纳米科学与技术-纳米结构单元
纳米材料【可编辑全文】
可编辑修改精选全文完整版绪论1、纳米科技的提出：源自于费曼大师1959年在美国物理学会年会上的一次演讲。
Richard Feynman：世界上首位提出纳米科技构想的科学家。
2、纳米材料（1）纳米材料的定义：物质结构在三维空间至少有一维处于纳米尺度，或由纳米结构单元组成且具有特殊性质的材料（也是以维数划分纳米材料的原因）（2）纳米尺度：1-100 nm范围的几何尺；纳米的单位:1 nm = 10^-9 m，即千分之一微米(μm)。
（3）纳米结构单元：具有纳米尺度结构特征的物质单元，包括纳米团簇、纳米颗粒、纳米管、纳米线、纳米棒、纳米片等（4）纳米材料的维度：○1零维：纳米团簇、纳米颗粒、量子点（三维尺度均为纳米级，没有明显的取向性，近等轴状）○2一维：纳米线、纳米棒、纳米管（单向延伸、二维尺度为纳米级、第三维尺度不限，、直径大于100 nm，具有纳米结构）○3二维：纳米片、纳米带、超晶格、纳米薄膜（一维尺度为纳米级，面状分布，，厚度大于100 nm，具有纳米结构）○4三维：纳米花、四脚针等（包含纳米结构单元，三维尺寸均超过纳米尺度，由不同型低维纳米结构单元复合形成）（5）纳米材料的分类○1具有纳米尺度外形的材料○2以纳米结构单元作为主要结构组分所构成的材料3、久保理论：即金属的超微粒子将出现量子限域效应，显示出与块体金属显著不同的性能；金属纳米粒子，量子限域效应。
4、扫描隧道电子显微镜(STM)：将探针靠近导电材料表面进行扫描，获得表面图像。
分辨率达0.1~0.2 nm，可以直接观察和移动原子。
5、原子力显微镜(AFM)：利用针尖和材料原子间的相互微弱作用力来获得材料表面的形貌图像。
可用于研究半导体、导体和绝缘体。
AFM三大特点：原子级高分辨率、观察活生命样品和加工样品的力行为成就。
6、纳米科技的研究内容：纳米科学、纳米技术与纳米工程分支学科：纳米力学：研究物体在纳米尺度的力学性质纳米物理学：研究物质在纳米尺度上的物理现象及表征纳米化学：研究纳米尺度范围的化学过程及反应纳米生物学：利用纳米的手段解决生物学问题，在分子水平揭示细胞内外的物质、能量与信息交换机制；纳米医学：利用纳米科技解决医学问题的边缘交叉学科纳米材料学：包括纳米材料的成分、结构、性能与使用效能四个方面。
纳米材料
绪论1、纳米科技的提出：源自于费曼大师1959年在美国物理学会年会上的一次演讲。
Richard Feynman：世界上首位提出纳米科技构想的科学家。
2、纳米材料（1）纳米材料的定义：物质结构在三维空间至少有一维处于纳米尺度，或由纳米结构单元组成且具有特殊性质的材料（也是以维数划分纳米材料的原因）（2）纳米尺度：1-100 nm范围的几何尺；纳米的单位:1 nm = 10^-9 m，即千分之一微米(μm)。
（3）纳米结构单元：具有纳米尺度结构特征的物质单元，包括纳米团簇、纳米颗粒、纳米管、纳米线、纳米棒、纳米片等（4）纳米材料的维度：○1零维：纳米团簇、纳米颗粒、量子点（三维尺度均为纳米级，没有明显的取向性，近等轴状）○2一维：纳米线、纳米棒、纳米管（单向延伸、二维尺度为纳米级、第三维尺度不限，、直径大于100 nm，具有纳米结构）○3二维：纳米片、纳米带、超晶格、纳米薄膜（一维尺度为纳米级，面状分布，，厚度大于100 nm，具有纳米结构）○4三维：纳米花、四脚针等（包含纳米结构单元，三维尺寸均超过纳米尺度，由不同型低维纳米结构单元复合形成）（5）纳米材料的分类○1具有纳米尺度外形的材料○2以纳米结构单元作为主要结构组分所构成的材料3、久保理论：即金属的超微粒子将出现量子限域效应，显示出与块体金属显著不同的性能；金属纳米粒子，量子限域效应。
4、扫描隧道电子显微镜(STM)：将探针靠近导电材料表面进行扫描，获得表面图像。
分辨率达0.1~0.2 nm，可以直接观察和移动原子。
5、原子力显微镜(AFM)：利用针尖和材料原子间的相互微弱作用力来获得材料表面的形貌图像。
可用于研究半导体、导体和绝缘体。
AFM三大特点：原子级高分辨率、观察活生命样品和加工样品的力行为成就。
6、纳米科技的研究内容：纳米科学、纳米技术与纳米工程分支学科：纳米力学：研究物体在纳米尺度的力学性质纳米物理学：研究物质在纳米尺度上的物理现象及表征纳米化学：研究纳米尺度范围的化学过程及反应纳米生物学：利用纳米的手段解决生物学问题，在分子水平揭示细胞内外的物质、能量与信息交换机制；纳米医学：利用纳米科技解决医学问题的边缘交叉学科纳米材料学：包括纳米材料的成分、结构、性能与使用效能四个方面。
纳米 材料第二章 纳米材料与技术
4.3 纳米材料的表面效应
➢表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比
