用半径很小的针尖探测材料表面，以金属针尖为一电极，被测固体表面为另一电极，当它们之间的距离缩小到原子尺寸（零点几纳米）数量级时，它们之间的势垒将减薄到这种程度，电子可以从一个电极通过隧道效应穿过势垒达到另一电极，形成电流，电流与极间距离S成指数关系。当针尖在被测表面上方作光栅扫描时，如保持电流不变，则针尖必随表面上下起伏移动，根据针尖位置上下移动的情况，可探测出表面的形貌。针尖位置的移动依靠压电陶瓷。压电陶瓷的位移灵敏度在0.5nmV-1量级，所以使针尖和表面距离控制并维持在纳米量级。STM的针尖半径Rc0.31nm，针尖与表面距离S0.20.5nm，可以测出Au（100）面的单原子台阶，即测量表面形貌的分辨率达到原子分辨率，因此STM可用来确定表面的原子结构。STM还可以测量表面不同位置的电子态，表面电位以及表面逸出功分布。STM在微细加工中其针尖如同一个纤细的机械手，可以分辨并感觉一个个原子并按人的意愿移动电子，因此STM在微细加工领域显示出很大的应用潜力。STM对样品的测量条件也不苛刻，不但可以在真空或超高真空的条件下进行，也可以在大气中，在水、油、液氮中进行，因此，对生物样品的测量和生化研究非常方便。原子力显微镜 原子力显微镜（Atom force Microscope）简称AFM，1986年由G. Binning提出，其原理是：利用电子探针针尖与材料表面原子形成的力的变化进行材料测试，AFM与STM最大的不同是，AFM针尖直接接触被测样品表面，克服了STM不能测试绝缘体的缺点，不仅可以测量绝缘体表面形貌，达到接近原子分辨率，还可以测量表面原子间的力，例如：表面的弹性、塑性、硬度、粘着力、摩擦力等性质。AFM针尖半径接近原子尺寸，所加弹力可以小至10-10N，在空气中测量，横向分辨达0.15nm，纵向分辨达0.05nm。纳米粉末 纳米粉末又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100nm以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间状态的固体颗粒材料，包括结晶和非晶材料。纳米粉末按组可分为：无机纳米微粒、有机纳米微粒和有机无机复合微粒。无机纳米微粒包括金属与非金属（半导体、陶瓷、铁氧体等），有机纳米微粒主要是高分子和纳米药物。纳米粉末是纳米体系的典型代表，一般为球形或类球形（与制备方法密切相关），它属于超微粒子范围（1100nm）。由于尺寸小、比表面积大和量子尺寸效应等原因，它具有不同于常规固体的新特性，也有异于传统材料科学中的尺寸效应。纳米粒子既不同于微观原子、分子团簇，有不同于宏观体相材料，是介于团簇和体相材料之间的特殊状态，既有宏观体相的元胞和键合结构，又具备块体所没有的崭新的物理化学性能，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化物方面的性质和大块固体相比有显著的不同，从而使它在催化、粉末冶金、燃料、磁记录、涂料、传热、雷达波吸收、光吸收、光电转换、气敏传感等方面有巨大的应用前景。纳米纤维 纳米纤维是指在材料的三维空间尺度上有两维处于纳米尺度的的线（管）状材料，通常是直径或管径或厚度为纳米尺度而长度较大。随着微电子学和显微加工技术的发展，使纳米纤维有可能在纳米导线、开关、线路、高性能光导纤维及新型激光或发光二极管材料等方面发挥极大的作用，是未来量子计算机与光子计算中最有潜力的重要元件材料。目前研究较多的纳米纤维有：纳米丝、纳米线、纳米棒、碳纳米管、纳米碳（硅）纤维、纳米带、纳米电缆等。碳纳米管 碳纳米管是所谓的“分子纤维”，其结构是由单层或两层以上，由极细小的圆筒状石墨片而形成的中空碳笼管。碳纳米管可以定义为“将石墨六角网状平面（石墨烯片）卷成无缝筒状是形成无缺陷的单层管状物质或将其包裹在内，层层套叠而成的多层管状物质“。