纳米技术 2.doc

纳米技术（1） 绪论1，纳米尺度的定义：在纳米尺度（1nm-100nm之间）上研究物质（包括原子、分子的操纵）的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。 ,2，纳米技术的内容：纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学等。（七大学科，三大领域）纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。纳米科学与技术主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等 。这七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征这三个研究领域。纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。（三个层次，概念）从迄今为止的研究来看，关于纳米技术分为三种概念：第一种，是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在创造的机器一书中提出的分子纳米技术。根据这一概念，可以使组合分子的机器实用化，从而可以任意组合所有种类的分子，可以制造出任何种类的分子结构。这种概念的纳米技术还未取得重大进展。第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的加工来人工形成纳米大小的结构的技术。这种纳米级的加工技术，也使半导体微型化即将达到极限。现有技术即使发展下去，从理论上讲终将会达到限度，这是因为，如果把电路的线幅逐渐变小，将使构成电路的绝缘膜变得极薄，这样将破坏绝缘效果。此外，还有发热和晃动等问题。为了解决这些问题，研究人员正在研究新型的纳米技术。第三种概念是从生物的角度出发而提出的。本来，生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。DNA分子计算机、细胞生物计算机的开发，成为纳米生物技术的重要内容。（2） 纳米技术的发展史，三个阶段1，发展史概括：纳米技术的灵感来源，来自于已故物理学家理查德费曼1959年所作的一次题为在底部还有很大空间的演讲。关键突破1990年，IBM公司阿尔马登研究中心的科学家成功地对单个的原子进行了重排，纳米技术取得一项关键突破。他们使用一种称为扫描探针的设备慢慢地把35个原子移动到各自的位置，组成了IBM三个字母。这证明费曼是正确的。技术编年史1993年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文、1990年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“ 中国”二字，标志着中国开始在国际纳米科技领域占有一席之地；近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。2，纳米材料的基本效应：定义+特性1）量子尺寸效应是指当粒子尺寸下降到某一数值时费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽的现象。当能级的变化程度大于热能、光能、电磁能的变化时导致了纳米微粒磁、光、声、热、电及超导特性与常规材料有显著的不同。 大块材料的能带可以看作是准连续的,而介于原子和大块材料之间的纳米材料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。例如导电的金属在纳米颗粒时可以变成绝缘体,磁距的大小与颗粒中电子是奇数还是偶数有关,比热亦会反常变化 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。如金属是导体但纳米金属微粒在低温由于量子尺寸效应会呈现电绝缘性2. 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物理性质的变化称为小尺寸效应。3. 表面效应球形颗粒的表面积与直径的平方成正比其体积与直径的立方成正比故其比表面积表面积/体积与直径成反比。随着颗粒直径的变小比表面积将会显著地增加颗粒表面原子数相对增多从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定致使颗粒表现出不一样的特性这就是表面效应。 