随着粒子尺寸的减小而大幅度的增加，粒子的表面能 及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子物理、化 学性质的变化。
1.比表面积的增加
➢ 比表面积常用总表面积与质量或总体积的比值表示。质量比表面积、 体积比表面积
➢ 当颗粒细化时，粒子逐渐减小时，总表面积急剧增大，比表面积相 应的也急剧加大。
2、纳米材料的发展趋势
➢ 探索和发现纳米材料的新现象、新性质
➢ 根据需要设计纳米材料，研究新的合成和制备方法
以及可行的工业化生产技术
➢ 深入研究有关纳米材料的基本理论
第四节 纳米材料的基本效应
4.1 纳米材料的量子尺寸效应 一、原子分立尺寸能效级应
如：各种元素都具有自己特定的光谱线，如氢原子和钠 原子分立的光谱线。 ——作用: 原子光谱，可鉴别外来天体中的元素。 ——对于分子：分子轨道理论 共价键理论
拆开它们是需要能量的，高强度的电场和磁场都能使
之拆开而由超导态进入正常态。
二、磁通量子——磁力线的分布，用磁场作用于铁屑
可直接观察，即磁通量也是量子化的。
三、宏观量子现象
为了区别单个电子、质子、中子等微观粒子的微 观量子现象，把宏观领域出现的量子效应称为宏观量 子效应。
四、宏观量子隧道效应
➢微观粒子具有隧穿势垒的能力称为隧道效应。
3、表面能
铜微粒与表面能
粒径 1mol铜原子的 一个粒子的
/nm
微粒数
质量/g
表面积 /cm2
10
7.1×1018
9.07×10-18 4.2×107
表面能/J 5.8×106
100
7.1×1015
纳米材料和纳米结构
纳米材料和纳米结构1.纳米材料的概念：纳米材料是指至少在一维尺寸（长度、宽度或厚度）上具有纳米级尺寸的材料。
一般而言，纳米材料的尺寸在1到100纳米之间。
由于其尺寸处于纳米级别，纳米材料的物理、化学和生物学性质通常与宏观材料有显著的差异，具有更高的比表面积、改变了能带结构以及大量的界面等特殊性质。
2.纳米结构的概念：纳米结构是指由多个纳米尺寸的单元组成的结构。
一般而言，纳米结构的尺寸在1到100纳米之间。
与纳米材料相比，纳米结构更注重材料的组织和排列方式。
通过控制纳米材料的组织结构，可以调控纳米材料的性质和功能。
3.纳米材料的制备方法：纳米材料的制备方法非常多样，常见的方法有物理方法、化学方法和生物方法等。
物理方法包括溅射法、化学气相沉积法、溶胶凝胶法和机械法等。
这些方法主要是通过物理手段控制材料原子或分子的排列方式，从而获得纳米级尺寸的材料。
化学方法包括溶剂热法、水热法、水热合成法和溶胶-凝胶法等。
这些方法主要是通过化学反应调控材料的成核和生长过程，从而制备出具有纳米级尺寸的材料。
生物方法包括生物合成法和生物模板法等。
这些方法利用生物体或其产物作为模板，通过生物体内的生物酶或有机物质参与反应，可以制备出纳米级尺寸的材料。
4.纳米材料的性质：纳米材料由于其尺寸与宏观材料相比的差异，具备许多独特的性质。
首先，由于纳米材料的比表面积很大，表面原子和分子数目较多，使得纳米材料具有更高的催化活性，可以应用于催化剂和催化反应加速剂等领域。
其次，纳米材料的能带结构由于量子效应的影响而发生改变，出现了与宏观材料不同的能带分布和能带宽度，导致纳米材料的光学、电学和磁学性质产生变化。
这一特性使得纳米材料在光催化、光电子器件和磁性材料等领域有着广泛的应用。
另外，纳米材料中存在着大量的界面，这些界面可以提高材料的强度和硬度，改善材料的力学性能。
同时，纳米材料的特殊界面还可以实现对材料的精确控制，从而获得更多样的物理和化学性质。
纳米技术PPT课件
天然：
•天体的陨石碎片，人体和兽类的牙齿
•蜜蜂：蜜蜂的体内存在磁性的纳米粒子， 具有“罗盘”的导航作用，并利用这种 “罗盘”来确定其周围环境在自己头脑里 的图像而判明方向。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
§6.6.5 纳米结构和纳米材料的应用
一、纳米结构的应用 1、量子磁盘与高密度磁存储 2、高密度记忆存储元件 3、高效能量转化纳米结构 (1) 高效再生锂电池： (2)太阳能电池： (3)热电转化
纳米材料——凝聚态物理 纳米材料——半导体材料 纳米材料——化学 纳米材料——复合材料 纳米材料——医学药物
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
§6.6.4 纳米材料在高科技中的地位
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
1963年，Uyeda及其合作者用气体冷凝法， 对单个的金属超微颗粒的形貌和晶体结构进 行了透射电子显微镜研究。
1970年，江崎与朱兆祥首先提出了半导体 超晶格的概念，张立纲和江崎等在实验中实 现了量子阱和超晶格，观察到了极其丰富的 物理效应。
四、光学应用
材料科学纳米结构的设计和调控技术解析
