纳米科学以及仿生学
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• 美国IBM公司和日本日立制作所中央研究所都 已经研制成功单电子晶体管。传统的晶体管是 控制成群电子的运动状态，形成开关、振荡和 放大等功能的.现有的Si和GaAs器件，其响应 速度只能达到10～12秒，功耗最低1μ W。然而 量子器件在这两方面方面可以优化1000～ 10000倍。由于器件尺度为纳米级，集成度大 幅度提高，同时还具有器件结构简单、可靠性 高、成本低等诸多优点，因此，纳米电子学的 发展，可能会在电子学领域中引起新的电子技 术革命，从而把电子工业技术推向一个更高的 发展阶段。
小尺寸效应
直径分别为22、48和99nm 直径从1.7(蓝)到6.0(红)nm 的金纳米球的吸收光谱。 的CdS-CdSe纳米颗粒的荧光。
金属电浆子效应Plasmon effect
凝聚的
Au Nanospheres
金属电浆子效应Plasmon effect
Purple colors in a Roman goblet(酒杯)
纳米材料的奇异特性
表面效应 小尺寸效应 量子尺寸效应
特殊的光、热、磁、力学性质
宏观量子隧道效应
表面效应
小尺寸效应
随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的 质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称 为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表 面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。 光学性质：当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即 失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在 超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白 色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见， 金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l %，大约 几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效 率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变 为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外 隐身技术等。
原子核 10-10 原子 10-5
地球 介观 山 人 宏观
DNA
How small is 1 nanometer?
Human Hair 100 m Take 1 slice 100 slices
Take 1 slice
Human Hair
1nm 1000 slices 1 m
一纳米有多小？
从宏观世界到微观世界
跳蚤 头发 红细胞 病毒
Pt/TiO2 催化剂
Understanding Size
How big (small) are we talking about?
•10 centimeters
Understanding Size
•1 centimeter
Understanding Size
100 micrometers
纳米技术应用举例
纳米材料在高科技中的地位及应用
当代的科学基础已为21世纪高技术的诞生奠定了理论 基础。纳米电子学、量子电子学和分子电子学现在还在处 于初级研究阶段，随着纳米科技的发展，高度集成化的要 求，元件和材料的微小化，在集成过程中出现了许多传统 理论无法解释的科学问题，传统的集成技术由于不能适应 新的需求而逐渐被淘汰，在这种情况下以纳米电子学为指 导工作的新的器件相继问世，速度之快出乎人们的预料。
1991年元旦前夕，日本日立电子公 司向公众展示了一个原子大小的新年祝 词——―peace91‖。每个字母的高度均小 于1.5纳米，它是把硫原子一个一个地从 二硫化钼晶体上轰击出来写成的。美国商 业机器公司的“IBM‖是在-263℃下拼出的， 而日立公司的祝词则是在室温下完成的。 该成就表明，纳米技术从此步入了实用阶 段。
• 这些技术的突破对于高密度信息储存、纳米电子器件、 量子阱器件、新型材料的形成和物种再选等方面具有 非常重要和广泛的应用。 • 光刻技术 线宽为几百纳米
用扫描隧道显微镜的针尖将原 子一个个地排列成汉字，汉字 的大小只有几个纳米。
美国总统克林顿曾在加州理工学院的演讲中说：“纳米技术能在 原子和分子水平上操纵物质。想一下这样的可能性：强度为钢10倍 的材料而重量只有钢的一小部分；把国会图书馆的所有信息压缩进 一个只有一块方糖大小的器件中；能检测出只有几个细胞大小的肿 瘤。有些目标可能在二十年后才能实现，但这正是联邦政府应该承 担的重要责任。”
科学家发现，在纳米的世界里， 物质发生了质的飞跃。比如硅晶体是 不发光的，但纳米硅却会发光；陶瓷 在通常情况下是很硬、很脆的，如果 采用纳米粉体制成纳米陶瓷，它也可 以具有韧性；纳米材料还具有超塑性， 室温下的纳米铜丝经过轧制，其长度 可以从1cm延伸到100cm，其厚度可以 从1mm减小到0.01mm。
