纳米科技概论(1)20140226(总论)

1、纳米科学技术概论,主讲教师：杨 辉，郭兴忠,杨辉教授，博士生导师 浙江加州国际纳米技术研究院常务副院长； 浙江省科技厅新材料专项专家组组长； 浙江省特级专家； 全国优秀科技工作者； 研究方向： 纳米材料制备、改性及产业化应用； 电子陶瓷材料及其器件； 特种功能玻璃及陶瓷 绿色建材,任课教师介绍,郭兴忠博士，副教授，硕士生导师； 中国硅酸盐学会溶胶凝胶分会常务理事、秘书长 杭州市硅酸盐学会副理事长兼秘书长 研究方向： 溶胶-凝胶 多孔材料 先进陶瓷材料 联系方式： TEL，87953313(Office) Email:msewj01,任课教师介绍,课程大纲与要求,大纲内

2、容 纳米科技总论与基础（物理、化学）， 纳米材料制备与表征， 纳米机械学/纳米生物学/纳米电子学， 纳米科技其他应用与进展,课程学习要求 学习的主动性 教师：启发和引导 同学：积极思考和讨论 课堂发言和讨论 课堂提问与发言 不限次数 分组讨论（1-2次） 课堂作业（5次） 课后作业（3次）,教学考核,教学考核： 传统考核（基本模式，兼顾） 经考试评定掌握知识程度 培养研究能力（强调） 学习兴趣与主动性、提问发言 运用知识解决问题的思路 考核指标 1）期末考试卷面成绩 2）平时成绩：课堂出席率、作业与报告、课堂提问和发言、课后讨论与交流等。,科学研究素质与能力的提高：研究型大学的学生培养重要目标

3、（分析问题，解决问题）,教学内容与进度,总 论,纳米科技是20世纪80年代发展起来的交叉、前沿的新兴学科，对未来的科技、经济和社会发展产生重大影响。,一、纳米科技的概念与发展历程 二、纳米科技的研究意义和基本内涵 三、纳米科技的体系范畴 四、纳米科技的国际竞争及发展态势 五、我国纳米科技发展纲要 六、纳米热潮中的问题与思考 七、当前国际纳米科技发展趋势,一、纳米科技的概念与发展历程（1）,科学技术的发展与加工尺度的关系,科学技术发展简述,纳米的概念 纳米是长度单位。 1纳米(nm)=10-3微米(m)= 10-6毫米(mm)= 10-9米 纳米尺度：1-100nm,一、纳米科技的概念与发展历程

4、（2）,不同组织结构的相对尺度大小,纳米的概念： 纳米尺度：1-100nm,一、纳米科技的概念与发展历程（3）,纳米尺度的大小与常见球形物质的比较,纳米的概念： 纳米尺度：1-100nm,一、纳米科技的概念与发展历程（4）,纳米科技的概念： 是指在纳米尺度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与技术。 是指在分子水平上，通过操纵原子来控制物质的结构，利用单个原子组建分子系统，制备不同类型的纳米器件（1990年， MIT的Drexler博士）,一、纳米科技的概念与发展历程（5）,纳米科技的发展历程,一、纳米科技的概念与发展历程（6）,纳米科技发展的里程碑节点,纳米科技的概

5、念提出、形成与发展 1959年，著名的物理学家，诺贝尔奖得主Richard Feynman在美国物理学年会上，作了题为“Theres plenty of room at the bottom”的报告，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”。这个演讲已经被看作是纳米科技概念的起源。 1962年，久保（Kubo）等人提出了超微粒子的量子限域理论，推动了实验物理学家向纳米尺度微粒进行探索。 1963年，Uyeda等利用气相冷凝技术，在高纯惰性气体中，通过金属的蒸发-冷凝过程，制备了金属的超微颗粒。 1974年，Taniguchi等将

