《纳米科技之意义》PPT课件.ppt

1、第三章是国内外纳米技术的研究进展。1.掌握介观场、纳米技术、纳米材料、纳米器件、量子器件、莲花效应、纳米组装系统、自上而下、自下而上的基本概念。2.纳米材料与传统材料的区别。3.纳米技术的分类。4.纳米技术的前沿趋势。困难内容：纳米技术前沿动态的一部分。熟悉：内容，了解纳米科技的发展历史。理解发展纳米技术的重要性。中国纳米技术的研究现状和成就。主要英文单词：细观结构、宏观结构、纳米结构、纳米技术；纳米材料，纳米结构，纳米器件，自上而下，自下而上。3.3发展纳米技术的意义。费曼：1959年，著名理论物理学家、诺贝尔奖获得者费曼预言：“毫无疑问，当我们能够操纵纳米尺度的东西时，它将极大地扩展我们所

2、能获得的物理性质的范围。”。人们还设想“如果有一天人们可以在针尖大小的空间里储存百科全书并移动原子，这会给科学带来什么？”这是纳米技术的预言，一个小世界。1965年诺贝尔量子动力学奖。IBM首席科学家阿姆斯特朗(Armstrong)预测：“我们相信，纳米技术将在信息时代的下一阶段占据核心地位，并发挥革命性的作用，就像微米技术自20世纪70年代初以来所发挥的作用一样。”克林顿：纳米技术可能是下个世纪头二十年最重要的技术。钱学森预言：“纳米和亚纳米结构是下一阶段科学技术发展的一个关键点，将是一场技术革命，它将导致21世纪的又一场工业革命。”1993年，因发明扫描隧道显微镜而获得诺贝尔物理学奖的科学

3、家海罗赖尔说，微米技术曾经被认为与使用牛耕地的农民无关。的确，美光与牛无关，但它改变了耕作方法，带来了拖拉机。1993年，罗勒博士给江泽民总统写了一封信。他写道：“我确信纳米技术具有150年前微米技术所拥有的希望和意义。”150年前，微米成为新的精密标准，并成为工业革命的技术基础。最早和最好的国家学习和使用微米技术在工业发展中占据了巨大优势。同样，未来的技术将属于那些明智地接受纳米技术作为新标准并首先学习和使用它的国家。”这些预测指出了纳米系统的位置和功能。纳米技术的应用和前景纳米技术的重要进展表现在以下几个方面：1 .原子的直接操纵：日本科学家已经成功地将硅原子堆积成一个“金字塔”，并首次实

4、现了原子的三维重新定位。1991年，IBM科学家制造了一个超快氙原子开关。可以将国会图书馆的所有书籍存储在直径为0.3厘米的硅片上。纳米蚀刻：目前，微电子技术中最精细的尺度是微米的一小部分，即激光束阵列。如果重新定位的原子的位置以电路的方式重新定位，扫描隧道显微镜可以用于纳米尺度的蚀刻。中国已经能用扫描隧道显微镜雕刻出10纳米的细线。首先，可以制备高密度存储器。日本电气公司开发了一种高密度记录技术，可以在邮票大小的基底上记录400万页报纸的内容。第二，三维纳米量子器件可以通过分子束外延来制造。随着新材料的出现，传统陶瓷材料质地易碎，韧性和强度差，应用受到限制。纳米陶瓷可以克服陶瓷材料的脆性，并

5、具有与金属一样的柔韧性和可加工性(会吗？理想)。纳米陶瓷是指微观结构中具有纳米级相的陶瓷材料。也就是说，晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等。都在纳米量级。制备纳米陶瓷需要解决的关键问题是：粉体粒度、形貌和粒度分布的控制，团聚体的控制和分散，块体形貌、缺陷、粗糙度和成分的控制。Gleiter指出，如果多晶陶瓷由几个纳米大小的颗粒组成，那么它们在低温下会变得具有延展性，并且会发生100%的延展变形。发现纳米二氧化钛陶瓷材料在室温下具有优异的韧性，在180下可以弯曲而不开裂。许多专家认为，如果能解决单相纳米陶瓷烧结过程中抑制晶粒长大的技术难题，从而将纳米陶瓷的晶粒尺寸控制在50纳米以下，将具

6、有传统陶瓷无法比拟的高硬度、高韧性、低温超塑性和易加工等优点。英国著名科学家莱恩卡恩在自然杂志上写道：“纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的一种战略性方法。”纳米陶瓷的应用：不易碎陶瓷、防弹玻璃。设计新型复合碳纳米管/聚合物复合材料-高强度材料，模拟生物功能，设计新型材料鲍鱼壳、鲍鱼壳、牙本质和肌腱，当大部分材料向一个方向拉伸时，它们会向另一个方向变薄变窄，如橡皮筋。它可以用泊松比(横向收缩率与实际伸长率之比)来定量描述。2008年4月，美国的Baughman等人用古老的造纸方法将纤维浆干燥，制成纳米管薄层。实验浆料是单壁碳管和多壁碳管的混合物。科学，第320卷，第504页，碳纳米管薄层(也称为巴克纸)在

