专题讲座-纳米科学技术新

1234567返回退出纳米科学技术一、前言

长久以来，人们一直有一个愿望：即企盼着有一天能够按照人们的意志去安排一个一个的原子和分子，以构成人们所需的材料与器件。

今天，这个愿望已有可能变成现实……1234567返回退出纳米科学技术一、前言

纳米科学技术（NanoScienceandTechnology)

在这里，纳米不仅仅意味着空间尺度小，而且提供了一种新的思考方式，既生产过程要求越来越精细，以致于能够直接操纵单个原子和分子以制造具有特定功能的产品。1234567返回退出纳米科学技术一、前言0.1-100nm空间尺度小量子效应纳米科学技术量子力学原理

1234567返回退出纳米科学技术一、前言

“一旦到纳米技术范围，量子力学效应就出现了。也就是说，我们要研究开发的这个领域，量子力学就变成了一个必要的工具，不能总是把量子力学局限在理论研究中，要把这个理论应用到实际的开发工作中，即技术工作中去。要运用量子力学来设计、研究这方面的工作。”

—钱学森1234567返回退出纳米科学技术一、前言1981年，第一台扫描隧道显微镜（STM）诞生。1986年，STM的发明者G.Binnig和H.Rohrer

获诺贝尔奖。G.BinnigH.Rohrer1234567返回退出纳米科学技术二、纳米材料20世纪80年代，科学家惊奇地发现，介于宏观与微观之间的纳米体系中，材料的许多性质都完全变了模样：金属银失去了典型的金属特征；纳米二氧化硅电阻下降了几个数量级；常态下电阻较小的金属到了纳米级电阻会增大；纳米级金属的电阻温度系数下降甚至出现负数；原是绝缘体的氧化物到了纳米级，电阻却反而下降；

10-25nm的铁磁金属微粒矫顽力比相同的宏观材料大1000倍；颗粒尺寸小于10nm，矫顽力变为零，表现为超顺磁性。

……………1234567返回退出纳米科学技术二、纳米材料1.纳米微粒的特殊物理性质●

小尺寸效应

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表面与界面效应●

量子尺寸效应1234567返回退出纳米科学技术二、纳米材料纳米微粒的特殊物理性质——表面与界面效应物质粒径的减小比表面积大大增加键态严重失配出现许多活性中心粒径5nm的颗粒，表面占50％，粒径2nm时，表面的体积百分数增加到80％。极强的吸附能力极强的抓俘能力防腐抗菌催化剂1234567返回退出纳米科学技术二、纳米材料能级间距δ=4EF/3N

宏观固定的准连续能带消失了，而表现为分裂的能级，使纳米体系的光、热、电、磁等物理性质与常规材料不同，出现许多新奇特性。纳米材料尺寸小电子被局限在一个体积十分微小的纳米空间电子平均自由程短电子的局域性和相干性增强纳米体系包含的原子数大大降低纳米微粒的特殊物理性质——量子尺寸效应1234567返回退出纳米科学技术二、纳米材料2.一种新型的纳米材料——碳纳米管碳的三种形态：C60、金刚石、石墨1234567返回退出纳米科学技术二、纳米材料2.一种新型的纳米材料——碳纳米管1234567返回退出纳米科学技术二、纳米材料碳纳米管的吸附性质：“袖中乾坤”巴基管吸附HF分子1234567返回退出纳米科学技术二、纳米材料3.纳米材料的应用

（1）在微电子器件方面的应用。纳米材料制作单电子隧穿二极管纳米硅基超晶格。（2）在磁记录方面的应用。（3）在传感器上的应用。纳米陶瓷材料(LiN6O3,LiTiO3)

制成红外检测传感器。1234567返回退出纳米科学技术其他领域中的应用3.纳米机械学

纳米级加工、装配甚至可移动单个原子的工程技术。

1234567返回退出纳米科学技术其他领域中的应用1.纳米电子学纳米尺度的分子电子器件超高密度记录原子开关原理1234567返回退出2.纳米生物学——

在纳米尺度上研究生命问题

了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系。获取分析细胞的生命信息。研制纳米“机器人”。纳米科学技术其他领域中的应用1234567返回退出纳米科学技术三、STM的工作原理金属中的电子必须克服功函数才能逸出金属表面费米能级功函数EF1经典理论1234567返回退出纳米科学技术三、STM的工作原理

