新型纳米碳材料之纳米材料简介
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4
纳米材料和科技的发展
费曼不仅提出了问题，而且证明了它是为规律所允 许的，他说：
据我所知，物理学并不排除逐个原子地对物质 合成实行控制的可能性，这种想法并不违反任何 规律，从原则上讲它是能够做到的。 1981年，宾尼西、罗雷尔发明世界上第一台扫描隧 道显微镜(简称STM)，1986年获诺贝尔物理奖。
纳米技术进展
纳米线 几种植物的叶子，包括荷花，展 现出其自洁特性。这种所谓的“荷 花效应”也叫作自清洁效应，那么， 荷花何以出淤泥而不染？ 是因为它的表面十分光滑，污垢 难以停留？不是。科学家用扫描电 子显微镜观察，发现荷花的花瓣表 面像毛玻璃一样毛糙，全是纳米级 的“疙瘩”。 这些“疙瘩”让雨水将荷叶清洗干净，从而让荷花保持最 佳光合作用能力，显得精神抖擞。这张2微米x 2微米图像显示 一种人造制品在模仿荷花的自清洁效应。此地毯似的一团纳米 线是由CVD法处理而成的。当水滴落在此超级不沾水的纳米线
New Nano-carbon Materials 纳米材料简介
1 纳米 = 10-9 米
0.1nm 1nm 原子 DNA双螺
旋结构
100nm 纳米颗粒
100μm 头发
nm
μm
mm
4cm 乒乓球
m
5m 汽车
km
纳米材料：在三维空间中至少有一维处于纳米尺度 范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料， 这大约相当于10~1000个原子紧密排列在一起的尺度。
通过移走原子构成的图形
纳米科技向不同领域的渗透
环境、能源
医疗和药物
电子器件 计算机
国家安全
纳米科学 技术
新材料
宇航、交通 生物、农业 传统产业
15
“nano”在希腊语中有“矮小”的意思
对于纳米研究的研究方式， 有“从小到大”(bottom up) 和“从大到小”(top down)两种方式。“top down"的方式 是利用机械和刻蚀技术制造纳米尺度结，而“bottom up” 是应用一个原子一个原子或一个分子一个分子创造有机和 无机结构。“top down”或“bottom up”可以用来衡量纳米 技术发展的水平 。
G.Binnig H.Rohrer
Omicron 低温超高真空STM
扫描隧道显微镜的发明
扫描隧道显微镜亦称为 “扫描穿隧式显微镜”、“隧 道扫描显微镜”，是一种利用 量子理论中的隧道效应探测物 质表面结构的仪器。
扫描隧道显微镜(STM) CSTM——9000Baidu Nhomakorabea扫描隧道显微镜
工作原理
样品表面 电子云重叠，由于 探针表面 隧道效应逸出电子
在大气压下或真空中均能工作；
无损探测, 可获取物质表面的三维图像；
可进行表面结构研究, 实现表面纳米(10-9m) 级加工。
应用实例
硅表面硅原子的排列
碘原子在铂晶体上的吸附
砷化镓表面砷原子 的排列
1990年，美国国际商用机器公司（IBM）阿尔 马登研究中心科学家，经22小时的操作，把35个 氙原子移动到位，组成IBM三个字母，加起来不 到3nm。
1、这是一门新兴的科学技术，它使得人 们对于物质世界有了全新的理解。
2、纳米技术拓展了人类构成新物质的手 段，同时也为生命和信息技术的持续发展
奠定了基础。
3、随着纳米技术的发展，其成果逐渐深 入到人们日常生活的方方面面。
纳米元器件领域――日本领先，欧洲次之，美国第三；
纳米生物与应用领域――美欧相当，日本次之；
探针与样品间加电压 形成隧穿电流
z
U
I UeC / As
—— 对表面间距异常敏感
通过探测物质表面的隧道电流来分辨其表面特征
I UeC / As
扫描隧道显微镜的两种工作模式：
恒电流模式
恒高度模式
STM特点： 具有原子级高分辨率
xy方向 0.2nm z 方向 0.005nm
在原子尺 度探测
纳米科技:在纳米尺度范围研究物质（包括原子和分 子）的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学 科科学和技术。
纳米科技与纳米材料
纳米科学技术:20世纪80年代末诞生并在蓬勃发展中的 高新科技。
在纳米尺寸范围内认识和改造自然通过直接操纵原子 和分子而创造新物质(包括材料、器件、性能和使用效能 等)，探索在纳米尺度范围内物质运动的新现象和新规律。
