纳米科学与技术课件

1、纳米科学与技术课件纳米科学与技术课件纳米科学与技术纳米科学与技术课件一、引言美国卢克斯研究公司2005调查报告:2004年美国联邦政府在纳米技术领域投入了10亿美元，各州又另外投入了4亿美元。迄今只有很少一些纳米技术产品走向市场，也几乎没有盈利，但对纳米技术的前景保持乐观。1997年各国政府对纳米技术的投入总计不到5亿美元，到2003年就增长到35亿美元。(摘自：科技日报 2005-01-27)一、引言“纽约时报”2006年9月26日报道，美国国家研究委员会在向国会提交的有关美国“国家纳米科技计划”的一份评估报告中表示，美国纳米科技研究继续在国际上保持领先，但要使政府所投入的高达数十亿美元的资

2、金成效显著还要等上数十年时间。报告中，既充满希望又对目前的形势比较谨慎。 但评估报告中也提出警告，处理纳米级别的物质可能会对我们的健康和环境产生潜在的危害，对这方面研究的资金投入明显不够。 “纽约时报”2006年9月26日报道，美国国家研究委员会在向纳米科技研究涉及一系列快速发展的设备和工业流程，要求对单一的原子或分子簇进行加工处理，这些材料通常只有1纳米到100纳米大小。在纳米级别，一些传统的材料可以表现出其有价值的特性，如不同寻常的强度、电导性或者通过肉眼无法察觉的某些性质，可以通过对不同纳米级材料间的重新组合制造出新的药物、新的食品和设备。 将对全球经济产生巨大的影响。但同时科学家们也有

3、一些担忧，这些新材料的产生也可能带来新的安全威胁，科学家们对这些新威胁可能要经过数十年才能完全了解。 纳米科技研究涉及一系列快速发展的设备和工业流程，要求对单一的报告中表示，由于纳米科技属于一项基础科技，纳米技术的进步使得其它一些科技创新成为可能，对纳米科技研究的投资，从逻辑上来说，应该像对计算机和通信技术的早期投资一样，这两项科技也是在早期投资20到40年后才显示出其对社会的深远影响的。但报告中也警示，目前对纳米科技研究的投资也出现一些问题，如政府对于纳米技术研究的投资缺乏必要的分类和投资的连贯性，而且对于投入的资金所产生的回报也缺乏一个明确的评估管理体系。 报告中表示，由于纳米科技属于一项

4、基础科技，纳米技术的进步使得新华网洛杉矶2007年2月18日电：在旧金山举行的美国科学促进协会年会上，美国纳米技术专家科尔文提出，开发和应用纳米技术必须首先保证其安全性。 根据科尔文公布的动物试验数据，小于100纳米的物质进入动物体内后会侵入大脑和中枢神经系统, 从而影响大脑和神经系统的正常运转。 新华网洛杉矶2007年2月18日电：在旧金山举行的美国科学促二、纳米科学与技术人类对客观世界的认识分为两个层次：一是宏观领域，二是微观领域。宏观领域是指以人的肉眼可见的最小物体作为下限、上至无限大的宇宙天体；微观领域是以分子原子为上限，下限是无限的领域。基本粒子：电子、质子、中子等；夸克。二、纳米科

5、学与技术人类对客观世界的认识分为两个层次：介观领域：在宏观领域和微观领域之间，存在着一块近年来才引起人们极大兴趣和有待开拓的“处女地”。三维尺寸都很细小，出现了许多奇异的崭新的物理性能。1959年，著名理论物理学家、诺贝尔奖获得者费曼曾预言：“毫无疑问，当我们得以对微纳尺度的事物加以操纵的话，将大大的扩充我们可能获得物性的范围”。这个领域包括了从微米、亚微米，纳米到团簇尺寸(从几个到几百个原子以上尺寸)的范围。介观领域：一、纳米科学技术的基本概念和内涵纳米(nanometer)是一个长度单位，简写为nm。1 nm=10(-9) m=10 埃。头发直径：50-100 m, 1 nm相当于头发的1

6、/50000。氢原子的直径为1埃，所以1纳米等于10个氢原子一个一个排起来的长度。Nanotechnology is the term used to cover the design, construction and utilization of functional structures with at least one characteristic dimension measured in nanometers.一、纳米科学技术的基本概念和内涵纳米(nanometer)是跳蚤头发红细胞病毒从宏观世界到微观世界跳蚤头发红细胞病毒从宏观世界到微观世界1. 纳米科学技术(Nano-ST)