单壁碳纳米管比较细，其直径大多在数纳米左右，但多数集中分布在0.8-2nm附近；多壁碳纳米管由几层到几十层的同心管套叠而成，直径多在4nm以上，有的相当粗，甚至达到数十纳米。碳纳米管的长度可达几微米，长的甚至达到数毫米，其长度和直径比一般都在1000以上，实际上可忽视两端的影响，被认识是典型的纳米一维材料。纳米玻璃 是指其内部组织得到结构控制，形成有从1nm左右到数百纳米组织大小的特殊玻璃材料。这种结构控制，可以是在原子或分子层次上控制玻璃坯料（母材）的结构，可以是在玻璃内部形成超微粒子，也可以是在其中分散形成另一种物质（异质相）。通过这种结构控制，能够使纳米玻璃保持其玻璃特性的同时，又赋予它许多同普通玻璃迥异的机械特性和光学特性等新的属性。光催化 光催化Photocatalyst是光Photo=Light+催化剂catalyst的合成词。纳米光催化材料是指以纳米级二氧化钛为代表的，在光的照射下自身不起变化，却可以促进化学反应且具有催化功能的半导体材料的总称，是当前国际上治理室内环境污染的最理想材料。 在光的照射下，纳米光催化材料会产生电子和空穴，因而具有很强的光氧化还原功能。可氧化分解各种有机化合物和部分无机物，能破坏细菌的细胞膜和固化病毒的蛋白质，杀死细菌和分解有机污染物，把有机污染物分解成无污染的水（H2O）和二氧化碳（CO2）。因而纳米光催化材料具有极强的杀菌、除臭、防霉、防污自洁、净化空气功能。 纳米光催化材料在化学反应中仅仅起催化剂的作用，因此，理论上有效期非常长久，维护费用低。尤其是二氧化钛材料本身无毒无害，已广泛用于食品、医药、化妆品等各种领域。纳米复相陶瓷 是指异质相纳米颗粒均匀的弥散在陶瓷基体中所形成的复合材料。当纳米粒子主要分布在陶瓷基体晶粒内部时，称为晶内型纳米复相陶瓷；当纳米粒子主要分布在陶瓷基体晶粒间界时，成为晶间型纳米复相陶瓷。通常，这两者复合形态很容易同时存在，称为混合型纳米复相陶瓷。按基体与分散相粒径大小划分，纳米复相陶瓷包括为微米级晶粒构成的基体与纳米级分散相的复合、纳米级晶粒构成的基体与纳米级分散相的符合两种情况.纳米复相陶瓷的力学性能与微观结构观察研究表明，纳米复相陶瓷具有两个显著的特点：（1）对陶瓷基体进行纳米复合时，其力学性能有显著提高，提高的程度有时达到数倍。（2）纳米复相陶瓷具有多重界面的内部结构。首先，微米级的基体颗粒（0.55m）形成主晶界；其次，弥散的颗粒往往不在主晶界，而是处在基体颗粒的内部，形成“晶内型”复合结构，在纳米颗粒与主晶界形成次级晶界。“晶内结构”和次级晶界是陶瓷基复合材料出现的新的结构形式，而且这种结构的存在对材料的力学性能有重要的影响。微机电系统（MEMS） 微机电系统是以微电子、微机械及材料科学为基础，研究、设计、制造具有特定功能的微型装置，包括微结构器件、微传感器、微执行器和微系统等。根据不同场合或习惯，微机电系统也称微机械微构造或微电子机械系统。一般来说，微机械多指构造较简单能动作的微构造，它是构成微机电系统的要素技术，而微机电系统指由为机械和控制电路组成的微系统，它是微机械的高级形式和发展方向。 纳米器件与纳米电子器件 纳米器件可以认为是利用纳米级加工和制备技术，如分子束外延技术、电子束技术、扫描探针显微镜方法等，设计制备的具有纳米级尺度以及一定功能的期间。像纳米CMOS器件、纳米磁性器件、纳米电子机械系统（NEMS）等，器件本身尺度为纳米量级，但其工作原理不是量子隧穿效应、库仑阻塞效应。它们只能是归属于纳米器件，而不属于纳米电子器件的范畴。纳米电子器件的工作原理是量子尺寸效应、量子隧穿效应、库仑阻塞效应。纳米电子器件的一个共同特征是它们都有一个尺寸在5100nm的由半导体或金属材料组成的“小岛”，“岛”的行为类似于场效应晶体管器件的沟道，“岛”被势垒包围，以阻止电子进出“岛区”。