小白纳米绪论

1、1纳米纳米技术及其在化工中的技术及其在化工中的应用应用迁安学院主讲：白娣斯2第一章第一章 绪论绪论本章学习要求：本章学习要求：31.1.纳米纳米2.2.纳米技术的内涵纳米技术的内涵3.3.其他纳米的概念其他纳米的概念4纳米“纳米”是长度单位，1nm=10-9m 即1纳米等于十亿分之一米，大约等于10个氢原子并排起来的长度，相当于万分之一头发的粗细。 纳米正好处于原子、分子为代表的微观世界和以人类活动空间为代表的宏观世界的中间地带，被称为介观世界。5q 纳米是长度单位，是十亿分之一纳米是长度单位，是十亿分之一(10-9)米米q 单个细胞用肉眼看不见，但在显微镜下观测，可测得直单个细胞用肉眼看不见

2、，但在显微镜下观测，可测得直径为径为5um，约，约5000nm。氢原子直径为。氢原子直径为0.1nm，一般金属，一般金属原子直径为原子直径为0.30.4nm，1nm约等于约等于4个原子的直径个原子的直径 纳米技术是纳米技术是20世纪世纪80年代末期诞生并正在迅速崛起的、年代末期诞生并正在迅速崛起的、用原子和分子创造新物质的技术，用原子和分子创造新物质的技术，纳米研究的范围是1到100纳米，0.1纳米是单个氢原子的尺寸，因此所谓0.1纳米层面的“纳米技术”是不存在的。 67 人类对纳米技术的研究已有了40多年的历史。1959年，美国著名的物理学家、诺贝尔奖金获得者理查德费曼认为：能够用宏观的机器

3、来制造比其体积小的机器，而这较小的。纳米技术的发展纳米技术的发展 机器又可制作更小的机器又可制作更小的机器，这样一步步达到分机器，这样一步步达到分子线度。子线度。8 费曼幻想在原子和分子水平上操纵和控制物质。他认为：“物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物质的可能性”，并表示： “我深信不移，当人们能操纵细微物质的时候，将可获得极其丰富的新的物质的性质。” 费曼对纳米技术的最早梦想，成为 一 个光辉的起点，人类开始了对纳米世界的探求。9美国美国IBM公司首席科学家公司首席科学家Armstrong在在1991年年曾做过一个重要的评论：曾做过一个重要的评论：纳米科技是研究纳米科技是研究1100

4、nm范围内物质所特有的范围内物质所特有的现象和功能的科学，是研究在十亿分之一到千现象和功能的科学，是研究在十亿分之一到千万分之一米内，原子、分子和其他类型物质的万分之一米内，原子、分子和其他类型物质的运动和变化的科学。运动和变化的科学。10 科学家发现，在纳米的世界里，物质发生了质的飞跃。比如硅晶体是不发光的，但纳米硅却会发光；陶瓷在通常情况下是很硬、很脆的，如果采用纳米粉体制成纳米陶瓷，它也可以具有韧性；纳米材料还具有超塑性，室温下的纳米铜丝经过轧制，其长度可以从1cm延伸到100cm，其厚度可以从1mm减小到0.01mm。11纳米材料的特性纳米材料的特性A . 特殊的特殊的光学光学性质性质

5、 当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，便失去了原有的当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，便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。现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。黑，金属铬变成铬黑。 金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l，大约几，大约几微米的厚度就能微米的厚度就能完全消光完全消光。利用这个特性可以高效率地将。利用这个特性可以高效率地将太阳太阳能能转变为热能、电能。还可能应用于

6、转变为热能、电能。还可能应用于红外敏感元件红外敏感元件、红外隐身红外隐身技术技术等。等。1991年春的年春的海湾战争海湾战争，美国，美国F117A型隐身战斗机型隐身战斗机外表外表所包覆的材料中就包含有所包覆的材料中就包含有多种纳米超微颗粒多种纳米超微颗粒，它们对不同波段，它们对不同波段的电磁波有强烈的的电磁波有强烈的吸收能力吸收能力，以欺骗雷达，达到隐形目的，成，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。功地实现了对伊拉克重要军事目标的打击。12B . 特殊的特殊的热学热学性质性质 固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超