7、均匀压缩时可以同时增加长度和宽度。随着薄层中多壁碳管的增加，薄层的泊松比将从0.06突然跃至-0.20，即该材料具有负泊松比。新的研究成果具有重要的应用价值，如设计碳纳米薄层复合材料、制造人工肌肉、垫片、压力传感器和化学传感器等。碳纳米管薄膜基人工肌肉驱动器，寂寞时抱枕。2008年3月，哈佛大学麻省理工学院的罗伯特兰格和杰弗里卡普开发了一种弹性可生物降解胶带。受壁虎脚的启发，这种粘合剂也是由纳米级圆柱体和化学胶水制成的，这是第一种具有良好粘合强度和动物安全性的粘合剂。这种橡皮膏是由一种可生物降解的弹性体制成的，它能嵌入药物。为了制造这种胶带，将液态聚合物注入具有200纳米-500纳米宽凹孔的微

8、硅模具中，然后用生物相容的葡聚糖胶旋涂模制的硬化聚合物。当使用粘合剂时，毛细管力将组织拉入圆柱体之间的空间，圆柱体具有一些弱的电荷吸引力，因此葡聚糖胶粘附到组织蛋白上。这种粘性贴片可以代替手术缝合线和缝钉，也可以制成药物控释贴片，直接放置在包括心脏在内的器官上。纳米技术在微电子学中的应用纳米电子学是基于纳米粒子的量子效应来设计和制备纳米量子器件。它包括纳米有序(无序)阵列体系、纳米粒子和微孔固体组装体系、纳米超结构组装体系。纳米电子学的最终目标是进一步减少集成电路，开发出各种由单个原子或分子组成的可在室温下使用的器件。威斯康星大学的马克斯拉格尔和其他人已经制造出可以容纳单个电子的量子点，并且数

9、十亿个这样的量子点可以容纳在一个针尖上。量子点可以用来制造小尺寸、低能耗的单电子器件。此外，如果数十亿个量子点可以连接起来，并且每个量子点在大脑中起到神经细胞的作用，如果与微机电系统方法相结合，将会给智能微型计算机的发展带来希望。量子点发光二极管：小于10纳米；不同的颜色；电或光激发、量子点太阳能电池、量子点医学应用-癌症治疗：美国普林斯顿的NEC研究所和莱斯顿大学的科学家发现，纳米管的强度比钢高100倍，重量只有钢的1/6，纳米管非常薄，5万个纳米管只有头发那么厚，轻、软、强如防弹背心。它是一种导电率远远超过铜的理想导体，是制作最佳超微导线和超微开关的新材料的首选。纳米管最终可以用于纳米电子

10、电路。英特尔将碳纳米管技术用于未来的芯片设计。2006年，芯片制造商英特尔在半导体芯片中使用碳纳米管代替铜导线。芯片连接已经成为半导体制造商的头痛问题。根据摩尔定律，芯片制造商每两年收缩一次半导体芯片内部的元件。然而，减少布线将增加电阻并降低芯片的性能。20世纪90年代，连接从铝线改为铜线，从而绕过了这个问题。不幸的是，随着芯片尺寸的减小，这种电阻问题将成为英特尔等芯片制造商的一个大问题。碳纳米管比金属具有更好的导电性，可能是替代金属布线的一种解决方案。2008年2月1日，亚利桑那州立大学的大卫费里(David K. Ferry)提出了通过纳米线连接电路来构建3D堆叠芯片的想法，这将大大提高计

11、算机的运行速度。在航空航天工业中，用碳纳米管制造人造卫星的牵引绳，不仅可以给卫星供电，还可以耐高温而不燃烧。由碳纳米管制成的绳索是唯一一条可以从月球悬挂到地球表面而不会因自身重量而断裂的绳索。如果它被用作地球和月球的电梯，人们将很容易在月球上安顿下来。利用纳米磁性中显著的巨磁电阻效应和大隧道磁电阻现象研制的磁头可以将磁盘的记录密度提高30倍以上。2007年，明尼苏达大学电子工程系纳米结构实验室通过纳米光刻技术成功开发了纳米结构磁盘。因为纳米磁性单元是相互分离的，所以它们被称为量子盘。利用磁性纳米线阵列的存储特性，存储密度可以达到400千兆比特-2。4纳米技术在光电领域的应用随着纳米技术的发展，

12、微电子学和光电子学的结合更加紧密，光电器件的性能也有了很大的提高。桑迪亚国家实验室发现，微小尺寸的纳米激光可以将光子限制在几个状态，而低音走廊效应可以限制光子，直到产生的光波积累足够的能量通过这个结构。激光器获得极高的工作效率，而能量阈值非常低。纳米激光器工作时只需要大约100微安的电流。单晶纳米线的受激发射行为。最近，科学家已经将光子线缩小到只有立方微米体积的五分之一。在这个尺度上，这种结构的光子态数小于10，接近于无能量运行所需的条件。麻省理工学院的研究人员将受激的钡原子一个接一个地送入激光器，每个原子都会发射出有用的光子，这非常有效。碳纳米管场发射显示器，1999年在韩国制造，2000年