• 纳米机器人在清理血管中 的有害堆积物。纳米机器 人小到可在人的血管中自 由地游动，对于脑血栓、 动脉硬化等病灶，可以很 容易地予以清理而不用进 行危险的开颅、开胸手术。 由碳纳米管制作的纳米齿 轮模型。齿轮上的原子清 晰可见。
何谓纳米？
―纳米”是长度单位，1nm=10-9m
1nm=10-3μm=10-6mm=10-9m
自由地操纵单个原子或分子
左图是一个铁原子与一氧化碳分子 CO 结合形成一个铁羰基 FeCO 分子的过程。 先用扫描隧道显微镜针尖拾取一个铁原子 将它移走，然后将 CO 放到 Fe上面， 形成 FeCO 分子 右图 显示的是继续利用一 个 CO 和FeCO 结合成 Fe （CO ） 分子的过程。用这种方法还可以用原子组成各种图形
Understanding Size
10 micrometers
Understanding Size
1 micrometer
Understanding Size
100 nanometers
Understanding Size
10 nanometers
Understanding Size
•1 nanometer
图左，扫描隧道显微镜针尖移动表面吸附原子的过 程示意。图右，用原子排列成的“原子”两个字。
• A 1990年，美国加州的IBM研究室D.M.Eigler等 人利用STM在4K和超真空环境中，在Ni的表面 上将35个氙原子排布成最小的 IBM商标。这张 放大了的照片登在《时代》周刊上，被称为当 年最了不起的公司广告。
peace91
• C 1994年，中国科学院化学所和中国科学院北 京真空物理室利用STM在单晶硅表面上通过提 走硅原子的方法，获得了（线宽2 nm）硅原子 的“毛泽东”。在石墨表面刻出线宽 10 nm的 “中国”字符。汉字的大小只有几个纳米 • 白春礼院士 • 1988年4月12日， • 中国第一台计算机 • 控制的STM研制成功。
20世纪80年代以来电路元件尺寸下降的速度是很快
的，未来的20年电路元件尺寸将达到亚微米和纳米的
水平，量子效应的原理性器件、分子电子器件和纳米
器件成为电子工业的核心。纳米尺度的开关材料、敏
感材料、纳米级半导体/铁电体、纳米级半导体/铁磁
体、纳米金属/纳米半导体集成的超机构材料、单电子
纳米级微缩图象
1992年，日本电信电话公司在 银-硒合金表面上以单个原子的线条 画出爱因斯坦肖像。同年10月， “日立”公司又将硅原子排列成立 体金字塔。由原子垒起的金字塔共 18级台阶，每级2个原子高，其底边 长仅为48纳米和36纳米。原子级线 条的绘制成功，意味着可将2000册 杂志的文章浓缩在一个句点符号内。
即1纳米等于十亿分之一米，大约等于10个 氢原子并排起来的长度，相当于万分之一 头发的粗细。纳米正好处于原子、分子为 代表的微观世界和以人类活动空间为代表 的宏观世界的中间地带，被称为介观世界。
星系团
粒子
W++ 微观
10-20
10-15
1025 1020 1015 1010
5 10 1m
星系
宇观
太阳系
金属电浆子效应Plasmon effect
Stained glasses
特殊的力学性质 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压 制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具 有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力 变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定 的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。美国学者报 道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研 究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由 磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的 粗晶粒金属硬3～5倍。至于金属-陶瓷等复合纳米材料则 可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分 宽广。 特殊的热学性能、磁学性能、超导电性、介电性能、声 学特性以及化学性能等。
“如果人类能够在原子/分子的尺度上来加工材料， 制备装置，我们将有许多激动人心的发现。…… 我们需要新型的微型化仪器来操纵微小结构并测 定其性质。……那时，化学将变成根据人们的意 愿逐个地准确放置原子的问题。”他并预言： “当2000年人们回顾历史的时候，他们会为直 接用原子、分子来制造机器而感到惊讶。”(查 理德教授于1988年去世)
2
粉色的为 CO
量子的围栏
黄色为Fe
绿色为Cu
将CO分子 和Fe原子组 合起来形成 FeCO
用扫描隧道显微镜的针尖在铜表面上搬运和操纵48个Fe原子， 使它们排成圆形。圆形上原子的某些电子向外传播，逐渐减小， 同时与相内传播的电子相互干涉形成干涉波。
按照人的意愿准确操纵原子形成新的化合物 美国康奈尔大学
纳米科技研究的重要仪器 --扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)