6、纳米科技应用于精细机械加工过程。 1981年，IBM公司苏黎世实验室的Binning和Rohrer利用扫描隧道显微镜，（Scanning Tunneling Microscopy, STM）实现人类首次在常温大气条件下观测到了原子，为纳米科技的发展奠定了基础。,一、纳米科技的概念与发展历程（7）,纳米科技的概念提出、形成与发展 1984年，Gleiter等人首次采用惰性气体的蒸发-冷凝法制备了具有清洁表面的纳米金属粉末，并原位加压制备了纳米固体。 1985年，诺贝尔奖获得者Kroto等采用激光加热石墨，蒸发并在甲苯溶液中形成C60，在全世界掀起了C60的研究热潮。 同年，利哈廖夫等人提出通过控

7、制单个电子进入或者离开所谓的库仑岛，实现一定规模的电路才能实现的功能，这是单电子器件的基础。 1986年，MIT的Drexler博士在“创造的动力-纳米时代的来临”一书中，对Feynman提出的纳米科技概念进行了拓展。1990年，他提出“纳米科技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”。,一、纳米科技的概念与发展历程（8）,纳米科技的概念提出、形成与发展 1990年，IBM研究中心用扫描隧道显微镜（STM）逐个搬动35个氙原子排列成IBM字样。这是当时世界上最小的原子商标，它表明人类不仅可以采用STM观测和测量物质表

8、面的原子和分子结构，而且还可以根据人们的意志加工制造出最小的人工结构。,一、纳米科技的概念与发展历程（9）,纳米科技的概念提出、形成与发展 1990年，在美国巴尔的摩召开了国际上首届纳米科学技术会议，对纳米科技的前沿领域进行了探讨和展望，正式提出了纳米材料学，纳米生物学，纳米电子学和纳米机械学的概念；并决定正式出版“Nanostructure Materials”, “Nanobiology”, “Nanotechnology”等正式的学术刊物。标志着纳米科技的这门新兴学科的正式形成，纳米科技等概念也开始被广泛应用。 1991年 碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是铁的

9、10倍，成为纳米技术研究的热点。 1993年，我国中科院操纵原子写字。,一、纳米科技的概念与发展历程（10）,纳米科技的概念提出、形成与发展 1994年，美国材料研究学会（MRS）在波士顿的秋季会议上提出了“纳米材料工程”，是指在纳米材料研究的基础上，通过纳米合成、纳米添加等方法发展新材料，并可能通过纳米添加对传统材料进行改性，扩大纳米材料的应用范围，标志着纳米科技的发展形成了基础研究和应用开发 并重的新局面。 1997年 ，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。 1999年 ，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实

10、验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。 2000年1月21日，美国前总统克林顿在CIT宣布纳米科技的国家计划（NNI），世界各主要国家也都将纳米科技纳入国家发展规划，纳米科技列入国家层面的战略规划，进入了一个新的发展时期。,一、纳米科技的概念与发展历程（11）,纳米科技的概念提出、形成与发展 2001年，群雄并起，各国相继针对该国产业现况，纷纷提出纳米科技发展计划。 美国政府向国会提出国家型纳米科技推动与落实计划书 日本成立“纳米材料研究所”（Tsukuba）

11、欧盟成立“纳米电子技术联盟”（IMEC） 德国成立六个纳米技术卓越群 中国（北京）成立纳米国家科研中心 台湾工业技术研究院亦于2002年一月，成立纳米科技研发中心,一、纳米科技的概念与发展历程（12）,1、纳米科技的研究意义 促使人类认知的革命，同时将引发新的工业革命，对我国的社会、经济以及国家安全产生重大影响，纳米科技将重塑未来。（中科院白春礼院士） 从纳米科技的起源分析：纳米尺度介与宏观和微观之间，属于介观尺度更接近微观的范围。这是目前为止，人类非常陌生的领域，有大量的新现象、新规律有待发现，是新技术的源头，充满了原始创新的机会。 从纳米科技的理论分析：虽然依托基本的物理与化学理论，但是纳