13、在日本制造。2003年5月1日，国际商用机器公司宣布，它已经成功开发出由单分子碳纳米管组成的最小的发光元件。国际商用机器公司开发的发光元件是一种直径为1.4纳米的纳米管状单分子，可以发射波长为1.5米的光.这种波长的光广泛用于光通信领域。不同直径的纳米管会产生不同波长的光。发光元件嵌入在3引脚晶体管中，并且在向晶体管的栅极施加低电压之后，在纳米管的两端(在源极和漏极之间)产生电流。潘建伟：他在量子物理和量子信息学的交叉实验领域取得了一系列研究成果，成为2003年第一位被欧美两大物理学会评为国际物理十大进展之一的中国科学家。2008年，自然杂志发表评论说：“虽然实现开放终端的五粒子纠缠和量子态隐

14、形传态非常困难，但中国科技大学的潘建伟教授和他的同事们已经完成了这一壮举，他们的实验方法将在量子计算和网络化量子通信中有重要应用。”5纳米技术在化学工业中的应用纳米粒子作为光催化剂的优势。首先，它具有小粒径、大比表面积和高光催化效率。此外，纳米粒子产生的大部分电子和空穴因此，化学反应活性高。其次，纳米粒子分散在介质中时通常是透明的，因此很容易通过光学手段和方法观察电荷转移、质子转移、半导体能级结构和表面态密度的影响。将纳米二氧化钛粉末按一定比例添加到化妆品中，可以有效屏蔽紫外线。一般认为，该体系只需0.51%的纳米二氧化钛，就能完全屏蔽紫外线。例如，用0.10.5%纳米二氧化钛制成的透明塑料包

15、装材料包装食品，不仅可以防止紫外线对食品的伤害，还可以保持食品的新鲜。二氧化钛纳米粒子具有光催化活性，用于污水处理和空气净化。二氧化钛薄膜具有超强的亲水性和自清洁功能，可用作防雾涂层和自清洁陶瓷。分子筛(纳米反应器)分子筛具有独特的孔结构、大的比表面积和高的机械强度。该反应器可以将化学反应限制在小范围内。在纳米反应器中，反应物在分子水平上有一定的取向和有序排列，并限制反应物分子和反应中间体的运动。这种定向、排列和限制将影响和决定反应的方向和速度。1992年，Kresge等人首次以介孔二氧化硅MCM-41为基底，实现了有机/无机离子在纳米尺度上的自组装反应。它具有孔径均匀、孔径在510纳米以内连

16、续可调、比表面积高、热稳定性好等特点，在分子催化、吸附和分离过程中具有广阔的应用前景。同时，这种材料可以在很大范围内连续调节其纳米孔结构，并可用作纳米粒子的微反应容器。碳纳米管是通过卷曲石墨碳原子层形成的，并且径向尺度层被控制在100 nm以下。电子在碳纳米管中的运动在径向受到限制，表现出典型的量子限制效应，而在轴向不受限制。纳米反应器清华大学范寿山教授利用二氧化硅气体与碳纳米管中的N2反应，生长出径向尺寸为440纳米的Si3N4纳米线。还制备了氮化镓纳米线。1998年，我们与美国斯坦福大学合作，在世界上首次实现了碳纳米管阵列在硅衬底上的自组织生长，极大地促进了碳纳米管在场发射平面显示器中的应

17、用。由于其独特的电学性质，碳纳米管可以用于大规模集成电路、超导导线等领域。2007年7月，格里姆斯在纳米快报(Nano Letters)上发表文章称，由自动排列和垂直定向的钛铁氧化物纳米管阵列组成的薄膜在阳光照射下可以将水分解成氢和氧。照片显示了样品的颜色变化与铁含量的关系。2009年2月，格里姆斯在自然杂志上报道了“化水为油”的实验：将二氧化碳和水蒸气引入钢管，用纳米管薄膜覆盖仪器背面，然后在容器顶部安装一个应时窗让阳光进入。“当阳光照射在纳米管上时，纳米管释放出高能电荷载体，使水分子分解成羟基自由基和氢离子。二氧化碳分解后，氧气、一氧化碳和氢气的产物反应生成甲烷和水。”在整个反应的后期，铜和铂的催化作用明显。但是，由于铂的价格较高，如何降低铂的含量，保持催化效果不变，仍然是一个值得研究的问题。纳米技术在生物学中的应用每一个生物大分子都是一个微处理器，其状态在运动过程中以一种可预测的方式变化。它的原理类似于计算机的逻辑开关。利用这一特性，结合纳米技术，可以设计出量子计算机。南加州大学的阿德尔曼博士和其他人应用脱氧核糖核酸分子