右图是荣获 1986年诺贝尔 物理奖的扫描隧 道显微镜(STM) 原理示意图
STM的工作原理是：把极小的针尖和被研究的物质表面作 为两个电极，当样品表面与针尖的距离非常小(<1nm)时， 在外电场作用下电子即会穿过两极间的绝缘层流向另一极， 产生隧道电流，并通过反馈电路传递到计算机上表现出来。
纳米技术
纳米科学技术是研究在千万分之一米(108m)到亿分之一米(10-9m)内，原子、分子 和其它类型物质的运动和变化的学问；同 时在这一尺度范围内对原子、分子或原子 团、分子团进行操纵和加工使其形成所需 要的物质称为纳米技术。
纳米技术的发展
人类对纳米技术的研究已有四五 十年的历史。1959年，美国著名的物理 学家、诺贝尔奖金获得者理查德· 费曼 认为：
STM 扫描模式示意图 （a）恒电流模式；（b）恒高度模式 S 为针尖与样品间距，I、Vb 为隧道电流和偏置电压， Vz为控制针尖在 z 方向高度的反馈电压。
扫描探针显微镜工作原理
用扫描隧道显向镜观察到的 硅晶体表面的原子排列(Si(m)７×7结构)
原子力显微镜(AFM)
纳米电子学：控制单个电子
• 每个字母高 5nm。 Xe原子间最短距离约为 1nm。这种原子搬迁的 方法就是使显微镜探针针尖对准选中的 Xe原子、使针尖接近 Xe 原子、使原子间作用力达到让Xe原子跟随针尖移动到指定位置而 不脱离Ni的表面。用这种方法可以排列密集的Xe原子链。
• 在 Xe 原子搬迁后，又 实现了分子的搬迁排 列。在铂单晶的表面 上、将吸附的一氧化 碳分子 (CO) 用 STM 搬 迁排列起来、构成一 个 身 高 仅 5nm 的 世 界 上最小的人的图样。 用来构成这图样的 CO 分子间距离仅为0.5nm, 人们称它为 "一氧化碳 小人"。
纳米科学 与 纳米在生物及医学2002年，一批高科技服装面料从实验室走上 了展台：不用洗涤剂也能清洁的衣物、可用 做防水地图的仿真丝面料等令人耳目一新
具有易洁纳米涂层的陶瓷
摔不碎的纳米陶瓷
纳米陶瓷
强度比常规铜高5倍纳米铜
纳米铜
一种非常奇特的材料，它是石墨中一层或若干层碳原子卷 曲而成的笼状“纤维”，内部是空的，外部直径只有几到 几十纳米。这样的材料很轻，但很结实。它的密度是钢的 1/6，而强度却是钢的100倍。用这样轻而柔软、又非常结 实的材料做防弹背心是最好不过的了。如果用碳纳米管做 绳索，是唯一可以从月球挂到地球表面，而不被自身重量 所拉断的绳索。如果用它做成地球-月球乘人的电梯，人 们在月球定居就很容易了。纳米碳管的细尖极易发射电子。 用于做电子枪，可做成几厘米厚的壁挂式电视屏，这是显 示器制造业的发展方向。
小尺寸效应
直径分别为22、48和99nm 直径从1.7(蓝)到6.0(红)nm 的金纳米球的吸收光谱。 的CdS-CdSe纳米颗粒的荧光。
金属电浆子效应Plasmon effect
凝聚的
Au Nanospheres
金属电浆子效应Plasmon effect
Purple colors in a Roman goblet(酒杯)
纳米材料的奇异特性
表面效应 小尺寸效应 量子尺寸效应
特殊的光、热、磁、力学性质
宏观量子隧道效应
表面效应
小尺寸效应
随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的 质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称 为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表 面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。 光学性质：当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即 失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在 超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白 色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见， 金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l %，大约 几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效 率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变 为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外 隐身技术等。
原子核 10-10 原子 10-5
地球 介观 山 人 宏观
DNA
How small is 1 nanometer?
Human Hair 100 m Take 1 slice 100 slices
Take 1 slice
Human Hair
1nm 1000 slices 1 m
一纳米有多小？
从宏观世界到微观世界
跳蚤 头发 红细胞 病毒
Pt/TiO2 催化剂
Understanding Size
How big (small) are we talking about?