7、细微化后其，超细微化后其熔点将显著降低熔点将显著降低，当颗粒小于，当颗粒小于10纳米纳米量级时尤为显著。量级时尤为显著。 例如，例如，金金的常规熔点为的常规熔点为1064，当颗粒尺寸减小，当颗粒尺寸减小到到10纳米时，则降低纳米时，则降低27，2纳米尺寸时的熔点仅为纳米尺寸时的熔点仅为327左右；左右；银银的常规熔点为的常规熔点为670，而超微银颗粒的，而超微银颗粒的熔点可低于熔点可低于100。因此，超细银粉制成的导电浆料可。因此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的以进行低温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。陶瓷材料，甚至可用塑料。

8、 金属纳米颗粒表面上的原子十分活泼。可用纳米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颗粒的粉体作为火箭的固体燃料、催化剂火箭的固体燃料、催化剂。例如。例如, 在火在火箭发射的固体燃料推进剂中添加箭发射的固体燃料推进剂中添加l重量比重量比的超微铝或的超微铝或镍颗粒，每克燃料的燃烧热可镍颗粒，每克燃料的燃烧热可增加增加 l 倍。倍。13C . 特殊的特殊的磁学磁学性质性质 人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂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

9、能辨别方向，具有回归的本领。磁性超微颗粒实质上是航下能辨别方向，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。通过电子显微镜的研究表明，在趋磁细菌体内通富的水底。通过电子显微镜的研究表明，在趋磁细菌体内通常含有直径约为常含有直径约为 2*10-2微米的磁性氧化物颗粒。微米的磁性氧化物颗粒。 当颗粒尺寸减小到当颗粒尺寸减小到 2*10-2微米以下时，其微米以下时，其矫顽力可增加矫顽力可增加1千倍千倍，若进一步减小其尺寸，大约小于，若进一步减小其尺寸，大约小于 6*10-3微米时，其矫顽微米时，

10、其矫顽力反而降低到零力反而降低到零，呈现出，呈现出超顺磁性超顺磁性。 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度的磁记录磁粉磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘及磁卡中。利用，大量应用于磁带、磁盘及磁卡中。利用超顺磁性，已将磁性超微颗粒制成用途广泛的超顺磁性，已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体磁性液体。14D . 特殊的特殊的力学力学性质性质 由于纳米材料粒度非常微小由于纳米材料粒度非常微小,具有良好的具有良好的表面效应表面效应,1克纳米材料的表面积达到几百平方米。因此克纳米材料的表面积达到几百平方米。因此,用纳米用纳米材料制成的

11、产品其材料制成的产品其强度、柔韧度、延展性强度、柔韧度、延展性都十分优都十分优越，就象一种有千万对脚的毛毛虫，当它吸附在光越，就象一种有千万对脚的毛毛虫，当它吸附在光滑的玻璃面上时，由于接触面积大，滑的玻璃面上时，由于接触面积大，12级台风有也级台风有也吹不掉它。吹不掉它。 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，陶瓷茶壶一摔就陶瓷材料在通常情况下呈脆性，陶瓷茶壶一摔就碎，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料，碎，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料，竟然可以象弹簧一样具有竟然可以象弹簧一样具有良好的韧性良好的韧性。 研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是

12、因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒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的金属要比传统的粗晶粒金属硬35倍。至于倍。至于金属金属-陶瓷陶瓷等复合纳米材料，其应用前景十分宽广。等复合纳米材料，其应用前景十分宽广。15E . 特殊的特殊的电学电学性质性质 由于颗粒内的电子运动受到限制，由于颗粒内的电子运动受到限制，电子能量被量电子能量被量子化子化了。结果表现为当在金属颗粒的两端加上了。结果表现为当在金属颗粒的两端加上合适电合适电压时，金属颗粒导电；而电压不合适时金属颗粒不导压时，金属颗粒导电；而电压不合适时金属颗粒不导电。电。原来是导体的铜等金属，在尺寸