像谐振隧穿器件、单电子晶体管存储器等。不仅仅属于纳米器件，更确切的说它们属于纳米电子器件。纳米电子学 纳米电子学是在纳米尺度范围内研究纳米结构物质及其组装体系所表现的电子特征和功能、变化规律与应用的学科。纳米结构物质是指零维量子点、一维纳米线和二维纳米薄膜等纳米材料；组装体系，依据目标设计，通过纳米结构物质制造纳米电子器件、电路和系统；特征是指量子效应、电导量子化、电子隧穿、普适电导涨落等；功能是指信息的产生、传递、交换和显示；变化规律是指组装体系的结构对其性能的影响关系，功能与其影响的关系等；应用是指将纳米电子器件在信息科学中的应用，主要用于计算机、自动器、信息网等。纳米电子学研究内容主要是在纳米尺度范围内研究物质的电子学现象及其运动规律，以此为理论基础，以纳米结构物质为物质基础，构筑量子器件，实现纳米集成电路，从而实现量子计算机和量子通信系统的建立和信息计算、传输、处理的功能。 单电子器件 单电子器件是基于库仑阻塞效应和单电子隧道效应的基本原理，而产生的一种新型的纳米电子器件。单电子器件包括单电子晶体管和电电子存储器。单电子晶体管比较普通，也比较重要。它在未来的微电子学和纳米电子学领域将占重要的地位。单电子晶体管的特点：（1）功耗低，灵敏度高，易于集成等；（2）高频高速工作，由于隧穿机制为一高速过程，同时单电子晶体管具有极小的电容，故工作速度非常快；（3）功耗非常小，因其运输过程是单电子性的，所以电流和功耗非常低；（4）适用于多值逻辑，由于单电子晶体管的I - V特性为台阶状，不同电压对应多个稳定的电流值，故适宜用作多值逻辑。 谐振隧穿器件 谐振隧穿器件是以隧穿效应为工作原理发展起来的量子电子器件。所谓量子隧穿现象，也就是说，即使粒子的能量低于势垒高度，它仍能以一定的概率穿过这个势垒的现象。谐振隧穿就是两个或两个以上电子在不同隧道结同时穿越的现象。该效应会削弱库仑阻塞效应，被存储的一个电子通常表示以一字节的信息，所以谐振效应对信息的存储寿命有至关重要的作用。谐振隧穿器件的特点是在器件结构中有量子阱或超晶格形成的谐振隧道势垒（RTB），如果势阱或超晶格的宽度足够小，在量子阱中会形成量子化能级，即谐振能级，电子只有在其能量与谐振能级相等时才能通过。 电子束刻蚀 电子束刻蚀以电子束为刻饰手段达到刻饰目的的技术，电子束波长极短，束斑直径很小，采用电子束刻蚀能够获得及高分辨率的刻蚀结果。其刻蚀的精度可以满足10nm最小线宽的要求，而且不需要掩模版，不存在硅片和掩模板之间的平行度问题，但是电子束刻蚀的缺陷在于刻蚀速度太慢，无法满足大规模生产的需要。 离子束刻蚀 离子束刻蚀以离子束为刻饰手段达到刻饰目的的技术，其分辨率限制于粒子进入基底以及离子能量耗尽过程的路径范围。离子束最小直径约10nm，离子束刻蚀的结构最小可能不会小于10nm。目前聚焦离子束刻蚀的束斑可达100nm以下，最少的达到10nm，获得最小线宽12nm的加工结果。相比电子与固体相互作用，离子在固体中的散射效应较小，并能以较快的直写速度进行小于50nm的刻饰，故而聚焦离子束刻蚀是纳米加工的一种理想方法。此外聚焦离子束技术的另一优点是在计算机控制下的无掩膜注入，甚至无显影刻蚀，直接制造各种纳米器件结构。但是，在离子束加工过程中，损伤问题比较突出，且离子束加工精度还不容易控制，控制精度也不够高。库仑阻塞效应 库仑阻塞效应是电子在纳米尺度的导电物质间移动时出现的一种现象。在两电极间（其接合静电容量为C）距离变小时 ，由于隧道效应，电子可以从一极向另一极移动，如果双方经典平衡，要移动一个电子，其能量仅增加Ece22C。此能量在室温时与热能相比非常小，而当导体尺度极小时，C变得很小；尤其在低温时，热能也很小，这时就必须考虑Ec。如果没有这一能量，在低偏流电压下，电子的流动受到抑制，导体就不会产生传导。