7、:20世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技，是研究在千万分之一米(107)到十亿分之一米(109米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术，又称为纳米技术。 2. 纳米科技的主要研究内容:创造和制备优异性能的纳米材料、制备各种纳米器件和装置、探测和分析纳米区域的性质和现象。（基础，目标，前提）1. 纳米科学技术(Nano-ST):1993年，国际纳米科技指导委员会将纳米技术划分为6个分支学科（1）纳米电子学、（2）纳米物理学、（3）纳米化学、（4）纳米生物学、（5）纳米加工学、（6）纳米计量学。其中，纳米物理学和纳米化学是纳

8、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。1993年，国际纳米科技指导委员会将纳米技术划分为6个分支学3. 纳米材料(nanomaterials)的定义:把组成相或晶粒结构的尺寸控制在100纳米以下的具有特殊功能的材料称为纳米材料。即三维空间中至少有一维尺寸小于100 nm的材料或由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料。 The objects may display physical attributes substantially different from those displayed by either atoms or bulk materials.3. 纳米材料

9、(nanomaterials)的定义:常规纳米材料中的基本颗粒直径不到100 nm，包含的原子不到几万个。一个直径为3 nm的原子团包含大约900个原子；纳米科学与技术课件4.纳米材料的分类按结构(维度)分为5类：(1) 0维材料-尺寸为纳米级(100 nm)以下的颗粒状物质。Systems confined in three dimensionsFullerenes， Colloidal particlesSemiconductor quantum dots HRTEM image of magnetic iron oxide nanoparticle4.纳米材料的分类(2) 1维材料-线径

10、为1100 nm的纤维(管)。Systems confined in two dimensionsInclude nanowires, nanorods, nanofilaments and nanotubes.(3) 2维材料厚度为1 100 nm的薄膜。Systems confined in one dimension.include discs or platelets, ultrathin films on a surface and multilayered materials.(2) 1维材料-线径为1100 nm的纤维(管)。(4)体相纳米材料（由纳米材料组装而成）。a nano

11、crystalline solid consisting of nanometre-sized crystalline grains.(4)体相纳米材料（由纳米材料组装而成）。(5) 纳米孔材料（孔径为纳米级）。Nanoporous silicon; Activated carbons(5) 纳米孔材料（孔径为纳米级）。按组成（component） 分类金属纳米材料、半导体纳米材料、有机和高分子纳米材料、复合纳米材料、复合纳米材料：无机纳米粒子与有机高分子复合材料、无机半导体的核壳结构量子阱(超晶格)材料按组成（component） 分类5. 纳米材料的新性质：当物质小到1100 nm时, 由

12、于其巨大的表面及界面效应, 物质的很多性能发生质变, 呈现出许多既不同于宏观物体, 也不同于单个孤立原子的奇异现象（如量子化效应，非定域量子相干效应，多体关联效应和非线性效应等等）。 6. 纳米科技的最终目标：直接利用物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理化学和生物学特性，制造出具有特定功能的产品。5. 纳米材料的新性质：7. 纳米材料与传统材料的主要差别：第一、这种材料至少有一个方向是在纳米的数量级上。 - 例如：纳米尺度的颗粒，或者是分子膜的厚度在纳米尺度范围内。第二、由于量子效应、界面效应、表面效应等，使材料在物理和化学上表现出奇异现象。 - 例如：物体的强度、韧性、比热、导电率、扩散率等

13、完全不同于或大大优于常规的体相材料。性能7. 纳米材料与传统材料的主要差别：二、纳米科技的分类纳米科技从研究内容上可以分为四个方面：纳米材料纳米器件纳米尺度的检测和表征纳米生物二、纳米科技的分类1、 纳米材料纳米材料是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度, 并且具有特殊性能的材料。是纳米科技发展的物质基础。主要类型为：团簇、纳米颗粒与粉体，纳米碳管，纳米薄膜，纳米块材等纳米材料的制备技术、原理及性质。 1、 纳米材料纳米材料的研究包括两个方面：一、系统地研究纳米材料的微结构和谱学特征, 通过和常规材料对比, 找出纳米材料特殊的规律, 建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论。二、发展新型纳米材料。例如

14、：纳米陶瓷。目前，纳米材料应用的关键技术问题是在大规模制备的质量控制中, 如何做到均匀化、分散化、稳定化。根据性质设计各种特殊功能纳米材料。纳米材料的研究包括两个方面：2 纳米器件纳米科技的最终目的是以原子分子为起点, 去制造具有特殊功能的产品。因此, 纳米器件的研制和应用水平是进入纳米时代的重要标志。Moore（Intel创始人）定律：芯片上晶体管数量每18个月将会增加1倍。集成度越高，器件尺寸越小。由于量子遂穿效应，特征尺寸在50 nm以下的器件难以工作。目前，45 nm，正在开发32 nm。所谓纳米器件，就是指从纳米尺度上，设计和制造功能器件。2 纳米器件纳米技术与微电子技术的主要区别是

