光电子技术入门纳米技术的背景

第一章纳米科技基础

1.1科学革命1.2纳米科技分类和纳米机器1.3元素周期表1.4原子结构1.5分子和物质的相态1.6能量1.7分子和原子尺寸1.8表面和三维空间1.9“自上而下”和“自下而上”1.1科技革命几百万年以前，人类发展到石器时代，这时我们的祖先开始利用石头作为工具，石头也就成为人类最早的工具。工匠可以利用这些岩石制造出不同用途的工具来，这些工具的使用促进了社会的进步。石器的使用可能是人类改造世界和掌握自身命运的第一步，并推动了如表1.1所示的其他方面的发展。发明类型名称时代起始时间工业工具石器公元前2200000年工业冶金青铜器公元前3500年

工业蒸汽机工业1764自动化大规模生产—1906自动化计算机信息1946健康基因工程基因1953工业纳米技术纳米时代？1991自动化分子组装组装时代？2020？所有三类生命组装生命时代？2050？表1.1科学的发展史火是一种有价值的工具。大约在五六千年以前，有人将一块含铜矿石放入篝火中，铜被熔化提炼出来。不久像青铜这种由两种金属熔融而成的合金被发现了。利用铁矿石提炼出金属铁，从铁进一步中提炼得到钢。现在人们通过新的冶金学方法，可以制备出自然界中没有的新物质。随着食物的不断丰富，越来越多的人能够离开土地，开始从事商贸活动。18世纪之前，所有的生产活动都依赖人力和畜力或者自然界的能源（比如水力和风力）。蒸汽机的发明很可能与铜的发现一样意义重大，因为蒸汽机使用了完全不同的能源。有了蒸汽机，就随之出现了火车和铁路，接着石油、汽车、喷气式飞机和宇宙飞船等也相继问世。是什么导致了蒸汽机的发明呢？是要得到更好的马车？还是对蒸汽作为一种能源感兴趣？投资者也许对制造更好的马车更感兴趣，但是利用蒸气这种能源才是发明蒸汽机的真正动力。

大规模生产与计算机是两种不同的发现和发明。电的使用使快速的大规模产品生产成为可能。建立在微晶体管基础上的计算机，代替人脑进行计算和信息处理，加快了速度，提高了精度。DNA是脱氧核糖核酸的缩写，它是称为基因的生物体遗传信息的载体。RNA，也就是核糖核酸，将这些信息以不同方式在细胞内传输。在第六章将详细讲述DNA和RNA。基因工程能够表达和修饰DNA中的基因特性，这是一项正在发生的重大革命。人类第一次能够把握自己和动植物的进化过程而不是完全依靠自然的繁殖过程。因此可以用一种不同的方法来延长寿命。基因工程使得人类不仅仅是通过减少意外事故或预防疾病的方法，而是借助基因工程通过改变物种的方法从根本上延长其寿命。什么是纳米技术？为什么它能带来巨大财富？为什么它会比以前所有其它的科学进程更重要呢？纳米技术是一种按照人们的意志在原子水平上廉价地操纵物质结构的制造技术，它是低成本和无污染的制造技术，能生产出纳米机器和纳米器件。因此纳米技术与第一件石器工具的发现同等重要。除了制造自然界已有的东西以外，我们还可以依照我们意愿通过纳米技术创造事物。冶金技术将自然界的矿物作为原料，而纳米技术则是将原子作为加工的对象。

虽然在我们的先辈们创造财富过程中，过时的科学知识并没有起到重要作用。但是汽车、和电灯、晶体管和电子管以及药物等让福特、盖茨、诺贝尔等获得了巨额财富。遗传工程和基因治疗的发展，也会使得许多人一夜暴富。将来人们将依靠什么致富？答案就是纳米技术。纳米技术时代已经开始了吗？回答是肯定的。1959年12月，在美国物理学年会上，著名的物理学家、诺贝尔奖获得者RichardFeynman首先提出纳米技术的概念。Feynman指出：“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，而且原则上是可以实现的”。如果说Feynman是哲学家，那么Drexler则是一位预言家。在《创造的动力—纳米时代的来临》一书中，Drexler用即兴和交叉的思考方法，对Feynman提出的纳米技术概念进行了拓展，该书值得一读。1990年Drexler指出：“纳米技术的基本思想是在分子水平上，通过操纵原子来控制物质的结构。它使我们可以利用单个原子组建分子系统，制备不同类型的纳米器件。”Binning和Rohrer印证了Drexler的想法。1981年，IBM公司苏黎世研究实验室的Binning和Rohrer发明了扫描隧道显微镜，使得人类首次在大气及常温下观察到了原子，这为纳米技术的发展奠定了基础。尔后不久，科学家们便可以通过移动原子来构筑纳米结构。在纳米技术提出的早期阶段，纳米技术仅仅停留在实验室阶段，并没有在实际生产中获得应用。随着人们对纳米技术的重要性的认识的深入，建立在纳米尺度上的“纳米技术”这一术语被广泛地接受了。“nano”一词最早来自于希腊语，其含义为“侏儒”，但是在科学术语中“nano”是指10-9，即1nm就是10-9m，大概相当于10个氢原子肩并肩排列在一起的长度。所谓技术，是指按照科学规律来构造有用的物质。因此，“纳米技术”就是指在10-9米的尺度上构造物质。那么，纳米技术和普通化学合成之间的差别何在呢？

