納米級(jí)加工技術(shù)

1、本科生專業(yè)課程本科生專業(yè)課程 第第1010章章納米技術(shù)納米技術(shù) 納米級(jí)納米級(jí)（0.1nm100nm） 納米技術(shù)納米技術(shù)包括包括材料、設(shè)計(jì)、制造、測(cè)量和控制材料、設(shè)計(jì)、制造、測(cè)量和控制技術(shù)，技術(shù)，涉及涉及機(jī)械、電子、材料、物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)機(jī)械、電子、材料、物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等等多個(gè)領(lǐng)域。多個(gè)領(lǐng)域。在達(dá)到納米層次后，決非幾何上的在達(dá)到納米層次后，決非幾何上的“相似縮小相似縮小”，而出現(xiàn)一系列新現(xiàn)象和規(guī)律。而出現(xiàn)一系列新現(xiàn)象和規(guī)律。量子效應(yīng)、界面效應(yīng)、量子效應(yīng)、界面效應(yīng)、尺寸效應(yīng)尺寸效應(yīng)等不可忽略，甚至成為主導(dǎo)因素。等不可忽略，甚至成為主導(dǎo)因素。 1納米納米=10-9m，大大約約等等于于十

2、十個(gè)氫個(gè)氫原子原子并并列一列一直直線線的的長(zhǎng)長(zhǎng)度。度。 形象地講，形象地講，一納米的物體放到乒乓球上，一納米的物體放到乒乓球上，就像一個(gè)乒乓球放在地球上一般，這就是就像一個(gè)乒乓球放在地球上一般，這就是納米長(zhǎng)度的概念納米長(zhǎng)度的概念。 人人類頭發(fā)類頭發(fā)的直的直徑徑大大約約有有6萬(wàn)萬(wàn)至至8萬(wàn)納萬(wàn)納米米。 納米及納米技術(shù)納米及納米技術(shù) 納米技術(shù)：納米技術(shù)：是是20世紀(jì)世紀(jì)80年代末期興起的新技術(shù)，其年代末期興起的新技術(shù)，其基本含意是在基本含意是在納米尺寸范圍納米尺寸范圍內(nèi)認(rèn)識(shí)和改造自然，通內(nèi)認(rèn)識(shí)和改造自然，通過(guò)直接操縱和安排過(guò)直接操縱和安排原子、分子原子、分子而達(dá)到創(chuàng)新的目的。而達(dá)到創(chuàng)新的目的。 主要

3、是主要是在在納米尺度納米尺度(0.1-100nm)上研究物質(zhì)上研究物質(zhì)(包括原子、包括原子、分子的操縱分子的操縱)的特性和相互作用，以及如何利用這些的特性和相互作用，以及如何利用這些特性和相互作用的具有多科交叉性質(zhì)的科學(xué)和技術(shù)。特性和相互作用的具有多科交叉性質(zhì)的科學(xué)和技術(shù)。納米科技研究?jī)?nèi)容納米科技研究?jī)?nèi)容 納米科技的研究?jī)?nèi)容：納米科技的研究?jī)?nèi)容：納米納米物理學(xué)、納米化學(xué)、納米材物理學(xué)、納米化學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米電料學(xué)、納米生物學(xué)、納米電子學(xué)、子學(xué)、納米加工學(xué)納米加工學(xué)、納米力、納米力學(xué)學(xué)等學(xué)科。等學(xué)科。 納米技術(shù)納米技術(shù)涉及涉及機(jī)械、電子、機(jī)械、電子、材料、物理、化學(xué)、生物、材料、

4、物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。等多個(gè)領(lǐng)域。 納米科技大廈納米科技大廈納米技術(shù)研究的主要內(nèi)容納米技術(shù)研究的主要內(nèi)容 納米材料；納米材料； 納米級(jí)傳感與控制技術(shù)；納米級(jí)傳感與控制技術(shù)； 納米級(jí)測(cè)量技術(shù)；納米級(jí)測(cè)量技術(shù)； 納米級(jí)加工技術(shù)；納米級(jí)加工技術(shù)； 納米機(jī)械的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)納米機(jī)械的設(shè)計(jì)與制造技術(shù) 。在達(dá)到納米層次后，決非幾何上的在達(dá)到納米層次后，決非幾何上的“相似縮小相似縮小”，而出現(xiàn)一系列新現(xiàn)象，而出現(xiàn)一系列新現(xiàn)象和規(guī)律。和規(guī)律。量子效應(yīng)、界面效應(yīng)、尺寸量子效應(yīng)、界面效應(yīng)、尺寸效應(yīng)效應(yīng)等不可忽略，甚至成為主導(dǎo)因素。等不可忽略，甚至成為主導(dǎo)因素。人們發(fā)現(xiàn)，在人們發(fā)現(xiàn)，在0.l一一10