12、米科技已经不能归附与任何一门传统的学科领域，纳米科技自身需要在发展中创立新的理论。,二、纳米科技的研究意义和基本内涵（1）,1、纳米科技的研究意义 纳米科技对产业的影响：在日益紧张的资源、能源约束下，人类生存和发展依赖于可持续发展战略，纳米科技因其在推动产品高性能、微型化、环境友好、节约能源与资源、促进生态环境改善等方面起着关键的作用，而具有重大的社会和经济价值与意义。可能会引导新的工业革命。仅对产业的影响来说： 对信息产业的影响： 纳米器件将代替微电子器件，计算能力提高千万倍能耗却可降低两个数量级，芯片的设计需要符合纳米物理学的理论，新的器件集成技术和方法，新的生产线，新的产品检测方法、手段

13、和标准； 纳米光电子学可使通讯带宽增加千倍以上；量子存储器的信息存贮量可提高千万倍。 对生命科学的影响：纳米生物学的出现将使生命科学获得突破，如生物计算机的研究和应用，早期疾病诊断与医疗、健康护理等。 对传统产业的影响：因纳米材料和技术的应用，建材、涂料、染料、纺织等传统产品性能提高，市场拓展，传统产业焕发青春。,二、纳米科技的研究意义和基本内涵（2）,1、纳米科技的研究意义 纳米科技对知识经济的影响：21世纪是知识经济时代，纳米科技对信息科学、生命科学有巨大的推动作用，发达国家高度重视、将相关技术列为国家机密和商业机密进行高度保密。 我国在纳米科技方面的水平：在某些领域我国具有较高的水平。在

14、纳米科技发展水平上，因其是崭新的学科，传统学科和技术的影响相对较小，在某些领域我国的水平不低，为我国相关技术和产业的跨越式发展提供了可能。,二、纳米科技的研究意义和基本内涵（3）,二、纳米科技的研究意义和基本内涵（4）,2、纳米科技的基本内涵 纳米科技（Nano Science and Technology）是20世纪80年代末、90年代初逐步发展起来的前沿性、交叉性的新兴学科，它是在纳米尺度（1-100纳米）上研究物质（包括原子和分子的操纵）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和技术。 纳米科技是研究纳米尺度的物质和体系的现象、规律及其相互作用，以及在工程技术应用中存在的技术

15、问题。换句话说，是指在纳米尺度认识自然界，发现新现象和新知识；利用新技术通过直接操作和安排原子、分子来创造新物质为人类所用。,三、纳米科技的体系范畴（1）,1、纳米材料物理学 2、纳米材料化学 3、纳米材料学 4、纳米测量学 5、纳米电子学 6、纳米机械学 7、纳米生物医学,三、纳米科技的体系范畴（2）,1、纳米材料物理学 纳米材料体系：纳米科技的材料基础 零维（纳米微粒、团簇）、一维（纳米丝、纳米线、纳米棒、纳米带、纳米电缆等）、二维（纳米薄膜）或三维（纳米粒子组成的块体）尺度上保持了纳米尺度特征的材料体系。 纳米效应 量子限域效应 小尺寸效应 表面效应 宏观量子隧道效应 纳米材料物理学的任

16、务： 从物质及其相互作用角度，揭示这些新奇特纳米效应或现象的物理学起因及本质规律。,碳纳米材料,2、纳米发电机-氧化锌纳米线弯曲：压电效应作用,Spontaneous Polarization-Induced Nanohelixes, Nanosprings, and Nanorings of Piezoelectr, Nano. Lett. 2003, 3(12),1625-1631,三、纳米科技的体系范畴（3）,2、纳米材料化学 研究纳米材料/体系合成的理论 以纳米材料（如零维的纳米微粒、团簇，一维的纳米线、纳米棒等）的合成、表征及其化学性质为主要研究对象。 研究的重点领域举例： 不发生团

