纳米科技基础

第一章纳米科技基础知识

1.1 纳米科技发展历程

1.发展历史：费恩曼提出——>扫描隧道显微镜

2.主要特征：更多考虑分子设计，材料结构设计等；

以传统三束（光子束、电子束、离子束）为核心的微电子平面加工技术起主要作用；

表征方法有谱学技术、电子显微技术、STM、AFM、扫描近场显微术（SNOM）；

沿两条路线进行：微电子技术和量子效应纳米器件；

利用分子组装实现具有设计功能的一些机构。

1.2 纳米科技概念及分类

定义：在纳米尺度（1-100nm）上研究物质的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学。

研究领域：纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征。

分类：纳米材料学、纳米电子与器件、纳米加工与纳米机械、纳米生物与医药。

1.3 纳米材料基本知识

元素周期表；原子结构；能量

分子与物质的相态：气液固；价键：金属键、氢键、离子键、共价键、范德瓦尔斯键（伦敦力（也叫色散力）、极化力、氢键）。研究思路：自上而下、自下而上。

1.4 纳米颗粒基本特性

量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应。

1.5纳米科技应用领域

材料与制造、微电子与计算机、医药与健康、生物技术与农业、环境与能源、航空航天、国家安全。

第二章纳米材料的测试与表征

纳米材料性能：材料表面形貌、内部结构、化学组成。

2.1 电子显微技术

1. 扫描隧道显微镜（STM）：探针及扫描器，电子学控制，计算机数据处理及显示。

应用实例：C60，DNA

用STM操纵单个原子和分子

2. 原子力显微镜（AFM）

3. 扫描和透射电子显微技术

扫描电子显微镜（SEM）

透射电子显微镜（TEM）

高分辨电子显微术（HREM）

4.电子衍射分析（nλ=2dsinθ）

2.2 光谱技术（紫外可见光谱、核磁共振光谱、X射线衍射谱、红外光谱、原子吸收光谱、电感耦合等离子光谱、荧光光谱、拉曼光谱）

1. X射线衍射分析（XRD）：将未知物质的粉末衍射花样与已知物质衍射花样d、I/I1数列对照。

检索方法：Hanawalt法数字索引、字顺索引、电子计算机检索。

X射线衍射分析装置：X射线管、样品台、测角仪、检测器。

纳米材料的XRD分析：晶相分析、晶粒尺寸分析D c=Kλ/（βcosθ）、纳米介孔结构的测定。

2.红外光谱和拉曼光谱

分子振动光谱的原理：非线性分子有3N-6种振动形式，线性分子有3N-5种振动形式。一般来说，引起分子偶极矩变化的振动分为伸缩振动和变形振动。振动频率：σ=1/(2πc)*（k/μ）^0.5。在解释红外光谱时，通常从吸收带的数目、位置、形状和强度等方面来考虑。拉曼光谱是利用分子的非弹性散射现象而形成的（非弹性散射为拉曼散射，弹性散射为瑞利散射）。在拉曼光谱中，我们关心的是拉曼位移的大小。

红外光谱仪：棱镜光谱仪、光栅光谱仪、干涉型傅里叶变换红外光谱仪（迈克尔逊干涉仪）。

拉曼光谱仪：激光拉曼光谱仪（光源、外光路系统、样品池、单色仪、信号处理输出系统）

纳米材料的红外吸收和拉曼散射行为：红外吸收峰的蓝移和变宽，拉曼光谱分析中键的振动会有差异。

3. 光电子能谱分析（XPS）

第三章纳米光学和纳米电子学

纳米光学和光子学

1. 纳米技术和光的基本特性

透明材料：一些允许光线和光子通过而不会改变传播方向的材料。

透光材料：一些光通过后会改变方向的材料。

目前应用于生产光学设备的纳米技术大致有：精确纳米烙印技术；先在金属膜上沉积有规律排列的纳米颗粒，然后振动使颗粒脱离而在金属层上留下空洞；用纳米陶瓷制造堆栈，烧结，使

结构紧密；排列纳米管；人为组装纳米颗粒；有机表面活性剂作为模板来制造纳米粒子。

光的基本特性：反射，透射，偏振，辐射

2.纳米结构和光的相互作用

光电子器件:能把光转换为有用的电子运动或者电信号的装置。

等离子体基元：材料吸收电磁波能量和捕获光子的能力主要取决于材料中辐射频率和电子能级的匹配，光子的相互作用产生了额外的波叫等离子体基元。

电子在最早被激发的时间段里，能量并没有一下子全部转变为热能，这段时间被称为弛豫时间。

3. 新型成像技术：易消散波，反常回波

4.基于纳米技术的新型光学材料：纳米金属，纳米日光技术，红外反射材料，光吸收材料，隐身材料，光学纳米技术复合物

5.光学晶体：能够巧妙引导光信号进入固体结构内任何位置的晶体。

表面光波导：金属表面纳米结构模式能将光子束引入围绕表面的特定路径，甚至有可能使光转过直角。

6.光子学与电子学

光子具有的优异特性：具有极高的信息容量和效率；具有极快的响应能力；具有极强的互连能力与并行能力；具有极大的存储能力。

纳米电子学

1.摩尔定律：

2.微电子学的发展历程：半导体—晶体管—集成电路

金属中电子定向流动形成电流，而在半导体中有两种不同的电荷载流子：电子和空穴。

晶体管有两种：双极（p-n结）型晶体管和场效应晶体管。

3.未加工和纳米加工技术：光刻技术，电子束刻蚀技术扫描隧道显微技术，分子束外延（MBE）。

近场效应：高能电子（5~100keV）在刻蚀剂和基片表面间经

过大量弹性散射碰撞，以至于抗蚀剂受电子辐照的区域实际上远远大于精细聚焦的电子式斑，导致了图形边界模糊不清。

MBE：在超高真空环境下，将所需材料加热形成分子束，当分子束中的分子达到经加热处于合适温度的晶片清洁表面时就形成了单晶薄膜。

UHV系统：组合抽气系统（吸附泵、升华泵、离子泵、低温泵）和不锈钢的巨大的真空腔体。

纳米电子器件的用途：

5.从经典物理到量子物理

6.量子电子器件：高电子迁移率三极管，量子干涉晶体管，单电子晶体管（SETS），碳纳米管三极管，DNA模板组装和在电子学中应用。

7.量子计算机：

（1）量子计算机与经典计算机的区别：计算规则的改变。

（2）量子计算机的工作机理：信息写入—信息读出—量子计算；脱散——量子计算的敌人；量子计算的能力：量子运算规则：Shor运算法则，Grover运算法则。

（3）量子计算机的样机:

量子计算机的实验提案：离子阱系统、核磁共振系统、电晶体系统、量子光学、量子点、超导量子位。

实现量子计算必需的基本要求：可升级的。与环境不相关联以降低脱散的、具有明确量子位的物理系统；寄存器在计算前必须初始化到已知态；通过特定的量子位就能够读出数据；量子位的脱散时间必须比逻辑门操作时间长得多；有一套通用的量子