美国于2000年2月宣布启动“国家纳米科 技计划(NNI)”，在2001年财政年度拨款4.95亿 美元以加强研究实力。政府认为纳米技术就像 20世纪50年代的晶体管一样，其科研和工业化 的应用将进一步促进美国经济的发展；为美国 培养新世纪的技术人才；增强美国国际科技竞 争力的需要；节约资源能源，保证美国未来的 可持续发展；纳米技术是开发未来微型武器的 技术基础，是国防工业的未来。
•蓝宝石 美国伊利诺斯大学香槟分 校的斯科特·麦克拉伦及其同事一同 建造了这张精美制作的蓝宝石衬底 的弹坑图像。此蓝宝石是通过飞秒 级激光脉冲击打其表面而受热的， 在此过程中，蓝宝石喷射出原子而 留下一个浅浅的弹坑。此晶体经再 加热和再次喷射，形成了这里所展 示的内部深层结构。1飞秒是千万 亿分之一秒。
高表面积材料领域――美领先，欧次之，日第三；
中国在纳米科技领域的总体水平与美、日、欧相比， 差距还是很大的，尤其是在纳米器件方面差距更为明 显。
实心的纳米棒、纳米线、量子线
朗讯公司和牛津大学: 纳米镊子 碳纳米管“秤”，称量一个病毒的重量
DNA开关
•原子森林由德国实验室托斯顿·邓 卓巴拍摄的这一图像显示了一片 GeSi量子点“森林”，其实，它们 只有15纳米高，直径也只有70纳米。
上时，它们会快速滴落，并带走纳米线上的尘埃。
发达国家的政府和企业纷纷投入大量人力、物力 和财力进行纳米科技的研究和产业化。
目前，美国已在纳米结构组装体系、高比表面积 纳米颗粒制备与合成，以及纳米生物学方面处于领先 地位。在纳米器件、纳米仪器、超精度工程、陶瓷和 其他结构材料方面略逊于欧共体。
日本在纳米器件和复合纳米结构方面有优势，在 分子电子学技术领域也有很强实力，紧随德国之后。 德国在纳米材料、纳米测量技术、超薄膜的研发领域 具有很强的优势。
它的出现标志着人类改造自然的能力已延伸到原子和 分子水平, 标志着人类科学技术水平已进入到一个新时代 -纳米科技时代。
纳米科学技术是多学科交叉, 基础研究和应用开发紧密 联系的集成高新科技。主要包括: 纳米生物学、纳米电子 学、纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米机械学 等新学科领域, 已经并继续对相关各产业领域产生强烈的 影响和渗透。
纳米材料和科技的发展
费曼不仅提出了问题，而且证明了它是为规律所允 许的，他说：
据我所知，物理学并不排除逐个原子地对物质 合成实行控制的可能性，这种想法并不违反任何 规律，从原则上讲它是能够做到的。 1981年，宾尼西、罗雷尔发明世界上第一台扫描隧 道显微镜(简称STM)，1986年获诺贝尔物理奖。
纳米技术进展
纳米线 几种植物的叶子，包括荷花，展 现出其自洁特性。这种所谓的“荷 花效应”也叫作自清洁效应，那么， 荷花何以出淤泥而不染？ 是因为它的表面十分光滑，污垢 难以停留？不是。科学家用扫描电 子显微镜观察，发现荷花的花瓣表 面像毛玻璃一样毛糙，全是纳米级 的“疙瘩”。 这些“疙瘩”让雨水将荷叶清洗干净，从而让荷花保持最 佳光合作用能力，显得精神抖擞。这张2微米x 2微米图像显示 一种人造制品在模仿荷花的自清洁效应。此地毯似的一团纳米 线是由CVD法处理而成的。当水滴落在此超级不沾水的纳米线
New Nano-carbon Materials 纳米材料简介
1 纳米 = 10-9 米
0.1nm 1nm 原子 DNA双螺
旋结构
100nm 纳米颗粒
100μm 头发
nm
μm
mm
4cm 乒乓球
m
5m 汽车
km
纳米材料：在三维空间中至少有一维处于纳米尺度 范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料， 这大约相当于10~1000个原子紧密排列在一起的尺度。
通过移走原子构成的图形
纳米科技向不同领域的渗透
环境、能源
医疗和药物
电子器件 计算机
国家安全
纳米科学 技术
新材料
宇航、交通 生物、农业 传统产业
15
“nano”在希腊语中有“矮小”的意思
对于纳米研究的研究方式， 有“从小到大”(bottom up) 和“从大到小”(top down)两种方式。“top down"的方式 是利用机械和刻蚀技术制造纳米尺度结，而“bottom up” 是应用一个原子一个原子或一个分子一个分子创造有机和 无机结构。“top down”或“bottom up”可以用来衡量纳米 技术发展的水平 。