4. 宏观量子隧道效应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。特性：纳米材料呈现如下的宏观物理性能：(1)高强度和高韧性；特殊的力学性能，氧化铝陶瓷材料中加入碳化硅，抗弯强度从原来的300400MPA变为1.01.5GPA。 (2)高热膨胀系数,高比热容和低熔点；例如2nm的金颗粒熔点为600K随着粒径增加熔点迅速上升块状金为1337k 。 (3)异常的导电率和磁化率；。小尺寸材料可成超顺磁性，蜜蜂，蝴蝶，鸽子运用超微的磁性颗粒，进行辨别方向(4)极强的吸波性；例如：纳米铁粉，因为强烈的吸光性，呈黑色。且易与空气燃烧 ，隐身材料(5)高扩散性。 基本纳米材料有哪些基本的效应？试举例说明 答：纳米材料的基本效应有：一、尺寸效应，纳米微粒的尺寸相当或小于光波波长、传导电子的德布罗意波长、超导态的相干长度或投射深度等特征尺寸时，周期性的边界条件将被破坏，声、光、电、磁、热力学等特征性即呈现新的小尺寸效应。出现光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移；磁有序态转为无序态；超导相转变为正常相；声子谱发生改变等。例如，纳米微粒的熔点远低于块状金属；纳米强磁性颗粒尺寸为单畴临界尺寸时，具有很高的矫顽力；库仑阻塞效应等。二、量子效应，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，必须考虑量子效应，随着金属微粒尺寸的减小，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分子轨道，能隙变宽的现象均称为量子效应。例如，颗粒的磁化率、比热容与所含电子的奇、偶有关，相应会产生光谱线的频移，介电常数变化等。三、界面效应，纳米材料由于表面原子数增多，晶界上的原子占有相当高的比例，而表面原子配位数不足和高的表面自由能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，从而具有很高的化学活性。引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化；纳米微粒表面原子运输和构型的变化。四、体积效应，由于纳米粒子体积很小，包含原子数很少，许多现象不能用有无限个原子的块状物质的性质加以说明，即称体积效应。久保理论对此做了些解释。（3） 纳米材料的制备分类及其特点1，按原理分类：物理，化学1）物理方法物理方法是指制备过程在不经化学反应的条件下，通过蒸发、冷凝、搅拌、球磨、热塑变形等制备纳米粒子的方法。物理方法主要分为蒸发冷凝法、物理粉碎法、机械球磨法以及新型电解法等。 这些制备方法的特点：制品粒子表面清洁、无杂质、粒度可控、活性高等优点。但大多数是生产率较低，设备复杂且成本。2）化学方法化学方法是指在一定条件下，借助化学反应制备纳米材料的方法。根据反应体系相态不同可将化学方法分为气相化学法和液相化学法。化学法主要有气相沉积法（使用最广）、化学沉积法、水热合成法、胶体化学法、微乳液法等。特点：1粒度可控、纯度高、粒度分布窄且均匀、无粘结，可对整个基体进行沉积等优点。其缺点是衬底温度高。；2简单易行，但所得产品纯度低，粒径较大，适合制备氧化物。；3：纯度高、分散性好、晶形好且粒度可控；：4反应物种多、粒度均一、过程易控；5粒子的单分散和界面性好，族半导体纳米粒子多采用此法制备.（与上五种方法一一对应）2，纳米材料制备过程的物态分类 ：气相法、液相法、固相法1） 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。特点：这种方法制备的纳米材料均匀、细度可控借助一定的技术手段可得到表面修饰的稳定性好的纳米材料2） 液相法 液相法是以均匀的溶液相为出发点通过各种途径是溶液和溶剂分离溶质形成一定形状和大小的颗粒或所需材料的前驱体再通过干燥或热分解后得到纳米颗粒该法主要用于氧化物纳米材料的制备。常用的液相法包括沉淀法水热法微乳液法喷雾法和溶胶-凝胶法。特点：这种方法是目前主要的迅速发展的纳米材料的合成方法能够合成多种多样的纳米材料或者是复合纳米材料但其不足之处是合成的纳米材料带有杂质这对纳米材料的性质会产生不良影响3） 固相法 固相法合成与制备纳米材料是固体材料在不发生熔化、气化的情况下使原始晶体细化或反应生成纳米晶体的过程。目前发展出的固相法主要有高能球磨法、固相反应法、大塑性变形法、非晶晶化法及表面纳米化等方法。