材料科学纳米结构的设计和调控技术解析引言：纳米科技作为当今世界科技领域最具前沿性的领域之一，其研究和应用给人类社会带来了巨大的变革与发展。
材料科学作为纳米科技的重要组成部分，主要研究物质的结构、性质以及应用，而纳米结构的设计和调控技术则是材料科学中的一个关键领域。
本文将从纳米结构的定义、设计和调控技术的原理、应用等方面进行解析，以期为读者提供全面的了解。
一、纳米结构的定义纳米结构是指至少在一个维度上具有尺寸在纳米尺度的物质结构。
纳米尺度一般指10^-9米以下的尺度范围。
纳米结构的特殊之处在于其尺寸与物质的特性之间存在紧密的关联。
由于尺寸的变化，纳米结构的物理、化学和生物特性与传统的宏观材料有着明显的不同。
因此，纳米结构的设计和调控技术成为展开纳米科技研究和应用的基础。
二、纳米结构的设计原理1. 自组装技术自组装技术是一种基于分子间相互作用力的方法，通过控制分子的自组装行为来构造纳米结构。
自组装技术主要包括溶液自组装和固体自组装两种方式。
溶液自组装是将某种物质溶解于溶液中，通过调节溶液的条件（如温度、浓度、pH值等）使物质自发地形成纳米结构。
固体自组装则是利用表面修饰的方法，将分子沉积或排列在固体基板上，形成具有特定结构的纳米层、纳米颗粒或纳米线。
2. 等离子体刻蚀技术等离子体刻蚀技术是一种将离子束或等离子体与材料表面相互作用，实现材料去除或修饰的方法。
通过调节等离子体的能量、密度和离子束的轰击角度，可以在纳米尺度上精确控制材料的形貌和结构。
等离子体刻蚀技术通常用于制备纳米颗粒、纳米线或纳米孔等纳米结构的材料。
3. 模板法模板法是一种将模板作为媒介来制备纳米结构的方法。
通过在模板表面上沉积或填充材料，并在模板的尺寸和形貌上进行选择性去除或转移，可以得到具有特定形貌和尺寸的纳米结构材料。
常用的模板材料包括有序排列的胶体颗粒、多孔膜、纳米线等。
三、纳米结构的调控技术1. 化学合成方法化学合成方法是一种通过控制反应条件、添加不同配体或改变反应物比例等手段，在溶液相中合成具有特定形貌和尺寸的纳米结构材料。
纳米技术 第二讲 纳米材料及纳米结构
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零维（0D）纳米材料
silica nanoparticles
Pt nanoparticles
一维（1D）纳米材料
金纳米棒
碳纳米管
硅纳米线
ZnO纳米带
二维（2D）材料
“绽放在纳米世界的火红玫瑰” 磁控溅射法在单晶NaCl 衬底上制作Cu纳米薄膜 ，样品厚度约15nm 。
导电性能的转变
1）与常规材料相比， Pd纳米相固体的比电阻 增大； 2）比电阻随粒径的减 小而逐渐增加； 3）比电阻随温度的升 高而上升。
■— 10nm; ▲— 12nm; X — 13nm; + — 22nm; ▼— 25nm; □ — 粗晶。
表面效应
表面效应（Surface Effect） 随着颗粒直径的变小，比表面积（表面积/体积）显著 地增加，颗粒表面原子数相对增多，从而使这些表面原 子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样 的特性，这就是表面效应，又称界面效应。 超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会 迅速氧化而燃烧。如要防止自燃，可采用表面包覆或有 意识地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄而致 密的氧化层，确保表面稳定化。利用表面活性，金属超 微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料。
光谱线频移
纳米颗粒的吸收带通常发生蓝移。 SiC纳米颗粒的红外吸收峰为814cm-1，而块体SiC 固体为794cm-1。 CdS溶胶颗粒的吸收光谱随着尺寸的减小逐渐蓝移 （如下图所示）。 CdS溶胶颗粒 在不同尺寸下 的吸收光谱 谱线1：6nm; 谱线2：4nm; 谱线3：2.5nm; 谱线4：1nm
assembling system）、人工组装合成的纳米结构的材料体系或者 称为纳米尺度的图案材料（patterning materials on the nanometer scale）越来越受到重视。特点是强调按人们的意愿设计、组装、 创造新的体系，更有目的地使该体系具有人们所希望的特性，这也 是实现费曼预言，创造新奇迹的起点。
纳米科学与技术
纳米科学与技术纳米科学与技术：凝聚小世界，创造巨大成就引言纳米科学与技术是21世纪以来蓬勃发展的领域，被誉为科技领域的"黄金竞技场"。
纳米科学与技术利用纳米材料的特殊性质和纳米尺度的精确控制，使得我们能够在纳米级别上进行设计、制备和操控，从而创造出许多前所未有的奇迹与成就。
