神奇的纳米技术PPT课件
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1990年，美国加州的IBM研究室，利用STM，于低温下在镍的表面上将 35个氙原子排布成最小的IBM商标。
日本研究室实现了在室温下进行单原子操纵，以原子空穴的形式写下了 “peace’91”的字样。
中国科学院北京真空实验室科研人员，使用扫描隧道显微镜获得了硅原 子“毛泽东” ，此图比真迹（100nm）放大约120万倍。
2019/9/21
14
三、纳米材料
1、纳米材料的分类
纳米材料
纳米超微粒子 纳米固体材料
粒子尺寸为1～100纳米的超微粒子 由纳米超微粒子制成的固体材料
根据不同的结构，可分为四类：
纳米材料
纳米结构晶体或三维纳米结构 二维纳米结构或纤维状纳米结构 一维纳米结构或层状纳米结构
零维原子簇或簇状组装
2019/9/21
年度
美国 日本 西欧 其他国家(注)
合计
1997年
116 120 126 70
432
2000年
270 245 200 110
825
2001年
422 ~465 ~270 ~380
1492
2002年
604 ~650 ~400 ~520
2174
注：其他国家包括：澳大利亚、加拿大、中国、东欧、 俄罗斯、以色列、韩国、新加坡
2019/9/21
6
中国纳米研究情况
20世纪80年代后期开始。 2001~2005年政府投入20亿资金用于纳米研究，资金投入领域为 纳米材料、纳米电子工程学、纳米生物学、纳米电气系统、测量及评 价技术。 中国在纳米材料的有关研究和开发上颇有特色，例如氧化锌、氧 化钛、氧化硅等纳米粒子及粉未材料。 2002年2月，中国成立了国家纳米科学中心。
2019/9/21
3
谁要想在21世纪领先于世界，谁就必须掌握纳米 技术这一关健技术。人们强烈地期待着它能在材料科 学、电子仪器、信息通讯、环境和能源、生物、制药 及医学等领域，带来广泛的突破性进展。
2019/9/21
4
日本《关于促进纳米技术和纳米材料研究开发的方案》
⑴新一代通讯用纳米器件 ⑶单分子元件及集成 ⑸新一代光子学的基础原理 ⑺超高感度智能传感器技术 ⑼纳米构造的能量贮藏/转换材料 ⑾纳米空间材料 ⒀纳米管/富勒烯 ⒂纳米混合构造材料 ⒄纳米自旋电子设备 ⒆纳米测量
17
纳米铁、银、铜的形貌图
2019/9/21
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3、纳米微粒的特性
当小微粒尺寸进入纳米数量级(1~100纳米)时，其本身和由它构成的纳米固 体具有许多传统固体不具备的特殊性质。
2019/9/21
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原子字“毛泽东”
2019/9/21
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探针“捡起” 该原子
单个氙原子静置 在镍原子表面上
原子操作过程的STM像
2019/9/21
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STM的针尖在铜表面上搬运和操纵原子，形成干涉纹
上图显示了扫描隧道显微镜的针尖在铜表面上搬运和操纵48个原子，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，同时向圆内的电子相互 干涉，形成干涉纹。
2ห้องสมุดไป่ตู้
2、纳米技术
纳米科学技术是20世纪80年代末诞生并正在蓬勃发展 的一种高新科技。它的内容是在纳米尺寸范围内(0.1nm－ 100nm)认识和改造自然。通过直接操纵和安排原子、分子 而创造新物质。它的出现标志着人类改造自然的能力已延 伸到分子、原子水平，标志人类科学技术已进入一个新的 时代——纳米科技时代。
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0.零维
纳米材料结构示意图
1.一维
2.二维
3.三维
2019/9/21
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2、纳米微粒的制备
纳米微粒的制法
物理方法：蒸发冷凝法、离子溅射法、机械研磨法、 低温等离子法、氢脆法、电火花法和爆炸法
化学方法：水热法、水解法、熔融法
综 合 法：激光诱导化学沉淀法、等离子加强化学沉淀法
2019/9/21
2019/9/21
7
二、观察原子世界的眼睛──扫描隧道显微镜
1、观察微观世界的工具
科学技术的进步总是与工具的进步密切相关的。自从有了人类文明以来，人 们就一直为探索微观世界的奥秘而不懈地努力。