这种因库仑力导致对传导的阻碍，就是所谓的库仑阻塞现象。此时若第三电极（栅极）施加正电位，电中性的导体就会带负电，但栅极电压超过平衡电压时，一个电子就会从一个电极向另一移动，形成单电子运输，从而产生传导。电压继续提高时，库仑阻塞仍起作用，在同样情况下反复进行。利用此原理可制成室温下工作、微小的场效应三极管。 纳米薄膜 膜以及每层厚度在纳米量级的单层或多层膜，有时也称为纳米晶粒薄膜和纳米多层膜。其性能主要依赖于晶粒（颗粒）尺寸、膜的厚度、表面粗糙度及多层膜的结构，这也是目前纳米薄膜研究的主要内容。纳米薄膜与普通薄膜相比，具有许多独特的性能，如具有巨电导、巨磁电阻效应、巨霍尔效应等。按薄膜的构成和致密度，纳米薄膜又可分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的连续薄膜。纳米颗粒膜和普通薄膜相比有显著的结构特征，因而成为制造敏感元件，尤其是集成化和平面敏感元件的重要材料之一。也成为制造新型多功能传感器的主要材料。按薄膜的应用性能，纳米薄膜大致可以分为以下几种：纳米磁性薄膜、纳米光学薄膜、纳米气敏膜、纳米润滑膜及纳米多孔膜等。目前，纳米薄膜的结构、特性、应用研究还处于起步阶段，随着纳米薄膜研究工作的发展，更多结构新颖、性能独特的薄膜必将出现，应用范围也将日益广阔。 光刻技术 光刻技术是半导体工业的关键技术。半导体工业上的光刻技术是将一种聚合物（对紫外光敏感抗蚀剂）代替感光乳剂，光通过印有晶体管制作所需图样的模板投射到光致抗蚀剂上，改变抗蚀剂的化学性质和溶解性，从而在基片上印上一定图样的电路。对于正抗蚀剂，紫外光照后，曝光区域在显影液中变得可溶；对于负抗蚀剂，紫外光照射后曝光区域在显影液中变得不可溶。所以，用普通光学手段将模板上的缩微图形透射到抗蚀剂层（曝光工序），经显影在曝光区（对于正抗蚀剂）或未曝光区（对于负抗蚀剂）便能留下干净的半导体表面。再在曝光区域腐蚀掉半导体，表面就能形成器件图案，表面剩余的抗蚀剂对于半导体可以起到保护层作用。或者，金属或杂质可以通过孔洞沉积在半导体上，形成高电导的区域或者实现互联。溶解掉剩余的抗蚀剂的同时，其表面的金属也会被去除，这是“剥离”步骤。先前有空洞地方的金属图案仍然留在表面。这样，经连续化的图形化、显影、腐蚀和沉积许多不同的工序就可以制造复杂的集成电路。 固体脂质纳米粒子 与以磷脂为主要成分的脂质体双分子层结构不同，固体脂质纳米粒子是由多种类脂肪材料如脂肪酸、脂肪醇及磷脂等形成的固体颗粒，故又称为类脂纳米粒子。固体脂质性质稳定，植被较简单，具有一定的缓释作用，主要适用于难溶性药物如阿霉素和环孢霉素等的包裹，可用作静脉注射或局部给药，也可作为靶向定位和控释作用的载体。目前类脂纳米粒子载体的研究集中在以下几个方面：载体材料的筛选和组合，以获得适宜的释药速度；采用化学方法对纳米粒子的表面进行修饰使其改性，以提高靶向能力或改变靶向部位；优化制备工艺，以增加药物负载量和临床适用性，使之适合于工业化生产。 纳米复合橡胶 尺寸在1100nm的无机粒子分散在连续相橡胶基体中构成的复合材料，称之为纳米复合橡胶。能够分散在橡胶基体中的无机纳米粒子主要有：剥离的黏土、金属氧化物纳米粒子、非金属氧化物纳米粒子，还有金属离子聚集体等。纳米复合橡胶的制造方法主要有纳米粉体材料对橡胶的填充法、橡胶体对黏土的插层法，原位形成能纳米相的溶胶凝胶法等。具有商业发展前途的是前两种方法制造的纳米复合橡胶，即填充型纳米复合橡胶和插层纳米复合橡胶。纳米润滑剂 具有润滑和减摩作用的纳米分散体系称为纳米润滑剂。纳米润滑剂属于亲油性分散质亲油性分散剂体系，即纳米粒子油基分散体系。超细金属粉以适当方式分散于各种润滑油中可形成一种稳定的悬浮液，这种润滑剂每升中含有数百万个超细金属粉末颗粒，他们与固体表面相结合，形成一个光滑的保护层。