纳米技术及应用 PPT课件

5．扫描隧道显微镜(STM)
1981年，美国IBM公司设在瑞士苏黎世 的实验室里，物理学家葛·宾尼(G.Binnig) 和罗·海雷尔(H.Rohrer)发明了一种前所 未有的新式显微镜，他们称其为“扫描 隧道显微镜 (Scanning Tunneling Microscope) ”简称STM 。
3. 第三阶段 大量制造复杂的纳米结构物质。
4. 第四阶段 纳米计算机的实现。
5. 第五阶段 科学家们将研制出能够制造动力 源和程序自律化的元件和装置，促进高效 的人工智能进入实际应用阶段。
思考题
1. 什么是纳米结构？什么是纳米技术？ 2. 简述STM的工作原理及其工作特点。 3. 简述纳米材料所具有的特性。 4. 试述纳米技术对我们未来生活的影响。
PEACE ’91
HCRL
4 、移动铁原子
1993年，美国科学家在 低温下，用STM针尖将 48个铁原子排成一个圆 环，并且直接观察到了 电子驻波的图形
而后，他们又成功地移 动铁原子写成了两个汉 字 “原子”。
5 、移动一氧化碳分子
1991年2月IBM公司用STM 针尖移动吸附在金属铂表 面的一氧化碳分子，描绘 出“一氧化碳人”，其身 高为5纳米。
将针尖和样品表面作为两 个电极，当两者之间的距 离足够小时，在电场的作 用下，电子会穿过电极间 的绝缘层，形成 “隧道电
流”，这种效应就是隧道 效应。
STM工作时的特点利用针 尖扫描样品表面，通过隧 道电流获取图像。
（4） STM的结构
STM主要由STM主体、电 子反馈系统、计算机控制 系统及高分辨图象显示终 端组成。
纳米技术及应用
一、纳米与纳米技术
1．纳米
纳米（nanometer）——长度单位
nano是十亿分之一的意思 1纳米是1米的十亿分之一，记作nm
1 nm = 1 × 10-9 m
2. 纳米技术(Nanotechnology)
纳米结构： 是指尺寸在100纳 米以下的微小结构。
纳米技术是指在纳米尺度的范围内， 通过直接操纵和安排原子、分子来 创造新物质材料的技术。
1986 年时，罗雷尔博士被提名为 IBM 公 司的杰出研究人员（IBM Fellow），并且在 1986～1988 年间担任 IBM 公司苏黎士研 究实验室的物理科学部门经理，罗雷尔 博士于 1997 年 7 月从 IBM 公司退休。
我国Βιβλιοθήκη Baidu纳米先锋
为期十年的“纳米 科学攀登计划”和 一系列先进材料的 研究计划是核心活 动。已投入经费约 数千万元人民币。
碳纳米管
C60
C60
C70
金刚石
石墨
碳纳米管，是指用纳米技术将碳做成的细管
纳米技术发展的五个 阶段
以研究分子机械而著称的美国风险企业宰贝 克斯公司的一项预测认为，纳米技术的发展 可能会经历以下五个阶段：
1. 第一阶段 准确地控制原子数量在100个以 下的纳米结构物质。
2. 第二阶段 生产纳米结构物质。
不用洗涤剂的纳米服装
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相继出现。
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
纳米材料的应用与展望
电子和通讯 纳米医疗 化学和材料 能源 制造工业 飞机和汽车 航天 环境保护
CSTM-9000
二、纳米操纵技术
1 、纳米级微加工后的表面
应用隧道效应，用STM可以人为操作表面 中国科学院化学所用自己研制的扫描隧道
显微镜，在石墨晶体表面刻写出一幅中国 地图，并刻写出“中国”两个字。两幅图 像和文字的线条宽度只有10纳米。
中科院化学所的科技人员利用纳米技术 在石墨表面通过搬迁碳原子绘制出世界
应用原子力显微镜等纳米显微术，将单个DNA 链完整地拉直，再对分子链进行切割、弯曲、 修剪，终于“写”出“DNA”三个字母
三、纳米材料的奇异特性
各种纳米材料的特性
莲花叶子表面 的自我洁净
鹅毛和鸭毛的排 列非常整齐，且 毛与毛之间的隙 缝极小，小到纳 米尺寸，所以水 分子无法穿透层 层的鹅毛和鸭毛。
全媒体存储器；平板显示器； 纳米结构药物；微型机器人； 纳米催化剂；纳米陶瓷； 新型电池；氢燃料安全存储； 微细加工；微型机器； 无须洗涤的油漆；不燃塑料； 轻型航天器； 纳米膜；纳米存储器；开关；
未来的理想超级纤维 ──碳纳米管
碳60和巴基球
1985年，美国科学家克劳特和斯莫利等用激光束去 轰击石墨表面，意外地发现了C60。
3. 纳米技术的提出
提出纳米技术 概念的科学家
费曼 （1918~ 1988）
R.P.Feynman
4. 纳米技术的实现与发展
直到放大倍率达千万倍的扫描隧道显微 镜（STM）发明后，纳米技术才真正成 为一门科技技术。
从20世纪90年代初起，纳米科技得到迅 速发展，新名词、新概念不断涌现，像 纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、 纳米生物学等等。
上最小的中国地图
2、 移动氙原子
1990年4月，美国IBM公司的 两位科学家在用STM观测金 属镍表面的氙原子时，由探 针和氙原子的运动受到启示， 尝试用STM针尖移动吸附在 金属镍表面上的氙原子，得 到下图所示的情况。
3、移动硫原子
1991年6月初，日本日立 中心研究室的科技人员利 用STM从二硫化钼晶体表 面上把硫原子有规律的轰 击出来，留下的空位则组 成了英文“PEACE91”的 字样，并附有日立中心实 验室的字头缩写。
宾尼希博士于 1978 年加入了 IBM 公司苏黎士研究实验室的一个物理 研究小组。
1987 年时，宾尼希博士被提名为 IBM 公司的杰出研究人员 （IBM Fellow）。
罗雷尔博士（Heinrich Rohrer）
罗雷尔博士于 1960 年完成博士后研究之 后，随即加入 IBM 新成立的苏黎士研究 实验室，从事 Kondo 材料、反铁磁体 （antiferromagnets）以及其它方面的研究工 作，接着便把研究重心转向扫瞄式穿隧 显微镜。
中科院纳米科技项目 首席科学家白春礼院士
（1）势垒
在两块导电物体之间夹一层绝缘体，若在两个导体之 间加上一定的电压，通常是不会有电流从一个导体穿 过绝缘层流向另一导体的，即：
（2） 隧道效应
假如这层势垒的厚度很窄只有几个纳米时，电子将 穿过而不是越过这层势垒，从而形成电流。
（3） STM的工作原理