15、：纳米技术研究的是以控制单个原子、分子来实现设备特定的功能，是利用电子的波动性来工作的；而微电子技术则主要通过控制电子群体来实现其功能，是利用电子的粒子性来工作的。人们研究和开发纳米技术的目的，就是要实现对整个微观世界的有效控制。纳米技术与微电子技术的主要区别是：制造纳米产品的技术路线可分为两种： “自上而下” (top down) ：是指通过微加工或固态技术, 不断在尺寸上将人类创造的功能产品微型化。 - 如：切割、研磨、蚀刻、光刻印刷等。 - 从大到小“自下而上” (bottom up) ：是指以原子分子为基本单元, 根据人们的意愿进行设计和组装, 从而构筑成具有特定功能的产品，这种技术路

16、线将减少对原材料的需求, 降低环境污染。 - 如化学合成、自组装、定位组装等。制造纳米产品的技术路线可分为两种：3 纳米尺度的检测和表征纳米尺度的检测与表征手段：在纳米尺度上研究材料和器件的结构及性能，包括：在纳米尺度上原位研究各种纳米结构的电、力、磁、热、光学特性。 纳米空间的化学反应过程、物理传输过程。 研究原子分子的排列组装与奇异物性的关系。3 纳米尺度的检测和表征纳米技术发展的典型代表扫描隧道电子显微镜 - 1981年，IBM公司的G. Binning和H. Rohrer根据电子的隧道效应发明了扫描隧道电子显微镜（Scanning Tunneling Microscope, STM），

17、获1986诺贝尔物理奖。 -目前，人们可以利用扫描隧道电子显微镜来观察原子、分子和直接操纵安排原子。至今，具有最高的分辨率。Z轴分辨率达到0.01 nm。纳米技术发展的典型代表世界上第一台扫描隧道显微镜(STM)世界上第一台扫描隧道显微镜(STM)1990年，美国加州的IBM研究室D.M.Eigler等人利用STM在4K和超真空环境中，在Ni的表面上将35个氙原子排布成最小的IBM商标。这张放大了的照片登在时代周刊上，被称为当年最了不起的公司广告。每个字母高5nm。Xe原子间最短距离约为1nm。这种原子搬迁的方法就是使显微镜探针针尖对准选中的Xe原子、使针尖接近 Xe原子、使原子间作用力达到让

18、Xe原子跟随针尖移动到指定位置而不脱离Ni的表面。用这种方法可以排列密集的Xe原子链。 1990年，美国加州的IBM研究室D.M.Eigler等人利在Xe原子搬迁后，又实现了分子的搬迁排列。在铂单晶的表面上、将吸附的一氧化碳分子(CO)用STM搬迁排列起来、构成一个身高仅5nm的世界上最小的人的图样。 用来构成这图样的CO分子间距离仅为0.5nm, 人们称它为 一氧化碳小人。在Xe原子搬迁后，又实现了分子的搬迁排列。在铂单晶的表面上、1991年，日本日立研究室实验了在室温下用STM移去二硫化钼晶体表面上的一些原子，进行单原子操纵，以原子空穴的形式写下了“Peace 91”的字样，其每个字母的尺

19、寸均小于1.5纳米 。1991年，日本日立研究室实验了在室温下用STM移去二硫化钼1994年，中国科学院北京真空物理室利用STM在单晶硅表面上通过提走硅原子的方法，获得了（线宽2 nm）的文字；1994年，中国科学院北京真空物理室利用STM在单晶硅表面上这些技术的突破对于高密度信息储存、纳米电子器件、量子阱器件、新型材料的形成和物种再选等方面具有非常重要和广泛的应用。光刻技术 线宽为几百纳米 中科院化学所利用STM在HOPG表面形成的字符 中科院化学所利用STM在HOPG表面形成的字符三、 纳米科学技术发展史(一)纳米材料及纳米技术的自然存在1 人和动物坚硬牙齿的外表面，即牙釉质，是由纳米尺寸

20、的微晶组成。2 天体陨石的碎片和海洋中存在的亚微米胶体粒子3 蜜蜂的定向蜜蜂的体内存在磁性的纳米粒子，具有“罗盘”的作用，可以为蜜蜂的活动导航。以前人们认为蜜蜂是利用北极星或通过摇摆舞向同伴传递信息来辨别方向。最近，英国科学家发现，蜜蜂利用罗盘来判明方向。三、 纳米科学技术发展史(一)纳米材料及纳米技术的自然存在4 莲花效应 莲花出污泥而不染 荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。表面上有许多微小的乳突，乳突的平均大小约为10微米，平均间距约12微米。而每个乳突有许多直径为200纳米左右的突起组成的。 4 莲花效应 莲花出污泥而不染 5 壁虎飞檐走壁 每只脚底部长着数百万根极细