5、0nm的空間尺度的空間尺度內(nèi)，物質(zhì)存在許多奇異的性質(zhì)。內(nèi)，物質(zhì)存在許多奇異的性質(zhì)。任何物質(zhì)到了納米量級(jí)，其物理、化學(xué)性質(zhì)都會(huì)發(fā)生巨大任何物質(zhì)到了納米量級(jí)，其物理、化學(xué)性質(zhì)都會(huì)發(fā)生巨大的變化，也會(huì)因此而具有一些新的特性。例如，納米鐵粉的變化，也會(huì)因此而具有一些新的特性。例如，納米鐵粉一改一改“不怕火燒不怕火燒”的的“英雄本性英雄本性”，而變成一旦遇到空氣，而變成一旦遇到空氣，就能馬上燃燒起來(lái)，生成氧化鐵。就能馬上燃燒起來(lái)，生成氧化鐵。納米感覺(jué)納米感覺(jué)納米材料的基本效應(yīng)納米材料的基本效應(yīng) 小尺寸效應(yīng)小尺寸效應(yīng)：當(dāng)微粒分割到達(dá)一定程度時(shí)，其性質(zhì)將會(huì)發(fā)生根本性當(dāng)微粒分割到達(dá)一定程度時(shí)，其性質(zhì)將會(huì)發(fā)生根

6、本性的變化。的變化。量子效應(yīng)量子效應(yīng)：電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)的現(xiàn)象。：電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)的現(xiàn)象。界面效應(yīng)界面效應(yīng)：納米材料由于大量的原子存在于晶界和局部的原子結(jié)構(gòu)：納米材料由于大量的原子存在于晶界和局部的原子結(jié)構(gòu)不同于大塊晶體材料，使納米材料的自由能增加，納米材料處于不不同于大塊晶體材料，使納米材料的自由能增加，納米材料處于不穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定狀態(tài)。表面效應(yīng)：表面效應(yīng)：納米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子或分子所納米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子或分子所占的比例非常大。占的比例非常大。特點(diǎn)特點(diǎn)：尺寸小、比表面積大、表面能高、表面原子比例大尺寸小、比表面積大、表面能高、表面

7、原子比例大四四個(gè)個(gè)方面方面應(yīng)應(yīng)用用: 納納米米電電子子學(xué)學(xué)納米納米材料科材料科學(xué)學(xué)納納米生物米生物學(xué)學(xué)(1) 納納米米醫(yī)學(xué)醫(yī)學(xué): 發(fā)明發(fā)明、設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)及生及生產(chǎn)納產(chǎn)納米米級(jí)級(jí)的新的新藥物藥物 特點(diǎn)及應(yīng)用特點(diǎn)及應(yīng)用觀察和研究固體表面的微觀結(jié)構(gòu)觀察和研究固體表面的微觀結(jié)構(gòu)改造微觀世界的手段改造微觀世界的手段 操縱原子不是夢(mèng)操縱原子不是夢(mèng)進(jìn)行納米級(jí)微加工進(jìn)行納米級(jí)微加工表面刻蝕表面刻蝕進(jìn)行納米級(jí)微加工進(jìn)行納米級(jí)微加工表面刻蝕表面刻蝕進(jìn)行納米級(jí)微加工進(jìn)行納米級(jí)微加工表面刻蝕表面刻蝕600nm石墨表面上刻蝕石墨表面上刻蝕 1981年：科學(xué)家發(fā)明研究納米的重要工具年：科學(xué)家發(fā)明研究納米的重要工具掃描隧道顯掃