1674年，荷兰科学家列文·虎克发明了世界上第一台光学显微镜，观察到了 血红细胞水平，分辨率大约为10-6米～10-7m。
神奇的纳米技术
“如果有一天能按人的意志安排一个原子和分子，将会产生什么样的奇迹呢？” R.P.Feynman
2019/9/21
1
一、纳米和纳米技术
1、纳米
纳米(nanometer)是一个长度单位，简写为nm 1nm=10-3μm=10-6mm=10-9m 1nm=10Å （1Å=10-10m）
2019/9/21
根据经典电学的常识，导体没接上，应该没有电流通过。 根据量子力学，当具有电位势差的两个导体之间的距离小到一定的 程度时，电子将存在一定的几率穿透两个导体之间的势垒，从一端向另 一端跃迁，这种电子跃迁的现象在量子力学中称为隧道效应，而跃迁形 成的电流称为隧道电流。
2019/9/21
9
3、扫描隧道显微镜的工作原理
⑵超集成系统及其元件/材料研究 ⑷量子元件的探索及研究 ⑹生物分子元件 ⑻医疗IT化，药物转输/纳米机器 ⑽纳米构造控制催化材料 ⑿超分子控制 ⒁纳米束子和纳米粒子 ⒃纳米构造控制/功能材料 ⒅纳米造型 ⒇纳米模拟试验
2019/9/21
5
全世界在纳米技术方面的政府研究开发投资额比较(单位：百万美元)
利用加上高电压的探针与样品，在近距离（<0.1纳米）时产生的隧道电流 来“看见”原子。
STM探针和待测物体间流动的 隧道电流，与探针和待测物体之间 的距离存在着指数函数关系，即使 极其微小的距离差异也可以捕捉到 隧道电流的变化。
2019/9/21
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4、扫描隧道显微镜的应用
扫描隧道显微镜的发明，不仅可以直接观察原子、分子，而且能够利用 STM直接操纵和安排原子和分子，这就实现了人们由来已久的两个幻想，一 是直接看到原子，二是按人们的意愿去安排原子、分子。
1973年，德国科学家恩斯特·鲁斯卡成功地发明了电子显微镜 ，观察病毒，
分辨率达10-8m。
1980年，美国科学家葛·宾尼和海·罗瑞尔发明了扫描隧道显
微镜(STM)，观察到原子，分辨率：横向0.1nm，纵向0.01nm。
(1986年获得诺贝尔物理学奖)
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8
2、隧道效应
在一段导体的两端施加电压，导体就会有电流通过。 如果把这导体弄断并分开，电流就没有了！ 如果我们把这断为两截的导体放得非常近（＜1nm），情况如何？
日本研究室实现了在室温下进行单原子操纵，以原子空穴的形式写下了 “peace’91”的字样。
中国科学院北京真空实验室科研人员，使用扫描隧道显微镜获得了硅原 子“毛泽东” ，此图比真迹（100nm）放大约120万倍。
2019/9/21
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三、纳米材料
1、纳米材料的分类
纳米材料
纳米超微粒子 纳米固体材料
粒子尺寸为1～100纳米的超微粒子 由纳米超微粒子制成的固体材料
根据不同的结构，可分为四类：
纳米材料
纳米结构晶体或三维纳米结构 二维纳米结构或纤维状纳米结构 一维纳米结构或层状纳米结构
零维原子簇或簇状组装
2019/9/21
年度
美国 日本 西欧 其他国家(注)
合计
1997年
116 120 126 70
432
2000年
270 245 200 110
825
2001年
422 ~465 ~270 ~380
1492
2002年
604 ~650 ~400 ~520
2174
注：其他国家包括：澳大利亚、加拿大、中国、东欧、 俄罗斯、以色列、韩国、新加坡
2019/9/21
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中国纳米研究情况
20世纪80年代后期开始。 2001~2005年政府投入20亿资金用于纳米研究，资金投入领域为 纳米材料、纳米电子工程学、纳米生物学、纳米电气系统、测量及评 价技术。 中国在纳米材料的有关研究和开发上颇有特色，例如氧化锌、氧 化钛、氧化硅等纳米粒子及粉未材料。 2002年2月，中国成立了国家纳米科学中心。
2019/9/21
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谁要想在21世纪领先于世界，谁就必须掌握纳米 技术这一关健技术。人们强烈地期待着它能在材料科 学、电子仪器、信息通讯、环境和能源、生物、制药 及医学等领域，带来广泛的突破性进展。
2019/9/21
4
日本《关于促进纳米技术和纳米材料研究开发的方案》