21、的刚毛，而每根刚毛末端又有约400根至1000根更细的分支。这种精细结构使得刚毛与物体表面分子间的距离非常近，从而产生分子引力。5 壁虎飞檐走壁 (二) 纳米技术的人工造就1、无意识的方面：人工制备纳米材料至少追溯到1000多年前。中国古代利用蜡烛来燃烧收集碳黑作为墨的原料（中国古代字画历经千年而不褪色），是最早的纳米材料。中国古代铜镜表面的防锈层经检验为纳米氧化锡颗粒构成的一层薄膜。古代的宝剑等微晶化增强已经得到科学证实。但当时人们并不知道这其中的原因，不知道是纳米技术的作用，因为人的肉眼根本就看不到纳米尺度小颗粒。他们只知道这样的工艺所做的工件好。 (二) 纳米技术的人工造就1、无意识的方

22、面：2、有意识的制作： 1959年12月，著名理论物理学家、诺贝尔奖获得者费曼作了“Theres Plenty of Room at the Bottom”的报告：“我认为物理学原理并不排斥通过操纵单个原子来制造物质。这样做并不违反任何定理，而且在原则上是可以实现的”。在底部还有很大空间约1861年，胶体化学的建立(Colloid Chemistry)，科学家就开始了对于直径1100 nm的粒子系统，即所谓胶体的研究。但是当时并没有意识到在这个尺寸范围是人们认识世界的一个新层次，而只是从化学的角度研究，并没有从纳米材料的角度或其特殊性能作为重点。2、有意识的制作： 1932年，德国的Ruska

23、发明了世界上第一台透射电子显微镜，为探索微观物质世界打下了基础。1986年诺贝尔物理奖到1998年，电子显微镜的分辨率已达到1.3埃。而用光学显微镜是看不到纳米尺寸的物体的。但是电子显微镜只能看，不能搬动原子。1932年，德国的Ruska发明了世界上第一台透射电子显微镜3、 自觉地研究 （理论研究的开始）人们自觉地研究纳米微粒，始于上个世纪60年代，并开始发现纳米尺寸物体的特殊性能。久保理论1962年，久保(Kubo) 针对金属超微粒子的研究提出了久保理论-超微粒子的量子限域理论。由于粒子中原子数的减少，使能带中能级间隔加大，变为不连续能级，具有类似孤立原子中的不连续性，称为久保效应。 3、

24、自觉地研究 （理论研究的开始）气体蒸发冷凝法制得纳米微粒 1963年，Uyeda通过金属在高纯惰性气体中蒸发和冷凝过程获得清洁表面的超微颗粒，并用透射电子显微镜研究了单个颗粒金属的形貌和晶体结构。气体蒸发冷凝法制得纳米微粒半导体超晶格1970年，江畸等考虑到量子相干区域的尺度，首先提出了半导体超晶格的概念。就是按照一定规则将一定尺度的纳米薄层人工堆积起来的结构。利用分子束外延技术制备了能隙大小不同的半导体多层膜，在实验中实现了量子阱和超晶格，成为半导体物理中热门的领域。半导体超晶格4、系统研究（久保理论日臻完善）70年代末到80年代初，人们对纳米颗粒的结构、形态和特性进行了比较系统的研究，描述

25、金属颗粒费密面附近电子能级状态的久保理论日臻完善。在用量子尺寸效应理论解释超微颗粒的某些特性时获得成功。4、系统研究（久保理论日臻完善）1974年,Taniguchi最早使用纳米技术(nanotechnology) 一词,即“纳米+技术”，并用于精细机械加工。1977年美国麻省理工学院德雷克斯勒（时为大学生）提出, 可以从模拟活细胞的生物分子的人工类似物 -分子装置开始研究, 用原子建造无机机器，并称之为纳米科技。他70年代末在斯坦福大学建立第一个纳米科技研究小组。当时多数主流科学家对此的反应是：一派胡言！ 1974年,Taniguchi最早使用纳米技术(nanoteSTM的发明1981年，G

26、. Binning和H. Rohrer博士（IBM的）发明了扫描隧道电子显微镜，使得人类首次在大气及常温下观察到了原子。这是到目前为止，表面分析最精密的仪器。分辨率达到0.01nm,可以直接观察到原子，且能搬动原子。STM的发明纳米结构材料首次合成1984年，德国萨尔大学的Gleiter教授等人首次采用惰性气体冷凝法制备了具有清洁表面的纳米金属粉末，然后在真空室中原位加压成纳米固体，并提出了纳米材料界面结构模型，制备了具有清洁表面的纳米晶体Pd, Fe, Cu等块状材料。随后发现TiO2纳米陶瓷在室温下出现良好韧性，使人们看到了改善陶瓷脆性的希望。纳米结构材料首次合成C60等富勒烯（Fulle