13、减少到几个纳米原来是导体的铜等金属，在尺寸减少到几个纳米时就不导电了；时就不导电了；而绝缘的二氧化硅等，电阻会大大下而绝缘的二氧化硅等，电阻会大大下降，失去绝缘特性，变得能导电了。降，失去绝缘特性，变得能导电了。 还有一种奇怪的现象，当金属纳米颗粒从外电路还有一种奇怪的现象，当金属纳米颗粒从外电路得到一个额外的电子时，金属颗粒具有了负电性，它得到一个额外的电子时，金属颗粒具有了负电性，它的库仑力足以排斥下一个电子从外电路进入金属颗粒的库仑力足以排斥下一个电子从外电路进入金属颗粒内，从而切断了电流的连续性。内，从而切断了电流的连续性。 这就使得人们想到是否可以发展用一个电子来控这就使得人们想到是

14、否可以发展用一个电子来控制的电子器件，即所谓的制的电子器件，即所谓的单电子器件单电子器件。单电子器件的。单电子器件的尺寸很小，把它们集成起来做成计算机芯片其容量和尺寸很小，把它们集成起来做成计算机芯片其容量和计算速度不知要提高多少倍。计算速度不知要提高多少倍。16l要使人类能够按照自己的意愿任意操纵单个原要使人类能够按照自己的意愿任意操纵单个原子和分子，按照人们的期望，在原子和分子的子和分子，按照人们的期望，在原子和分子的水平上设计和制造全新的物质。这些全新的物水平上设计和制造全新的物质。这些全新的物质将给人类带来全新的变化。质将给人类带来全新的变化。17 基于利用基于利用 STM 对分子、原

15、子进行搬迁的事实，对分子、原子进行搬迁的事实，人们产生了利用该技术制造分子存储器甚至原子存储人们产生了利用该技术制造分子存储器甚至原子存储器的梦想。器的梦想。物体的表面有原子的位置为物体的表面有原子的位置为“1”，没原子，没原子为为“0”，这不就可以表示二进制吗？这不就是存储器这不就可以表示二进制吗？这不就是存储器吗？吗？一个分子存储器能够存储的信息，相当于一个分子存储器能够存储的信息，相当于100万万张光盘的存储量；而一张同样大小的原子存储器的容张光盘的存储量；而一张同样大小的原子存储器的容量，将能够存入人类有史以来的全部知识！量，将能够存入人类有史以来的全部知识！ 19981998年年IB

16、MIBM公司公司用用原子排成的世界原子排成的世界上最小的广告上最小的广告-IBM 18 由于纳米机器人由于纳米机器人可以小到在人的血管可以小到在人的血管中自由的游动，对于中自由的游动，对于象象脑血栓脑血栓、动脉硬化动脉硬化等病灶，它们可以非等病灶，它们可以非常容易的予以清理，常容易的予以清理，而不用再进行危险的而不用再进行危险的开颅、开胸手术。纳开颅、开胸手术。纳米仿生机器人可以米仿生机器人可以为为人体传送药物人体传送药物，进行，进行细胞修复细胞修复等工作。等工作。 纳米机器人在疏通血管纳米机器人在疏通血管 19 1991年元旦前夕，日本日立电子公司向公众展示了一个原子大小的新年祝词“peac

17、e91”（和平91）。每个字母的高度均小于1.5纳米，它是把硫原子一个一个地从二硫化钼晶体上轰击出来写成的。美国商业机器公司的“IBM”是在-263下拼出的，而日立公司的祝词则是在室温下完成的。该成就表明，纳米技术从此步入了实用阶段。2021用扫描隧道显微镜用扫描隧道显微镜的针尖将原子一个的针尖将原子一个个地排列成汉字，个地排列成汉字，汉字的大小只有几汉字的大小只有几个纳米。个纳米。22 狭义的纳米技术是狭义的纳米技术是以纳米科学为基础的新材料以纳米科学为基础的新材料、新器件，研究新工艺的方法和手段。、新器件，研究新工艺的方法和手段。 广义的纳米技术不是某一学科的延伸，也不是广义的纳米技术不是