纳米技术特别注重通过观察原子和分子，在纳米尺度上操纵分子和原子，因此它和普通化学是不同的。但是，纳米技术却基本涵盖了所有的化学、大部分物理学和分子生物学的知识。Feynman和

Drexler提出的纳米技术概念现在看来应归于分子纳米技术，有时叫分子加工技术。分子加工技术的描述并不十分贴切，因为它和合成化学的定义非常相似。有时我们也采用分子工程等术语，但是这些术语涵盖了对于大于原子实体或基团的操作加工，即属于设计操作几十个或几百个原子大小的物质和设备等范畴。本书将涵盖这些领域。纳米技术给予我们更为广阔的思路，使我们可以在纳米尺度上设计全新的器件，比如可以利用小块晶体或生物材料进行加工，而不一定要将物质拆分到单个原子。由原子构筑的分子纳米技术的发展和应用进程将是缓慢的，因为我们需要时间来确定物质的临界点，在这一临界点我们只需要改变物质中为数不多的几个原子就会得到不同的材料。在第7章和第8章中，我们将讨论单电子晶体管，这是分子纳米技术快速商品化的实例之一。相对于自上而下（Topdown）的加工过程，用单个原子组建纳米器件会更有效，研究者可以达到在原子水平上控制物质结构和性能的最终目的分子纳米技术的最大问题是利用它虽然可以得到一、两种分子纳米结构，但是却难于生产出众多的产品。我们需要能够大量制备纳米结构材料的机器，这种机器曾被称之为“装配器”。当我们能够生产这种装配器的时候，分子纳米技术将掀起一场前所未有的工业革命，其影响将超过以前所有的工业革命。Drexler把装配器描述为一种在计算机控制下的纳米机器人。一个装配器就是一台纳米机器，但是非常特殊的是，装配器不但可以制造新的纳米机器，而且还可以在同一过程中实现自我复制。装配器能够有效控制和固定反应原子和分子，使这些分子和原子在精确区域内发生反应。通过一系列精确控制的化学反应以及分子自组装，将可以建造在原子尺度上十分精确的大型物体。如果需要的话，装配器可以实现自我复制。装配器可以大规模的廉价地生产产品。在确保每一个原子能够被精确地安置的前提下，我们就可以生产高质量和性能可靠的产品。因为在制造过程中多余的分子可以再利用，所以是一种清洁制造过程。在类似方式的生产线上，一个组装器可以遵循一系列的指令组装任意的分子结构。通过对分子单元三维位置的定向控制，可以合成复杂的分子结构。同时，组装器可以形成各种不同类型的化学键。

这当然不是科幻小说。这些结构在生物体中已经存在，被称为核糖体。正是核糖体这一纳米器件制造了所有生物所需要的蛋白质。一典型核糖体只有几千立方纳米，但它能精确控制蛋白质基本构成单元－氨基酸的序列，进而合成蛋白质。核糖体通过一种RNA按序将特定的酶和氨基酸用化学键连接起来,也能控制氨基酸与多肽的反应，使氨基酸键联在多肽的末端。就象核糖体依照信息载体RNA的指令而动作一样，装配器也需要一系列详细的控制信号。当然，这些控制信号不一定是RNA或者DNA，许多其它的信号编码也可以用来合成蛋白质以外的物质。在非生物纳米器件中，这些详细的控制信号可以由计算机提供，但是它必须是分子计算机，或者是与RNA相似的某种物质。对于分子计算机领域，如果不改变目前的思维方式，我们将无法进一步减小电子芯片的特征尺寸。自然界中的一些现象为我们认识未来的纳米器件提供线索。细菌是一个典型的由生物计算机控制的具有自我复制功能的装配器。人类制造的纳米器件不会比细菌大，也许和病毒一样小，甚至可能就是一种病毒。

1.2纳米技术分类和纳米机器什么是纳米机器呢？正如前面所讨论过的，4万年前居住在洞穴中的人使用燧石作为工具，将合适的材料做成罐状和盘状来烧水。在那个时代，工具和机器的概念是很模糊的。单个工具组合起来就有新的用途，如刀和棍棒用绳子绑在一起就做成了矛，它是种武器，但同时亦是种工具。这些技术经过不断的发展进步，到现在我们能够作到这样：将物体分解开，然后把它们中的一部分进行再组合，造出极其复杂的机器。硅晶片和一些铜线连接在一起可以构成微型电路，再和其它一些元件组合就可以组成一台计算机。这些就是微型机器。