纳米级金属粉作为新型润滑介质添加剂得到广泛研究和应用，表现出很好的极压性能。同时填塞微划痕，从而大幅度降低摩擦和磨损，尤其在重载、低速和高温振动条件下作用更为显著。应用较多的纳米粉，包括铜、锡、银、硫化物等粉末，这些纳米微粒粉体有着与传统添加剂不同的减摩抗磨，具有明显的作用效果。 纳米粉体分散体系 纳米粉体分散体系是指纳米粉体材料在异质中混合而形成具有特殊性质的分散体系。纳米粉体的分散行为与同成分微米粉体存在着某些相似性，但是，纳米粉体的比表面积大，表面形态和吸附性质发生了变化，故纳米粉体的分散体系有其自身的特点。按照纳米粉体分散体系的分散质和分散剂的性质大致可以分为四类：第一，亲水性分散质亲水性分散剂系；第二，亲水性分散质亲油性分散剂体系；第三，亲油性分散质亲水性分散剂体系；第四，亲油性分散质亲油性分散体系。 物理粉碎法 采用超细磨制备纳米粒子，利用介质和物料间相互研磨和冲击，并辅以助磨剂或大功率超声波粉碎，达到微粒的微细化；物理气相沉积法（PVD）：在低压的惰性气体中加热可蒸发的物质，使之气化，再在惰性气体中冷凝成纳米粒子，热源可以是电阻热源、高频感应热源、电子束或激光热源等，不同的加热方法制备的纳米粒子的量、大小及分布各有差异。此外，还有流动液面真空蒸发法、放电爆炸法、真空溅射法等。化学气相沉积法（CVD） 采用与物理气相沉积法（PVD）相同的加热源，将原料（金属氧化物、氢氧化物、金属醇盐等）转化为气相，再通过化学反应，成核生长得到纳米粒子；水热合成法：在高温高压下在溶液或气体等流体中合成；化学沉淀法：将沉淀剂加入到金属盐溶液中，沉淀后进行热处理得到纳米材料，沉淀的形式包括直接沉淀、共沉淀、均一沉淀法等。 纳米固体材料 纳米固体材料通常指由尺寸小于15纳米的超微颗粒在高压力下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密型固体材料。 纳米固体材料的主要特征是具有巨大的颗粒间界面，如5nm颗粒所构成的固体每立方厘米将含1019个晶界，原子的扩散系数要比大块材料高10141016倍，从而使得纳米材料具有高韧性。通常陶瓷材料具有高硬度、耐磨、抗腐蚀等优点，但又具有脆性和难以加工等缺点，纳米陶瓷在一定的程度上却可增加韧性，改善脆性。复合纳米固体材料亦是一个重要的应用领域。例如含有20超微钻颗粒的金属陶瓷是火箭喷气口的耐高温材料；金属铝中含有少量的陶瓷超微颗粒，可制成重量轻、强度高、韧性好、耐热性强的新型结构材料。超微颗粒亦有可能作为渐变（梯度）功能材料的原材料。材料的耐高温表面为陶瓷，与冷却系统相接触的一面为导热性好的金属，其间为陶瓷与金属的复合体，使其间的成分缓慢连续地发生变化，这种材料可用于温差达1000C的航天飞机隔热材料、核聚变反应堆的结构材料。渐变功能材料是近年来发展起来的新型材料，预期在医学生物上可制成具有生物活性的人造牙齿、人造骨、人造器官，可制成复合的电磁功能材料、光学材料等。 纳米团簇 如果使数个到数百个原子、分子凝聚在一起，就可以形成纳米尺度的超微粒子，这样的超微粒子就称为纳米团簇。纳米团簇与块体金属相比具有非常不同的磁性要素。从构成的原子数（纳米团簇的大小）的磁性要素变化的情况看，尺寸小的区域的磁性要素变化很大，随着尺寸变大其磁性要素变化的情况看，尺寸小的区域的磁性要素变化很大，随着尺寸变大其磁性要素变化量逐渐变小，最后收敛于块体金属具有的值。一般来说，纳米团簇与块体材料、原子相比具有完全不同的物理和化学性能，并且其性能随着尺寸变化具有显著变化的特点。目前，纳米团簇作为具有新功能的材料在各个领域受到广泛关注的最大理由也正是这一点，即纳米团簇是由控制其大小，便有可能发现其新功能的物质群。纳米表征学 纳米表征学就是描述纳米结构、纳米尺度物质的组成、性质、性能、结构特征及其相互间关系的一门测量技术学科，组分的测定、性质性能的检测和结构的确认通称为纳米表征。