整理纳米科技基础

1、第一章纳米科技基础知识1.1 纳米科技发展历程1 .发展历史：费恩曼提出一一扫描隧道显微镜2 .主要特征：更多考虑分子设计，材料结构设计等；以传统三束（光子束、电子束、离子束）为核心的微电子平面加工技术起主要作用；表征方法有谱学技术、电子显微技术、STM、AFM、扫描近场显微术（SNOM）;沿两条路线进行：微电子技术和量子效应纳米器件；利用分子组装实现具有设计功能的一些机构。1.2 纳米科技概念及分类定义：在纳米尺度（1-100nm）上研究物质的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学。研究领域：纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征。分类：纳米材料学、纳米电子与器件、纳米加工与纳

2、米机械、纳米生物与医药。1.3 纳米材料基本知识元素周期表；原子结构；能量分子与物质的相态：气液固；价键：金属键、氢键、离子键、共价键、范德瓦尔斯键（伦敦力（也叫色散力）、极化力、氢键）,研究思路：自上而下、自下而上。1.4 纳米颗粒基本特性量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应。1.5 纳米科技应用领域材料与制造、微电子与计算机、医药与健康、生物技术与农业、环境与能源、航空航天、国家安全。第二章纳米材料的测试与表征纳米材料性能：材料表面形貌、内部结构、化学组成。2.1 电子显微技术1 .扫描隧道显微镜（STM）:探针及扫描器，电子学控制，计算机数据处理及显示。应用实例：C60,

3、DNA用STM操纵单个原子和分子2 .原子力显微镜（AFM）3 .扫描和透射电子显微技术扫描电子显微镜（SEM）透射电子显微镜（TEM）高分辨电子显微术（HREM）4 .电子衍射分析（n入=2dsin6）2.2 光谱技术（紫外可见光谱、核磁共振光谱、X射线衍射谱、红外光谱、原子吸收光谱、电感耦合等离子光谱、荧光光谱、拉曼光谱）1. X射线衍射分析（XRD）:将未知物质的粉末衍射花样与已知物质衍射花样d、I/Ii数列对照。检索方法：Hanawalt法数字索引、字顺索引、电子计算机检索。X射线衍射分析装置：X射线管、样品台、测角仪、检测器。纳米材料的XRD分析：晶相分析、晶粒尺寸分析Dc=KX/（

4、Bcos8）、纳米介孔结构的测定。2 .红外光谱和拉曼光谱分子振动光谱的原理：非线性分子有3N-6种振动形式，线性分子有3N-5种振动形式。一般来说，引起分子偶极矩变化的振动分为伸缩振动和变形振动。振动频率：°=1/（2兀c）*（k/八0.5。在解释红外光谱时，通常从吸收带的数目、位置、形状和强度等方面来考虑。拉曼光谱是利用分子的非弹性散射现象而形成的（非弹性散射为拉曼散射，弹性散射为瑞利散射）。在拉曼光谱中，我们关心的是拉曼位移的大小。红外光谱分子对红外光吸收所产生对应于分子振动能级的跃迁,落在红夕卜区域要求分子振动过程中存在偶极矩的变化拉曼光谱分子对单色可见光的散射所产生激发虚态

5、能级与振动态能级的跃迁所产生的可见光要求分子在振动过程中存在极化率的变化红外光谱仪：棱镜光谱仪、光栅光谱仪、干涉型傅里叶变换红外光谱仪（迈克尔逊干涉仪）。拉曼光谱仪：激光拉曼光谱仪（光源、外光路系统、样品池、单色仪、信号处理输出系统）纳米材料的红外吸收和拉曼散射行为：红外吸收峰的蓝移和变宽，拉曼光谱分析中键的振动会有差异。3 .光电子能谱分析（XPS）第三章纳米光学和纳米电子学纳米光学和光子学1 .纳米技术和光的基本特性透明材料：一些允许光线和光子通过而不会改变传播方向的材料。透光材料：一些光通过后会改变方向的材料。目前应用于生产光学设备的纳米技术大致有：精确纳米烙印技术；先在金属膜上沉积有规