•10 centimeters
Understanding Size
•1 centimeter
Understanding Size
100 micrometers
纳米技术应用举例
纳米材料在高科技中的地位及应用
当代的科学基础已为21世纪高技术的诞生奠定了理论 基础。纳米电子学、量子电子学和分子电子学现在还在处 于初级研究阶段，随着纳米科技的发展，高度集成化的要 求，元件和材料的微小化，在集成过程中出现了许多传统 理论无法解释的科学问题，传统的集成技术由于不能适应 新的需求而逐渐被淘汰，在这种情况下以纳米电子学为指 导工作的新的器件相继问世，速度之快出乎人们的预料。
1991年元旦前夕，日本日立电子公 司向公众展示了一个原子大小的新年祝 词——―peace91‖。每个字母的高度均小 于1.5纳米，它是把硫原子一个一个地从 二硫化钼晶体上轰击出来写成的。美国商 业机器公司的“IBM‖是在-263℃下拼出的， 而日立公司的祝词则是在室温下完成的。 该成就表明，纳米技术从此步入了实用阶 段。
• 这些技术的突破对于高密度信息储存、纳米电子器件、 量子阱器件、新型材料的形成和物种再选等方面具有 非常重要和广泛的应用。 • 光刻技术 线宽为几百纳米
用扫描隧道显微镜的针尖将原 子一个个地排列成汉字，汉字 的大小只有几个纳米。
美国总统克林顿曾在加州理工学院的演讲中说：“纳米技术能在 原子和分子水平上操纵物质。想一下这样的可能性：强度为钢10倍 的材料而重量只有钢的一小部分；把国会图书馆的所有信息压缩进 一个只有一块方糖大小的器件中；能检测出只有几个细胞大小的肿 瘤。有些目标可能在二十年后才能实现，但这正是联邦政府应该承 担的重要责任。”
科学家发现，在纳米的世界里， 物质发生了质的飞跃。比如硅晶体是 不发光的，但纳米硅却会发光；陶瓷 在通常情况下是很硬、很脆的，如果 采用纳米粉体制成纳米陶瓷，它也可 以具有韧性；纳米材料还具有超塑性， 室温下的纳米铜丝经过轧制，其长度 可以从1cm延伸到100cm，其厚度可以 从1mm减小到0.01mm。
• 纳米机器人在清理血管中 的有害堆积物。纳米机器 人小到可在人的血管中自 由地游动，对于脑血栓、 动脉硬化等病灶，可以很 容易地予以清理而不用进 行危险的开颅、开胸手术。 由碳纳米管制作的纳米齿 轮模型。齿轮上的原子清 晰可见。
何谓纳米？
―纳米”是长度单位，1nm=10-9m
1nm=10-3μm=10-6mm=10-9m
自由地操纵单个原子或分子
左图是一个铁原子与一氧化碳分子 CO 结合形成一个铁羰基 FeCO 分子的过程。 先用扫描隧道显微镜针尖拾取一个铁原子 将它移走，然后将 CO 放到 Fe上面， 形成 FeCO 分子 右图 显示的是继续利用一 个 CO 和FeCO 结合成 Fe （CO ） 分子的过程。用这种方法还可以用原子组成各种图形
Understanding Size
10 micrometers
Understanding Size
1 micrometer
Understanding Size
100 nanometers
Understanding Size
10 nanometers
Understanding Size
•1 nanometer
图左，扫描隧道显微镜针尖移动表面吸附原子的过 程示意。图右，用原子排列成的“原子”两个字。
• A 1990年，美国加州的IBM研究室D.M.Eigler等 人利用STM在4K和超真空环境中，在Ni的表面 上将35个氙原子排布成最小的 IBM商标。这张 放大了的照片登在《时代》周刊上，被称为当 年最了不起的公司广告。
peace91
• C 1994年，中国科学院化学所和中国科学院北 京真空物理室利用STM在单晶硅表面上通过提 走硅原子的方法，获得了（线宽2 nm）硅原子 的“毛泽东”。在石墨表面刻出线宽 10 nm的 “中国”字符。汉字的大小只有几个纳米 • 白春礼院士 • 1988年4月12日， • 中国第一台计算机 • 控制的STM研制成功。
20世纪80年代以来电路元件尺寸下降的速度是很快
的，未来的20年电路元件尺寸将达到亚微米和纳米的
水平，量子效应的原理性器件、分子电子器件和纳米
器件成为电子工业的核心。纳米尺度的开关材料、敏
感材料、纳米级半导体/铁电体、纳米级半导体/铁磁
体、纳米金属/纳米半导体集成的超机构材料、单电子
纳米级微缩图象
1992年，日本电信电话公司在 银-硒合金表面上以单个原子的线条 画出爱因斯坦肖像。同年10月， “日立”公司又将硅原子排列成立 体金字塔。由原子垒起的金字塔共 18级台阶，每级2个原子高，其底边 长仅为48纳米和36纳米。原子级线 条的绘制成功，意味着可将2000册 杂志的文章浓缩在一个句点符号内。
即1纳米等于十亿分之一米，大约等于10个 氢原子并排起来的长度，相当于万分之一 头发的粗细。纳米正好处于原子、分子为 代表的微观世界和以人类活动空间为代表 的宏观世界的中间地带，被称为介观世界。
星系团
粒子
W++ 微观
10-20
10-15
1025 1020 1015 1010
