纳米技术与纳米材料-文档资料
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原子排成的 “原子”字5
1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词 描述精密机械加工。 1982年，科学家发明研究纳 米的重要工具－－扫描隧道显微镜，使人类首次 在大气和常温下看见原子，为我们揭示一个可见 的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极 促进作用。 1990年7月，第一届国际纳米科学技 术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技 术的正式诞生
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扫描隧道显微镜介绍
扫描隧道显微镜是80年代初期发展起来的新型 显微仪器，能达到原子级的超高分辨率。扫描隧道显 微镜不仅作为观察物质表面结构的重要手段，而且可 以作为在极其细微的尺度──即纳米尺度（1 nm=10-9 m）上实现对物质表面精细加工的新奇工具。目前科 学家已经可以随心所欲地操纵某些原子。一门新兴的 学科──纳米科学技术已经应运而生。
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目前除了隧道显微镜（STM）、原子力显微镜 （AFM）以外，还有近场光学显微镜 （NSOM）、侧面力显微镜（IFM）、磁力显 微镜（MFM）、极化力显微镜（SPFM）…… 已有二十多个品种。但大量还处在实验室的产 品研发阶段。由于它们都是用探针通过扫描系 统来获取图像，因此这类显微镜统称为扫描探 针显微镜（SPM）。
这些研究表明纳米技术应用于医学的进展是十分迅 速的。
10
到1999年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米 产品的营业额达到500亿美元。 近年来，一些国 家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳 米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心， 把纳米技术列入新5年科技基本计划的研发重点； 德国专门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划 视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳 米科技基础研究方面的投资从1997年的1.16亿美 元增加到2001年的4.97亿美元。
8
1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电 子，利用这种技术可望在20年后研制成功速度和 存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。 1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验 时发明了世界上最小的 “秤”，它能够称量十亿 分之一克的物体，即相当于—个病毒的重量；此 后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量 的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。
15
STM针尖
16
硅表面
纳米算盘
C60每10个一组，在铜 表面形成世界上最小 的算盘。
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纳米皇冠
18
伴随着STM的发明以及其在表面高分辨率观 察研究中的各种应用的日渐增多，有人发现利用探 针针尖与表面之间的各种相互作用，可以用来分析 高分辨率成像。1986年宾尼戈等人发明了利用激光 检测针尖与表面相互作用进行表面成像的分析仪器。 该仪器称为原子力显微镜（ATM）。STM 与ATM 共同构成了现今称之为扫描探针显微镜（SPM）的 两大主体技术。
纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。 纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm 间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区 域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系 统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一 种典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应 和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超 微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性， 即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方 面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。
12
20世纪80年代初期，IBM公司苏黎世实 验室的两位科学家G．Binnig和H．Roher发 明了扫描隧道显微镜。
这种新型显微仪器的诞生，使人类能够实时地观测 到原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的 物理化学性质，对表面科学、材料科学、生命科学以及 微电子技术的研究有着重大意义和重要应用价值。为此 这两位科学家与电子显微镜的创制者ERrska教授一起荣 获1986年诺贝尔物理奖。
纳米技术与纳米材料
1
2
3
第一节 概 述
一、纳米科技的诞生 二、纳米技术与纳米材料的概念 三、纳米材料的特性 四、几种典型的纳米材料
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一、纳米科技诞生
1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理 查德·费曼预言，人类可以用小的机器制作更 小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个 地排列原子，制造“产品”，这是关于纳米 技术最早的梦想。 七十年代，科学家开始从 不同角度提出有关纳米科技的构想。
13
科学家使用STM观测物质的纳米结构
14
STM具有空间的高分辨率(横向可达0.1nm，纵向可优 于0．01nm)，能直接观察到物质表面的原子结构，把人 们带到了微观世界。它的基本原理是基于量子隧道效应 和扫描。它是用一个极细的针尖(针尖头部为单个原子) 去接近样品表面，当针尖和表面靠得很近时(＜1nm)， 针尖头部原子和样品表面原子的电子云发生重迭，若在 针尖和样品之间加上一个偏压、电子便会通过针尖和样 品构成的势垒而形成隧道电流。通过控制针尖与样品表 面间距的恒定并使针尖沿表面进行精确的三维移动，就 可把表面的信息(表面形貌和表面电子态)记录下来。由 于STM具有原子级的空间分辨率和广泛的适用性，国际 上掀起了研制和应用STM的热潮，推动了纳米科技的发 展。
6
1991年，碳纳米管被 人类发现，它的质量是 相同体积钢的六分之一， 强度却是钢的10成为 纳米技术研究的热点。 诺贝尔化学奖得主斯莫 利教授认为，纳米碳管 将是未来最佳纤维的首 选材料，也将被广泛用 于超微导线、超微开关 以及纳米级电子线路等。
7
1993年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子 团“写”下斯坦福大学英文名字、 1990年美 国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排 出“IBM”之后，中国科学院北京真空物理实验 室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标 志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之 地。
9
2000年4月，美国能源部桑地亚国家实验室运用激 光微细加工技术研制出智能手术刀，该手术刀可以 每秒扫描10万个癌细胞，并将细胞所包含的蛋白质 信息输入计算机进行分析判断。
2001年纽约斯隆-凯特林癌症研究中心的戴维. 沙因 贝格尔博士报道了把放射性同位素锕-225的一些原 子装入一个形状像圆环的微型药丸中，制造了一种 消灭癌细胞的靶向药物。
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二、纳米技术与纳米材料的概念
1.纳米技术
纳米科技是90年代初迅速发展起来的新的前 沿科研领域。它是指在1--10Biblioteka Baidunm尺度空内，研究 电子、原子和分子运动规律、特性的高新技术学 科。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵 单个原子、分子，制造出具有特定功能的产品。
离子注入三维图像
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2.纳米材料
1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词 描述精密机械加工。 1982年，科学家发明研究纳 米的重要工具－－扫描隧道显微镜，使人类首次 在大气和常温下看见原子，为我们揭示一个可见 的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极 促进作用。 1990年7月，第一届国际纳米科学技 术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技 术的正式诞生