本文将介绍纳米科学与技术的概念、应用领域以及带来的革命性变革。
第一部分纳米科学与技术的概念纳米科学与技术是一门研究物质在纳米尺度下（10^-9米）的特性、制备方法以及在材料、生命科学和能源等领域中的应用的新兴学科。
在纳米尺度下，物质的性质与其宏观尺度下有很大的差异。
纳米科学与技术的发展使得我们能够精确地控制和调节物质的纳米结构和性能，进一步扩展了材料科学和生命科学的研究范围。
第二部分纳米科学与技术的应用领域2.1 材料科学领域纳米科学与技术在材料科学领域中拥有广泛的应用。
通过调控纳米材料的形貌、粒径、表面活性以及相互作用等特性，我们可以创造出许多新的材料。
例如，纳米颗粒的特殊性质使其成为具有广阔前景的功能材料，例如金属纳米颗粒在催化反应中显示出优异的性能，纳米复合材料在光学、电子、能源等领域中具有广泛的应用前景。
2.2 生命科学领域纳米科学与技术在生命科学领域中也发挥着重要的作用。
纳米材料可以用于生物分析、靶向治疗、药物传输等方面的研究。
纳米颗粒的特殊性质使其能够在体内靶向运输药物，减少药物剂量并降低副作用。
此外，纳米尺度上的材料与生物分子的相互作用也为生物学的研究提供了新的工具和途径。
2.3 能源领域纳米科学与技术在能源领域中显示出巨大的应用潜力。
纳米材料的特殊性质可以改变电子和离子的传输性能，因此可以用于开发高效的电池和太阳能电池。
纳米材料还可以用于制备高效的催化剂，提高能源转化效率。
此外，纳米材料还可以用于制备高效的热障涂层，用于提高航空航天器的燃烧效率。
第三部分纳米科学与技术的革命性变革纳米科学与技术的发展引发了许多革命性的变革。
纳米材料的结构特征
2007物理诺贝尔奖介绍
瑞典皇家科学院诺贝尔奖评委会9号宣布，法国 科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔因 1988年先后各自独立发现“巨磁电阻”效应而共同 获得2007年诺贝尔物理学奖。
阿尔贝·费尔
彼得·格林贝格尔
纳米材料的结构特征
纳米材料的机构特征
一、自然界中的纳米结构与纳米材料 二、纳米材料概论 三、纳米材料的分类
3.1、纳米微粒 3.2、纳米固体 3.3、纳米纤维 3.4、纳米薄膜
一、 自然界中的纳米结构与纳米材料
从纳米科技发展历史的角度来讲，1861年随着胶体化 学的建立，科学家们才开始对直径为1-100 nm的粒子 体系进行研究工作；真正有意识进行纳米粒子实验的 是20世纪30年代日本人为了军事目的进行的“沉烟实 验”,1959年著名物理学家、诺贝尔奖获得者费曼发 表了重要演讲，提出了纳米技术的设想，之后纳米材 料和纳米科技得到了蓬勃的发展。但是，“纳米”并 不是人类的专利，早在宇宙诞生之初，它们就存在了。
纳米材料的晶界组元
晶界组元：纳米材料中 晶界占有很大的体积分 数，因而，对纳米材料 来说，晶界不仅仅是一 种缺陷，更重要的是构 成纳米材料的一个组元， 即晶界组元，是评定纳 米材料的一个重要参数。
（1）纳米固体材料的结构组成 (A)纳米晶体材料的组成：晶粒组元(所有原子都位
于晶粒的格点上) ＋晶界组元； (B)纳米非晶材料的组成：非晶组元＋界面组元； (C)纳米准晶材料的组成：准晶组元＋界面组元。
纳米热电材料
纳米储能材料
3.1、纳米微粒 定义尺度
颗粒：指在一定尺寸范围内具有特定形状的几何体。这里所说的一 定一定尺寸一般在毫米到纳米之间，颗粒不仅指固体颗粒，还有雾 滴、油珠等液体颗粒。 一般而言，在室温下，物理化学性质发生显著变化的颗粒尺寸，多数 处于0.1微米以下，因而从功能材料角度出发，可以将超细微颗粒尺 寸的上限定位0.1微米，即100纳米。 目前机械法粉碎获得颗粒的尺寸一般只能到1微米。超微颗粒是指超 越常规制粉手段所获得的微粒。因此1微米可作为超微颗粒的上限， 所以笼统的说超微颗粒尺寸在1到1000纳米之间（小于1微米）。大 于1微米就是通常的微粉，小于1纳米的粒子称为原子簇。 超细微颗粒也被称为纳米粒子，纳米颗粒、纳米微粒等。
纳米科学与技术第一章
• 纳米科技研究涉及一系列快速发展的设备和工 业流程， 业流程 ， 要求对单一的原子或分子簇进行加工 处理， 这些材料通常只有1纳米到 纳米到100纳米大小 。 纳米大小。 处理 ， 这些材料通常只有 纳米到 纳米大小 • 在纳米级别，一些传统材料可以表现出其有价 值的特性，如不同寻常的强度、电导性或者通 过肉眼无法察觉的某些性质，可以通过对不同 纳米级材料间的重新组合制造出新的药物、新 的食品和设备，将对全球经济产生巨大的影响。
• 绪论 (Introduction)
• 美国卢克斯研究公司 美国卢克斯研究公司2005调查报告 调查报告: 调查报告