18、某一学科的延伸，也不是某一新工艺的产物，某一新工艺的产物，而是基础学科与当代高技术的而是基础学科与当代高技术的结晶，是以物理、化学的微观研究理论为基础，以结晶，是以物理、化学的微观研究理论为基础，以当代精密仪器和先进的分析技术为手段，是一个内当代精密仪器和先进的分析技术为手段，是一个内容广阔的多学科群。容广阔的多学科群。23纳米技术研究的主要内容纳米技术研究的主要内容纳米材料学纳米材料学纳米生物学纳米生物学纳米医学纳米医学纳米技术纳米电子学纳米电子学纳米机械学纳米机械学纳米物理学纳米物理学纳米化学纳米化学纳米力学纳米力学纳米测量学纳米测量学24纳米粒子指尺寸在纳米粒子指尺寸在0.1100nm之

19、间的粒子，处在原之间的粒子，处在原子簇和宏观物体交界的子簇和宏观物体交界的过渡区域。过渡区域。性质：性质：纳米粒子的性质纳米粒子的性质25l纳米材料中的微粒尺寸小到与光波波长或德布罗意波波长相当或更小时，材料的声、光、电、磁、热、力学性质出现改变而出现新特性，叫做小尺寸效应。 26 粒子直径粒子直径减少到减少到纳米级纳米级，引起，引起表面原子数表面原子数的迅速增加，的迅速增加，而且纳米粒子的而且纳米粒子的比表面积比表面积、表面能表面能都会迅速增加。都会迅速增加。 表面原子周围缺少相邻原子，有许多空虚键，表面原子周围缺少相邻原子，有许多空虚键，不饱和不饱和，易与其他原子相结合而稳定下来，表现出易

20、与其他原子相结合而稳定下来，表现出很高的化学很高的化学活性。活性。27颗粒直径颗粒直径(nm)比表面积比表面积(m2/g)表面原子占总数表面原子占总数(%)109020518040245080190099纳米颗粒表面活性高纳米颗粒表面活性高 金属的纳米颗粒在空气中会燃烧。金属的纳米颗粒在空气中会燃烧。 无机的纳米颗粒暴露在空气中会吸附气体并与无机的纳米颗粒暴露在空气中会吸附气体并与之反应。之反应。28大块金、银的熔点分别为大块金、银的熔点分别为1063度和度和960度，但是直径为度，但是直径为2nm的金和银纳米颗粒，其熔点分别降为的金和银纳米颗粒，其熔点分别降为330度和度和100度度!应用：

21、应用：1. 利用纳米材料熔点低，烧结温度也降低，为粉利用纳米材料熔点低，烧结温度也降低，为粉末冶金提供新工艺末冶金提供新工艺2. 利用等离子共振频移随晶粒尺寸变化，制造具利用等离子共振频移随晶粒尺寸变化，制造具有一定频移的微波吸收纳米材料，用于电磁波有一定频移的微波吸收纳米材料，用于电磁波屏蔽、隐形飞机屏蔽、隐形飞机29纳米粒子尺寸下降到一定值时，纳米粒子尺寸下降到一定值时，费米能级费米能级附近的电子能附近的电子能级由级由连续能级连续能级变为变为分立能级分立能级的现象称为量子尺寸效应。的现象称为量子尺寸效应。4/2fENfEN为能级间距为能级间距为费米能级为费米能级为总原子数为总原子数 宏观物

22、质包含无限个原子，能级间距趋向于宏观物质包含无限个原子，能级间距趋向于0。 纳米材料原子数有限，即纳米材料原子数有限，即N值很小，导致能级间距有值，即能值很小，导致能级间距有值，即能级间距发生分裂，能级平均间距与纳米粒子中自由电子的总级间距发生分裂，能级平均间距与纳米粒子中自由电子的总数成反比。数成反比。 量子尺寸效应最直接的影响是纳米材料吸收光谱的别界蓝移。量子尺寸效应最直接的影响是纳米材料吸收光谱的别界蓝移。30 微观粒子具有微观粒子具有贯穿势垒能力贯穿势垒能力的效应称为隧道的效应称为隧道效应。效应。 近年来，人们发现，一些近年来，人们发现，一些宏观量宏观量，如微粒的，如微粒的磁化强度、量

