纳米技术的基础知识
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
扫描探针显微镜(SPM)的出现，标志着 人类在对微观尺度的探索方面进入到一个 全新的领域。作为纳米科技重要研究手段 的SPM也被形象地称为纳米科技的“眼”和 “手”。
所谓“眼睛”，即可利用SPM直 接观察原子、分子以及纳米粒子的相 互作用与特性。
所谓“手”，是指SPM可用于移 动原子、构造纳米结构，同时为科学 家提供在纳米尺度下研究新现象、提 出新理论的微小实验室。
2 .ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ米器件
纳米科技的最终目的是以 原子、分子为起点，去制造具 有特殊功能的产品。因此，纳 米器件的研制和应用水平是进 入纳米时代的重要标志。如前 所述，纳米技术发展的一个主 要推动力来自于信息产业。
纳米电子学的目标是将集成电路的几何结构 进一步减小，超越目前发展中遇到的极限，因而 使得功能密度和数据通过量达到新的水平。在纳 米尺度下，现有的电子器件把电子视为粒子的前 提不复存在，因而会出现种种新的现象，产生新 的效应，如量子效应。利用量子效应而工作的电 子器件称为量子器件，像共振隧道二级管、量子 阱激光器和量子干涉部件等。与电子器件相比， 量子器件具有高速(速度可提高1000倍)、低耗( 能耗降低1000倍)、高效、高集成度、经济可靠 等优点。为制造具有特定功能的纳米产品，其技 术路线可分为“自上而下”(top down)和“自下 而上”(bottom up)两种方式。
二、纳米科技的研究领域
1．纳米材料
纳米材料是纳米科技发展的重要基础。纳米材 料是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度，并且具有 特殊性能的材料。其主要类型为：纳米颗粒与粉体 、纳米碳管和一维纳米材料、纳米薄膜、纳米块材 。纳米材料结构的特殊性[如大的比表面以及一系列 新的效应(小尺寸效应、界面效应、量子效应和量子 隧道效应)]决定了纳米材料出现许多不同于传统材料 的独特性能，进一步优化了材料的电学、热学及光 学性能。对于纳米材料的研究包括两个方面：一是 系统地研究纳米材料的性能、微结构和谱学特征， 通过和常规材料对比，找出纳米材料特殊的规律， 建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论；二是 发展新型纳米材料。目前纳米材料应用的关键技术 问题是在大规模制备的质量控制中，如何做到均匀 化、分散化、稳定化 。
同时，与纳米材料和结构制备过 程相结合，以及与纳米器件性能检测 相结合的多种新型纳米检测技术的研 究和开发也受到广泛重视。如激光镊 子技术可用于操纵单个生物大分子。
三、纳米科技前景的展望
纳米技术在现代科技和工 业领域有着广泛的应用前景。 比如，在信息技术领域，据估 计，再有10年左右的时间，现 在普遍使用的数据处理和存储 技术将达到最终极限。为获得 更强大的信息处理能力，人们 正在开发DNA计算机和量子计算 机，而制造这两种计算机都需 要有控制单个分子和原子的技 术能力。
1．材料和制备
在纳米尺度上，通过精确地控制尺寸和 成分来合成材料单元，制备更轻、更强和可 设计的材料，同时具有长寿命和低维修费用 的特点；以新原理和新结构在纳米层次上构 筑特定性质的材料或自然界不存在的材料、 生物材料和仿生材料。实现材料破坏过程中 纳米级损伤的诊断和修复。 在陶瓷领域的 应用 随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随 之产生，希望以此来克服陶瓷材料的脆性， 使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性 。许多专家认为，如能解决单相纳米陶瓷的 烧结过程中抑制晶粒长大的技术问题，则它 将具有高硬度、高韧性、低温超塑性、易加 工等优点。
“自上而下”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；而“自下而上，是指以原子、 分子为基本单元，根据人们的意愿进行设 计和组装，·从而构筑成具有特定功能的 产品。这种技术路线将减少对原材料的需 求，降低环境污染。 科学家希望通过纳 米生物学的研究，进一步掌握在纳米尺度 上应用生物学原理制造生物分子器件，目 前，在纳米化工、生物传感器、生物分子 计算机、纳米分子马达等方面，科学家都 做了重要的尝试。
