纳米材料ppt 纳米科技、性质及应用(专业教育)

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机系统组成。
特备ຫໍສະໝຸດ Baidu考
9
扫描隧道显微镜的工作原理
基本原理是基于量子力学的隧道效应和三维扫描。它是用一个极细的探针(针 尖头部为单个原子)去接近样品表面,当针尖和样品表面靠得很近(小于1纳 米)时,针尖头部的原子和样品表面原子的电子云发生重叠。此时若在针尖和 样品之间加上一个偏压,电子便会穿过针尖和样品之间的势垒而形成纳安级 (10-9 A)的隧道电流;隧道电流对距离非常敏感,保持针尖与样品表面间距 的恒定,控制压电陶瓷使探针沿表面进行精确的三维(x,y,z)移动扫描时,由 于样品表面高低不平而使针尖与样品之间的距离发生变化,而距离的变化引起 了隧道电流的变化;控制和记录隧道电流的变化,并把信号送入计算机进行处 理,就可以得到样品表面高分辨率的三维形貌图像。扫描隧道显微镜一般用于 导体和半导体表面的测定。
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1991年IBM公司的“拼字”科 研小组利用STM把一氧化碳分 子竖立在铂表面上、分子间距 约0.5纳米的“分子人”,这 个“分子人”从头到脚只有5 纳米,堪称世界上最小的人形 图案 。
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1993年中国科学院北京真实物理实验室用STM操纵硅原 子写出“中国”两个字,标志着中国开始在国际纳米科技领 域占有一席之地。(在室温下,用STM的针尖,并通过针尖与硅样品之间的
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纳米科技包括三个研究领域:纳米材料、纳米器件、纳 米尺度的检测与表征。其中纳米材料是纳米科技的基础;纳 米器件的研制水平和应用程度是人类是否进入纳米科技时代 的重要标志;纳米尺度的检测与表征是纳米科技研究必不可 少的手段和理论与实验的重要基础。
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纳米科技的最终目的:是按人的意愿,操纵单个原子、分子, 构建纳米级的具有一定功能的器件或产品。
最早的动意/梦想。
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纳米科技的迅速发展是在1980年代末1990年代初。 1982年,宾尼希(C.Binnig)和罗雷尔(H.Rohrer)等人发 明了费曼所期望的纳米科技研究的重要仪器--扫描隧道 显微镜(scanning tunneling microscopy,STM)。STM不仅 以极高的分辨率揭示出了“可见”的原子、分子微观世界, 同时也为操纵原子、分子提供了有力工具,从而为人类进 入纳米世界打开了一扇更加宽广的大门。
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用STM描绘样品表面三维的原子结构:
硅表面硅原子 STM图象
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高序石墨原子 STM图象
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1990年,纳米技术获得了重大突破。美国IBM公司阿尔马 登研究中心(Almaden Research Center)的科学家展示了 一项令世人瞠目结舌的成果,他们使用STM把35个氙原子移 动到各自的位置,在镍金属表面 组成了“IBM”三个字母,这 三个字母加起来不到3纳米长,成为世界上最小的IBM商标。
纳米科技研究的技术路线:可分为“自上而下”和“自下而上” 两种方式。
“自上而下(top-down)” —— 是指通过微加工或固态技术, 不断在尺寸上将人类创造的功能产品微型化 (传统技术);
传统的生产模式,是从大到小,从上到下的,比如造一个橱,要从粗木 到木材到成品;如造电脑,从半导体硅片,经过切、割、刻、蚀、渗杂 等许多步骤,变成电子元器件,这个过程,原材料浪费大、能耗大。
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“自下而上(bottom-up)” —— 是指以原子、分子为基本单元, 根据人们的设计和组装,从而构筑成具有特定功能的产品, 这主要是意愿进行利用化学和生物学技术 (纳米技术) 。
1 m
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红血球:200300nm
细菌: 200-600nm
胃幽门 螺杆菌
病毒: 30-100nm
纳米粒子与病毒大小相当
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2、什么是纳米科技?
最早提出纳米尺度上科学和技术问题的 是美国著名物理学家、诺贝尔奖金获得者 理查德·费曼(Richard P Feynman)。
• 1959年费曼在一次题为《在底部还有很大空间》(“There is
Plenty of Room at the Bottom. ”)著名的演讲中提出 “如果有
一天能按人的意志安排一个个原子和分子,将会产生什么样的奇
迹呢?”并预言,说人类可以用新型的微型化仪器制造出更小的
机器,最后人们可以按照自己的意愿从单个分子甚至单个原子开
始组装,制造出最小的人工机器来。可以说这些都是纳米技术的
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扫描隧道显微镜
STM头部
扫描隧道显微镜具有很高的空间分辨率,横向可达0.1
纳米,纵向可优于0.01纳米。它主要用来描绘表面三
维的原子结构图,在纳米尺度上研究物质的特性,还
由STM头部、电子学处理 可以实现对表面的纳米加工,如直接操纵原子或分子,
系统,减震系统以及计算 完成对表面的剥蚀、修饰以及直接书写等。
“纳”(nano)来自于希腊文,本意 是“矮子”或”侏儒”(dwarf)的意思。
纳米结构: 通常是指尺寸在100纳米以下(1-100nm)
的微小结构。
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一纳米有多小?
Human Hair
100 m
Take 1 slice
Human Hair
100 slices
Take 1 slice
1nm 1000 slices
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1
主要内容
一、纳 米 和 纳 米 科 技
二、纳米材料的概念和分类
三、纳米材料的性质及应用
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2
一、纳米和纳米科技
纳米在哪里?
早在中国古代,安徽出的墨,从烟道里扫出来后 一遍遍地筛,研制出来的墨非常细非常均匀、饱满, 写字非常好,这实际就是纳米颗粒。
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3
1、什么是纳米?
纳米不是“ 米”,是长度计量单位,一米的十 亿分之一(10-9米) ,万分之一头发粗细(人的头发 直径约为80-100微米 ),形象地讲,一纳米的物体 放到乒乓球上,就像一个乒乓球放在地球上一般。
相互作用,把硅晶体表面的原子拨出,从而在表面上形成“中国”的图形。)
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中国科学院化学所的科技人员利用STM在石墨表面上 通过搬迁碳原子绘制出的世界上最小的中国地图。
世界上最小的中国地图
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目前科技界普遍公认的纳米科技的定义是:在纳 米尺度(1~100纳米)上研究物质(包括原子、分子 的操纵)的特性和相互作用,以及如何利用这些特性 和相互作用的具有多学科交叉性质的科学和技术。纳 米科技与众多学科密切相关,它是一门体现多学科交 叉性质的前沿领域。
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