23、子相干器件中的磁通量等也具磁化强度、量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效应，它们可以有隧道效应，它们可以穿越宏观体系穿越宏观体系而发生而发生变化，称之为变化，称之为宏观的宏观的量子隧道效应。量子隧道效应。宏观量子效应和量子尺寸效应一起，确立了微宏观量子效应和量子尺寸效应一起，确立了微电子器件进一步微型化的极限，也限定了采用电子器件进一步微型化的极限，也限定了采用磁带磁盘进行信号存储的最短时间。磁带磁盘进行信号存储的最短时间。31光学性质：光学性质： 纳米粒子吸光能力很强纳米粒子吸光能力很强粒径进一步减小到粒径进一步减小到5nm5nm、4nm4nm，表现为明显的可，表现为明显的可见光反射现象，粒

24、径越小，发光强度越强，发见光反射现象，粒径越小，发光强度越强，发光光谱逐渐蓝移光光谱逐渐蓝移电磁性质：电磁性质：尺寸诱导下的金属绝缘体转变尺寸诱导下的金属绝缘体转变化学性质：化学性质：化学活性和催化效率增高化学活性和催化效率增高Hall-Hall-PetchPetch关系：关系：晶粒减小到纳米级时，材料的强度和硬度随粒径晶粒减小到纳米级时，材料的强度和硬度随粒径的减小而增大，遵守的减小而增大，遵守HPHP关系关系热性质：热性质： 超微化后，熔点降低，比热容增大超微化后，熔点降低，比热容增大32是指由是指由纳米结构单元纳米结构单元构成的任何类型的材料，如构成的任何类型的材料，如金属、陶瓷、聚合物

25、、半导体、玻璃和复合材料。金属、陶瓷、聚合物、半导体、玻璃和复合材料。纳米粒子纳米粒子（零维结构体系）（零维结构体系）碳纳米管碳纳米管（一维结构体系）（一维结构体系）纳米层纳米层（二维结构体系）（二维结构体系）又是由又是由原子原子和和分子分子组成组成目的：通过改变纳米结构单元的目的：通过改变纳米结构单元的大小大小，控制内部和表面的，控制内部和表面的化学性质化学性质，控制它们的，控制它们的组合组合，设计材料的，设计材料的特性特性和和功能。功能。33准一维纳米材料准一维纳米材料指在指在两维方向两维方向上为上为纳米纳米尺度，尺度，长度长度为为微米级、微米级、毫米级毫米级的新型纳米材料的新型纳米材料碳

26、纤维碳纤维碳纤维布碳纤维布碳纤维手套碳纤维手套19701970，法国科学家首次研制，法国科学家首次研制7nm7nm的的碳纤维碳纤维34近近1010年，多种准一维纳米材料被合成，如年，多种准一维纳米材料被合成，如纳米棒、纳米棒、纳米线、半导体纳米量子线、纳米线阵列。纳米线、半导体纳米量子线、纳米线阵列。35碳纳米管是直径一般为碳纳米管是直径一般为0.4-30nm的的圆筒形圆筒形碳材料，它的碳材料，它的平面分子结构类似六角形，金属丝网上布满了碳原子。平面分子结构类似六角形，金属丝网上布满了碳原子。碳纳米管具有良好的碳纳米管具有良好的热传导性热传导性、导电性导电性以及以及强度强度，质，质地轻巧，富有