2．纳米科技概念的提出与发展
最早提出纳米尺度上科学和技术问 题的是著名物理学家、诺贝尔奖获得者 理查德·费恩曼。纳米科技的迅速发展 是在80年代末、90年代初。80年代初发 明了费恩曼所期望的纳米科技研究的重 要仪器——扫描隧道显微镜(STM)、原 子力显微镜(AFM)等微观表征和操纵技 术，它们对纳米科技的发展起到了积极 的促进作用。与此同时，纳米尺度上的 多学科交叉展现了巨大的生命力，迅速 形成为一个有广泛学科内容和潜在应用 前景的研究领域。
用纳米材料制成的 纳米材料多功能塑料， 具有抗菌、除味、防腐 、抗老化、抗紫外线等 作用，可用作电冰箱、 空调外壳里的抗菌除味 塑料。
3．纳米结构的检测与表征
为在纳米尺度上研究材料和器件的结 构及性能，发现新现象，发展新方法，创 造新技术，必须建立纳米尺度的检测与表 征手段。这包括在纳米尺度上原位研究各 种纳米结构的电、力、磁、光学特性，纳 米空间的化学反应过程，物理传输过程， 以及研究原子、分子的排列、组装与奇异 物性的关系。
纳米技术
21世纪的科技新星
一、纳米的基本知识
1 .纳米的概念
纳米”是英文nanometer的译名， 是一种度量单位，1纳米为百万分之一 毫米，即1毫微米，也就是十亿分之一 米，约相当于45个原子串起来那么长 。纳米结构通常是指尺寸在100纳米以 下的微小结构。
纳米研究的范围是1到100纳米，0 ．1纳米是单个氢原子的尺寸，因此所 谓0．1纳米层面的“纳米技术”是不 存在的。
传感器是纳米技术应用的一个重要领 域。随着纳米技术的进步，造价更低、功 能更强的微型传感器将广泛应用在社会生 活的各个方面。比如，将微型传感器装在 包装箱内，可通过全球定位系统，可对贵 重物品的运输过程实施跟踪监督；将微型 传感器装在汽车轮胎中，可制造出智能轮 胎，这种轮胎会告诉司机轮胎何时需要更 换或充气；还有些可承受恶劣环境的微型 传感器可放在发动机汽缸内，对发动机的 工作性能进行监视。在食品工业领域，这 种微型传感器可用来监测食物是否变质， 比如把它安装在酒瓶盖上就可判断酒的状 况等。
所谓“眼睛”，即可利用SPM直 接观察原子、分子以及纳米粒子的相 互作用与特性。
所谓“手”，是指SPM可用于移 动原子、构造纳米结构，同时为科学 家提供在纳米尺度下研究新现象、提 出新理论的微小实验室。
2 .ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ米器件
纳米科技的最终目的是以 原子、分子为起点，去制造具 有特殊功能的产品。因此，纳 米器件的研制和应用水平是进 入纳米时代的重要标志。如前 所述，纳米技术发展的一个主 要推动力来自于信息产业。
纳米电子学的目标是将集成电路的几何结构 进一步减小，超越目前发展中遇到的极限，因而 使得功能密度和数据通过量达到新的水平。在纳 米尺度下，现有的电子器件把电子视为粒子的前 提不复存在，因而会出现种种新的现象，产生新 的效应，如量子效应。利用量子效应而工作的电 子器件称为量子器件，像共振隧道二级管、量子 阱激光器和量子干涉部件等。与电子器件相比， 量子器件具有高速(速度可提高1000倍)、低耗( 能耗降低1000倍)、高效、高集成度、经济可靠 等优点。为制造具有特定功能的纳米产品，其技 术路线可分为“自上而下”(top down)和“自下 而上”(bottom up)两种方式。
二、纳米科技的研究领域
1．纳米材料
纳米材料是纳米科技发展的重要基础。纳米材 料是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度，并且具有 特殊性能的材料。其主要类型为：纳米颗粒与粉体 、纳米碳管和一维纳米材料、纳米薄膜、纳米块材 。纳米材料结构的特殊性[如大的比表面以及一系列 新的效应(小尺寸效应、界面效应、量子效应和量子 隧道效应)]决定了纳米材料出现许多不同于传统材料 的独特性能，进一步优化了材料的电学、热学及光 学性能。对于纳米材料的研究包括两个方面：一是 系统地研究纳米材料的性能、微结构和谱学特征， 通过和常规材料对比，找出纳米材料特殊的规律， 建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论；二是 发展新型纳米材料。目前纳米材料应用的关键技术 问题是在大规模制备的质量控制中，如何做到均匀 化、分散化、稳定化 。