• 2004年美国联邦政府在纳米技术领域投入了 年美国联邦政府在纳米技术领域投入了10 年美国联邦政府在纳米技术领域投入了 亿美元，各州又另外投入了4亿美元 亿美元。 亿美元，各州又另外投入了 亿美元。 • 迄今只有很少一些纳米技术产品走向市场，也 迄今只有很少一些纳米技术产品走向市场， 几乎没有盈利，但对纳米技术的前景保持乐观。 几乎没有盈利，但对纳米技术的前景保持乐观。 • 1997年各国政府对纳米技术的投入总计不到 年各国政府对纳米技术的投入总计不到5 年各国政府对纳米技术的投入总计不到 亿美元， 年就增长到35亿美元 亿美元，到2003年就增长到 亿美元。 年就增长到 亿美元。 • (摘自：科技日报 2005-01-27) 摘自： 摘自
• 2008年美国《探索》杂志列举的9大最佳纳米产品： • 1、纳米啤酒瓶 纳米复合材料 、纳米啤酒瓶—纳米复合材料 • 米勒醇酒公司采用黏土纳米材料 黏土纳米材料制造塑料啤酒瓶， 黏土纳米材料 可保留二氧化碳，不让氧气轻易进入，避免啤酒 变质，而且不易碎裂。但一些消费者关注纳米材 料用于食物包装是否安全 食物包装是否安全，是否它们会像灰尘一 食物包装是否安全 样对人体无害。
纳米材料与技术-纳米结构与器件
第八章纳米结构与器件一、纳米结构概述二、人工纳米结构组装体系三、纳米结构和分子自组装体系四、厚膜模板合成纳米阵列五、介孔固体和介孔复合体六、MCM—41介孔分子筛七、单电子晶体管八、碳纳米管有序阵列体系的CVD合成一、纳米结构概述1. 定义纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造的一种新的体系。
该体系是当前从纳米材料领域派生出来的含有丰富科学内涵的一个重要分支科学。
2. 学科特点以原子为单元的有序排列，相对独立，有其自身的特点：①有许多奇特的理化现象和性质②与下一代量子结构器件密切相关3. 主要内容①纳米级物质单元：纳米微粒、团簇、人造超原子；纳米管、棒、丝、线、缆线、带状结构；纳米尺寸的空位、孔洞等②构筑过程中的驱动力：外因—人工纳米结构组装体系内因—纳米结构自组装体系；分子自组装体系。
4. 研究意义将对于纳米材料中的基本物理效应的认识不断引向深入①可研究单个纳米结构单元的行为、特性②可对纳米材料基元的表面进行控制，认识其间的耦合、协同效应可建立新原理，构筑纳米材料体系的理论框架，为自由利用纳米材料的理化特性、创造新的物质体系和量子器件打下基础。
二、人工纳米结构组装体系按人类的意志，利用物理、化学的方法，人为地将纳米尺度的物质单元按一定的规律组装、排列，构成一维、二维和三维的纳米阵列结构体系。
体系的特性①纳米微粒的特性：小尺寸、量子尺寸、表面效应等②组合后的新特性：量子耦合效应、协同效应等③可通过外场控制光、电、磁场操控体系的性能 纳米超微型器件 创造出新的物质体系：纳米结构、量子效应原理性器件等。
通过对纳米材料基本单元的行为、特性的研究、控制，可建立新的原理。
是纳米材料研究的前沿。
三、纳米结构和分子自组装体系1. 定义①纳米结构自组装体系是指通过弱的和较小方向性的非共价键（氢键、Van der Waals键和弱离子键）的协同作用把原子、离子或分子连接在一起，构筑成一个纳米结构或纳米结构的花样。
纳米结构
通常采用厚度为6—20微米的聚碳酸酯、聚酯和 其他高分子膜，通核裂变碎片轰击使其出现许多 损伤的痕迹，再用化学腐蚀方法使这些痕迹变成 孔洞．这种模板的特点是孔洞呈圆柱形，很多孔 洞与膜面斜交，因此在厚膜内有孔通道交叉现象， 总体来说，孔分布是无序的。
CdSe量子点的胶体晶体的 光吸收和光发射谱，可以 看出，随着量子点直径由 6.2nm减小到3.85nm，光 吸收带和发光带出现明显 的蓝移(见实线)．胶体晶 体中量子点浓度增加．量 子点之间的距离缩短，耦 合效应增强导致光发射带 的红移(图12．1中实线对 应高浓度胶体晶体，点线 对应低浓度胶体晶体．)；
2 厚膜模板合成纳米阵列
厚膜模板合成纳米结构单元(包括零维纳米粒子、 准一维纳米棒、丝和管)和纳米结构阵列体系， 是物理、化学多种方法的集成，在纳米结构制备 科学上占有极其重要的地位，人们可以根据需要 设计、组装多种纳米结构的阵列．
用模板合成纳米结构给人们以更多的自由度来控 制体系的性质，为设计下一代纳米结构的元器件 奠定了基础． 与其他制备方法相比较，模板组 装纳米结构有以下几个优点：
的热溶剂，即可获得白色
的纳米结构空心的介孔文 石。
第四，半导体量子点阵列体系(膜)的合成可以 通过自组织技术进行，它的优点是工艺简单， 价格便宜，无需昂贵的仪器设备．用分子束外 延和电子束刻蚀来合成半导体量子点阵列是比 较成熟的技术，但它需要价格昂贵的设备，因 而自组织合成半导体量子点引起人们倍加注意。 近年来，文章上陆续有一些报道，CdSe量子点 阵列的自组织合成是用自组织技术合成纳米结 构的典型例子．
美国IBM公司的华森研究中心和加利福尼亚大 学共同合作研制成功室温下超小型激光器，主 要设计原理是利用三维人造超原子组成纳米结 构的阵列体系，通过控制量子点的尺寸及三维 阵列的间距达到对发光波长的控制，从而使该 体系的发光性质具有可调制性．