8、描隧道顯微鏡微鏡，原子、分子世界從此可見(jiàn)。，原子、分子世界從此可見(jiàn)。 1990年：首屆國(guó)際納米科技會(huì)議在美國(guó)巴爾的摩舉辦，年：首屆國(guó)際納米科技會(huì)議在美國(guó)巴爾的摩舉辦，納米技術(shù)納米技術(shù)形式誕生。形式誕生。 1991年：碳納米管被人類發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量是相同體積鋼年：碳納米管被人類發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量是相同體積鋼的六分之一，強(qiáng)度卻是鐵的的六分之一，強(qiáng)度卻是鐵的10倍，倍，成為納米技術(shù)研究的成為納米技術(shù)研究的熱點(diǎn)熱點(diǎn)。 國(guó)外納米技術(shù)進(jìn)展國(guó)外納米技術(shù)進(jìn)展國(guó)外納米技術(shù)進(jìn)展國(guó)外納米技術(shù)進(jìn)展移動(dòng)原子移動(dòng)原子世界上最小的廣告世界上最小的廣告 p 1990年，年，IBM公司的科學(xué)家展示了一項(xiàng)令世人瞠目結(jié)舌的成果，他公司的

9、科學(xué)家展示了一項(xiàng)令世人瞠目結(jié)舌的成果，他們們?cè)诮饘冁嚤砻嬗迷诮饘冁嚤砻嬗?5個(gè)惰性氣體氙原子組成個(gè)惰性氣體氙原子組成“IBM”三個(gè)英文字母三個(gè)英文字母。p 科學(xué)家在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)科學(xué)家在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)STM的探針不僅能得到原子圖象，而且可以將的探針不僅能得到原子圖象，而且可以將原子在一個(gè)位置吸住，再搬運(yùn)到另一個(gè)地方放下。原子在一個(gè)位置吸住，再搬運(yùn)到另一個(gè)地方放下。這意味著人類從此這意味著人類從此可以對(duì)原子進(jìn)行操縱！這在過(guò)去只能從科幻小說(shuō)上看到的情節(jié)現(xiàn)在已可以對(duì)原子進(jìn)行操縱！這在過(guò)去只能從科幻小說(shuō)上看到的情節(jié)現(xiàn)在已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。 移動(dòng)原子移動(dòng)原子世界上最小的廣告世界上最小的廣告 用STM移動(dòng)分子

10、組成的IBM字樣 納米組裝體系是以納米組裝體系是以納米顆粒、納米絲或納米顆粒、納米絲或納米管納米管為基本單元在一維、二維和三維為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系，空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系，如如人造超原子體系、有序陣列人造超原子體系、有序陣列等。等。人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)的體系人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)的體系納米齒輪納米齒輪納米納米軌道狀軌道狀C納米索線納米索線納米多層管納米多層管C納米管納米管和和C60球球C納米管納米管多層多層C納米管納米管C腳手架腳手架C60晶體管晶體管國(guó)外納米技術(shù)進(jìn)展國(guó)外納米技術(shù)進(jìn)展 實(shí)心的納米棒、納米線、量子線實(shí)心的納米棒、納米線、量子線材

11、料世界中的大力士材料世界中的大力士- -納米金屬塊體納米金屬塊體金屬納米顆粒粉體制成塊狀金屬納米顆粒粉體制成塊狀金屬材料，它會(huì)變得十分結(jié)金屬材料，它會(huì)變得十分結(jié)實(shí)，強(qiáng)度比一般金屬高十幾實(shí)，強(qiáng)度比一般金屬高十幾倍，同時(shí)又可以像橡膠一樣倍，同時(shí)又可以像橡膠一樣富于彈性。富于彈性。納米金屬銅的超延展性納米金屬銅的超延展性納米陶瓷粉制成的陶納米陶瓷粉制成的陶瓷有一定的塑性，高瓷有一定的塑性，高硬度和耐高溫，使發(fā)硬度和耐高溫，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在更高的溫動(dòng)機(jī)工作在更高的溫度下，汽車會(huì)跑得更度下，汽車會(huì)跑得更快，飛機(jī)會(huì)飛得更高。快，飛機(jī)會(huì)飛得更高。納米陶瓷剛?cè)岵?jì)！納米陶瓷剛?cè)岵?jì)！納米陶瓷納米陶瓷p 如果有一