同时，与纳米材料和结构制备过 程相结合，以及与纳米器件性能检测 相结合的多种新型纳米检测技术的研 究和开发也受到广泛重视。如激光镊 子技术可用于操纵单个生物大分子。
三、纳米科技前景的展望
纳米技术在现代科技和工 业领域有着广泛的应用前景。 比如，在信息技术领域，据估 计，再有10年左右的时间，现 在普遍使用的数据处理和存储 技术将达到最终极限。为获得 更强大的信息处理能力，人们 正在开发DNA计算机和量子计算 机，而制造这两种计算机都需 要有控制单个分子和原子的技 术能力。
1．材料和制备
在纳米尺度上，通过精确地控制尺寸和 成分来合成材料单元，制备更轻、更强和可 设计的材料，同时具有长寿命和低维修费用 的特点；以新原理和新结构在纳米层次上构 筑特定性质的材料或自然界不存在的材料、 生物材料和仿生材料。实现材料破坏过程中 纳米级损伤的诊断和修复。 在陶瓷领域的 应用 随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随 之产生，希望以此来克服陶瓷材料的脆性， 使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性 。许多专家认为，如能解决单相纳米陶瓷的 烧结过程中抑制晶粒长大的技术问题，则它 将具有高硬度、高韧性、低温超塑性、易加 工等优点。
“自上而下”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；而“自下而上，是指以原子、 分子为基本单元，根据人们的意愿进行设 计和组装，·从而构筑成具有特定功能的 产品。这种技术路线将减少对原材料的需 求，降低环境污染。 科学家希望通过纳 米生物学的研究，进一步掌握在纳米尺度 上应用生物学原理制造生物分子器件，目 前，在纳米化工、生物传感器、生物分子 计算机、纳米分子马达等方面，科学家都 做了重要的尝试。
2．纳米科技概念的提出与发展
最早提出纳米尺度上科学和技术问 题的是著名物理学家、诺贝尔奖获得者 理查德·费恩曼。纳米科技的迅速发展 是在80年代末、90年代初。80年代初发 明了费恩曼所期望的纳米科技研究的重 要仪器——扫描隧道显微镜(STM)、原 子力显微镜(AFM)等微观表征和操纵技 术，它们对纳米科技的发展起到了积极 的促进作用。与此同时，纳米尺度上的 多学科交叉展现了巨大的生命力，迅速 形成为一个有广泛学科内容和潜在应用 前景的研究领域。
用纳米材料制成的 纳米材料多功能塑料， 具有抗菌、除味、防腐 、抗老化、抗紫外线等 作用，可用作电冰箱、 空调外壳里的抗菌除味 塑料。
3．纳米结构的检测与表征
为在纳米尺度上研究材料和器件的结 构及性能，发现新现象，发展新方法，创 造新技术，必须建立纳米尺度的检测与表 征手段。这包括在纳米尺度上原位研究各 种纳米结构的电、力、磁、光学特性，纳 米空间的化学反应过程，物理传输过程， 以及研究原子、分子的排列、组装与奇异 物性的关系。
纳米技术
21世纪的科技新星
一、纳米的基本知识
1 .纳米的概念
纳米”是英文nanometer的译名， 是一种度量单位，1纳米为百万分之一 毫米，即1毫微米，也就是十亿分之一 米，约相当于45个原子串起来那么长 。纳米结构通常是指尺寸在100纳米以 下的微小结构。
纳米研究的范围是1到100纳米，0 ．1纳米是单个氢原子的尺寸，因此所 谓0．1纳米层面的“纳米技术”是不 存在的。
传感器是纳米技术应用的一个重要领 域。随着纳米技术的进步，造价更低、功 能更强的微型传感器将广泛应用在社会生 活的各个方面。比如，将微型传感器装在 包装箱内，可通过全球定位系统，可对贵 重物品的运输过程实施跟踪监督；将微型 传感器装在汽车轮胎中，可制造出智能轮 胎，这种轮胎会告诉司机轮胎何时需要更 换或充气；还有些可承受恶劣环境的微型 传感器可放在发动机汽缸内，对发动机的 工作性能进行监视。在食品工业领域，这 种微型传感器可用来监测食物是否变质， 比如把它安装在酒瓶盖上就可判断酒的状 况等。