6、律排列的纳米颗粒，然后振动使颗粒脱离而在金属层上留下空洞；用纳米陶瓷制造堆栈，烧结，使结构紧密；排列纳米管；人为组装纳米颗粒；有机表面活性剂作为模板来制造纳米粒子。光的基本特性：反射，透射，偏振，辐射2 .纳米结构和光的相互作用光电子器件：能把光转换为有用的电子运动或者电信号的装置。等离子体基元：材料吸收电磁波能量和捕获光子的能力主要取决于材料中辐射频率和电子能级的匹配，光子的相互作用产生了额外的波叫等离子体基元。电子在最早被激发的时间段里，能量弁没有一下子全部转变为热能，这段时间被称为弛豫时间。3 .新型成像技术：易消散波，反常回波4 .基于纳米技术的新型光学材料：纳米金属，纳米日光技术，红

7、外反射材料，光吸收材料，隐身材料，光学纳米技术复合物5 .光学晶体：能够巧妙引导光信号进入固体结构内任何位置的品体。表面光波导：金属表面纳米结构模式能将光子束引入围绕表面的特定路径，甚至有可能使光转过直角。6 .光子学与电子学特征电子静止质量m00运动质量me.,2hu/c传播特性不能在自由空间传播能在自由空间传播传播速度小于光速等于光速时间特性具有时间/、可逆性具有一定的类时间可逆性特征电子空间特性高度的空间局域不具空间局域性粒子特性费米子玻色子电荷-e0自旋l(h)/2l(h)光子具有的优异特性：具有极高的信息容量和效率；具有极快的响应能力；具有极强的互连能力与弁行能力；具有极大的存储能力

8、。纳米电子学1 .摩尔定律：2 .微电子学的发展历程：半导体一晶体管一集成电路金属中电子定向流动形成电流，而在半导体中有两种不同的电荷载流子：电子和空穴。晶体管有两种：双极（p-n结）型晶体管和场效应晶体管。3 .未加工和纳米加工技术：光刻技术，电子束刻蚀技术扫描隧道显微技术，分子束外延（MBE）。近场效应：高能电子（5100keV）在刻蚀剂和基片表面间经过大量弹性散射碰撞，以至于抗蚀剂受电子辐照的区域实际上远远大于精细聚焦的电子式斑，导致了图形边界模糊不清。MBE:在超高真空环境下，将所需材料加热形成分子束，当分子束中的分子达到经加热处于合适温度的晶片清洁表面时就形成了单晶薄膜。UHV系统：

9、组合抽气系统(吸附泵、升华泵、离子泵、低温泵)和不锈钢的巨大的真空腔体。纳米电子器件的用途：5 .从经典物理到量子物理6 .量子电子器件：高电子迁移率三极管，量子干涉晶体管，单电子晶体管(SETS),碳纳米管三极管，DNA模板组装和在电子学中应用。7 .量子计算机：(1)量子计算机与经典计算机的区别：计算规则的改变。(2)量子计算机的工作机理：信息写入一信息读出一量子计算；脱散一一量子计算的敌人；量子计算的能力：量子运算规则：Shor运算法则，Grover运算法则。(3)量子计算机的样机：量子计算机的实验提案：离子阱系统、核磁共振系统、电晶体系统、量子光学、量子点、超导量子位。实现量子计算必需

10、的基本要求：可升级的。与环境不相关联以降低脱散的、具有明确量子位的物理系统；寄存器在计算前必须初始化到已知态；通过特定的量子位就能够读出数据；量子位的脱散时间必须比逻辑门操作时间长得多；有一套通用的量子逻辑门。第四章纳米材料学纳米微粒1 .纳米微粒的结构与形貌特征2 .纳米微粒的主要性能A物理特性：(1)热学性能：纳米微粒熔点、开始烧结温度、品化温度均比常规粉体低很多。(2)磁学性能：超顺磁性、超铁磁性、超反铁磁性；矫顽力；磁相变温度；磁化率。(3)光学性能：宽频带强吸收；蓝移和红移现象；量子限域效应；纳米微粒的发光；纳米微粒分散物系的光学性能。(4)电学性能B化学特性：(1)吸附作用：纳米微