生物体可以认为是许多微型机器的集合体。如:除核糖体外，人体内还存在数目巨大的微型机器，把碳水化合物转变为二氧化碳，利用转变过程中产生能量来维持人的生命活动。此过程和在火力发电厂中进行的过程没有太大差别，不同的只是电厂利用煤而不是碳水化合物，且体积更为庞大而已。虽然人体内这些赋有生命的设备很小，但是它们却可以实现自我复制，所以它们比起燃煤发电设备更为复杂。生命活动的单元，如隔膜，由多种化学物质组成，可以作为探测微量物质的机器。然而，许多宏观的有机体都是由成千上万种不同的纳米机器组合而成。例如，当光线照射到人的眼睛时，人就会产生脑电波。这是有机体将光能转变为电能，使大脑做出的反应。当然，与电子光栅相联系的眼组织也会自行复原。生物组织能够自我生长，自我复制，而且不受外界干扰。随着科技的进步，许多机器和器件都微型化了。原来几米大的设备，现在已经缩小到几个厘米，甚至更小。表1.2列举了一些描述物体尺度的前缀。现在使用的许多机器，比如微电子器件，都是在微米尺寸上进行操作。实际上，毛细血管就具有和集成电路元件相类似的尺度。我们在纳米尺度上构筑微型机器是完全可能的。因为纳米是几个原子的尺度，因此我们必须利用原子、原子簇、分子来开展工作。事实上，轮盘状分子以及球状、链状和链轮状分子已经存在，这些形状在目前的机器设备中经常使用，但是在纳米技术领域里，这些形状将是在原子尺度上使用，而不是工厂车间规模上使用。制造由众多分子构成的复杂的分子机器是完全可能的，比如类似于拥有火车站、随时可以停止和启动火车的纳米铁路线。可以用作开关和晶体管类电子器件的分子是非常重要的。表1.2描述物体尺度的前缀

前缀符号指数形式名称ExaE1018千兆兆PetaP1015兆兆TeraT1012万亿GigaG109十亿MegaM106百万KiloK103千UnityU100个CntiC10-2百分之一MilliM10-3千分之一MicroM10-6百万分之一NanoN10-9十亿分之一PicoP10-12万亿分之一FemtoF10-15兆兆分之一AttoA10-18千兆兆分一

1.3元素周期表

化学家已经对具有纳米结构的分子研究了150多年。与纳米技术学家不同，过去，化学家不能看到原子，只能通过推测去了解分子的行为。原子理论指出物质都是由109种原子组成的，但过去这仅仅是一个理论。现在我们认识到这已不只是抽象的理论，因为我们可以通过透射电子显微镜（TEM）确确实实地观察到原子。我们非常希望能了解这些元素的几百万种结合方法，以及如何将其应用于纳米技术。很幸运，元素周期表使我们能够这样去做。因为在元素周期表里，按照元素的原子量排列时，揭示了同一族元素性质有规则的变化趋势和规律。元素周期表是根据元素之间相似的性质分类并按照一定的规律把1号到109号的元素排列得到的。分子纳米技术学家认为，元素只是用来构成物质的不同基本结构单元的集合体。你也许觉得奇怪，原子的数目看上去好像是一个随机数字。为什么元素的数目只是109，不是更多或者更少？这有点类似于HitchHiker星系理论里的数字42一样，看上去似乎难以解释。宇宙中存在的很多数字都十分特殊，比如π，虚数()等。那么为什么偏偏是这个数字呢？这些并非真的很神秘，从26号铁元素以后，随着原子量的增大，原子核的稳定性开始下降。按照这种思维，我们可以推知，可以制备出2050号元素。但它一定是极不稳定的。所谓元素趋于不稳定，也只是对它们存在的时间长短的一种度量而已。正象我们可以获得更多的知识，但永远不能获得所有的知识一样。

元素在元素周期表中的位置是其性质的反映，所以当我们要初步了解某个元素的时候，最好的方法是弄清它在元素周期表中的位置。周期表中的列称为族，行称为周期。每一个族里的元素，其性质都在逐渐发生变化。比如在第一族里的钠元素，其性质就是第一族里其他元素性质代表。这一族里的元素还有：锂Li、钾K、铷Rb、铯Cs、钫Fr，这些元素被称为碱金属。它们都是有银色光泽的、低温下就能熔融的软金属。在纳米技术中，这些原子的重要性就在于它们很容易失去一个电子。紧挨着第一族元素的是碱土金属，它们很容易失去两个电子。周期表中最右边的元素族是惰性气体，由稀有元素构成，性质非常不活泼。在纳米技术中，这些元素常作为保护性工具来应用，尤其是最大的元素氡Rn和氙Xe。与惰性气体相邻的是卤族元素，它们是一些活泼的气体或固体。我们应该知道在周期表同一族中元素活性随原子量的增加而降低。周期表中第3族到第12族是过渡金属元素，包括铁Fe、铜Cu、银Ag和金Au，具有优良的导电性等有用的电性能，是用于纳米技术的重要元素区。第14族元素包括碳和硅，这两种元素是制造纳米碳管和导电纳米器件的重要元素。当我们知道元素属于哪一族、与哪些元素相邻后，就可以预测该元素的性质。

1.4原子结构

原子理论的雏型至少可以追溯到古希腊时代，他们提出了元素的概念，并且认为构成物质基本元素是土、火、空气和水，如果这些元素按适当的顺序组合就可以得到各种各样的物质。这一观点和我们今天的认知基本一致，不同的是现在人们认为是不同的元素构成了地球上的物质，其中包括一些自然界中根本不存在而只能在实验室中才能合成得到的元素。什么是元素？每个元素由一种原子构成。古希腊人认为物质可以无限分割，但这个假说没有科学实验结果作为依据。1807年，在实验事实的基础上，英国教师道尔顿（1766－1844），阐述了原子概念并提出了原子理论。该理论的提出基于以下几点假设：1.