27、rence）1985年Smalley（2005.10去世）与英国的Kroto等人在瑞斯(Rice)大学的实验室采用激光轰击石墨靶，并用甲苯来收集碳团簇、用质谱仪分析发现了由60个碳原子构成的碳团簇丰度最高，通称为C60。见下图.C60等富勒烯（Fullerence）纳米多晶体1987年美国Argon实验室Siegel博士用惰性气体原位加压法制备出来了纳米晶材料TiO2多晶体。发现超韧性陶瓷。巨磁电阻效应1988年，法国的费尔在铁、铬相间的多层膜电阻中发现，微弱的磁场变化可以导致电阻大小的急剧变化，其变化的幅度比通常高十几倍，他把这种效应命名为巨磁电阻效应（Giant Magneto-Resis

28、tive，GMR）。有趣的是，就在3年前，德国格林贝格尔教授在具有层间反平行磁化的铁/铬/铁三层膜结构中也发现了完全同样的现象。纳米多晶体阿尔贝费尔和彼得格林贝格尔因分别独立发现巨磁阻效应而获得2007年诺贝尔物理学奖。巨磁阻效应自从被发现以来就被用于开发研制用于硬磁盘的体积小而灵敏的数据读出头（Read Head）。阿尔贝费尔和彼得格林贝格尔所发现的巨磁阻效应造就了计算机硬盘存储密度提高50倍的奇迹。单以读出磁头为例，1994年，IBM公司研制成功了巨磁阻效应的读出磁头，将磁盘记录密度提高了17倍。1995年，宣布制成每平方英寸3Gb硬盘面密度所用的读出头，创下了世界记录。硬盘的容量从4B提

29、升到了600B或更高。 阿尔贝费尔和彼得格林贝格尔因分别独立发现巨磁阻效应而获得1991年，日本NEC基础研究实验室的饭岛教授（S. Iijima）在利用透射电子显微镜分析电弧放电产物时，发现多壁纳米碳管； 随后，他还发现了仅由单层碳原子石墨层层卷曲而成的单层纳米碳管。1991年，日本NEC基础研究实验室的饭岛教授（S. Iij纳米科技的发展大致可以划分为3个阶段：第一阶段 (1990年以前)主要是在实验室探索 -用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体(包括薄膜)，研究评估表征的方法。第二阶段 (1994年前)人们关注的热点是根据奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料： - 纳米微

30、粒与纳米微粒复合(0-0复合)， - 纳米微粒与常规块体复合(0-3复合)， - 复合纳米薄膜(0-2复合)。第三阶段 (从1994年到现在)纳米组装研究。 -基本内涵是以纳米颗粒以及纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究。纳米科技的发展大致可以划分为3个阶段：第一届纳米科学技术会议1990年7月，在美国巴尔德摩召开了国际第一届纳米科学技术会议，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。它介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。第一届纳米科学技术会议纳米技术是80年代初迅速发展起来的前沿学科，它使人们认识、改造微观世界的水平提高到了一个新的高度。纳米技术

31、将用于下一代的微电子器件即纳米电子器件，使未来的电脑、电视机、卫星、机器人等的体积变得越来越小.1）可以制造一种材料，其强度为钢的几倍，而重量仅为钢的几分之一。碳管2）可以将图书馆的信息都存储在一块方糖大小的存储器上。3）可以检测出几个癌细胞。纳米科学与技术课件国际纳米科技发展态势和特点 2002-2006 一、各国竞相出台纳米科技发展战略和计划 (一) 发达国家和地区雄心勃勃 为了抢占纳米科技的先机，美国早在2000年就率先制定了国家级的纳米技术计划，其宗旨是开展纳米尺度的科学、工程和技术开发工作。2003年11月，通过了21世纪纳米技术研究开发法案，标志着纳米技术已成为联邦的重大研发计划，

32、从基础研究、应用研究到研究中心、基础设施的建立以及人才的培养等全面展开。 国际纳米科技发展态势和特点 2002-2006日本政府将纳米技术视为“日本经济复兴”的关键。第二期科学技术基本计划将生命科学、信息通信、环境技术和纳米技术作为4大重点研发领域。 欧盟在20022007年实施的第六个框架计划也对纳米技术给予了空前的重视。该计划将纳米技术作为一个最优先的领域，有13亿欧元专门用于纳米技术和纳米科学、以知识为基础的多功能材料、新生产工艺和设备等方面的研究。日本政府将纳米技术视为“日本经济复兴”的关键。第二期科学技术我国政府在2001年7月就发布了国家纳米科技发展纲要，并先后建立了国家纳米科技指