纳米科学与技术教学大纲
纳米科学与技术教学大纲一、引言纳米科学与技术作为当前高新技术领域中备受关注的学科之一，其研究和应用正日益受到重视。
因此，制定一份完善的纳米科学与技术教学大纲对于培养学生的创新意识、科学精神以及掌握前沿技术至关重要。
本教学大纲将围绕纳米科学与技术的基本概念、发展历程、实际应用等方面展开，力求全面系统地介绍相关知识，为学生提供扎实的学习基础。
二、课程设置1. 纳米科学与技术概述- 纳米科学与技术的定义和基本概念- 纳米领域的发展历程及重要里程碑- 纳米尺度的特殊性质和应用前景2. 纳米材料与纳米结构- 纳米材料的种类及特点- 纳米结构的制备方法和表征技术- 纳米材料在材料科学和工程中的应用3. 纳米生物学与生物技术- 纳米生物学的基本概念和研究内容- 纳米技术在生物领域的应用和发展趋势- 纳米生物技术的伦理和安全问题4. 纳米电子学与光学- 纳米电子学和光学的基本原理- 纳米电子器件和光学器件的制备和性能- 纳米电子光学设备在信息技术中的应用5. 纳米技术的产业与应用- 纳米技术产业的发展现状和趋势- 纳米技术在材料、医药、能源等领域中的应用- 纳米技术的未来发展方向和挑战三、教学目标1. 了解纳米科学与技术的基本概念和发展历程，掌握其在不同领域的应用特点和前沿动态。
2. 掌握纳米材料和纳米结构的制备、表征和性能分析方法，具备相关实验技能。
3. 熟悉纳米生物学与生物技术的理论基础和实践应用，了解其在医学和生物工程中的重要性。
4. 理解纳米电子学与光学的基本原理和器件制备技术，掌握相关电子光学设备的使用和维护方法。
5. 了解纳米技术产业的发展现状和前景，认识纳米技术对经济和社会的影响及挑战。
四、教学内容1. 纳米科学与技术概述- 纳米科学与技术的定义和基本概念- 纳米领域的研究范围和意义- 纳米科学与技术的国际发展状况2. 纳米材料与纳米结构- 纳米材料的种类和制备方法- 纳米结构的特殊性质和应用领域- 纳米材料在材料科学和工程中的应用案例3. 纳米生物学与生物技术- 纳米尺度下生物学规律的变化- 纳米技术在医学影像和药物传递中的应用- 纳米生物技术的伦理和安全问题4. 纳米电子学与光学- 纳米半导体器件的特性和应用- 纳米光学结构的调控和性能- 纳米光电子器件在信息技术中的应用案例5. 纳米技术的产业与应用- 纳米技术产业链和价值链的分析- 纳米技术在材料、医药、能源等产业中的应用- 纳米技术在环境保护和节能减排中的潜力五、教学方法1. 理论讲授：通过课堂讲解、案例分析等形式，深入讲解纳米科学与技术的基本理论和实践应用。
纳米材料与技术- 纳米结构单元
第一章纳米结构单元一、零维单元1．团簇（cluster）2．纳米微粒3．人造原子二、一维单元1．碳纳米管2．纳米棒、丝、线3．同轴纳米电缆4．纳米带5．纳米线研究进展一、零维单元1．团簇（cluster）（1）定义：是一类化学物种，指几到几百个原子的聚集体，粒径尺度小于1nm。
是介于单个原子与固态之间的原子集合体。
（2）组成：一元（含金属、非金属团簇），二元及多元原子团簇，原子团簇化合物（3）结构：以化学键紧密结合（除惰性气体外），球状、骨架状、四面体、葱状及线、管、层状等。
（4）物理性质：表面效应、量子尺寸、几何尺寸效应、掺杂物性等（5）研究：多学科交叉C60：寻找星际间分子而发现2．纳米微粒：超微粒子（ultra-fine particle）(1) 定义：尺寸在nm量级的超细微粒，尺度在1~100nm 之间，大于原子团簇，小于通常的微粒。
尺寸为红血球和细菌的几分之一，与病毒大小相当。
“要用TEM才能看到的微粒。
”(2) 性质：由微观到宏观世界的过渡区域，具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。
特殊的微观机制→影响宏观性质（生物活性由此产生）(3) 研究：制备、合成和应用。
3．人造原子（artificial atom, super-atom）(1) 定义：尺寸小于100nm的、由一定数量的实际原子组成的聚集体。
包括：准0维的量子点、准1维的量子棒、准2维的量子圆盘、及100nm左右的量子器件(2) 特性：（量子效应）i) 与原子相似之处：a. 离散的能级和电荷b. 电子填充服从洪德定律ii) 与原子的差别：a. 含有一定数量的原子b. 形状、对称性多种多样c. 电子间的相互作用复杂d. 电子在抛物线形的势阱中，上层电子束缚弱(3) 应用：体系的尺度与物理特征量相当量子效应→新原理、新结构二、一维单元1．碳纳米管（Bucky Tube巴基管）发现：1991年，日本电气公司（NEC）高级研究员、名城大学教授饭岛澄男（Sumio Iijima）利用透射电镜首次观察到碳纳米管。
第61讲纳米技术