11、粒在气相中的吸附；纳米微粒在液相中的吸附(非电解质的吸附；电解质的吸附)(2)催化作用：新一代催化剂；光催化作用。3 .纳米微粒的制备方法：(1)气相法制备纳米微粒(气源、热源、气氛、工艺参数监控系统、粉体收集系统)：物理气相沉淀法、化学气相沉淀法(等离子方法、激光诱导化学气相沉淀法)。(2)液相法制备纳米微粒：沉淀法(均相沉淀法、共沉淀法)；水热法；溶胶一凝胶法(水解-单体发生缩合和聚合反应形成颗粒-颗粒长大-颗粒团聚)；微乳液法；模板法。(3)固相法制备纳米微粒：高能球磨法。(4)纳米微粒的表面修饰：纳米微粒的不稳定性与解决途径；纳米微粒表面改性方法的分类；纳米微粒的表面改性(表面改性物质

12、：无机氧化物、有机化合物、表面活性剂)纳米固体1 .纳米固体的结构特征(1)纳米固体的结构特征：纳米微晶的种类：晶粒组元、界面组元.(2)纳米固体的结构模型：类气态模型、有序模型、结构特征分布模型。(3)纳米固体结构的主要观察方法：X射线衍射；透射电镜；正电子湮没；核磁共振；穆斯堡尔谱化。2 .纳米固体的性能(1)力学性能：Hall-Petch关系(正、负、正-负)；模量;超塑性。(2)热学性能：比热；热稳定性(界面迁移、品界结构弛豫)。(3)光学性能：紫外-可见光吸收；红外吸收。(4)电学性能：纳米材料的电导(电阻)；电流电压特性。(5)磁学性能：巨磁电阻效应；居里温度；超顺磁性。3 .纳米

13、固体的制备方法(1)纳米金属与合金的制备：惰性气体蒸发(凝聚)、原位加压制备法；高能球磨法(金属、非金属纳米合金材料的制备；纳米品纯金属制备)；非品品化法；液相还原法。(2)纳米陶瓷的制备：无压烧结法；两步烧结法；热压烧结；超高压烧结；烧结锻压法。(3)纳米薄膜的制备：溶胶-凝胶法(可制备金属薄膜、含银二氧化硅纳米薄膜、纳米氧化铁薄膜、纳米氧化镁薄膜)；电沉积法；化学气相沉积法；溅射法；惰性气体蒸发法。4 .一维纳米材料(1)碳纳米管的结构特征(2)碳纳米管的性能及应用：A化学活性、电导率、光学活性、力学强度；B能量存储(储氢、锂离子插入、超级电容)；真空微电子器件(场发射器件、晶体管、纳米探

14、针和传感器)；复合材料；模板。(3)碳纳米管的制备：化学气相沉淀法；电弧放电法；激光烧蚀法(4)纳米线、纳米棒的应用：传感器方面；磁电阻效应；功能复合材料；光电器件和分子器件纳米复合材料1.纳米复合材料的分类(1)用途：催化剂；涂料；纤维；塑料；生物仿生材料;黏合剂与密封胶(2)性能：光电转换材料；增强剂；光学材料；磁性材料、耐磨材料。(3)形态：粉体；膜材；型材(4)基体材料：(5)分散性组分：(6)制备方法：填充纳米复合材料；插层纳米复合材料；杂化纳米复合材料。2 .纳米复合材料的性能与应用领域(1)军事领域：武器新能源；光电子对抗；军用特种材料。(2)化学化工领域：化工催化；能源领域。(