17、聚的纳米产品制备技术 改善纳米材料与其他物质相容性的技术 超大分子合成和自组装技术 纳米材料的催化特性等,三、纳米科技的体系范畴（4）,3、纳米材料学 纳米材料是纳米科技发展的重要基础和支撑。 主要研究内容： 纳米材料的制备与改性 纳米材料的特性与表征 纳米材料的应用与评价 纳米材料常用术语 材料指标：力学（硬度、强度、韧性）、磁学、电学、谱学等 材料举例：纳米陶瓷、纳米塑料、纳米润滑材料、纳米磁性液体、纳米巨磁材料、纳米药物、纳米/量子器件与结构等,三、纳米科技的体系范畴（5）,4、纳米测量学（纳米表征学） 定义：描述纳米结构、纳米尺度物质的组成、性质、性能、结构特征及其相互关系的测量技术。

18、通常将组分的测定、性质性能的检测和结构的确认通称为纳米测量/表征。 重要性：为了在纳米尺度上研究材料和器件的结构与性能，发现新现象，发展新方法，创造新技术，必须建立纳米尺度的检测与表征手段。 主要测量手段举例： 扫描隧道显微镜（STM），1982年Binning he Roherer发现，1986年获得诺贝尔物理学奖。 原子力显微镜（AFM），磁力显微镜，电容扫描显微镜，近场光学显微镜，透射电子显微镜，光谱等,三、纳米科技的体系范畴（6）,5、纳米电子学：研究纳米尺度的电子器件和理论及其制备技术。 研究背景 传统微电子学与器件的基础理论：即半导体P-N结理论在亚微米以下就失效了， 当电子器件的

19、尺寸小到纳米数量级，电子的波动性及其相关效应将起主导作用。 纳米电子器件的设计指导思想（基础效应）： 量子相干效应 A-B效应（弹性散射不破坏电子相干性） 普适电导涨落 库仑阻塞效应,三、纳米科技的体系范畴（7）,5、纳米电子学： 目前的研究重点： 线宽为20-50纳米的集成电路 量子器件和分子计算单元：单电子器件、自旋电子器件、分子电子器件、共振隧道器件等： 纳米硅微波二极管及变容二极管 高速、高密度、超大容量存储器 器件开发指标（美国国防高级研究计划署提出） “双十二”的指标：运算速度1012次/S，存储量1012位（非常高的指标！） 即将给电子工业带来一场革命！ 部分研究进展 单有机分子

20、量子结构，1mm2面积集中十亿个分子(集成度提高万倍!) 可容纳单电子的微结构器件 两个原子构成的隧道二极管，Xe原子开关（开关速度为0.05纳秒!）,三、纳米科技的体系范畴（8）,6、纳米机械学： 定义：集纳米技术、微电子技术、机械制造技术为一体，以制作纳米机械装置（又称微型机械或微机电系统）为目的的学科。尽管处于起始状态，但是前景诱人。 微机电系统（MEMS，欧洲称为Microsystem,日本称为Micromachine）不是传统机械的比例缩小。 MEMS系统构建的基础理论 小尺寸效应 表面力作用 传统机械的彻体力成为次要因素,三、纳米科技的体系范畴（9）,6、纳米机械学：,MEMS与外

21、界的相互作用示意图,三、纳米科技的体系范畴（10）,7、纳米生物医学 发展背景：随着纳米科技在医学领域的应用，出现了治愈疾病用纳米药物、修复组织器官与替换用的纳米生物材料，疾病检查与检测用的纳米诊断技术，催生了纳米生物医学的出现与发展。 纳米医学：借助纳米科技开展疾病预防、诊断、治疗以及康复等许多医（药）学研究和应用的学科。广义地讲，是指在分子水平上的疾病预防、诊断、治疗、卫生保健等的医学技术。 纳米生物学：研究在纳米尺度上的生物结构与生物反应机理的学科，其中包括复制、修复和调控等许多方面的生物过程。 纳米生物医学：随着纳米科技的渗透和发展，纳米医学与纳米生物学存在越来越大的共同区，两者合称为