“纳米经济”“钱”途广——纳米科技对经济发展的影 响
全球纳米技术产业的年产值已经接近1000亿美元，据估计 ，到2010年美国要培养80万真正懂纳米科技的人才，纳米科 技对美国国民生产总值（GDP）的贡献要达到1万亿美元， 并提供200万个就业机会。
科技革命带来的必然结果是引起新的产业革命，而产业革 命又必然带来经济的巨大变化和迅速发展。随着纳米科技的 产生和发展，一场新的工业革命即将发生。
纳米绘画艺术—— 纳米中国
3.1 纳米技术对竞争力的提升
能源领域：石油、煤等不可再生资源。 环保领域：解决水污染的问题、解决空气污染的问
题。 微电子：纳米电子器件、纳米线、纳米传感器。 信息领域：光纤、发光器件。
3.2 纳米技术对竞争力的提升
功能性涂料、薄膜：防静电涂料、特殊视觉涂料、 紫外线吸收涂层、耐磨、防腐、耐高温、耐冲刷 涂层。
放在指尖上的400支 排整齐的无痛型微型针
目前，基因芯片研究已经进入实验室， 生物芯片组装就是用纳米技术，而生物 酶也是纳米尺度，这些研究对象是纳米 生物学研究内涵之一，下一步生物技术 的发展，就要和纳米技术相结合。譬如 为什么病毒顽固，现在没有一种药物能 治疗，就因为它非常小，用纳米结构组 装一种寻找病毒的药物后，艾滋病、病 毒性感冒等都可以治疗，2003年以后这 已经成为又一个研究热点。
纳米感觉
任何物质到了纳米量级，其物理、化学性质都会发生巨大 的变化，也会因此而具有一些新的特性。例如，纳米铁粉 一改“不怕火烧”的“英雄本性”，而变成一旦遇到空气， 就能马上燃烧起来，生成氧化铁。
1.2 纳米材料的基本效应
小尺寸效应：当微粒分割到达一定程度时，其性质将会发生根本性 的变化。
量子效应：电子能级由准连续变为离散能级的现象。 界面效应：纳米材料由于大量的原子存在于晶界和局部的原子结构
纳米科学与技术一级学科
纳米科学与技术一级学科
纳米科学与技术一级学科
纳米科学与技术一级学科是学术界用来描述研究较小物体（尺寸小于100纳米）的科学技术和应用领域的术语。
该学科在过去20多年中发展迅速，主要涉及纳米材料、纳米技术、纳米系统和纳米结构的研究和应用，以及纳米科学和技术在工程、医学、生物学、物理学和化学中的应用。
该学科的研究目的是探索纳米尺度下物体结构、性质和行为的规律，以及纳米材料、纳米装置和纳米系统在工程、医学、生物学、物理学和化学中的应用和商业开发。
纳米科学与技术一级学科的研究领域包括：纳米材料、纳米系统、纳米技术、纳米结构与表面工程、纳米加工与组装、纳米电子材料与器件、生物纳米与医学纳米、分子纳米技术等。
纳米科学与技术一级学科的研究技术主要包括：原子解析技术、多技术分析技术（如扫描电子显微镜、原子力显微镜、多角度光学显微镜、原子力显微镜、拉曼光谱等）、材料加工技术（如超声波、化学镀、光刻、层膜技术等）、纳米结构测量技术（如尺度的X射线衍射技术、石英单晶衍射技术和粒径分析仪等）、纳米材料的制备和表征技术（TEM、SEM、ESEM、AFM、STM等）、生物纳米学技术（如流式细胞术、免疫组织化学技术、原位荧光成像等）。
纳米科学与技术一级学科的应用领域主要有：材料科学、机械工程、电子工程、化学工程、生物工程、医学科学、环境工程、食品科学与技术、能源工程、服装技术、生物信息学、新能源科学与技术等。
纳米科学与技术是一门新兴交叉学科，主要以材料科学、物理学、化学、生物学、机械工程、医学等学科为基础，融合了各学科的知识，以及以先进技术（如扫描电子显微镜、原子力显微镜、原子解析技术、多技术分析技术、材料加工技术、纳米结构测量技术、纳米材料的制备和表征技术、生物纳米学技术等）研究和开发的物质和器件。
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• 幻数是一系列分离的数，团簇中的原子个数只 有等于幻数时，才会具有极高的稳定性。
团簇的幻数序列与构成团簇的原子键合方式有关：
• 金属键来源于自由价电子， • 半导体键是取向共价键， • 碱金属卤化物为离子键，
其形状可以是多种多样的，已知的有球状、骨架 状、洋葱状、管状、层状、线状等。除惰性气 体外，均是以化学键紧密结合的聚集体。
二、团簇的基本研究问题
1. 揭示团簇产生机理。
即团簇如何由原子分子逐步发展而成，以及团簇 的结构和性质变化规律。
其中包括团簇发展成宏观固体的临界尺寸与过程 变化规律。
团簇往往产生于非平衡条件，很难在平衡的气相 中产生。
在各种团簇的质谱分析中，有一个共同的规律：
在团簇的丰度随着所含原子数目n的增大而缓慢 下降的过程中，在某些特定值n=N，出现突然 增强的峰值，表明具有这些特定原子(分子)数 目的团簇具有特别高的热力学稳定性。这个数 目N称为团簇的幻数(Magic Number)。
• 团簇的幻数这种特征，与原子中的电子状态， 原子核中的核子状态很相似，表明团簇也具有 壳层结构(shell structure)。