元素由不可分割的粒子构成，这些不可分割的粒子称为原子。2.

构成特定元素的所有原子是相同的（现在被认为是不正确的）；而不同元素由不同的原子构成。3.

原子结合在一起形成化合物，同一种化合物由相同数量和种类的原子组成。4.

化学反应时，原子从一种结合状况变成另一种结合状况，原子本身不发生变化。道尔顿雨原子理晌论是化离学发展坡史上的关一个里固程碑。具这个理烟论的主统要假设牛至今还消在沿用腾，当然猾理论也液在不断脆完善，南以解释略新的现礼象。道收尔顿认梳为原子袖不能再促分，这茂一点是烦不正确狐的。“双不能再毕分”意咏味着在碧不改变妨元素自龟身化学墓性质情高况下，节原子不纱能进一仓步分裂迟。例如睛，当一诵个碳原刚子被分鼓解成更潮小的粒营子时（萌称作亚施原子）好就失去生了原来拿的化学捐性质。侮人们常腔把原子砖与原子孩弹、原殊子分裂品联系在瓦一起。娃原子弹画和核反胡应器都衰依靠自进身核裂侮变链反堵应，它碌能释放妻巨大的压能量。萄在核裂旋变过程吉中，一计个重核题子分裂锯成几个羞不稳定瓶的较轻汁的粒子池，释放牵的能量欺可以完纲成物质旗的合成限或分解馒。193熄9年德国科座学家Otto毯Hah抹n和Frit跳zSt光rass喝mann第一次报剂道了核裂酿变反应，1945年原子妹弹第一念次在日弄本广岛吃和长崎砌爆炸。三种主伯要的基宏本亚原孩子粒子发是电子既、质子刊和中子约，质子胳和中子蛙构成原弦子核。萌除此之洗外还存园在许多印其它的只亚原子遭粒子，狠包括正飘电子、间介子和舞中微子攻，对于锅它们的讨讨论已物经超出次了本书宾的范围许。电子是小羞而轻的粒设子，带负蝴电荷。质刮子比电子山大而且重莫，带正电糟荷。中子认的大小和研质量与质贝子相似，把但不带电顿荷。由于枪原子是电馆中性的，兽所以应该抱拥有相同旗数量的质钓子和电子蹦。与道尔认顿的最初普假设相反命，同种元课素中的所捏有原子并易不是都具鬼有相同的啊质量。我漆们把质子茶数相同而泥原子量不孝同的原子效称为同位寨素，同位壤素之间中屈子数的不钥同导致了泡原子量的芳不同。例输如，碳1阀2和碳1牛3都有6比个质子（冤原子序数听＝6），钢但中子数嘴分别为6质和7。为了区分沾不同类型近的原子核孔，我们把洲质子数（睛原子序数也）写在元姥素符号的糊左下角，呀质子数和阁中子数之间和（质量俘数）写在免元素符号想的左上角趟。、、表杯示质子数罪为1、中子数注分别为0、1、2的氢元素餐。同样，们、、分别零为含有不齐同质子数鱼的不同元学素。表1.3给出了不亏同亚原子孤粒子的性话质。原子粉核既有自衫旋又带正承电的粒子垄，因此可喊把一个原粪子核看作狐一个小的早磁铁，在趣磁场中原络子沿着磁毙场或逆磁务场排列，消原子核的毕磁性称为枝核磁矩。墨只有自旋区不为零的件原子核才渠具有核磁统矩，是否斑具有核磁涂矩取决于逐质子和中鬼子的比例沿。如（1个质子厦，0个中子融）和（6个质子，7个中子陵）的核坡自旋不宁为零，玻有磁矩近，但（6个质子，6个中子）顺中的质子尝数和中子杠数均为偶惠数，核自举旋为零，赖没有磁矩析。利用原老子核的磁接矩来探测分原子核的顽性质，这暂一现象就举是核磁共青振现象。表1.羽3计部分亚如原子微圈观粒子鹊的性质亚原子粒子符号电荷数相对质量(amu)实际质量(g)质子p+111.673×10-24电子e--15.45×10-49.110×10-28中子n011.675×10-24原子非常疏小，单个搏原子的直馒径在0.垒1到0.爷5nm之间，撒元素不膛同原子饭直径也萍存在差猪别。例毁如，一颤个碳原址子直径悦大约为鹊0.1松5nm，6吓70万个碳续原子线快形排列乖的长度好为1mm（饿1×1贷06nm）哗。正如前文豆所提到的予，电子围粱绕原子核放运动，电成子云密度躁在距离原斜子核的一仙定距离时分并不会突歉然降为零含。那么原兄子的直径别究竟有多挪大？一种案观点认为棵在非常紧挨凑的结构叔中，原子掩的半径相厚当于相邻雪原子间距前的一半，劳但这种定耐义方式仍蛛然存在一团些问题。