经典理论：势垒的存在阻碍了电子在两个导体间的运动金属A金属B绝缘层或真空SEF1EF21234567返回退出纳米科学技术三、STM的工作原理微观粒子在空间的运动呈一定的几率分布量子理论1234567返回退出纳米科学技术三、STM的工作原理量子理论绝缘层或真空入射波反射波透射波金属A金属BS势垒厚度小到纳米量级时，电子将有可能穿过势垒，形成电流。1234567返回退出纳米科学技术三、STM的工作原理

把探针尖与被测样品表面做成电极。当样品表面与针尖的距离非常接近时(一般＜1nm)，通过针尖与样品表面施加一定的电压形成外电场。在外电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的绝缘层(一般为空气或液体)流向另一个电极，产生隧道电流。

金属A做成探针状金属B为被研究物质的表面1234567返回退出纳米科学技术三、STM的工作原理注意：隧道电流的强度对针尖与样品表面的距离十分敏感，呈指数衰减。1234567返回退出纳米科学技术三、STM的工作原理针尖在样品表面作二维扫描，若能控制隧道电流不变，则针尖与样品表面的局域高度也会保持不变。针尖将随着样品表面的起伏而作同样的高低起伏的运动，于是第三维高度的信息就可反映出来。1234567返回退出纳米科学技术三、STM的工作原理结论：

STM是根据电子穿过表面势垒的隧道效应制成的。它利用针尖扫描样品表面，通过隧道电流获得样品表面的图像。样品电子线路显示器显示器探针1234567返回退出纳米科学技术四、STM的仪器设备STM仪器设备全景图计算机控制系统STM主体设备电子反馈系统高分辨率显示终端1234567返回退出纳米科学技术四、STM的仪器设备STM主体STM的核心部件

——探头装在主体箱1234567返回退出纳米科学技术四、STM的仪器设备电子反馈系统:

产生隧道电流,控制隧道电流的恒定高分辨率显示终端：显示所获取的显微图像计算机控制系统：发出指令，控制系统运转，收集、存储所获得的图像，对原始图像进行处理（如平滑、背景扣除、区域缩小或放大、剖面线等）1234567返回退出纳米科学技术四、STM的仪器设备恒流工作模式STM

的工作方式恒高工作模式1234567返回退出纳米科学技术四、STM的仪器设备主要技术问题

要想达到原子级的分辨率，探针尖端最好只有一个原子。

探针制作

1234567返回退出纳米科学技术四、STM的仪器设备主要技术问题探针样品表面1nm探针不与样品表面接触1234567返回退出纳米科学技术四、STM的仪器设备主要技术问题如何实现针尖在样品表面扫描？

压电陶瓷：在外加电压作用下，在某一方向伸长或缩短，且伸长或缩短的尺度与外加电压成比例。1234567返回退出纳米科学技术四、STM的仪器设备STM的独特优点分辨率高：横向0.1nm,纵向0.01nm。同时获得原子和电子结构的丰富信息。工作条件范围大（空气、常温、液体……）

1234567返回退出纳米科学技术五、STM的应用1、观察和研究固体表面的微观结构1234567返回退出纳米科学技术五、STM的应用2、观察DNA分子——揭示生命的奥秘世界上第一张DNA图像小白鼠DNA1234567返回退出纳米科学技术五、STM的应用DNA合成瞬间平行双链DNA2、观察DNA分子——揭示生命的奥秘1234567返回退出纳米科学技术五、STM的应用3、改造微观世界的手段

——操纵原子不是梦1234567返回退出纳米科学技术五、STM的应用IBM

纳米小人1234567返回退出纳米科学技术五、STM的应用4、构造超微结构—量子围栏图48个Fe原子在Cu表面围成围栏1234567返回退出纳米科学技术五、STM的应用5、进行纳米级微加工——表面刻蚀1234567返回退出纳米科学技术五、STM的应用5、进行纳米级微加工——表面刻蚀1234567返回退出纳米科学技术五、STM的应用5、进行纳米级微加工——表面刻蚀砷化镓GaAs表面的真空STM图像硅表面7×7重构图Na过饱和吸附于GaAs表面的真空STM图像石墨表面碳原子的规则排列吸附在铂晶体表面的碘原子1234567返回退出§2纳米科学技术六、结束语“如果有一天可以按人们的意志安排一个个原子，将产生出什么样的奇迹！”

——费曼21世纪是生命科学技术、信息科学技术大有作为的时代，而纳米科学的发展将给它们带来更多的机会和工具。纳米科