G.Binnig H.Rohrer
Omicron 低温超高真空STM
扫描隧道显微镜的发明
扫描隧道显微镜亦称为 “扫描穿隧式显微镜”、“隧 道扫描显微镜”，是一种利用 量子理论中的隧道效应探测物 质表面结构的仪器。
扫描隧道显微镜(STM) CSTM——9000Baidu Nhomakorabea扫描隧道显微镜
工作原理
样品表面 电子云重叠，由于 探针表面 隧道效应逸出电子
在大气压下或真空中均能工作；
无损探测, 可获取物质表面的三维图像；
可进行表面结构研究, 实现表面纳米(10-9m) 级加工。
应用实例
硅表面硅原子的排列
碘原子在铂晶体上的吸附
砷化镓表面砷原子 的排列
1990年，美国国际商用机器公司（IBM）阿尔 马登研究中心科学家，经22小时的操作，把35个 氙原子移动到位，组成IBM三个字母，加起来不 到3nm。
1、这是一门新兴的科学技术，它使得人 们对于物质世界有了全新的理解。
2、纳米技术拓展了人类构成新物质的手 段，同时也为生命和信息技术的持续发展
奠定了基础。
3、随着纳米技术的发展，其成果逐渐深 入到人们日常生活的方方面面。
纳米元器件领域――日本领先，欧洲次之，美国第三；
纳米生物与应用领域――美欧相当，日本次之；
探针与样品间加电压 形成隧穿电流
z
U
I UeC / As
—— 对表面间距异常敏感
通过探测物质表面的隧道电流来分辨其表面特征
I UeC / As
扫描隧道显微镜的两种工作模式：
恒电流模式
恒高度模式
STM特点： 具有原子级高分辨率
xy方向 0.2nm z 方向 0.005nm
在原子尺 度探测
纳米科技:在纳米尺度范围研究物质（包括原子和分 子）的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学 科科学和技术。
纳米科技与纳米材料
纳米科学技术:20世纪80年代末诞生并在蓬勃发展中的 高新科技。
在纳米尺寸范围内认识和改造自然通过直接操纵原子 和分子而创造新物质(包括材料、器件、性能和使用效能 等)，探索在纳米尺度范围内物质运动的新现象和新规律。
美国于2000年2月宣布启动“国家纳米科 技计划(NNI)”，在2001年财政年度拨款4.95亿 美元以加强研究实力。政府认为纳米技术就像 20世纪50年代的晶体管一样，其科研和工业化 的应用将进一步促进美国经济的发展；为美国 培养新世纪的技术人才；增强美国国际科技竞 争力的需要；节约资源能源，保证美国未来的 可持续发展；纳米技术是开发未来微型武器的 技术基础，是国防工业的未来。
•蓝宝石 美国伊利诺斯大学香槟分 校的斯科特·麦克拉伦及其同事一同 建造了这张精美制作的蓝宝石衬底 的弹坑图像。此蓝宝石是通过飞秒 级激光脉冲击打其表面而受热的， 在此过程中，蓝宝石喷射出原子而 留下一个浅浅的弹坑。此晶体经再 加热和再次喷射，形成了这里所展 示的内部深层结构。1飞秒是千万 亿分之一秒。
高表面积材料领域――美领先，欧次之，日第三；
中国在纳米科技领域的总体水平与美、日、欧相比， 差距还是很大的，尤其是在纳米器件方面差距更为明 显。
实心的纳米棒、纳米线、量子线
朗讯公司和牛津大学: 纳米镊子 碳纳米管“秤”，称量一个病毒的重量
DNA开关
•原子森林由德国实验室托斯顿·邓 卓巴拍摄的这一图像显示了一片 GeSi量子点“森林”，其实，它们 只有15纳米高，直径也只有70纳米。
上时，它们会快速滴落，并带走纳米线上的尘埃。
发达国家的政府和企业纷纷投入大量人力、物力 和财力进行纳米科技的研究和产业化。
目前，美国已在纳米结构组装体系、高比表面积 纳米颗粒制备与合成，以及纳米生物学方面处于领先 地位。在纳米器件、纳米仪器、超精度工程、陶瓷和 其他结构材料方面略逊于欧共体。
日本在纳米器件和复合纳米结构方面有优势，在 分子电子学技术领域也有很强实力，紧随德国之后。 德国在纳米材料、纳米测量技术、超薄膜的研发领域 具有很强的优势。
它的出现标志着人类改造自然的能力已延伸到原子和 分子水平, 标志着人类科学技术水平已进入到一个新时代 -纳米科技时代。
纳米科学技术是多学科交叉, 基础研究和应用开发紧密 联系的集成高新科技。主要包括: 纳米生物学、纳米电子 学、纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米机械学 等新学科领域, 已经并继续对相关各产业领域产生强烈的 影响和渗透。