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1、纳米技术及应用,一、纳米与纳米技术,1纳米,纳米（nanometer）长度单位 nano是十亿分之一的意思 1纳米是1米的十亿分之一，记作nm,1 nm = 1 10-9 m,2. 纳米技术(Nanotechnology),纳米结构： 是指尺寸在100纳米以下的微小结构。,纳米技术是指在纳米尺度的范围内，通过直接操纵和安排原子、分子来创造新物质材料的技术。,3. 纳米技术的提出,提出纳米技术概念的科学家费曼（1918 1988）R.P.Feynman,4. 纳米技术的实现与发展,直到放大倍率达千万倍的扫描隧道显微镜（STM）发明后，纳米技术才真正成为一门科技技术。从20世纪90年代初起，纳米科
2、技得到迅速发展，新名词、新概念不断涌现，像纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学等等。,5扫描隧道显微镜(STM),1981年，美国IBM公司设在瑞士苏黎世的实验室里，物理学家葛宾尼(G.Binnig)和罗海雷尔(H.Rohrer)发明了一种前所未有的新式显微镜，他们称其为“扫描隧道显微镜 (Scanning Tunneling Microscope) ”简称STM 。,宾尼希博士于 1978 年加入了 IBM 公司苏黎士研究实验室的一个物理研究小组。1987 年时，宾尼希博士被提名为 IBM 公司的杰出研究人员 （IBM Fellow）。,罗雷尔博士（Heinrich Rohrer）
3、罗雷尔博士于 1960 年完成博士后研究之后，随即加入 IBM 新成立的苏黎士研究实验室，从事 Kondo 材料、反铁磁体（antiferromagnets）以及其它方面的研究工作，接着便把研究重心转向扫瞄式穿隧显微镜。1986 年时，罗雷尔博士被提名为 IBM 公司的杰出研究人员（IBM Fellow），并且在 19861988 年间担任 IBM 公司苏黎士研究实验室的物理科学部门经理，罗雷尔博士于 1997 年 7 月从 IBM 公司退休。,我国的纳米先锋,为期十年的“纳米科学攀登计划”和一系列先进材料的研究计划是核心活动。已投入经费约数千万元人民币。,中科院纳米科技项目首席科学家白春礼院
4、士,（1）势垒,在两块导电物体之间夹一层绝缘体，若在两个导体之间加上一定的电压，通常是不会有电流从一个导体穿过绝缘层流向另一导体的，即：,（2） 隧道效应,假如这层势垒的厚度很窄只有几个纳米时，电子将穿过而不是越过这层势垒，从而形成电流。,（3） STM的工作原理,将针尖和样品表面作为两个电极，当两者之间的距离足够小时，在电场的作用下，电子会穿过电极间的绝缘层，形成 “隧道电流”，这种效应就是隧道效应。STM工作时的特点利用针尖扫描样品表面，通过隧道电流获取图像。,（4） STM的结构,STM主要由STM主体、电子反馈系统、计算机控制系统及高分辨图象显示终端组成。,CSTM-9000,二、纳米
5、操纵技术,1 、纳米级微加工后的表面,应用隧道效应，用STM可以人为操作表面中国科学院化学所用自己研制的扫描隧道显微镜，在石墨晶体表面刻写出一幅中国地图，并刻写出“中国”两个字。两幅图像和文字的线条宽度只有10纳米。,中科院化学所的科技人员利用纳米技术在石墨表面通过搬迁碳原子绘制出世界上最小的中国地图,2、 移动氙原子,1990年4月，美国IBM公司的两位科学家在用STM观测金属镍表面的氙原子时，由探针和氙原子的运动受到启示，尝试用STM针尖移动吸附在金属镍表面上的氙原子，得到下图所示的情况。,3、移动硫原子,1991年6月初，日本日立中心研究室的科技人员利用STM从二硫化钼晶体表面上把硫原子
6、有规律的轰击出来，留下的空位则组成了英文“PEACE91”的字样，并附有日立中心实验室的字头缩写。,PEACE91HCRL,4 、移动铁原子,1993年，美国科学家在低温下，用STM针尖将48个铁原子排成一个圆环，并且直接观察到了电子驻波的图形而后，他们又成功地移动铁原子写成了两个汉字 “原子”。,5 、移动一氧化碳分子,1991年2月IBM公司用STM针尖移动吸附在金属铂表面的一氧化碳分子，描绘出“一氧化碳人”，其身高为5纳米。,应用原子力显微镜等纳米显微术，将单个DNA链完整地拉直，再对分子链进行切割、弯曲、修剪，终于“写”出“DNA”三个字母,三、纳米材料的奇异特性,各种纳米材料的特性,
7、莲花叶子表面的自我洁净,鹅毛和鸭毛的排列非常整齐，且毛与毛之间的隙缝极小，小到纳米尺寸，所以水分子无法穿透层层的鹅毛和鸭毛。,不用洗涤剂的纳米服装,2002年，一批高科技服装面料从实验室走上了展台：不用洗涤剂也能清洁的衣物、可用做防水地图的仿真丝面料等相继出现。,具有易洁纳米涂层的陶瓷,摔不碎的纳米陶瓷,纳米陶瓷,强度比常规铜高5倍纳米铜,纳米铜,纳米材料的应用与展望,电子和通讯全媒体存储器；平板显示器；纳米医疗纳米结构药物；微型机器人；化学和材料纳米催化剂；纳米陶瓷；能源新型电池；氢燃料安全存储；制造工业微细加工；微型机器；飞机和汽车无须洗涤的油漆；不燃塑料；航天轻型航天器；环境保护纳米膜；
8、纳米存储器；开关；,未来的理想超级纤维碳纳米管,碳60和巴基球,1985年，美国科学家克劳特和斯莫利等用激光束去轰击石墨表面，意外地发现了C60。,碳纳米管,碳纳米管，是指用纳米技术将碳做成的细管,C60 C60 C70,金刚石,石墨,纳米技术发展的五个阶段,以研究分子机械而著称的美国风险企业宰贝克斯公司的一项预测认为，纳米技术的发展可能会经历以下五个阶段：第一阶段 准确地控制原子数量在100个以下的纳米结构物质。第二阶段 生产纳米结构物质。第三阶段 大量制造复杂的纳米结构物质。第四阶段 纳米计算机的实现。第五阶段 科学家们将研制出能够制造动力源和程序自律化的元件和装置，促进高效的人工智能进入实际应用阶段。,思考题,什么是纳米结构？什么是纳米技术？简述STM的工作原理及其工作特点。简述纳米材料所具有的特性。试述纳米技术对我们未来生活的影响。,