27、弹性。地轻巧，富有弹性。粗细只有头发丝的万分之一，是一种在电子器件、超粗细只有头发丝的万分之一，是一种在电子器件、超薄显示器、燃料电池、储氢材料等领域具有广泛应用薄显示器、燃料电池、储氢材料等领域具有广泛应用前景的材料。前景的材料。36碳纳米管光谱图碳纳米管光谱图双层碳纳米管双层碳纳米管阵列碳纳米管膜上成阵列碳纳米管膜上成功构筑三维规则图案功构筑三维规则图案 不同的碳纳米管吸收和散发的光的不同波长，碳纳米管光谱不同的碳纳米管吸收和散发的光的不同波长，碳纳米管光谱可以快速确定可以快速确定纳米管样品的构成。纳米管样品的构成。 名古屋大学开发出名古屋大学开发出 “脉冲电弧放电法脉冲电弧放电法” 新型

28、碳纳米管制造新型碳纳米管制造工艺，并成功地以超过工艺，并成功地以超过95%95%的高纯度制造出双层碳纳米管。的高纯度制造出双层碳纳米管。 解思深等成功合成世界上最长的碳纳米管。解思深等成功合成世界上最长的碳纳米管。37半导体压电型纳米环半导体压电型纳米环 美国亚特兰大佐治亚理工学院美国亚特兰大佐治亚理工学院王中林教授领导的研究小组在王中林教授领导的研究小组在世界上世界上首次得到具有压电效应首次得到具有压电效应的半导体纳米环结构的半导体纳米环结构。 单晶体单晶体, , 具有压电效应的封闭具有压电效应的封闭半导体纳米环，直径半导体纳米环，直径, , 宽度和宽度和厚度分别为厚度分别为3um,3um,

29、 300nm300nm和和15nm15nm。 这种新型纳米带可以应用于微这种新型纳米带可以应用于微/纳米机电系统，纳米级传感纳米机电系统，纳米级传感器器, 生物细胞探测生物细胞探测, 是实现纳米是实现纳米尺度上机电耦合的关键结构。尺度上机电耦合的关键结构。38 在纳米技术时代，在纳米技术时代，纳米电子学技术纳米电子学技术将起着最关键的作用，将起着最关键的作用，因此，在纳米技术的各个分支学科中也更加重视纳米电子因此，在纳米技术的各个分支学科中也更加重视纳米电子学的研究，特别是重视纳米电子器件的开发工作。学的研究，特别是重视纳米电子器件的开发工作。 几乎贯穿于全部纳米技术各个分支学科的扫描隧道显微

30、镜几乎贯穿于全部纳米技术各个分支学科的扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜和原子力显微镜(AFM)(它们也统称为它们也统称为SPM，Scanning Probe Microscopy)因其具有原子和纳米尺度的因其具有原子和纳米尺度的分析和加工能力在纳米技术的发展中占有极其重要的地位。分析和加工能力在纳米技术的发展中占有极其重要的地位。意义意义39纳米绘画艺术纳米绘画艺术 纳米中国纳米中国 中科院化学所的科技人员利用纳米加工技术在石墨表面通过中科院化学所的科技人员利用纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国地图。搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国地图。 如果把这幅图放大

31、到一米见方的中国地图大小的尺寸，就相如果把这幅图放大到一米见方的中国地图大小的尺寸，就相当于把一米见方地图放大到中国辽阔的领土的面积。当于把一米见方地图放大到中国辽阔的领土的面积。纳米加工技术是利用扫描探针显微镜纳米加工技术是利用扫描探针显微镜(SPM)(SPM)的方法对样品实的方法对样品实施电脉冲或力等手段进行表面修饰的方法。施电脉冲或力等手段进行表面修饰的方法。SPMSPM的加工精度的加工精度要比传统的光刻技术高的多。要比传统的光刻技术高的多。40自由地操纵单个原子或分子自由地操纵单个原子或分子1个个Fe、1个个CO结合形成一个铁羰基（结合形成一个铁羰基（FeCO）分子。先用扫描隧道显微镜

32、针尖拾取一个铁原子分子。先用扫描隧道显微镜针尖拾取一个铁原子（Fe）并将它移走，然后将）并将它移走，然后将CO放到放到Fe上面，两上面，两者结合形成者结合形成FeCO分子分子用用101个个Fe原子写下原子写下“原子原子”两个迄今为两个迄今为止最小的汉字止最小的汉字41纳米尺度结构的加工纳米尺度结构的加工Ga（镓）原子吸附在（镓）原子吸附在Si悬键上后形成的细线结构，悬键上后形成的细线结构，（a）实验结果，（）实验结果，（b）原子结构模型）原子结构模型 最主要的纳米结构主要包括纳米尺度的金属或半导体最主要的纳米结构主要包括纳米尺度的金属或半导体细线细线(用于器件间的连接用于器件间的连接)和氧化细