除了扫描隧道显微镜之外，常规分析技术都可作为纳米材料、纳米器件和纳米结构的表征技术手段，但为了在纳米尺度上研究材料和期间的结构及性质，发现新现象，创造新技术，必须发展适合纳米尺度物质及其性质的纳米表征学。纳米材料和纳米结构的表征方法，随着纳米科学技术的发展而日益丰富和先进，随着研究工作的日益深入，愈加能够反映出纳米结构材料的特别性质和特殊性能。纳米表征技术为推动纳米科学技术的发展与应用奠定了可靠的技术保障。纳米磁性材料 纳米磁性材料是20世纪70年代后逐步产生、发展、壮大而成为最富有生命力与宽广应用前景的新型磁性材料。纳米磁性材料的特性不同于常规的磁性材料，其原因是关联于与磁相关的特征物理长度恰好处于纳米量级，例如：磁单畴尺寸，超顺磁性临界尺寸，交换作用长度，以及电子平均自由路程等大致处于1-100nm量级，当磁性体的尺寸与这些特征物理长度相当时，就会呈现反常的磁学性质。纳米磁性材料及应用大致上可分三大类型：1纳米颗粒型* 磁记录介质 * 磁性液体 * 磁性药物 * 吸波材料2纳米微晶型* 纳米微晶永磁材料 * 纳米微晶软磁材料3纳米结构型* 人工纳米结构材料薄膜，颗粒膜，多层膜，隧道结* 天然纳米结构材料 钙钛矿型化合物纳米炸弹 借助碳纳米管有选择地将药物注入不同的细胞，利用分子的光学和热力学性质，诱发碳纳米管产生微型爆炸。爆炸产生的冲击波不仅能够杀死癌细胞，破坏传递癌细胞生长指令的生物信道，而且还可通过扩大作用范围，破坏周边癌细胞组织的结构。且爆炸对周边环境的影响很小，人体对爆炸的痛感只相当于被细针扎了一下。爆炸原理，碳纳米管受到一定强度光的照射后便会发热，单个碳纳米管产生的热量很容易被周围的空气所吸收，而纳米炸弹由碳纳米管堆积而成，其产生的热量不会很快散失掉，进而可引发爆炸。 用纳米炸弹对付癌细胞优于现在许多其他的治疗手段。它的威力大，选择性强，可定点清除目标。其次，它无毒副作用，无扩散性，易与包括显微外科在内的其他技术相结合。此外，纳米炸弹与其他有可能用来治疗癌症的碳纳米管技术相比也有长处，那就是，在炸毁癌细胞的同时，炸弹自身的碳纳米管也变成了碎片，而人体巨噬细胞可以有效地清除这些残骸。其他碳纳米管技术往往将碳纳米管和纳米颗粒完整地保留在了人的体内，而一旦这些物质进入肾脏或在血管内长期积累，就有可能对人体产生危害。 X射线小角散射 X射线小角散射是是发生在原光束附近O至几度范围内的相干散射现象，物质内部尺度在1纳米至数百纳米范围内的电子密度起伏是产生这种散射效应的根本原因。该标准规定了利用X射线小角散射技术测定纳米粉末粒度分布的方法。它适用于测定颗粒尺度在1nm300nm范围内的粉末的粒度分布，对于无机、有机溶胶和各种悬浮液中微粒尺寸的测定，也可参照执行。其粒度分析结果所反映的既非晶粒亦非团粒，而是一次颗粒的尺寸，即使它们发生团聚，也不会对测试结果产生重大影响，因此其制样方法相对比较简单，对颗粒分散的要求不像其他方法那样严格。另外，在测定中参与散射的颗粒一般高达数十亿个，在统计学上有充分的代表性，数据的重复性良好。在制定该标准时，起草小组对上述关键问题作了充分的实验验证。 当粉末的颗粒形状偏离球形时，该标准方法给出的是等效散射球直径。对于有微孔存在的粉末(或多孔固体)，当颗粒(或骨架)的尺寸大于0.5um时，该方法也可以用来测定其中的纳米孔径分布。超临界干燥 溶胶-凝胶法制备纳米多孔材料干燥过程的一种工艺。由于凝胶骨架内部的溶剂存在表面张力，在普通的干燥条件下会造成骨架的坍缩。超临界干燥旨在通过压力和温度的控制，使溶剂在干燥过程中达到其本身的临界点，完成液相至气相的超临界转变。过程中溶剂无明显表面张力，在维持骨架结构的前提下完成湿凝胶相气凝胶的转变。超临界干燥使用的器具为高压釜，高压釜的密闭性要求高。通常超临界干燥工艺需要的实验周期相对较长、产量较低、成本较高，用来制备要求较严格的产品。