22、纳米生物医学(Nano biomedicine)，或者生物医学纳米技术(Biomedical nanotechnology),三、纳米科技的体系范畴（11）,四、纳米科技的国际竞争与发展态势（1）,1、序言 2、美国纳米科技的发展态势 3、日本纳米科技的发展态势 4、德、法等欧洲国家的纳米科技 5、澳大利亚、加拿大、韩国及发展中国家 6、短时间内可能实用化的纳米技术,四、纳米科技的国际竞争与发展态势（2）,1、序言（机遇、挑战、发展战略） 机遇： 21世纪是各国挑战纳米科学与技术的世纪。 目前纳米科学技术整体发展水平与20世纪50年代的计算机发展水平相当，但是各国的重视程度远大于当时对计算机重

23、视的程度。 一个形象的比喻：“20世纪重视微米技术的国家现在都成了发达国家，现在重视纳米技术的国家很可能成为新世纪的先进国家”,四、纳米科技的国际竞争与发展态势（3）,1、序言 挑战 人类历史上的任何科学发现，都没有像纳米科学技术这样受到各国政府的重视：几乎在同时，世界上各主要经济大国推出了国家级的纳米科学技术的战略规划，这在历史上是绝无仅有的。 各国的共识：加速纳米科技技术从科学实验向产业化转移，借此推动国民生产和社会发展，保障国家安全和造福人民。 各国的差异：各国情况不同，规划各有侧重。,四、纳米科技的国际竞争与发展态势（4）,1、序言 发展战略 以未来的经济振兴和国家实力的需求为目标，牵

24、引纳米科学技术的基础研究、应用开发研究。 组织多学科的科技人员交叉研究和创新，重视技术集成。 重视发展纳米新技术，改造传统产业和产品，提高高技术含量， 部署纳米材料和纳米技术在环境、能源和信息等重要领域的应用，实现跨越式的发展。 加强纳米尺度表征和检测技术，避免对纳米科学技术的一些认识误区，杜绝炒作，防止伪纳米产品的乘虚而入。 我国应加强在纳米器件的基础研究和产业化上的宣传、投入和政策扶持。防止重蹈在微米/半导体技术上的旧路。,四、纳米科技的国际竞争与发展态势（5）,2、美国纳米科技的发展态势 纳米科技发展历史上的标志性成果，美国做出了主要贡献，也牢牢地占据了这一领域的领先地位。 有关纳米研究

25、计划 国家层面：1991年4月就将纳米技术列入“国家关键技术”，2001年1月21日宣布了“纳米技术倡议”（NNI），涉及了国家科学基金会，国防部，商务部等12个部门。NNI重点：围绕支持纳米科学和技术基础研究、杰出研究中心或网络建设、新研究基础设施的建设等，具有“开放性、共享性和灵活性” 。 NSF：范围非常广泛的基础研究 国防部：纳米科学，生物模仿，功能材料等 商务部：纳米结构材料和纳米器件,四、纳米科技的国际竞争与发展态势（6）,2、美国纳米科技的发展态势 有关纳米研究计划 公司层面：许多大型跨国公司、财团和小企业（杜邦、惠普，郎讯科技、德州仪器等）组建了从事应用基础或应用研究的设施与团

26、体。经费与美国政府资助额相当。 国内发展计划为主，国际合作计划为辅助 完善发展措施 加强组织和管理；短期（5年）、中期（6-10年）和长期（10年以上）目标相结合；资助的长期和连续性； 支持跨学科的交叉研究；鼓励国内外的工业合作； 大力研制新仪器和设备；建立评估体系。 优势：纳米合成、化学品和纳米生物技术,四、纳米科技的国际竞争与发展态势（7）,3、日本纳米科技的发展态势 仅次于美国的纳米科技领先国家 有关纳米研究计划 国家层面：20世纪80年代开始，科学技术厅一直在积极推动各种纳米科技相关的计划 公司层面：非常重视纳米技术的应用和产品开发，企业投入是国家的3-4倍，技术世界领先 改革体制，促