棍因为原子硬通过化学皂键结合在郊一起时，堂其原子间受距小于没许有化学键及连接时的江距离，比港如惰性气晶体。然而谎在原子间厨为相同种跃类的化学高键连接时门，元素的烫原子半径挖是可以比赵较的。一菌般的趋势局是在元素拖周期表中菜同一主族致原子半径堡由上到下弯逐渐增加际，同一周狼期中原子摩半径由左勿向右逐渐芳减少。这写将在1.部7节中详到细介绍。1.5嚼分子与物痛质的相态物质具漏有三种称状态，窑即液态锡、气态装和固态凶。这些隶相态中梅存在的锅分子即带是由原菊子互相短结合起声来形成无的聚集半体。氧沙气是由逝两个氧卫原子组及成的分列子，写裹作O2；水（H2O）分子是挨由两个贱氢原子衔和一个冤氧原子小组成。揭原子组暂成分子运有两种字方式：刊一种是拢共用电奖子，称渗为共价吐键结合桐；另一视种通过虽原子间上的电子兆转移组乘成分子运，失去肾电子的锐原子带爸正电，晃而得到够电子的啦原子带条负电，满分别用湾“+”与“-”来表象示，称炒为离子窗键结合坛。当电皇子在两救原子间畏转移时改，称作符电离。谊如氯化如钠（NaCl）中钠原子蠢带正电，喜写作Na+；氯原子带债负电，写俭作Cl-。带正电调的称为剂阳离子猎，带负恐电的称岸为阴离智子。共检价键用界一直线兰表示，未如氯气士（Cl2）分子可赵写成Cl-挂Cl，直线表示虏两原子共旷用电子。宽在共价键矩型固体中氧，分子是业独立的，继并能相互堆区分开。域在氯化钠曾这样的离射子键型固男体中，如煤图1.1所示，辫原子有树规则地信排列在饰点阵中窃，没有惊单个独座立的分播子。点沙阵有许辆多不同陷的类型宏，取决滤于原子统堆积方毕式，与吵电荷和稀原子的猴尺寸也时有关。图1.1氯化钠摇晶格结掠构如图1.2所示，侮金属中茎存在一弱种特殊争的价键轰，金属期中所有挣的电子介同时被茶所有的圆原子共且享。这渡样金属朽就很容验易导电开，因为你额外的剖电子很得容易被肥移入与竞迁出，惕而从单弯个原子撕中迁移赶电子是役困难的简。这里舒不进一读步讨论滑金属键红，然而种了解金沾属的不乡丰同的导垒电能力蝴是很重壶要的。永图1功.2金妥属键在纳米恶技术中扫还涉及芽到其它海一些很悉重要的圾价键。掀分子和夫原子也已能通过傅相对弱舰的范德有华力吸彩引在一蚂起。范剂德华在吸研究气抽体时提念出了这矮种吸引篮力，因尼而将这根种形式邻的力命搏名为范贱德华力胆。这些拔吸引力摆有三种麻形式：诱伦敦力完（图1南.3a），也叫色散程力；极化述力（图1葱.3b）；以及氢键法。我们将姓简要地逐捐一说明这京些形式的王作用力。图1.3a)分子或原陡子间Lond称on力；b)两个分子我间的偶极喜相互作用电子绕原厚子核运动咏状态,有点类似秃于海面上竞的波浪。贸在任何时臣候，波浪幸中心水的靠密度显然培都要比波拍浪顶点处拘高，而且舒这将随着繁波浪的移能动而变化闯。在原子恰中，电子朝像波浪一狂样“漂浮咸”在原子键核周围，社在一定的相空间位置跌上，电子浓密度总是妹大一些。它这就导致尖了电荷在碌空分布上唉的差异，亏见1.3a，这种电阀荷的分毛离是偶相极矩作裕用。在稠所有原究子和分唐子之间冻都存在撞色散力衔，而且禽影响其速它原子睬和分子州的带电史性。在鲁纳米技珠术中，季可以借给助于色含散力获查取和移迟动原子胆。在化学萍键中，减并不是恋所有的尼原子都免能均等觉地共享诵其电子占，一些情原子核橡可能比膊其它原害子核“冰贪婪”拐些。当嗓化学键渠中的电祝子被不样均等地蓬共享时夫，就会薪出现微钳小的电搂荷差异授，表现窜为化学匹键具有递极性，建并且这罪种偶极顺作用会两长期存标在。当肉具有偶客极作用狭的分子陕彼此接帅近时，池便会产犬生相互遥作用。可因为一严个分子破上的正壤电荷会违和另外叹一分子被的负电坝荷相互棒作用，好这种相帝互作用说称作极围化力（甩见图1.3b）。第三种钟类型的它范德华休力称为洒氢键。途它存在氧于水以乳及许多些含氢化魂合物中白，如H2Se、乙醇、DNA。当氢原子旺处于如氧堆、氟和氮巧等两个原候子之间时往，由于氧热、氟和氮还等原子中梨有多余的段没参与成刷键的电子勺对，这时剩就会形成简氢键。当鸦氢原子被屈这些原子散中的电子机所吸引时违，原来的什价键被削绝弱。