33、线和氧化细线(用于构成器件中用于构成器件中电子流动的势垒和器件间的隔离或绝缘电子流动的势垒和器件间的隔离或绝缘)，统称为纳米，统称为纳米细线。细线。 纳米细线加工是未来纳米电子器件加工以及集成的关纳米细线加工是未来纳米电子器件加工以及集成的关键技术。键技术。42原子尺度器件应用的可能性原子尺度器件应用的可能性存储器：存储器： 如果能用单个原子作为一个比特来存储信息，则一块面如果能用单个原子作为一个比特来存储信息，则一块面积积1cm2的的Si片表面将可以存储片表面将可以存储1015比特信息比特信息 现在的巨型计算机将来只有大头针那样大小，即使是美现在的巨型计算机将来只有大头针那样大小，即使是美国

34、开发成功的峰值速度达每秒国开发成功的峰值速度达每秒12万亿次超级计算机，也万亿次超级计算机，也将会小到随手可放进口袋将会小到随手可放进口袋43(Atomic Force microscope)1986年，年，Binnig、Quate、Gerber发明了原子力显微镜发明了原子力显微镜44原子力显微镜设计思想原子力显微镜设计思想 一个对力非常敏感的微悬臂，尖端一个对力非常敏感的微悬臂，尖端有一微小的探针有一微小的探针 当探针轻微地接触样品表面时，由当探针轻微地接触样品表面时，由于探针尖端原子与样品表面原子间于探针尖端原子与样品表面原子间产生极其微弱的相互作用力而使微产生极其微弱的相互作用力而使微悬

35、臂弯曲悬臂弯曲 将微悬臂弯曲形变信号转换成光电将微悬臂弯曲形变信号转换成光电信号并放大，可得到原子之间力的信号并放大，可得到原子之间力的微弱变化信号。微弱变化信号。 设计高明之处在于利用微悬臂间接设计高明之处在于利用微悬臂间接地感受和放大原子间作用力，达到地感受和放大原子间作用力，达到检测目的检测目的45商用商用AFMAFM半导体激光半导体激光光电检测器光电检测器通过光束位置的偏转来通过光束位置的偏转来反映微悬臂与样品间的反映微悬臂与样品间的相互作用力的大小。相互作用力的大小。464748纳米技术日常生活纳米陶瓷纳米催化剂纳米电磁材料纳米电子纳米光学纳米生物医学纳米军事49纺织业纺织业纳米微粒

36、加入织物中可以消除静电、纳米微粒加入织物中可以消除静电、除味杀菌、抗紫外线、红外吸收除味杀菌、抗紫外线、红外吸收消除静电：静电效应放电、容易吸附消除静电：静电效应放电、容易吸附灰尘。在织物中加入少量的金属纳米灰尘。在织物中加入少量的金属纳米微粒，可以极大消除静电。微粒，可以极大消除静电。除味杀菌：采用抗菌可以避免纺织品除味杀菌：采用抗菌可以避免纺织品因微生物的侵蚀而污染。因微生物的侵蚀而污染。抗紫外线：纳米粒子吸收紫外光，防抗紫外线：纳米粒子吸收紫外光，防紫外线能力达紫外线能力达98红外吸收：以纳米红外吸收：以纳米SiO2和纳米和纳米TiO2经经适当配比制成的复合粉末作为纤维的适当配比制成的复