33、导协调委员会、国家纳米科学中心和纳米技术专门委员会。纳米科学与技术课件(三) 就整体而言纳米科技大国各有所长 美国纳米技术的应用研究在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪等领域快速发展。随着纳米技术在癌症诊断和生物分子追踪中的应用，目前美国纳米研究热点已逐步转向医学领域。医学纳米技术已经被列为美国国家的优先科研计划。在纳米医学方面，纳米传感器可在实验室条件下对多种癌症进行早期诊断，而且，已能在实验室条件下对前列腺癌、直肠癌等多种癌症进行早期诊断。(三) 就整体而言纳米科技大国各有所长2004年，美国国立卫生研究院癌症研究所专门出台了一项癌症纳米技术计划，目的是将纳米技术、癌症研究与分

34、子生物医学相结合，实现2015年消除癌症死亡和痛苦的目标；利用纳米颗粒追踪活性物质在生物体内的活动也是一个研究热门，这对于研究艾滋病病毒、癌细胞等在人体内的活动情况非常有用，还可以用来检测药物对病毒的作用效果。利用纳米颗粒追踪病毒的研究也已有成果，未来510年有望商业化。2004年，美国国立卫生研究院癌症研究所专门出台了一项癌症纳米技术在半导体芯片领域的应用仍然引人关注。美国科研人员正在加紧纳米级半导体材料晶体管的应用研究，期望突破传统的极限，让芯片体积更小、速度更快。纳米颗粒的自组装技术是这一领域中最受关注的地方。不少科学家试图利用化学反应来合成纳米颗粒，并按照一定规则排列这些颗粒，使其成为

35、体积小而运算快的芯片。这种技术未来有望取代传统光刻法制造芯片的技术。在光学新材料方面，目前已有可控直径5纳米到几百纳米、可控长度达到几百微米的纳米导线。纳米技术在半导体芯片领域的应用仍然引人关注。美国科研人员正在欧盟在纳米科学方面颇具实力，特别是在光学和光电材料、有机电子学和光电学、磁性材料、仿生材料、纳米生物材料、超导体、复合材料、医学材料、智能材料等方面的研究能力较强。中国在纳米材料及其应用、扫描隧道显微镜分析和单原子操纵等方面研究较多，主要以金属和无机非金属纳米材料为主，约占80%，高分子和化学合成材料也是一个重要方面，而在纳米电子学、纳米器件和纳米生物医学研究方面与发达国家有明显差距。

36、欧盟在纳米科学方面颇具实力，特别是在光学和光电材料、有机电子四、发展纳米科技的意义费曼：1959年，著名理论物理学家、诺贝尔奖获得者费曼曾预言：“毫无疑问，当我们得以对纳微尺度的事物加以操纵的话，将大大的扩充我们可能获得物性的范围”。还设想“如果有朝一日人们能把百科全书储存在一个针尖大小的空间并能移动原子，那么这将给科学带来什么？”这正是对纳米科技的预言小尺寸大世界。四、发展纳米科技的意义费曼：1959年，著名理论物理学家、诺1991年：IBM的首席科学家Armstrong曾预言：“我们相信纳米科技将在信息时代的下一个阶段占中心地位，并发挥革命的作用，正如20世纪70年代初以来微米技术已经起的

37、作用那样。”著名科学家钱学森也预言：“纳米和纳米以下的结构是下一个阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革命，从而将使21世纪又一次产业革命。”微米技术曾同样被认为对使用牛耕地的农民无关紧要。的确，微米与牛毫无关系但它却改变了耕作方式，带来了拖拉机。1991年：IBM的首席科学家Armstrong曾预言：“我1993年，因发明STM而获得Nobel物理学奖的科学家海罗雷尔(Heinrich Rohrer)博士写信给江泽民主席。他写道： “我确信纳米科技已经具有了150年前微米科技所具有的希望和重要意义。150年前，微米成为新的精度标准，并成为工业革命的技术基础，最早和最好学会并使用微米技术的国家

38、都在工业发展中占据了巨大的优势。同样，未来的技术将属于那些明智地接受纳米作为新标准、并首先学习和使用它的国家。” 1993年，因发明STM而获得Nobel物理学奖的科学家海四、纳米技术的应用及其前景纳米科技的重要进展表现在以下几个方面：1直接操纵原子方面：日本科学家成功将硅原子堆成一个“金字塔”，首次实现原子三维空间的立体搬迁。1991年，IBM的科学家制造了超快的氙原子开关。可能将美国国会图书馆的全部藏书存储在一个直径为0.3 cm的硅片上。美国科学家们制造出一种尺寸只有4 nm的复杂分子，具有“开”和“关”的特性，由激光驱动，并且开、关速度很快 。四、纳米技术的应用及其前景纳米刻蚀：目前微