当一忍个水分子赖中氢原子钢被另一个谁水分子的相氧原子的团电子吸引残时，就形庸成了氢键识，并且这塌第二个水自分子还会投和其它的融水分子形翠成氢键。如上所述杆，化合物赛中的分子还和元素中研的原子都蛛会在相态创中反映出抚来。物质脾存在三种隆基本相态喉：气态、第液态和固炸态，有时查也会以混此合态的形状式存在。货纳米技术单涉及到的逃物质大部像分是固态课，因为在辫固态中分效子和原子凯相对比较塑固定，也跃容易观察聚。在固相颈中，离子塞或原子有秋序排列就任形成晶体过。无序排命列时称作酱无定形，掉即是非晶调态。前面奔提到的价菊键对物质亏相态有很决重要的影铅响。当成恭键很强时直，比如离扑子键，物振质在相对堵较高的温借度下仍能雅以固态的担形式存在雄。当分子轧之间仅存朋在色散力帖时，物质诊仅能在低鹅温下保持肤固态。随给温度升高监，分子间袄引力被破要坏，弱的俯键首先被络打开。假胶设没有氢香键存在，菊水在室温求下也会变午成气态。在物质的衰形态中，项也会存在缎其它的变尘化形式。鼠在晶体中行存在三维腰点阵，并呼且分子取欣向一致。营然而，在选液体中也息可能会存散在相同的机分子取向顾，它们称惑作液晶。砍在液晶中刚，分子有溉序地形成优点阵，但土仍能流动拔，呈液体狐形态。物质在不忆同的相态拜下其电子览的运动规滤律有所不世同。当物联质处于气霉态时，原教子和分子订是相对孤心立的，因喜此每个分焰子或原子啊有相对独暮立的电子单特性。电张子可以在默不同的能霸级中围绕暖分子或原蚂子运动，许但它们不位能在原子滥间跃迁，乏除非它们屑被某种方植式激发。坛然而，当爱固体中的恼原子结合辽在一起时休，这种情侵况可能会听发生变化勿。在每个朗能级只能误有2个电旦子，这就彻需要许许储多多的能饺级和电子柏对与之相咳对应，这队时每个能鹿级都非常弱接近以至幼于重叠在狐一起，这士就表明电艳子分布在撒能带中，的而不是在攀非连续的研原子能级练上。1.6慰能量什么是炉温度？液它是热丧能的一疏种表现国形式。年然而，泉除了热材能之外鸽还存在糟许多其扑它形式饥的能量惠。物质是话宇宙的醉重要组想成部分廊，它具躁有质量甚，同时惊也具有箩能量。勒我们可旅以利用鸦能量转宝换因子尊，把不烈同种类摄的能量看表达为忆同一种俱形式。晌对于质殊量为m物质而脚言，能原量转换巩因子是廉光速的次平方。御我们可俗以利用队爱因斯皆坦方程E=思mc2计算物偶质的能屿量，其田中c是光速窄，m是物质首的质量耐。分子负形成过幕程中会亦聚集一漠定的能兼量，离姑子键的拢键能大甘约是4.210-20J，氢键的挤键能大牧约是3.310-20J，色散力电和极化排力大约饭是氢键磨键能的戚十分之森一。光也是一即种能量，继我们称之罗为电磁辐计射能。它勿既可以被捎描述为一榴种波，也索可以认为桌是由光子炭组成的物奏质。然而雪，光通常功被描述成澡波而非物鱼质。德国康物理学家渠普朗克首孕先创造性呢地提出了岭“量子”覆的观点，麻即电磁波周在同物质网相互作用枪时，所交判换的能量肌不是连续盘的，而只灶能一份一愚份地交换全。在湖面膝或者海面既上，风会务产生波浪包，它的波灾峰和波谷恼在水面上求传播。在桥垂直于风刷的方向上薪，随着波作峰的传播疫，水上下艰运动。两峰个波峰之枝间的距离痛称为波长药（λ），波也有刃振幅和姨频率。可以用吉底他弦来描茎述驻波。昆通过触动瓜琴弦上的颂某一点，娃就会产生说一定的声芳波，即声用音，因为枕琴弦的振常动结果取亲决于被触熟动点的位台置。在这浑种类型的垫波中，波障峰或者振经幅最大点阻被称为节菊点，它们醉的位置是般固定的。垫驻波是波晕峰和节点常都固定的哪波。当空气随居着吉他弦杂振动时，沟我们就能料听到反应妥振动波长独的音符。驶将手指弹早奏在不同非位置，就豆可以演奏隆很多的音奔符。举个侧例子来说肯，如果在偏拨弄琴弦赖的同时，兴按一定的搁时间间隔探拨动它的隙中点，将于会形成一批系列的波研长和音符军，我们必曾须在不连猴续的位置遵拨弄琴弦观，才能得秒到悦耳的彩声音。因穷为琴弦的担两端是固烦定的，因监此我们不斯能得到所枝有的波长寨，在这种待情况下，宾波长就是抵量子化的培。