纳米技术考试题答案

纳米材料和纳米机构。。。。。。2

纳米材料分析。。。。。。。。。。。。1

一纳米技术的内容和定义（2-2）

纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学等二纳米技术三个层面概念的理解

从迄今为止的研究来看，关于纳米技术分为三种概念：

第一种，是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在《创造的机器》一书中提出的分子纳米技术。根据这一概念，可以使组合分子的机器实用化，从而可以任意组合所有种类的分子，可以制造出任何种类的分子结构。这种概念的纳米技术还未取得重大进展。

第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的"加工"来人工形成纳米大小的结构的技术。这种纳米级的加工技术，也使半导体微型化即将达到极限。现有技术即使发展下去，从理论上讲终将会达到限度，这是因为，如果把电路的线幅逐渐变小，将使构成电路的绝缘膜变得极薄，这样将破坏绝缘效果。此外，还有发

热和晃动等问题。为了解决这些问题，研究人员正在研究新型的纳米技术。

第三种概念是从生物的角度出发而提出的。本来，生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。DNA分子计算机、细胞生物计算机的开发，成为纳米生物技术的重要内容。

三纳米技术的发展史，起源和发展方向（2-9）

四我国的纳米发展史

1.“中国实验室国家认可委员会”是负责实验室和检查机构认可及相关工作的认可机构，为规范纳米产品市场、推动制定相关纳米材料及产品的标准，“国家纳米科学中心”和“中国实验室国家认可委员会”会商多次，联合成立“纳米技术专门委员会”，挂靠在“国家纳米科学中心”。

2. 中国政府透过中国科学院主导众多纳米科技研发计划，多数强调半导体制造技术和发展以纳米科技为基础的电子元件，另一是利用纳米材料保存考古文物。

已成功发展出的产品包括新式冷气机，其特点为利用创新的纳米材质。另估计约有两百家企业积极从事纳米科技产品的商业化。

五纳米材料的四大效应(2-59)

六纳米材料的制备方法（2-112）

按制备原理分为：物理和化学

按生成介质分为：固液气

物理方法

应用纳米技术制成的服装

真空冷授法：用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、位度可控，但技术设备要求高。

物理粉碎法：透过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产晶纯度低，顺粒分布不均匀。

机械球磨法：采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。

化学方法

气相沉积法：利用金属化合物蒸汽的化学反应合成纳米材料。其特点产品纯度高，粒度分布窄。

沉淀法：把沉淀剂加人到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料.其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备载化物。

水热合成法：高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得纳米粒子。其特点纯度高，分散性好、拉度易控制。

溶胶凝胶法：金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低沮热处理而生成纳米粒子。其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和11一VI族化合物的制备。

徽乳液法：两：互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在徽泡中经成核，聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。其特点粒子的单

分散和接口性好，11一VI族半导体纳米粒子多用此法制备。

液相法是目前实验室和工业上应用最广泛的合成超微粉体材料的方法.

与气相法比较有如下优点:

①在反应过程中利用多种精制手段;

②通过得到的超细沉淀物, 可很容易制取高反应活性的纳米粉体

主要特征:

①可精确控制化学组成;

②容易添加微量有效成分,制成多种成分均一的纳米粉体;

③纳米粉体材料表面活性高;

④容易控制颗粒的尺寸和形状;

⑤工业化生产成本低.

步骤多，容易产生团聚现象

固相法突出优点是操作方便,合成工艺简单,粒径均匀,且力度可控,污染少,同时又可以避免或减少液相中易出现的硬团聚现象,成本低.，适合规模生产

缺点是组成不易均匀,微粒易团聚,微粒直径分布宽.，不适宜于纳米线，纳米棒，纳米膜制备

可以利用该方法制备纳米SI3N4 SIC ZNO SNO NIO等金属氧化物

气相法制备的材料颗粒都比较小，这是优势，而缺点就是能耗大

七纳米检测与表征

扫描隧道显微镜STM（1-12）恒高度模式和恒电流模式（1-12）

原子力显微镜AFM(1-43)AFM的不同操作模式（1-54）接触模式，非接触模式，轻敲模式

八纳米生物技术的定义，内容，内含，特点

定义：生物纳米技术是指在纳米尺度上认识生物分子的精细结构和功能之间的联系，并在此基础上岸研究者的意愿组合，装配，创造出满足人们意愿并行使特定功能的生物纳米机器。

纳米生物学定义，内容，内含，特点

不同于宏观生物学，纳米生物学是从微观的角度来观察生命现象、并以对分子的操纵和改性为目标的。纳米生物学发展时间不长就已经取得了可喜的成绩。生物科学家在纳米生物学领域提出了许多富有挑战性的新观念。纳米生物学的加工技术可以向生物细胞学习。