特点：一般限于机械合金化技术制造技术在一定条件下常规的固体材料经粉碎可得到纳米材料。固相制备方法对比前两种方法来说能够制备的纳米材料是有限的其制备纳米粒子的粒度还是相对比较大的同时纳米材料的细度分布无法有效控制。（4） 纳米的检测和表征。1） 扫描隧道显微镜的原理：根据量子力学中的隧道效应原理，通过探测固体表面原子中电子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显微装置。 经典力学中，当一个粒子的能量E低于前方势垒的高度U0时，粒子将完全被弹回，它便不可能越过此势垒，即透射系数等于零。而在量子力学中，对于被观察的微观粒子在一般情况下，粒子能够穿透能量比粒子能量更高的势垒，其透射系数不等于零，这一象被称为隧道效应。STM的主要种工作模式：恒流模式、恒高模式和扫描隧道谱。STM的基本原理就是量子隧道效应。将原子线度的极细针尖和被研究物质的表面作为两个电极，在两电极间加一个偏压V，当极细针尖接近样品表面（通常小于1nm）时，在针尖和样品表面之间就会产生克服间隙势垒的隧道电流。恒流模式所谓恒流模式，是在扫描过程中，保持隧道电流不变的工作模式。利用一套电子反馈线路控制隧道电流 I ，使其保持恒定。再通过计算机系统控制针尖在样品表面扫描，即是使针尖沿x、y两个方向作二维运动。由于要控制隧道电流 I 不变，针尖与样品表面之间的局域高度也会保持不变，因而针尖就会随着样品表面的高低起伏而作相同的起伏运动，高度的信息也就由此反映出来。这就是说，STM得到了样品表面的三维立体信息。这种工作方式获取图象信息全面，显微图象质量高，应用广泛。 恒高模式所谓恒高模式，是在扫描过程中，保持针尖高度不变的工作模式。在扫描过程中，保持针尖的高度不变，通过记录隧道电流的变化来得到样品的表面形貌信息。这种模式通常用来测量表面形貌起伏不大的样品2）原子力显微镜的原理：原子力显微镜的工作原理就是将探针装在一弹性微悬臂的一端，微悬臂的另一端固定，当探针在样品表面扫描时，探针与样品表面原子间的排斥力会使得微悬臂轻微变形。这样，微悬臂的轻微变形就可以作为探针和样品间排斥力的直接量度。一束激光经微悬臂的背面反射到光电检测器，可以精确测量微悬臂的微小变形，这样就实现了通过检测样品与探针之间的原子排斥力来反映样品表面形貌和其他表面结构。在原子力显微镜Atomic Force MicroscopyAFM的系统中可分成三个部分力检 测部分、位置检测部分、反馈系统 见图1。AFM的工作方式：1） 接触模式（Contact Mode）： 优点：扫描速度快，是唯一能够获得“原子分辨率”图像的AFM垂直方向上有明显变化的质硬样品，有时更适于用Contact Mode扫描成像。 缺点：横向力影响图像质量在空气中，因为样品表面吸附液层的毛细作用使针尖与样品之间的粘这力很大横向力与粘着力的合力导致图像空间分辨率降低，而且针尖挂擦样品会损坏软质样品（如生物样品，聚合体等）。 2） 非接触模式（Non-Contact Mode）： 优点：没有力作用于样品表面。 缺点：由于针尖与样品分离，横向分辨率低；为了避免接触吸附层而导致针尖胶粘，其扫描速度低于Tapping Mode和Contact Mode AFM。通常仅用于非常怕水的样品，吸附液层必须薄，如果太厚，针尖会陷入液层，引起反馈不稳，刮擦样品。由于上述缺点，on-contact Mode的使用受到限制。 3） 轻敲模式（Tapping Mode）： 优点：很好的消除了横向力的影响。降低了由吸附液层引起的力，图像分辨率高，适于观测软、易碎、或胶粘性样品，不会损伤其表面。 缺点：比Contact Mode AFM 的扫描速度慢。（5） 纳米生物技术1）纳米生物技术：（内容）是指在纳米尺度上认识生物分子的精细结构和功能之间的联系，并在此基础上按研究者的意愿组合、装配创造出满足人们意愿并行使特定功能的生物纳米机器。众多的生物大分子是天然的纳米机器，受自然选择限制，只有在生理条件合适的情况下才能保持活性：无机纳米材料本身具有独特的性质，但又缺乏生物活性，功能受限。因此，将两者有机的结合起来所产生的生物纳米复合机器将会成为未来生物纳米技术发展的主流。 另外，纳米生物技术（领域）在生物医学、药学、人类健康等领域已经有重大应用。纳米生物医用材料将解决临床对高性能组织修复、器官替换和诊疗的迫切需求，在人类康复工程中发挥重要作用。预期在未来30年内，与医学和健康领域相关的纳米技术的研究将影响产值达4800亿美元的生物医药制造业。