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扫描隧道显微镜介绍
扫描隧道显微镜是80年代初期发展起来的新型 显微仪器，能达到原子级的超高分辨率。扫描隧道显 微镜不仅作为观察物质表面结构的重要手段，而且可 以作为在极其细微的尺度──即纳米尺度（1 nm=10-9 m）上实现对物质表面精细加工的新奇工具。目前科 学家已经可以随心所欲地操纵某些原子。一门新兴的 学科──纳米科学技术已经应运而生。
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目前除了隧道显微镜（STM）、原子力显微镜 （AFM）以外，还有近场光学显微镜 （NSOM）、侧面力显微镜（IFM）、磁力显 微镜（MFM）、极化力显微镜（SPFM）…… 已有二十多个品种。但大量还处在实验室的产 品研发阶段。由于它们都是用探针通过扫描系 统来获取图像，因此这类显微镜统称为扫描探 针显微镜（SPM）。
这些研究表明纳米技术应用于医学的进展是十分迅 速的。
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到1999年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米 产品的营业额达到500亿美元。 近年来，一些国 家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳 米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心， 把纳米技术列入新5年科技基本计划的研发重点； 德国专门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划 视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳 米科技基础研究方面的投资从1997年的1.16亿美 元增加到2001年的4.97亿美元。
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1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电 子，利用这种技术可望在20年后研制成功速度和 存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。 1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验 时发明了世界上最小的 “秤”，它能够称量十亿 分之一克的物体，即相当于—个病毒的重量；此 后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量 的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。
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STM针尖
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硅表面
纳米算盘
C60每10个一组，在铜 表面形成世界上最小 的算盘。
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纳米皇冠
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伴随着STM的发明以及其在表面高分辨率观 察研究中的各种应用的日渐增多，有人发现利用探 针针尖与表面之间的各种相互作用，可以用来分析 高分辨率成像。1986年宾尼戈等人发明了利用激光 检测针尖与表面相互作用进行表面成像的分析仪器。 该仪器称为原子力显微镜（ATM）。STM 与ATM 共同构成了现今称之为扫描探针显微镜（SPM）的 两大主体技术。
纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。 纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm 间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区 域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系 统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一 种典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应 和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超 微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性， 即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方 面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。
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20世纪80年代初期，IBM公司苏黎世实 验室的两位科学家G．Binnig和H．Roher发 明了扫描隧道显微镜。
这种新型显微仪器的诞生，使人类能够实时地观测 到原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的 物理化学性质，对表面科学、材料科学、生命科学以及 微电子技术的研究有着重大意义和重要应用价值。为此 这两位科学家与电子显微镜的创制者ERrska教授一起荣 获1986年诺贝尔物理奖。
纳米技术与纳米材料
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第一节 概 述
一、纳米科技的诞生 二、纳米技术与纳米材料的概念 三、纳米材料的特性 四、几种典型的纳米材料
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一、纳米科技诞生
1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理 查德·费曼预言，人类可以用小的机器制作更 小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个 地排列原子，制造“产品”，这是关于纳米 技术最早的梦想。 七十年代，科学家开始从 不同角度提出有关纳米科技的构想。
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科学家使用STM观测物质的纳米结构
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STM具有空间的高分辨率(横向可达0.1nm，纵向可优 于0．01nm)，能直接观察到物质表面的原子结构，把人 们带到了微观世界。它的基本原理是基于量子隧道效应 和扫描。它是用一个极细的针尖(针尖头部为单个原子) 去接近样品表面，当针尖和表面靠得很近时(＜1nm)， 针尖头部原子和样品表面原子的电子云发生重迭，若在 针尖和样品之间加上一个偏压、电子便会通过针尖和样 品构成的势垒而形成隧道电流。通过控制针尖与样品表 面间距的恒定并使针尖沿表面进行精确的三维移动，就 可把表面的信息(表面形貌和表面电子态)记录下来。由 于STM具有原子级的空间分辨率和广泛的适用性，国际 上掀起了研制和应用STM的热潮，推动了纳米科技的发 展。
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1991年，碳纳米管被 人类发现，它的质量是 相同体积钢的六分之一， 强度却是钢的10成为 纳米技术研究的热点。 诺贝尔化学奖得主斯莫 利教授认为，纳米碳管 将是未来最佳纤维的首 选材料，也将被广泛用 于超微导线、超微开关 以及纳米级电子线路等。
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1993年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子 团“写”下斯坦福大学英文名字、 1990年美 国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排 出“IBM”之后，中国科学院北京真空物理实验 室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标 志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之 地。
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2000年4月，美国能源部桑地亚国家实验室运用激 光微细加工技术研制出智能手术刀，该手术刀可以 每秒扫描10万个癌细胞，并将细胞所包含的蛋白质 信息输入计算机进行分析判断。
2001年纽约斯隆-凯特林癌症研究中心的戴维. 沙因 贝格尔博士报道了把放射性同位素锕-225的一些原 子装入一个形状像圆环的微型药丸中，制造了一种 消灭癌细胞的靶向药物。
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二、纳米技术与纳米材料的概念
1.纳米技术
纳米科技是90年代初迅速发展起来的新的前 沿科研领域。它是指在1--10Biblioteka Baidunm尺度空内，研究 电子、原子和分子运动规律、特性的高新技术学 科。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵 单个原子、分子，制造出具有特定功能的产品。
离子注入三维图像
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2.纳米材料