纳米技术在诊疗上的应用

最近,国外科学家Kim等最近研制出了一种多聚复合纳米颗粒(NPs),可用于癌细胞的检测：

①以一种可降解生物多聚物(PLGA)作为基质,将化学治疗药物(阿霉素)以纳米颗粒的形式纳入到了聚合纳米颗粒基质当中；

②将CdSe/ZnS半导体量子点(QDs)或超顺磁性的纳米晶体四氧化三铁嵌入该基质中；

③通过聚乙二醇基团将对癌细胞有靶向作用的叶酸连接到被修饰的PLAG上,构成了一个完整的NPs；

④在癌细胞上有过量表达的叶酸受体,连有叶酸的NPs通过抗原抗体

结合反应侦查到癌细胞并进行光学成像,可以通过核磁共振和荧光成像来观察抗原抗体的结合进而对癌细胞进行监测。同时,通过四氧化三铁的磁导作用将阿霉素运输到癌细胞附近,杀死癌细胞。

标示，治疗

九纳米电子，纳米加工的发展史

纳米电子包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光/电性质、纳米电子材料的表征，以及原子操纵和原子组装等。当前电子技术的趋势要求器件和系统更小、更快、更冷，更小，是指响应速度要快。更冷是指单个器件的功耗要小。但是更小并非没有限度。纳米技术是建设者的最后疆界，它的影响将是巨大的。

从历史发展的角度来看，任何一个新兴学科和技术的发展，都具有鲜明的时代特征，并植根于当时科学发展的肥沃土壤。如量子力学的出现导致了固体能带理论的形成和固态电子器件的诞生，使微电子技术获得了迅速发展，就是明显例证。本世纪初兴起的纳米电子学研究，也同样具有深刻的社会与科技发展背景。一般认为纳米电子的由来与发展有两条路径：一条是以无机材料的固态电子器件尺寸和维度不断变小的自上而下的发展路径；另一条则是基于化学有机高分子和生物分子的自组装功能器件尺度逐渐变大的自下而上的发展过程。

基于固态电子器件尺寸不断变小的自上而下发展路径１９５８年，美国科学家基尔比发明了集成电路，开创了微电子技术发展的新时代。特别是１９６０年以后，ＭＯＳ晶体管及其集成电路的出现，

开始了微电子工业蓬勃发展的历史进程。１９６５年，英特尔公司的创始人摩尔科学而及时地总结了集成电路的发展规律，提出了著名的“摩尔定律”，即集成电路的集成度每３年增长４倍。迄今为止，ＭＯＳ集成电路一直严格遵循这一定律发展。从最初每个芯片上仅有６４个晶体管的小规模集成电路，发展到今天能集成上亿个器件的甚大规模集成电路。预计到２０１４年，器件特征尺寸为３５ｎｍ的集成电路将投入批量生产，此后将进人以纳米ＣＭＯＳ晶体管为主的纳米电子学时代。纵观半导体集成电路的整个发展历程可以看出，微电子器件特征尺寸的按比例缩小原理起了至关重要的作用，也正是这种器件尺寸日渐小型化的发展趋势，促使人们所研究的对象由宏观体系进入到纳米体系。从这个意义上说，纳米电子学是微电子学发展的必然结果“。自上而下发展路径的另一个分支是半导体结构的低维化。１９６９年，日本著名物理学家江崎及其合作者所提出的半导体超晶格概念，具有巨大的创新意义和潜在的应用前景。从１９７０年到１９９０年，是半导体超晶格与量子研究的黄金时期。在这２０年中，不仅它们自身获得了令世人瞩目的进展。尤其重要的是其开创了凝聚态物理学新进展中低维物理研究的全新领域。２０世纪９０年代初期，纳米科学技术在全世界急速兴起，首当其冲的是纳米材料的制备、表征与物性研究。一时之间各种纳米材料的形成技术应运而生，其中，分子自组装技术用于有机纳米团簇与超分子的制备引起了化学与材料学家的广泛重视。这是由于此类材料在光学、电学、磁学、机械以及催化和环保等许多领域都有