27、进纳米科技的发展 在科学研究领域取消论资排辈的做法，引入竞争机制和协调机制； 政府取消对任何事情的微观管理； 国立大学法人化，激励承接来自工业界的研究合同，自己决定资金分配。 优势：纳米器件、纳米结构材料,四、纳米科技的国际竞争与发展态势（8）,4、德、法等欧洲国家纳米科技的发展态势 欧盟设立了纳米科技研究计划 第六框架协议（2002-2006年，共设7大领域）专设“纳米科学技术”领域 其它6大领域也包括了大量与纳米技术有关的研究项目 优势：纳米粉末、纳米涂层和新型仪器 德国、法国还有关纳米研究计划 德国： 政府极为重视，作为重点发展的研究领域 建立了6大纳米研究中心，目的是使德国的纳米科学技

28、术迅速处于国际领先水平，促使成果尽快产业化。 优势：微器件研究及商业化,四、纳米科技的国际竞争与发展态势（9）,5、澳大利亚、加拿大、韩国及发展中国家 澳大利亚：2000年建立“量子计算机技术中心”，研究原子层面上固体硅基量子计算机方面的基础物理学和量子计算机制造技术，同时建立纳米材料中心 加拿大：成立国家纳米技术研究所，从事纳米技术在卫生、能源和计算机技术等方面的应用研究 韩国：建立“智能微系统中心”，开发电子技术、机械工程、材料和光学等技术集成的智能微系统，新建“国家纳米制造研究中心”和“信息技术与纳米技术融合中心” 发展中国家：印度、南非、墨西哥、菲律宾、智利、阿根廷等国家都启动了纳米科

29、技的创新研究计算,四、纳米科技的国际竞争与发展态势（10）,6、短时间内可能实用化的纳米技术（自学） P. 10 表1-3 P. 11 表1-4,五、我国纳米科技发展纲要（1）,1、机遇和挑战 2、指导思想和原则 3、目标和任务 4、政策和措施,“国家纳米科技发展纲要（2001-2010年）”是由科技部、国家发展与改革委员会、教育部、中科院、国家自然科学基金委员会联合下发的。“纲要”明确指出纳米科技将对未来科技、经济和社会发展产生重大影响。已经成为国际竟相争夺的科技战略制高点。,五、我国纳米科技发展纲要（2）,1、机遇和挑战 纳米科技将对人类的生产和生活方式产生重大影响，促进传统产业的改造和升

30、级，并可能带动下一次工业革命，成为21世纪经济新的增长点之一。 纳米科技的兴起，对我国提出了严峻的挑战，也为我国实现跨越式发展提供了难得的机遇。 部分领域与国际水平相近，但是整体研究和产业化水平差距不小，问题不少，希望很大。 2、指导思想和原则 指导思想：“有所为，有所不为，总体跟进，重点突破” 基本原则：国家目标与市场需求相结合；多学科交叉；注重知识产权，促进基础研究、技术发展和产业应用的有机结合；科技创新与体制创新相结合。,五、我国纳米科技发展纲要（3）,3、目标和任务 “十五”期间目标：在基础研究，技术开发和应用，人才队伍三方面取得成就。 总体目标：建设创新基地；建设研发体系；突破创新能力；培育产业和实现经济跨越式发展。 主要任务： 加强纳米科技前沿的基础研究和基础性工作 突破一批纳米科技发展共性关键技术 开拓纳米材料和器件的应用，培育相关产业 建设国家纳米科技基础设施和研究开发基地 形成高素质的纳米科技骨干队伍 4、政策和措施,六、纳米热潮中的问题和思考（1）,1、纳米科技的“恶炒”和“庸俗商业化” 纳米科技变“唐僧肉”，盲目崇拜和利用； 纳米科技变“万金油”，过分夸大和宣传； 前面一段时期，这些问题导致了市场和消费者对纳米科技和产品没有信心，所谓“鱼目混珠”，打击了真正做纳米科技研究和产业化的科技队伍积极性。 2、