39、电子技术中最细刻度为几分之一微米，即激光光列。如果把搬迁原子的位置按照电路的方式搬迁，便可以用STM进行纳米级的刻蚀。我国已能用STM刻出10 nm的细线。一是可制备高密度的存储器。日本NEC公司研制出高密度记录技术，在一张邮票大小的衬底上可以记录下400万页报纸的内容。二是可用分子束外延技术制造出三维纳米量子器件。纳米刻蚀：2新材料的出现传统陶瓷材料质地较脆，韧性、强度较差，其应用受到限制。纳米陶瓷可能克服陶瓷材料的脆性，具有象金属一样的柔韧性和可加工性（理想）。所谓纳米陶瓷，是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料。也就是说，晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水

40、平上。2新材料的出现要制备纳米陶瓷，关键需要解决：粉体尺寸形貌和粒径分布的控制，团聚体的控制和分散，块体形态、缺陷、粗糙度以及成分的控制。Gleiter指出，如果多晶陶瓷是由大小为几个纳米的晶粒组成，则能够在低温下变为延性的，能够发生100%的韧性形变。并发现纳米TiO2陶瓷材料在室温下具有优良的韧性，在180经受弯曲而不产生裂纹。要制备纳米陶瓷，关键需要解决：许多专家认为，如能解决单相纳米陶瓷的烧结过程中抑制晶粒长大的技术问题，从而控制陶瓷晶粒尺寸在50 nm以下的纳米陶瓷，则它将具有的高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等传统陶瓷无与伦比的优点。 英国著名科学家莱恩Cahn在Nature杂志

41、上撰文说：“纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。”纳米陶瓷的应用方面：摔不碎的陶瓷，防弹玻璃。许多专家认为，如能解决单相纳米陶瓷的烧结过程中抑制晶粒长大的3纳米技术在微电子学上的应用纳米电子学是基于纳米粒子的量子效应来设计并制备纳米量子器件。它包括纳米有序（无序）阵列体系、纳米微粒与微孔固体组装体系、纳米超结构组装体系。纳米电子学的最终目标：是将集成电路进一步减小，研制出由单原子或单分子构成的在室温能使用的各种器件。3纳米技术在微电子学上的应用目前，已经利用纳米电子学研制成功各种纳米器件。美国威斯康星大学已制造出可容纳单个电子的量子点。在一个针尖上可容纳这样的量子点几十亿个。利用量子点可制成体积

42、小、耗能少的单电子器件，在微电子和光电子领域将获得广泛应用。此外，若能将几十亿个量子点连结起来，每个量子点的功能相当于大脑中的神经细胞，再结合微电子机械系统方法，它将为研制智能型微型电脑带来希望 。目前，已经利用纳米电子学研制成功各种纳米器件。美国普林斯顿NEC研究所和赖斯顿大学的科学家已造出了少量的纳米管，纳米管的强度比钢高100倍，重量只有其1/6，纳米管很细，5万个纳米管排列起来才只有一根头发丝那么粗。轻而柔软，结实的材料用作防弹背心。预计它是理想的导体，它的导电性很可能远远超过铜，是最佳超微导线和超微开关的首选新材料。纳米管最终可以用于纳米级的电子线路。 美国普林斯顿NEC研究所和赖斯

43、顿大学的科学家已造出了少量的纳英特尔将碳纳米管技术用于未来芯片设计芯片厂商英特尔正指望用碳纳米管取代半导体芯片内部的铜连线。这种转变总有一天会消除芯片厂商面临的一些大问题。芯片连线已经成为半导体厂商面临的一个头疼的问题。根据摩尔定律，芯片厂商每两年就要缩小一次半导体芯片内部的元件。然而，缩小连线会增加电阻，降低芯片的性能。芯片厂商在90年代从把连线从铝线转变为铜线从而绕过了这个问题。遗憾的是，随着芯片尺寸的缩小，这个电阻问题将成为英特尔等芯片厂商遇到的大问题。碳纳米管导电性比金属要好，有可能成为替代金属连线的解决方案。英特尔将碳纳米管技术用于未来芯片设计2008年2月1日亚利桑那州立大学Dav

44、id K. Ferry提出利用纳米线连接电路建立三维堆砌芯片的构想，将大大提高计算机的运行速度。2008年2月1日碳纳米管制造人造卫星的拖绳在航天事业中，利用碳纳米管制造人造卫星的拖绳，不仅可以为卫星供电，还可以耐受很高的温度而不会烧毁。用碳纳米管做绳索，是惟一可以从月球上挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。如果用它做成地球月球乘人的电梯，人们在月球定居就很容易了 。碳纳米管制造人造卫星的拖绳在航天事业中，利用碳纳米管制造人造利用纳米磁学中显著的巨磁电阻效应(giant magnetoresistance)和很大的隧道磁电阻(tunneling magnetoresistance)现象研