常压干燥 由于超临界干燥的周期性和成本问题，以及一些产品并未需要过高的精度，因此而改良的溶胶-凝胶法的干燥工艺。干燥过程需要考虑最多的因素即骨架的坍缩和溶剂的表面张力，此问题可通过溶剂替换和表面修饰工艺来解决，选择了合适的表面修饰剂处理过后，可直接将湿凝胶置于常压下，施加一定的温度而进行干燥。相对超临界干燥，该工艺对设备要求较低，容易量产，对要求精度较低的产品可提高制备效率。表面修饰 结合常压干燥而进行的湿凝胶骨架内部的溶剂替换过程。将高表面张力的骨架内溶剂替换为低表面张力的溶剂，使其在干燥过程中即使不采用到达溶剂临界点的方式相变时，也不会导致凝胶骨架的坍缩。整个工艺是常压干燥成为可能，但需要合理的选择修饰剂，避免不必要的反应过程。多孔氧化铝 多孔阳极氧化铝膜(porous anodic aluminum oxide)简称AAO，是典型的自组织生长的纳米结构多孔材料，一般在酸性溶液中由金属铝经过电化学阳极氧化制备而成，根据用途不同，可分别选用硫酸、草酸，也可采用磷酸、铬酸等多质子酸。与其它多孔材料相比，AAO具有孔径大小一致、排列有序、孔道严格垂直于表面且孔径分布范围大、孔隙率高等特点。 现已制备的AAO模板孔径在5420nm范围内可调，膜厚可达100m以上，孔密度从1091012cm-2，这些参数可通过改变电解液的种类、浓度、温度、电压、电解时间等工艺条件以及最后的扩孔工序来调节。电压对膜厚及膜厚及孔径的影响起主导作用，影响阳极氧化的自组织过程，进而影响最终纳米孔排列的有序度。超微加工技术 随着集成电路规模的日益增大，元器件越来越小，各种微电子电路的尺寸间距、引线都已突破微米向纳米前进，这就产生了超微加工技术。这种技术的关键是形成微加工区和引线光刻技术。为了提高加工精细水平，由传统的接触掩膜光刻发展到投影光刻，并采用波长短的紫外光同步辐射或电子束作为光（辐射）源，用它们进行曝光可以获得更高的分辨能力。与超精细光刻技术配合的超微加工技术还有自对准技术、离子注入掺杂、激光淀积布线。今后的微细加工方向，将是对这些装置进行改良，开发分辨能力更高的抗蚀剂，以及采用能看到原子的扫描隧道显微镜STM和场离子显微镜FIM等。 原位聚合法 原位聚合法是制备有机-无机杂化膜的一种方法，它是将聚合物与可溶性无机前驱体在适当的溶剂中溶解，无机前驱体通过水解缩合、复分解反应、氧化还原反应等方式在聚合物中原位生成无机纳米粒子。聚合物分子链上特有的官能团对金属离子络合、吸附，反应物受到纳米级的空间限制，从而控制纳米颗粒直径，并稳定纳米颗粒防止其发生团聚。由原位聚合法制备的杂化膜，无机相一般为纳米结构且分散均匀，即使聚合物不发生交联，也可以得到均匀的杂化膜。特别是当聚合物上带有羰基、羟基或醚氧基时，这些基团可以和无机物水化时的羟基形成氢键，使得无机物分散均匀、稳定。超疏水膜 超疏水膜的基础理论研究始于20世纪50年代，盛于90年代，一般将与水接触角大于120的膜就称为超疏水膜，也有将大于150称为超疏水膜。有机物表面润湿性能是由固体表面原子及其堆积态所决定，与其内部组成及分子排布无关。随着超疏水薄膜理论日臻成熟，研究证实超疏水膜主要由材料表面德化学结构、聚集态、表面形貌、微构造协同作用所决定。纳米金属 电磁波或者光子能在金和银的内部传播，但经过一段微小的纳米级距离之后，会因被金属吸收而破坏，如果金属足够薄（小于200nm）的话，一些光就可以通过，这样，人的肉眼看它也是透明的，日光也能穿过。在真空中向玻璃或塑料上用沉积薄膜的方法可以得到透明的金属膜层，在金属两面镀上其他非金属介质纳米层，如氧化钛，通过的光能增加到使金属看上去几乎清晰透明，由于光不被反射而透过，所以没有耀眼的眩光出现。不用薄膜而使用纳米颗粒，可以达到同样的效果。 光子晶体 光子晶体是能够巧妙引导光信号进入固体结构内任何位置的晶体。