15、3)敏感材料领域(4)光电领域(5)电磁学领域(6)生物医学领域3 .纳米功能复合材料的制备方法物理复合方法：机械研磨复合法；干式冲击法；高能球磨法；共混法；高温蒸发法；溶胶-凝胶法。化学复合方法：气相沉淀法；化学镀法；沉淀法；溶剂-非溶剂法；溶剂蒸发法；微乳液法；离子交换法；超临界流体法；燃烧法；激光合成法。纳米结构1 .纳米结构与自组装什么是纳米结构；纳米结构体系的研究价值；纳米结构单元的合成（纳米微粒的合成；纳米线、纳米纤维、纳米管的合成）纳米结构体系的自组装（胶体粒子的自组装、一维纳米结构的组装）。2 .纳米阵列纳米阵列的概念及其应用；纳米阵列功能材料的制备方法：模板法；模板的特征及制

16、备：迹蚀刻法模板；多空阳极氧化铝模板；金属模板；纳米阵列模板合成方法：电化学沉积；化学镀；化学聚合；溶胶-凝胶沉积；化学气相沉积。纳米阵列结构材料的性质和应用：金属材料（光学性质、磁性质、电化学性质、离子选择性）；半导体功能材料；纳米阵列结构复合材料；碳纳米管及碳纳米复合材料。3 .介孔材料是什么介孔材料。介孔材料的合成机理：液晶模板机理；电荷匹配机理。介孔材料的制备：（模板法；溶胶-凝胶法；水热法）无机介孔材料；无机-有机杂化介孔材料。介孔材料的应用：催化领域；吸附方面；复合组装体系；具他方面。第五章纳米生物学生物分子及相关器件1.脂质体(1)结构(2)性质和特点：靶向性(天然靶向性、隔室靶

17、向性、物理靶向性、配体专一靶向性)；长效作用；降低药物毒性；提高被包封药物的稳定性。(3)纳米脂质体的研究(4)脂质体作为生物大分子载体：基因物质转移载体；生物药物载体；新型疫苗佐剂和载体。(5)脂质体在抗肿瘤药物研究中的应用2 .自组装膜(1)分子自组装(2)生物大分子自组装膜：分类：酶、蛋白质、DNA、多肽及其他生物大分子；应用：生物传感器与酶电极、分子器件、医用生物材料3 .纳米器件(1)生物芯片：概念及其特点(高度并行性、多样性、微型化)；DNA芯片(基因表达和发现、突变和多态性分析、遗传作图、杂交测序)；蛋白质芯片。(2)分子马达：结构；分类(线性推进和旋转式)；研究及应用前景。纳米

18、生物传感器1 .2 .生物传感器简介3 .4 .纳米颗粒在生物传感技术中的应用(1)纳米颗粒在生物传感器中的应用(2)分子自组装膜在生物传感技术中的应用：电化学传感器、等离子体共振生物传感器、石英晶体微天平3.纳米生物传感器(1)光纤纳米生物传感器：光纤纳米荧光生物传感器；光纤纳米免疫传感器；无转化器的细胞内生物传感器；分子信标生物传感器。(2)DNA生物传感器：电化学DNA生物传感器；光学DNA生物传感器；压电DNA生物传感器(优点、缺点、提高灵敏度的方法、研究重点)。(3)纳米氧敏性(EPR)生物医学传感器纳米生物材料1 .典型纳米生物材料(1)纳米颗粒和固体生物材料：纳米磷酸钙骨水泥；纳米固体陶瓷；纳米生物玻璃；纳米碳材料。(2)纳米生物涂层材料：冠状动脉支架纳米涂层材料；雕关节植入纳米涂层材料。(3)牙种植体纳米涂层材料2 .纳米复合生物材料(1)纳米羟基磷灰石-胶原复合材料(2)纳米羟基磷灰石-聚合物复合材料(3)纳米类骨晶体-聚酰胺复合材料(4)纳米氧化铁-甲基丙烯酸复合材料3 .纳米生物材料的应用(1)药物载体；(2)基因载体；(3)药物“纳米导弹”；(4)细胞分离；(5)抗菌性生物材料；(6)纳米微囊血液代用品；纳米药物给药系统1 .纳米给药系统的常见类型、常用材料及制备方法(1)可生物降解聚合物纳