着潜在的应用价值。

分子自组装的最主要应用，则是利用该技术制作具有特定功能的纳米量子器件，无疑这是一条纳米电子学的自下而上的发展路径。发展纳米电子学的另外一条重要途径就是由无机材料构成的纳米微粒、纳米薄膜和纳米固体的研究。１９８６年，德国的著名材料物理学家格莱特教授率先采用物理方法制备了由纳米晶粒和晶粒间两种形成的纳米固体材料，在世界范围内引起了轰动。其后，人们纷纷采用各种工艺，如分子束外延、激光烧蚀沉积、磁控溅射、等离子体化学汽相沉积、凝胶-溶胶法和高能离子注入等沉积生长了各类纳米薄膜材料，并设计和制作了一系列低维量子结构器件。纳米电子学的概念概括起来就是：它是一个采用纳米结构材料所具有的各种量子化效应，通过适宜的纳米加工技术，设计并制作具有实用化的纳米量子器件及其集成电路的学科分支。２０世纪下半叶，以ＭＯＳ晶体管集成电路为基础的微电子技术，对信息科学技术的发展产生了极大推动作用。那么２１世纪上半叶，以纳米量子器件及集成为基础的纳米电子技术，将对信息、材料、生物以及环境技术等产生比微电子技术更加久远和更加广发的革命性影响。

但是，从整体发展而言，目前纳米电子学尚处于起步阶段，它是一个综合了多学科的汇合点。它的发展不仅有重大的基础理论意义，而且又有非常诱人的应用前景，有可能为人类的文明与进步带来潜在的经济和社会效益。

纳米加工纳米级精度的加工和纳米级表层的加工，即原子和分子的

去除、搬迁和重组是纳米技术主要内容之一。纳米加工技术担负着支持最新科学技术步的重要使命。国防战略发展的需要和纳米级精度产品高利润市场的吸引，促使了纳米加工技术产生并迅速发展。例如，现代武器惯导仪表的精密陀螺、激光核聚变反射镜、大型天体望远镜反射镜和多面棱镜、大规模集成电路硅片、计算机磁盘及复印机磁鼓等都需要进行纳米级加工。纳米加工技术的发展也促进了机械、电子、半导体、光学、传感器和测量技术以及材料科学的发展。

美国在开发纳米加工技术方面，起着先导作用。由于电子技术、计算机技术、航空航天技术和激光技术等尖端技术发展的需要，美国于1962年研制出金刚石刀具超精细切削机床，解决了激光核聚变反射镜及天体望远镜等光学零件和计算机磁盘等精密零件的加工，打下了纳米加工技术的基础，随后，西欧和日本纳米加工技术发展较快。纳米加工技术是一门新兴的综合性加工技术。它集成了现代机械学、光学、电子、计算机、测量及材料等先进技术成就，使得加工的精度从20世纪60年代初的微米级提高到目前的10nm级，在短短几十年内使产品的加工精度提高了1～2个数量级，极大的改善了产品的性能和可靠性。

目前，纳米加工技术已成为国家科学技术发展水平的重要标志。随着各种新型功能陶瓷材料的不断研制成功，以及用这些材料作为关键元件的各类装置的高性能化，要求功能陶瓷元件的加工精度达到纳米级甚至更高，这些都有力地促进了纳米加工技术的进步。近年来，纳米技术的出现促使纳米加工向其极限加工精度—原子级加工进行挑战。

按加工方式，纳米级加工可分为切削加工、磨料加工（分固结磨料和游离磨料）、特种加工和复合加工四类（表4-2）。纳米级加工还可分为传统加工、非传统加工和复合加工。传统加工是指刀具切削加工、固有磨料和游离磨料加工；非传统加工是指利用各种能量对材料进行加工和处理；复合加工是采用多种加工方法的复合作用。纳米级加工技术也可以分为机械加工、化学腐蚀、能量束加工、复合加工、隧道扫描显微技术加工等多种方法。机械加工方法有单晶金刚石刀具的超精密切削，金刚石砂轮和CBN砂轮的超精密磨削和镜面磨削、磨、砂带抛光等固定磨料工具的加工，研磨、抛光等自由磨料的加工等，能束加工可以对被加工对象进行去除，添加和表面改性等工艺，例如，用激光进行切割、钻孔和表面硬化改性处理。用电子束进行光刻、焊接、微米级和纳米级钻孔、切削加工，离子和等离子体刻蚀等。属于能量束的加工方法还包括电火花加工、电化学加工、电解射流加工、分子束外延等。STM加工是最新技术，可以进行原子级操作和原子去除、增添和搬迁等。

十壁虎和荷叶的纳米结构

荷叶出淤泥而不染的特点是其表面具有超疏水性质引起的，这种超疏水的性质是荷叶表面的微米/纳米复合结构与其表面的植物蜡所产生的共同作用的结果。水珠在荷叶上不滩开而是成滴滚动的秘密在于荷叶的表面并不平滑。在显微镜下可以发现，荷叶的表面是具有很多乳突结构的粗糙表面

壁虎能在光滑的表面上行走自如的秘密在于脚上特殊的刚毛结构。壁

虎的每只脚底部长着大约50万根极细的刚毛，刚毛末端又有约400根至1000根更细小的纳米分支。正是这种特殊结构让壁虎可以粘在光滑表面上