37、合粉末作为纤维的添加剂，可进行红外屏蔽；纳米添加剂，可进行红外屏蔽；纳米Al2O3、纳米、纳米TiO2、 纳米纳米SiO2、纳米、纳米Fe2O3的复合剂具有很强的吸收红外的复合剂具有很强的吸收红外频段红外线的特性。频段红外线的特性。50纳米陶瓷纳米陶瓷 陶瓷材料在通常情况下陶瓷材料在通常情况下呈脆性，并且只有在高呈脆性，并且只有在高温烧结，才能使其颗粒温烧结，才能使其颗粒致密化。添加纳米粒子致密化。添加纳米粒子使常规陶瓷综合性能得使常规陶瓷综合性能得到改善，提高陶瓷的韧到改善，提高陶瓷的韧性和降低陶瓷的烧结温性和降低陶瓷的烧结温度。度。 纳米陶瓷做的纳米滚珠纳米陶瓷做的纳米滚珠韧性和硬度超过钢

38、，具韧性和硬度超过钢，具有永不生锈、永不腐蚀、有永不生锈、永不腐蚀、耐磨、自润滑功能耐磨、自润滑功能纳米洁具纳米洁具51纳米玻璃纳米玻璃超硬、耐磨，可作为纳米超硬、耐磨，可作为纳米宝石膜晶片，手机视屏，宝石膜晶片，手机视屏，MP3等等LCD保护屏保护屏52纳米铜粉末纳米铜粉末 纳米铜粉末可作为电磁屏蔽纳米铜粉末可作为电磁屏蔽材料，厚膜导体，导电浆料材料，厚膜导体，导电浆料导电聚合物，低温焊料，高导电聚合物，低温焊料，高频线路，润滑剂频线路，润滑剂 深褐色粉末，粉末的颗粒形深褐色粉末，粉末的颗粒形状为球形，粒径分布较窄。状为球形，粒径分布较窄。 一次颗粒平均粒径一次颗粒平均粒径78nm/比比表面

39、积（表面积（SBET）4.4平方米平方米/克克/松装密度松装密度0.61克克/立方厘米立方厘米真密度真密度8.87克克/平方厘米平方厘米/化学化学成分：铜含量高于成分：铜含量高于99.4wt.% 53纳米催化剂纳米催化剂TiOTiO2 2电镜照片 纳米催化剂在水处理、净化空气、抗菌防霉、屏蔽紫外线纳米催化剂在水处理、净化空气、抗菌防霉、屏蔽紫外线等方面，都显示出很好的功能。纳米等方面，都显示出很好的功能。纳米TiO2，使用安全，无毒无，使用安全，无毒无副作用，适用生活空间，确保人们拥有健康的生活环境。使用副作用，适用生活空间，确保人们拥有健康的生活环境。使用过程中不受光源限制，具有高效、彻底的

40、降解环境中有毒污染过程中不受光源限制，具有高效、彻底的降解环境中有毒污染物的效果。物的效果。54纳米电磁材料纳米电磁材料 纳米巨磁阻材料纳米巨磁阻材料可使存储密可使存储密度提高到度提高到20M字节，使磁存储字节，使磁存储技术获得新生。技术获得新生。(磁电阻是指在磁电阻是指在一定磁场下电阻改变的现象一定磁场下电阻改变的现象) 纳米微晶软磁材料纳米微晶软磁材料应用在功应用在功率变压器，脉冲变压器，高频率变压器，脉冲变压器，高频变压器上成为铁氧磁铁的有力变压器上成为铁氧磁铁的有力竞争者竞争者 纳米微晶稀土永磁材料纳米微晶稀土永磁材料使使永磁材料的性能突飞猛进，软永磁材料的性能突飞猛进，软磁相和永磁相在纳米尺度范围磁相和永磁相在纳米尺度范围内复合，就可能获得高饱和强内复合，就可能获得高饱和强度，高娇顽力的新型永磁材料度，高娇顽力的新型永磁材料 纳米磁致冷材料纳米磁致冷材料做磁致冷机，做磁致冷机，可用来拓宽致冷温区可用来拓宽致冷温区55纳米掠水机器人纳米掠水机器人美国研制出能够在水面上自如行走的美国研制出能够在水面上自如行走的微型掠水机器人，总重量只有微型掠水机器人，总重量只有1克。克。展望的用途：展望的用途：q 若安装化学传感器之若安装化