量子化的厕概念存在属于我们日承常生活中范。例如，脾我们在给霉汽车加油沿时，所加扫油的总价奴是83.捞568美锦分，你能殊按这个数捉值付钱吗撑？肯定不交能，因为猪我们货币充的最小单弦位是1美润分。钱不屡是量子化尽的，但是工在货币制诊度上，钱闭却是量子携化的，最酸小的量子抢就是价格熟最小的硬帜币。电磁波在肝太空中的壮传播速度裤是3×1驾08m/s，大约6亿7千万英郊里／小歉时。光鹿的性质圈决定于丙它的波归长λ和它在某猫一个方向掉上的频率胳。光的波盼长对应于恋我们所看丹到的颜色封，然而我霸们的眼睛啦只能检测狠到某一波命段的光，苦也就是可捞见光。除美了可见光辽之外，宇攻宙中还有观许多其它拉频率的电喊磁波，例跑如无线电芹波具有非仅常宽的频悉率，宇宙厉射线和γ射线却哨只有非罪常窄的答频率。图1.4给出了不抱同种类电讲磁波的波捐长。当频恭率非常高光时，电磁惨波变成连住续，这时朵它们不再绣波，而更截应归人连馆续的物质贱，能量最属好用质量吹来描述。师然而，一营些能量同就时具有波判和物质的渐特性，能孩量这一特袖性在纳米扒科技中具研有重要的肠作用。在变原子尺度居上，物质羡之间相互带作用，呈四现出物质采和波的两邪种特性。校德布罗依捆（DeB盼rogl邮ie）方程表理达了波近长λ和质量m之间的关澡系：λ=h/稀mv式中h是Pla露nck常数，v是质点谨运动速肝率。根躲据这个爸方程，缓可以发舅现低速攻运动的欢大质量赵粒子和柿一个快阶速运动狗的小质酸量粒子晶会具有逗相同的凉波长。电磁波口的其它均能量形题式也可蔑能具有汗波粒二吐相性。质在海中镰，水撞酬击你时跳的感觉祥是波浪滑在撞击柱。这里繁一个波资浪相当处于一个河能量包董。对于涉电磁辐惧射能，伙这个能孙量包称块为光子盾。当黄辛光照射巡寿你的时期侯，每详秒大约顿有1020个光子照配到你。电子是姜一种具饰有波粒乳二相性雷的特殊积的能量撤形式。甜当我们涨把原子剥中的电茎子激发遥到高能艰级，然料后观察跪原子的毁能量损安失，我辟们会发华现能量言的损失萍是不连雪续的，羊在原子态吸收能捧量时也纤存在同赚样的现脉象，这镰种现象扛也称之照为量子虹化。能援量是量愉子化的平，电子侄也是量核子化的给。当电沟子被描着述为波势时，则汇有特定惩的波长弯。在热力您学上，酸能量可炭以用焓伏和熵等丹自由能摄来描述烤。在十欧九世纪师中叶，拉人们发死现化学北反应会退吸收或降者放出弱热量。姐一些反桥应能自遍发进行奋，就像欣水能自歼发地从愈高处流慕向低处展。另外虾一些反馒应则需兰要能量即推动它阿们才能扭进行，估就像我誓们需要兆能量才股能将水踢输送到芳山顶。化学反迷应过程拦中有自哭由能的捉变化，局因为反鲁应过程枯有能量梯损失，青因此自贪由能ΔG带有负纱号。自冶由能ΔG的变化兴取决于延化学反盛应前后帝物质的交焓变ΔH。在低温垫下，分览子运动控缓慢且芦较为有淡序；在递高温下驰，热能仓导致平炼移、旋狭转和振划动，其敲运动状盾态更接仁近于自枝然的无帝序状态役。ΔG＝ΔH－TΔS（1.1）式中，ΔS表示反应熔前后物质盘熵（S）的变化，T表示温伸度。澳乒大利亚办物理学堡家玻尔温兹曼建换立了原吼子行为喉与S之间的关并系。虽然坟他毕生研偏究成果可赖信度不高搞，但是他逝却为我们丹留下了一际个以他的该名字命名怨的非常重貌要常数，歇即玻尔兹申曼常数。玻尔兹曼协提出了熵蜜（S）的概念扫，熵的筛大小反纯映了某透些过程梳自发进扫行的可答能性（遮用W表达）昆。S和W之间存阅在对数类关系：S=Kl似nW（1.2）式中：K是玻尔兹煤曼常数。从分子的瓶角度理解敬熵的概念镇，要比实翁验室反应阵过程容易廊的多。设文想我们研轻究某物体尿表面上的呈二十个分败子，该分苏子有两种楚不同的原强子构成，驼因为分子系内的二个性原子不同予，我们可殖以将其描省述为头和草尾。如果迈这些分子筒的排列方直向完全一器致，即所馒有分子的确头指向同抗一个方向才排成一列钥，这时W＝1，由（1.其2）计算斤出S＝0狗。当这二十央个分子被忧加热而获危得能量时晴，它们可喂以在所有图可能的方士向上取向卡，这时W＝220，因为k＝1.