分子或离子通过物理和化学结合力组成相对稳定 的聚集体，其物理和化学性质随着所含的原子数 目不同而变化。
团簇可以看成是介于原子分子与宏观物质之间的物 质结构的新层次，是各种物质由原子分子向大块 物质转变的过渡状态；代表着凝聚态物质的初始 状态，有人称之为“物质的第五种状态
2. 团簇的分类：
根据团簇的组成可以分为：
团簇结构随尺寸的可能演变
2. 固体的电子能带结构是如何形成和发展的。
如图为硅电子能级随着团簇尺寸的变化特征， 即由分立能级结合成能带，以及何处会在满带和
未满带之间出现能隙。
此外，研究多少个金属原子构成的团簇具有金属 性质，也是电子能带结构的重要研究内容。
硅团簇的电子能级随团簇尺寸的变化
三、 团簇的结构与性质 1. 稳定结构与幻数
四、原子团簇实例--C60及富勒烯（fullerenes）
众所周知，碳晶体有两种同素异构体：
一种是金刚石；一种是石墨。无定型碳 如图
SP3
SP2
C60的发现大大丰富了人们对碳的认识，由C60紧 密堆垛组成了第三代碳晶体。
新型碳基纳米材料
• 1984 年 ， 美 国 天 体 物 理 学 家 罗 尔 芬 (E. A. Rohlfing)采用大功率、短脉冲激光发生器使石 墨在氦气中蒸发，在飞行时间质谱仪上观察到， 在碳原子数n=60和n=70处出现了明显的特征峰， 说明炭灰中存在着包含60和70个碳原子的原子 团簇。这实际上就是后来发现的C60和C70。
• 得 到 启 发 ： “ C60 分 子 可 能 是 球 形 多 面 体 结 构”。
• 克罗托、斯莫利和科尔用硬纸板剪成许多五边 形和六边形，终于用12个五边形、20个六边形 组成了一个中空的32面体，五边形互不邻接， 而是与五个六边形相接，每个六边形又与3个 六边形和3个五边形间隔相接，共有60个顶角， 碳原子位于顶角上，是一个完美对称的分子 （图）。
当团簇尺寸小时，每增加一个原子，团簇的结构 发生变化，称为重构。
而当团簇大小达到一定尺寸时，变成大块固体的 结构，此时除了表面原子存在驰豫(不同电子态 引起的原子平衡位置不同)外，增加原子不再发 生重构，其性质也不会发生显著改变，对应的 团簇尺寸就是临界尺寸。
不同物质的临界尺寸可能是不同的，这种差异对 于相同的物质也能表现出不同的生长特性。如 图
• 获1996年诺贝尔化学奖。
C60的结构
• 金刚石和石墨是具有三维结构的巨型分子， C应6该0和具C有70是不有同固的定结构碳。原子数的有限分子，它们
• 克 罗 托 想 起 美 国 建 筑 师 巴 克 明 斯 特 ·富 勒 BuckminsterFuller 为 1967 年 蒙 特 利 尔 世 博 会 设 计的网络球主体建筑，由五边形和六边形构成 的圆穹屋顶。
第二章 纳米结构单元
纳米结构单元组装成纳米结构材料
Bottom-up
• 构成纳米结构块体、薄膜、多层膜以及纳米结 构的基本单元有下述几种：
• 原子团簇，纳米微粒、人造原子、纳米管、纳 米棒、纳米线、纳米纤维、纳米带、纳米环、 纳米螺旋和同轴纳米电缆等。
• 共同特点：至少有一维尺寸非常小。
2.1 原子团簇(cluster) 一、原子团簇的概念 1. 定义： 原子团簇，简称团簇，是由几个乃至上千个原子、• 性元素原子间的作用为范德瓦尔斯键。
• 2. 原子团簇的奇异的特性：
• 1）极大的比表面积。 • 2）异常高的化学和催化活性。metal • 3）光的量子尺寸效应和非线性效应。 • 4）电导的几何尺寸效应。carbon • 5）C60掺杂及掺包原子的导电性和超导性。 • 6）碳管、碳葱的导电性。
• 遗憾的是，罗尔芬等由于过分注重实验结果， 没有意识到碳元素新成员的存在，而只是简单 主观地归结为碳原子团簇的线性链结构，痛失 发现C60的大好机会。
罗尔芬的遗憾
在氦气中激光蒸发石墨产生 碳原子团簇的质谱（1984年 Exxon石油公司罗尔芬小组）
Kroto 研究小组获得的碳原子团 簇的质谱。其中a,b,c对应不同实 验条件下的情况。从图中可以清 楚地看到C60和C70的特征峰。
• 1985 年 ， Smalley 与 英 国 的 Kroto 等 人 在 瑞 斯 (Rice)大学的实验室采用激光轰击石墨靶，使 石墨中的碳原子汽化，用氦气流把气态碳原子 送入真空室，迅速冷却后形成碳原子簇 。
• 并用苯来收集碳团簇、用质谱仪分析发现了由 60个碳原子构成的碳团簇丰度最高，通称为C60， 同时还发现C70等团簇。
(1)一元团簇，如：Nan, Nin，C60, C70 (2)二元团簇，如：InnPm, AgnSm (3)多元团簇，如：Vn(C6H6)m (4)原子簇化合物，是团簇与其它分子以配位键结
合形成的化合物(例如，某些含Fe-S团簇的蛋白 质分子)。
原子团簇不同于具有特定大小和形状的分子，也 不同于分子间以弱的相互作用结合而成的聚集 体以及周期性很强的晶体。