45、制的读出磁头将磁盘记录密度提高30多倍。1997年，明尼苏达大学电子工程系纳米结构实验室采用纳米平板印刷术成功地研制了纳米结构的磁盘，长度为40纳米的Co棒按周期性排列成的量子棒阵列。由于纳米磁性单元是彼此分离的，因而称为量子磁盘。它利用磁纳米线阵列的存储特性，存贮密度可达400Gbin-2。 利用纳米磁学中显著的巨磁电阻效应(giant magneto4 纳米技术在光电领域的应用纳米技术的发展，使微电子和光电子的结合更加紧密，使光电器件的性能大大提高。美国桑迪亚国家实验室发现：纳米激光器的微小尺寸可以使光子被限制在少数几个状态上，而低音廊效应则使光子受到约束，直到所产生的光波累积起足够多的能

46、量后透过此结构。激光器达到极高的工作效率，而能量阈则很低。实验发现，纳米激光器工作时只需约100微安的电流。4 纳米技术在光电领域的应用最近科学家们把光子导线缩小到只有五分之一立方微米体积内。在这一尺度上，此结构的光子状态数少于10个，接近了无能量运行所要求的条件。麻省理工学院的研究人员把被激发的钡原子一个一个地送入激光器中，每个原子发射一个有用的光子，其效率之高，令人惊讶。最近科学家们把光子导线缩小到只有五分之一立方微米体积内。在这碳纳米管场发射显示器1999年韩国，2000年日本制成显示器样管碳纳米管场发射显示器1999年韩国，2000年日本制成显示器5纳米技术在化工领域的应用纳米粒子作为

47、光催化剂的优点。首先是粒径小，比表面积大，光催化效率高。另外，纳米粒子生成的电子、空穴在到达表面之前，大部分不会重新结合。因此，化学反应活性高。其次，纳米粒子分散在介质中往往具有透明性，容易运用光学手段和方法来观察界面间的电荷转移、质子转移、半导体能级结构与表面态密度的影响。5纳米技术在化工领域的应用利用具有半导体特性的纳米氧化物粒子如Fe2O3、TiO2、ZnO等做成涂料，由于具有较高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用。将纳米TiO2粉体按一定比例加入到化妆品中，则可以有效地遮蔽紫外线。一般认为，其体系中只需含纳米二氧化钛0.51%，即可充分屏蔽紫外线。目前，日本等国已有部分纳米二氧化钛的化

48、妆品问世。纳米科学与技术课件6 纳米技术在生物学上的应用 每一个生物大分子本身就是一个微型处理器，分子在运动过程中以可预测方式进行状态变化，其原理类似于计算机的逻辑开关，利用该特性并结合纳米技术，可以此来设计量子计算机。DNA-蛋白质合成DNA发动机已经研制成功，可能用于清理血管的任务。6 纳米技术在生物学上的应用 美国南加州大学的Adelman博士等应用基于DNA分子计算技术的生物实验方法，有效地解决了目前计算机无法解决的问题“哈密顿路径问题” 。 分子计算机目前处于理想阶段，但科学家已经考虑应用几种生物分子制造计算机的组件，其中细菌视紫红质最具前景。该生物材料具有特异的热、光、化学物理特性

49、和很好的稳定性，并且，其奇特的光学循环特性可用于储存信息，从而起到代替当今计算机信息处理和信息存储的作用。在整个光循环过程中，细菌视紫红质经历几种不同的中间体过程，伴随相应的物质结构变化。美国南加州大学的Adelman博士等应用基于DNA分子计算技Birge等研究了细菌视紫红质分子潜在的并行处理机制和用作三维存储器的潜能。通过调谐激光束，将信息并行地写入细菌视紫红质立方体，并从立方体中读取信息，并且细菌视紫红质的三维存储器可提供比二维光学存储器大得多的存储空间 。在纳米尺度上认识大分子的精细结构与功能的联系，按自己的意志进行剪彩和嫁接，进行基因修补、治疗、改良，农、林、渔、牧等也可能因此发生深刻变革。Birge等研究了细菌视紫红质分子潜在的并行处理机制和用作三7纳米技术在医学上的应用生物体内的RNA蛋白质复合体，其线度在1520nm之间，并且生物体内的多种病毒，也是纳米粒子。10nm以下的粒子比血液中的红血球还要小，因而可以在血管中自由流动。将超微粒子注入到血液中，可以作为监测和诊断疾病的手段。磁性导航药物、分子识别药物，荧光标识等。但也有缺点。（纳米粒子的毒性）cancer7纳米技术在医学上的应用成功利用纳米SiO2微粒进行了细胞分离。用金的纳米粒子进行定位病变治疗，以减少副作用。科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人，在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治