5 10 1m
星系
宇观
太阳系
金属电浆子效应Plasmon effect
Stained glasses
特殊的力学性质 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压 制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具 有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力 变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定 的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。美国学者报 道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研 究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由 磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的 粗晶粒金属硬3～5倍。至于金属-陶瓷等复合纳米材料则 可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分 宽广。 特殊的热学性能、磁学性能、超导电性、介电性能、声 学特性以及化学性能等。
“如果人类能够在原子/分子的尺度上来加工材料， 制备装置，我们将有许多激动人心的发现。…… 我们需要新型的微型化仪器来操纵微小结构并测 定其性质。……那时，化学将变成根据人们的意 愿逐个地准确放置原子的问题。”他并预言： “当2000年人们回顾历史的时候，他们会为直 接用原子、分子来制造机器而感到惊讶。”(查 理德教授于1988年去世)
2
粉色的为 CO
量子的围栏
黄色为Fe
绿色为Cu
将CO分子 和Fe原子组 合起来形成 FeCO
用扫描隧道显微镜的针尖在铜表面上搬运和操纵48个Fe原子， 使它们排成圆形。圆形上原子的某些电子向外传播，逐渐减小， 同时与相内传播的电子相互干涉形成干涉波。
按照人的意愿准确操纵原子形成新的化合物 美国康奈尔大学
纳米科技研究的重要仪器 --扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)
右图是荣获 1986年诺贝尔 物理奖的扫描隧 道显微镜(STM) 原理示意图
STM的工作原理是：把极小的针尖和被研究的物质表面作 为两个电极，当样品表面与针尖的距离非常小(<1nm)时， 在外电场作用下电子即会穿过两极间的绝缘层流向另一极， 产生隧道电流，并通过反馈电路传递到计算机上表现出来。
纳米技术
纳米科学技术是研究在千万分之一米(108m)到亿分之一米(10-9m)内，原子、分子 和其它类型物质的运动和变化的学问；同 时在这一尺度范围内对原子、分子或原子 团、分子团进行操纵和加工使其形成所需 要的物质称为纳米技术。
纳米技术的发展
人类对纳米技术的研究已有四五 十年的历史。1959年，美国著名的物理 学家、诺贝尔奖金获得者理查德· 费曼 认为：
STM 扫描模式示意图 （a）恒电流模式；（b）恒高度模式 S 为针尖与样品间距，I、Vb 为隧道电流和偏置电压， Vz为控制针尖在 z 方向高度的反馈电压。
扫描探针显微镜工作原理
用扫描隧道显向镜观察到的 硅晶体表面的原子排列(Si(m)７×7结构)
原子力显微镜(AFM)
纳米电子学：控制单个电子
• 每个字母高 5nm。 Xe原子间最短距离约为 1nm。这种原子搬迁的 方法就是使显微镜探针针尖对准选中的 Xe原子、使针尖接近 Xe 原子、使原子间作用力达到让Xe原子跟随针尖移动到指定位置而 不脱离Ni的表面。用这种方法可以排列密集的Xe原子链。
• 在 Xe 原子搬迁后，又 实现了分子的搬迁排 列。在铂单晶的表面 上、将吸附的一氧化 碳分子 (CO) 用 STM 搬 迁排列起来、构成一 个 身 高 仅 5nm 的 世 界 上最小的人的图样。 用来构成这图样的 CO 分子间距离仅为0.5nm, 人们称它为 "一氧化碳 小人"。
纳米科学 与 纳米在生物及医学2002年，一批高科技服装面料从实验室走上 了展台：不用洗涤剂也能清洁的衣物、可用 做防水地图的仿真丝面料等令人耳目一新
具有易洁纳米涂层的陶瓷
摔不碎的纳米陶瓷
纳米陶瓷
强度比常规铜高5倍纳米铜
纳米铜
一种非常奇特的材料，它是石墨中一层或若干层碳原子卷 曲而成的笼状“纤维”，内部是空的，外部直径只有几到 几十纳米。这样的材料很轻，但很结实。它的密度是钢的 1/6，而强度却是钢的100倍。用这样轻而柔软、又非常结 实的材料做防弹背心是最好不过的了。如果用碳纳米管做 绳索，是唯一可以从月球挂到地球表面，而不被自身重量 所拉断的绳索。如果用它做成地球-月球乘人的电梯，人 们在月球定居就很容易了。纳米碳管的细尖极易发射电子。 用于做电子枪，可做成几厘米厚的壁挂式电视屏，这是显 示器制造业的发展方向。