12、種超微型鑷子，能如果有一種超微型鑷子，能夠鉗起分子或原子并對(duì)它們隨夠鉗起分子或原子并對(duì)它們隨意組合，制造納米機(jī)械就容易意組合，制造納米機(jī)械就容易多了。多了。p 科學(xué)家用科學(xué)家用DNA制造出了一種制造出了一種納米級(jí)的鑷子納米級(jí)的鑷子。利用它將可以利用它將可以制造出分子大小的電子電路，制造出分子大小的電子電路，使未來(lái)的計(jì)算機(jī)體積更小，運(yùn)使未來(lái)的計(jì)算機(jī)體積更小，運(yùn)算速度更快。算速度更快。匪夷所思的匪夷所思的DNA鑷子鑷子納米存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)密度可達(dá)每平納米存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)密度可達(dá)每平方厘米方厘米10萬(wàn)億字節(jié)。萬(wàn)億字節(jié)。國(guó)外納米技術(shù)進(jìn)展國(guó)外納米技術(shù)進(jìn)展 朗訊公司和牛津大學(xué)朗訊公司和牛津大學(xué): 納米鑷子納米鑷子

13、 碳納米管碳納米管“秤秤”，稱量一個(gè)病毒的重量，稱量一個(gè)病毒的重量 稱量單個(gè)原子重量的稱量單個(gè)原子重量的“納米秤納米秤”機(jī)器人配備納米機(jī)器人配備納米“大腦大腦”美國(guó)軍方日前公布了取名為美國(guó)軍方日前公布了取名為“毫微科技戰(zhàn)士毫微科技戰(zhàn)士”研發(fā)計(jì)劃，希望十年內(nèi)打造出目前只能在電研發(fā)計(jì)劃，希望十年內(nèi)打造出目前只能在電子游戲中才能看到的刀槍不入的子游戲中才能看到的刀槍不入的“超級(jí)戰(zhàn)超級(jí)戰(zhàn)士士”。美國(guó)未來(lái)。美國(guó)未來(lái)“超級(jí)戰(zhàn)士超級(jí)戰(zhàn)士”可能配備的裝可能配備的裝備有：埋有傳感器的頭盔，使士兵多只后眼備有：埋有傳感器的頭盔，使士兵多只后眼不至于被打悶棍；藏有微處理器和藥包的軍不至于被打悶棍；藏有微處理器和藥包

14、的軍服，自動(dòng)感知士兵身體情況并敷藥；有微涂服，自動(dòng)感知士兵身體情況并敷藥；有微涂層的軍服可以抵抗生化武器襲擊；由層的軍服可以抵抗生化武器襲擊；由“鉸合鉸合分子分子”制造的比人體肌肉強(qiáng)壯制造的比人體肌肉強(qiáng)壯10倍的倍的“肌肌肉肉”，這種人造肌肉一旦裝到手套、制服和，這種人造肌肉一旦裝到手套、制服和軍靴里，跳過(guò)高墻不在話下。軍靴里，跳過(guò)高墻不在話下。“納米科技戰(zhàn)士納米科技戰(zhàn)士”這種人手模型上的聚這種人手模型上的聚合體遇電會(huì)收縮彎曲，合體遇電會(huì)收縮彎曲，可裝備在作戰(zhàn)服上作可裝備在作戰(zhàn)服上作為為“輔助肌肉輔助肌肉”增強(qiáng)增強(qiáng)士兵跳躍、搬運(yùn)的能士兵跳躍、搬運(yùn)的能力，同時(shí)也可用于戰(zhàn)力，同時(shí)也可用于戰(zhàn)場(chǎng)急救。