⑴新一代通讯用纳米器件 ⑶单分子元件及集成 ⑸新一代光子学的基础原理 ⑺超高感度智能传感器技术 ⑼纳米构造的能量贮藏/转换材料 ⑾纳米空间材料 ⒀纳米管/富勒烯 ⒂纳米混合构造材料 ⒄纳米自旋电子设备 ⒆纳米测量
17
纳米铁、银、铜的形貌图
2019/9/21
18
3、纳米微粒的特性
当小微粒尺寸进入纳米数量级(1~100纳米)时，其本身和由它构成的纳米固 体具有许多传统固体不具备的特殊性质。
2019/9/21
11
原子字“毛泽东”
2019/9/21
12
探针“捡起” 该原子
单个氙原子静置 在镍原子表面上
原子操作过程的STM像
2019/9/21
13
STM的针尖在铜表面上搬运和操纵原子，形成干涉纹
上图显示了扫描隧道显微镜的针尖在铜表面上搬运和操纵48个原子，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，同时向圆内的电子相互 干涉，形成干涉纹。
2ห้องสมุดไป่ตู้
2、纳米技术
纳米科学技术是20世纪80年代末诞生并正在蓬勃发展 的一种高新科技。它的内容是在纳米尺寸范围内(0.1nm－ 100nm)认识和改造自然。通过直接操纵和安排原子、分子 而创造新物质。它的出现标志着人类改造自然的能力已延 伸到分子、原子水平，标志人类科学技术已进入一个新的 时代——纳米科技时代。
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0.零维
纳米材料结构示意图
1.一维
2.二维
3.三维
2019/9/21
16
2、纳米微粒的制备
纳米微粒的制法
物理方法：蒸发冷凝法、离子溅射法、机械研磨法、 低温等离子法、氢脆法、电火花法和爆炸法
化学方法：水热法、水解法、熔融法
综 合 法：激光诱导化学沉淀法、等离子加强化学沉淀法
2019/9/21
2019/9/21
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二、观察原子世界的眼睛──扫描隧道显微镜
1、观察微观世界的工具
科学技术的进步总是与工具的进步密切相关的。自从有了人类文明以来，人 们就一直为探索微观世界的奥秘而不懈地努力。
1674年，荷兰科学家列文·虎克发明了世界上第一台光学显微镜，观察到了 血红细胞水平，分辨率大约为10-6米～10-7m。
神奇的纳米技术
“如果有一天能按人的意志安排一个原子和分子，将会产生什么样的奇迹呢？” R.P.Feynman
2019/9/21
1
一、纳米和纳米技术
1、纳米
纳米(nanometer)是一个长度单位，简写为nm 1nm=10-3μm=10-6mm=10-9m 1nm=10Å （1Å=10-10m）
2019/9/21
根据经典电学的常识，导体没接上，应该没有电流通过。 根据量子力学，当具有电位势差的两个导体之间的距离小到一定的 程度时，电子将存在一定的几率穿透两个导体之间的势垒，从一端向另 一端跃迁，这种电子跃迁的现象在量子力学中称为隧道效应，而跃迁形 成的电流称为隧道电流。
2019/9/21
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3、扫描隧道显微镜的工作原理
⑵超集成系统及其元件/材料研究 ⑷量子元件的探索及研究 ⑹生物分子元件 ⑻医疗IT化，药物转输/纳米机器 ⑽纳米构造控制催化材料 ⑿超分子控制 ⒁纳米束子和纳米粒子 ⒃纳米构造控制/功能材料 ⒅纳米造型 ⒇纳米模拟试验
2019/9/21
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全世界在纳米技术方面的政府研究开发投资额比较(单位：百万美元)
利用加上高电压的探针与样品，在近距离（<0.1纳米）时产生的隧道电流 来“看见”原子。
STM探针和待测物体间流动的 隧道电流，与探针和待测物体之间 的距离存在着指数函数关系，即使 极其微小的距离差异也可以捕捉到 隧道电流的变化。
2019/9/21
10
4、扫描隧道显微镜的应用
扫描隧道显微镜的发明，不仅可以直接观察原子、分子，而且能够利用 STM直接操纵和安排原子和分子，这就实现了人们由来已久的两个幻想，一 是直接看到原子，二是按人们的意愿去安排原子、分子。
1973年，德国科学家恩斯特·鲁斯卡成功地发明了电子显微镜 ，观察病毒，
分辨率达10-8m。
1980年，美国科学家葛·宾尼和海·罗瑞尔发明了扫描隧道显
微镜(STM)，观察到原子，分辨率：横向0.1nm，纵向0.01nm。
(1986年获得诺贝尔物理学奖)
2019/9/21
8
2、隧道效应
在一段导体的两端施加电压，导体就会有电流通过。 如果把这导体弄断并分开，电流就没有了！ 如果我们把这断为两截的导体放得非常近（＜1nm），情况如何？