光子晶体并不是全新的材料，某些装饰材料就是光子晶体，这种功能通常被用来获得一些奇异的色彩，如蛋白石，现在能通过纳米技术人工制造出来。然而，类似于电子电路，这些材料是真正的光路。光子晶体通过抑制光进入固体的某些区域（这些区域内的颗粒排列结构能阻止特定频率的光子通过，即光子禁带）来引导光路，特定的光就这样被控制在一些区域外，但又可以通过有意设定的缺陷路径将这些光引导出去。 物理气相沉积 物理气相沉积技术是一种对材料表面进行改性处理的高新技术，最初和最成功的发展是在半导体工业、航天航空等特殊领域。在机械工业中作为一种新型的表面强化技术起始于80年代初，而且主要集中在切削工具的表面强化。以改善机械摩擦副零件性能为目的的研究近10多年才受到广泛重视，是现在重点开发的新领域。物理气相沉积技术作为高新技术在先进制造技术和技术进步中占有重要的地位。物理气相沉积是主要利用物理过程来沉积薄膜的技术。 和化学气相沉积相比，物理气相沉积适用范围广泛，几乎所有材料的薄膜都可以用物理气相沉积来制备，但是薄膜厚度的均匀性是物理气相沉积中的一个问题。 主要的物理气相沉积的方法有： 热蒸发、溅射、脉冲激光沉积 。 纳米压印 纳米压印术是软刻印术的发展，它采用绘有纳米图案的刚性压模将基片上的聚合物薄膜压出纳米级花纹，再对压印件进行常规的刻蚀、剥离等加工，最终制成纳米结构和器件。它可以大批量重复性地在大面积上制备纳米图形结构，并且所制出的高分辨率图案具有相当好的均匀性和重复性。该技术还有制作成本极低、简单易行、效率高等优点。因此，与极端紫外线光刻、射线光刻、电子束刻印等新兴刻印工艺相比，纳米压印术具有不逊的竞争力和广阔的应用前景。纳米压印术主要有两种：热压雕版压印法和步进闪光压印法。纳米水 “纳米水”不是普通的水，它是纳米燃油添加剂的俗称。目前主要针对车用柴汽油和燃料油使用，可实现用物理方法解决燃油燃烧的化学问题。 “纳米水”的工作原理是：把自由水经过纳米组装技术的处理后，组装成6纳米左右的水颗粒，然后加到连续的油相当中，形成热力学稳定的纳米燃油，让燃油在燃烧前通过进行水颗粒微爆的二次雾化作用，炸碎燃油雾滴，使之进一步雾化，实现更加充分和均匀的燃烧，达到提高燃油的燃烧效率和机械效率，进而实现提高发动机动力性能、节省燃油和保护环境的功效。另外，纳米水颗粒的微爆作用还能有效地清除发动机燃烧室内的积碳。 纳米晶永磁材料 纳米晶永磁材料是一种新型的稀土永磁材料，其中交换弹性耦合型的纳米晶复合稀土永磁材料的理论磁能积可高于任何一种单相永磁材料，这类材料具有高剩磁、高磁能积和相对高的矫顽力以及低的稀土含量和较好的化学稳定性，是一种有广泛应用前景的廉价稀土永磁材料。 量子阱 量子阱是指由2种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。量子肼的最基本特征是，由于量子阱宽度(只有当阱宽尺度足够小时才能形成量子阱)的限制，导致载流子波函数在一维方向上的局域化。在由2种不同半导体材料薄层交替生长形成的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间载流子渡函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱。如果势垒层很薄，相邻阱之间的耦合很强，原来在各量子阱中分立的能级将扩展成能带(微带)，能带的宽度和位置与势阱的深度、宽度及势垒的厚度有关，这样的多层结构称为超晶格。具有超晶格特点的结构有时称为耦合的多量子阱。量子肼中的电子态、声子态和其他元激发过程以及它们之间的相互作用，与三维体状材料中的情况有很大差别。在具有二维自由度的量子阱中，电子和空穴的态密度与能量的关系为台阶形状。而不是象三维体材料那样的抛物线形状。 微孔碳 以活性碳纤维(active car