纳米生物医用材料和医药技术研究既有现实的迫切需求，又有广阔的应用前景和巨大的社会效益。 其实，生物纳米技术也是一项通过观察，思考，假设，实验，再不断的修正假设和不断的进行实验，最终使得假设上升为理论的科学，与其他科学不同的是，它代表了21世纪科学发展的方向。纳米生物技术的飞速发展,将广泛应用于医学临床。纳米生物技术应用于恶性肿瘤的靶 向性治疗将成为一种新的诊疗方法,可望在十五年内征服部分恶性肿瘤。纳米基因载体将推 进基因治疗的临床应用进展。纳米探针诊断技术和纳米细胞分离技术将在临床和生物技术 产品开发中广泛应用,纳米生物材料作为人体内植入物和应用于组织工程将解决传统材料 在临床应用的许多弊端。纳米技术改造传统中药加工工艺将在很大程度上提高中医药的治 疗效果。 2纳米技术在诊疗上的应用：纳米生物技术的飞速发展,将广泛应用于医学临床。纳米生物技术应用于恶性肿瘤的靶 向性治疗将成为一种新的诊疗方法,可望在十五年内征服部分恶性肿瘤。纳米基因载体将推 进基因治疗的临床应用进展。纳米探针诊断技术和纳米细胞分离技术将在临床和生物技术 产品开发中广泛应用,纳米生物材料作为人体内植入物和应用于组织工程将解决传统材料 在临床应用的许多弊端。纳米技术改造传统中药加工工艺将在很大程度上提高中医药的治 疗效果。 （纳米的靶向药物、高效缓释药物，细胞内传感器、生物芯片、纳米生物探测技术）诊断：纳米生物传感器是由纳米载体与能够识别肿瘤细胞表面受体的特异性配位体组装而成。纳米生物传感器与恶性肿瘤细胞特异性结合后，利用物理方法如测试传感器中的磁讯号、光讯号等，可以发现早期恶性肿瘤并准确定位，将纳米生物传感器与生化检测技术相结合*能够对体内是否存在恶性肿瘤进行早期诊断。纳米生物检测技术具有高通量、超灵敏等特点。现阶段，纳米诊断技术有几个研究热点：生物芯片、纳米诊断试剂及纳米生物传感器。治疗： DNA纳米技术和基因治疗 DNA纳米技术(DNA nanotechnology)是指以DNA的理化特性为原理设计的纳米技术，主要应用于分子的组装。DNA复制过程中所体现的碱基的单纯性、互补法则的恒定性和专一性、遗传信息的多样性以及构象上的特殊性和拓扑靶向性，都是纳米技术所需要的设计原理9。现在利用生物大分子已经可以实现纳米颗粒的自组装。将一段单链的DNA片断连接在13 nm直径的纳米金颗粒A表面，再把序列互补的另一种单链DNA片断连接在纳米金颗粒B表面，将A和B混合，在DNA杂交条件下，A和B将自动连接在一起10。利用DNA双链的互补特性，可以实现纳米颗粒的自组装。利用生物大分子进行自组装，有一个显著的优点：可以提供高度特异性结合，这在构造复杂体系的自组装方面是必需。（6） 综合纳米电子学：如果说微电子学的理论基础是固体能带理论，那么纳米电子学的理论基础则是各种量子化效应。而在不同的纳米结构与器件中，其量子化效应的物理体现也是多种多样的。换言之，也正是各种量子化效应的出现，才导致了具有不同量子功能纳米量子器件的诞生。纳米电子学是纳米技术的重要组成部分是传统微电子学发展的必然结果是纳米技术发展的主要动力。纳米电子学在传统的固态电子学基础上借助最新的物理理论和最先进的工艺手段按照全新的概念来构造电子器件与系统。纳米电子学在更深层次上开发物质潜在的信息和结构的能力使单位体积物质储存和处理信息的能力提高百万倍以上实现信息采集和处理能力的革命性突破。纳米电子学与光电子学、生物学、机械学等学科结合可以制成光电器件、分子器件、微电子机械系统、微型机器人等将对人类的生产和生活方式产生变革性的影响纳米电子学将成为21世纪信息时代的关键技术。随着微电子技术的发展和应用市场的开发对IC的集成密度的要求越来越高电子器件的小型化以指数率持续变小特征尺寸从微米级到亚微米级再缩小至纳米级。纳米电子技术是传统电子技术发展的必然结果。1纳米级CMOS器件如绝缘层上硅MOSFET、2量子效应器件如量子干涉器件、量子点器件和谐振隧道器件等 3单电子器件如单电子箱、电容耦合和电阻耦合单电子晶体管、单电子结阵列、单电子泵、单电子陷阱等 4单分子器件如单电子开关、单原子点接触器件、单分子开关、分子线、量子效应分子电子器件、电化学分子电子器件等 5纳米传感器如量子隧道传感器等 6纳米集成电路包括纳米电子集成电路和纳米光电集成电路 7纳米存储器如超高容量纳米存储器、隧道型静态随机存储器、单电子硅基 存储器、单电子存储器、单电子量子存储器等 8纳米CMOS混合电路纳米级精度的加工和纳米级表层的加工，即原子和分子的去除、搬迁和重组是纳米技术主要内容之一。纳米加工技术担负着支持最新科学技术