勾38×1壶0-23J.K-1，则S=1讲.38况10-23J.K-1×ln射220＝1.讲9×1陡0-22J.K-1。在受热生情况下躬，分子辅取向趋晴于混乱供，S值从0增委大到了1乌.9×1锋0-22J.K-1。从20辛个原子边来看，纠熵的增疗加很小概。但是稳对于大技量的原择子来说之，熵的番增加将烂是非常稀大的。蹈对于实啊验室中夺的一小此撮粉末属（大约蹈1021个原子）享来说，熵导的增加量烦已经相当涂大了。从骆第八章中格我们可以葵看到，分仆子取向的夫计算对量润子计算和彼纳米计算榜机都是十呜分重要的胶，并且玻到尔兹曼常救数非常关须键和重要氧。1.7分子和妈原子尺必寸前文我测们已经挎指出纳协米技术驰是在纳叙米尺度喊上工作记，而纳圾米相当陈于几个鬼原子排室列在一做起的长域度。然寇而，单液个原子课的尺寸昌并不是费一个简翻单的问页题，因之为原子仗内部大塘部分是日空的。作原子核板就好像敢是足球弦运动场啄中的一坟个足球拨，电子高在该足幕球场中玻运动。鹿原子是览没有刚获性的球明形界面迅，它可愧以被设讨想成一骄个带有辽正电荷吧的实心扎的原子境核，被纳一层带由有负电歼的电子民云所包璃围。而泄且，电煮子云通厕常会表钞现出波喷粒二相额性，电屋子也不絮是围绕纸原子核蝴做固定寸的圆周绝运动，讽因此我吧们认为亭原子尺赌寸就是例原子核谊外的电胖子绕原勇子核运垫行所占虫据的空坊间。当雄原子失逆去电子穷变成离毁子后，峡其尺寸沸会有很木大的变喊化。这建不仅仅虫是因为犬原子将占失去原扛来电子计所占有未的空间巧，而且黎会由于专原子核撇对其它欠电子的倾引力增责大而导切致原子傍尺寸收凯缩。尽管原子渗的绝对大态小难于确袋定，但在当纳米技术棍中我们仍悄需要了解杠原子的相枕对尺寸。基图1.5列出了各滚种原子的旁相对尺寸抵大小。在补不同的环歌境下和不健同的化学壶键中，原扔子尺寸会靠存在很大抹的差异，希因此我们龄必须针对傍某些情况预做出一些各定义。我猪们可以非右常精确地旺测定原子爹之间和离坟子之间的牢距离，因沈此把该距侦离作为原丽子或离子票半径的量颗度。原子瓶半径可以朵定义为相况邻两个相随同原子核然间距离的疮一半，原惑子半径的波大小取决宵于原子间将的化学键射（金属键勒、离子键救或共价键泳）。当相崇邻原子的落种类不同秘时，例如NaCl，我们把两泼原子间距秀离的一部躲分作为一硬个原子半叙径，而剩顿下的部分散作为另一晃个原子的但半径。图1.5不同原传子的相浆对大小金属钠采中钠原仗子半径社大于NaCl化合物中度的钠原子问半径。在NaCl中，每葛个钠原废子都失墨去了一粉个电子坑，变成肆了带正狠电的钠臂离子；裕每一个粒氯原子结都得到简了一个匙电子，撒变成带窄负电的才氯离子挪，氯离刻子的半防径约是买氯原子糕半径的必两倍。辈氯气分俗子中两胡个原子仰之间的辰化学键椅和金刚防石中碳饿原子之客间的化参学键都踢是共价僚键，原蜡子半径底就是共舰价键半波径。同带样我们姓也可以演得到范浑德华半灭径，也逐就是范远德华力眯作用范快围的半茶径，范们德华半撞径在米害技术是轻非常重青要的。1.8纯表面和三梢维空间空间是宇闹宙的一个钱非常重要迈的特征，疑没有空间扇宇宙就不挥再存在。蔑如果宇宙月是一维的提，它将会叶是一条线籍或者无穷捆细小的点西；如果它偶是二维的脑，则所有浸的物体都意会是一个息平面或者楚是无穷薄蹲的物体；忙只有在三竞维空间中蜂，我们才蛋可以观察晚到象一个批球、一个逮盒子或一蛾个人等物元体。当然背，四维空驼间也是可丘能存在的摄。想象四凶维空间的反最好的方糖法，是想毙想我们是戴怎样将三颗维物体描经绘在纸这醋样一个二延维平面上读的。例如答，我们可屠以通过透吗视作图法哗，在纸上丛表示一个召方块。我愤们可以通衣过增加用潜以表达第纪三维的辅餐助线条，捞从而画出昌一个盒子途。如果要客在纸上画趟出甲烷分清子，那么门就需要把僵其中一个像键表现在头纸平面的佛前方，而盯另一个键孟就出现在烛纸平面的途后方。在迹三维空间堡里表达四笛维物体时浴，我们需涌要构筑一井个三维结俱