15、場(chǎng)急救。 用納米技術(shù)制造出防水布料。用納米技術(shù)制造出防水布料。用這種超薄布料制成的作戰(zhàn)服用這種超薄布料制成的作戰(zhàn)服幾乎感覺(jué)不到重量，而現(xiàn)在一幾乎感覺(jué)不到重量，而現(xiàn)在一名全副武裝的美軍士兵負(fù)重介名全副武裝的美軍士兵負(fù)重介于于9090到到120120磅之間。另外根據(jù)磁磅之間。另外根據(jù)磁場(chǎng)變化的原理，科學(xué)家們正在場(chǎng)變化的原理，科學(xué)家們正在研制通常狀態(tài)下柔軟舒適，一研制通常狀態(tài)下柔軟舒適，一旦偵測(cè)到彈道威脅時(shí)立刻強(qiáng)化旦偵測(cè)到彈道威脅時(shí)立刻強(qiáng)化僵硬的裝甲系統(tǒng)。僵硬的裝甲系統(tǒng)。 未來(lái)的美軍作戰(zhàn)服可能就是這個(gè)樣子未來(lái)的美軍作戰(zhàn)服可能就是這個(gè)樣子納米科技的戰(zhàn)略地位納米科技的戰(zhàn)略地位 21世紀(jì)前世紀(jì)前20年，是

16、發(fā)展納米技術(shù)的關(guān)鍵時(shí)期，納米技術(shù)將成年，是發(fā)展納米技術(shù)的關(guān)鍵時(shí)期，納米技術(shù)將成為推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域快速發(fā)展的主導(dǎo)技術(shù)。目前，納米技為推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域快速發(fā)展的主導(dǎo)技術(shù)。目前，納米技術(shù)已經(jīng)成為全世界非常關(guān)注的技術(shù)，術(shù)已經(jīng)成為全世界非常關(guān)注的技術(shù)，納電子代替微電子，納納電子代替微電子，納加工代替微加工，納米材料代替微米材料，納米生物技術(shù)代加工代替微加工，納米材料代替微米材料，納米生物技術(shù)代替微米尺度的生物技術(shù)替微米尺度的生物技術(shù)。只有認(rèn)識(shí)它、發(fā)展它，才有可能在。只有認(rèn)識(shí)它、發(fā)展它，才有可能在未來(lái)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)的格局中占據(jù)主動(dòng)。未來(lái)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)的格局中占據(jù)主動(dòng)。p 計(jì)算機(jī)技術(shù)從計(jì)算機(jī)技術(shù)從20世紀(jì)世紀(jì)70年

17、代開始，每年代開始，每57年都有一個(gè)大變化。年都有一個(gè)大變化。一是每一是每18個(gè)月個(gè)月單位面積存儲(chǔ)信息量要增加一倍單位面積存儲(chǔ)信息量要增加一倍，而且價(jià)格更便宜；，而且價(jià)格更便宜；二是計(jì)算機(jī)每隔二是計(jì)算機(jī)每隔57年年尺寸要縮小尺寸要縮小10倍倍，價(jià)格便宜，價(jià)格便宜10倍，同時(shí)計(jì)倍，同時(shí)計(jì)算的速度提高算的速度提高10倍。倍。p 1998年，美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)率先研制出年，美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)率先研制出量子磁盤量子磁盤。一個(gè)量子。一個(gè)量子磁盤只有磁盤只有100納米大小，完全是納米陣列，它的存儲(chǔ)密度是納米大小，完全是納米陣列，它的存儲(chǔ)密度是465G，一個(gè)量子磁盤相當(dāng)于我們現(xiàn)在的磁盤一個(gè)量子磁盤相當(dāng)于我們現(xiàn)在

18、的磁盤10萬(wàn)個(gè)到萬(wàn)個(gè)到100萬(wàn)個(gè)。這樣一萬(wàn)個(gè)。這樣一個(gè)器件，就要用納米材料，在納米尺度內(nèi)加工。個(gè)器件，就要用納米材料，在納米尺度內(nèi)加工。納米技術(shù)將成為納米技術(shù)將成為2121世紀(jì)的主導(dǎo)技術(shù)世紀(jì)的主導(dǎo)技術(shù)節(jié)約資源、節(jié)約能源、凈化環(huán)境是下一次節(jié)約資源、節(jié)約能源、凈化環(huán)境是下一次工業(yè)革命的必然趨勢(shì)。在下一次工業(yè)革命工業(yè)革命的必然趨勢(shì)。在下一次工業(yè)革命中要想節(jié)約資源、能源，就要用納米尺度中要想節(jié)約資源、能源，就要用納米尺度的材料做成器件，它的特點(diǎn)是工具小、節(jié)的材料做成器件，它的特點(diǎn)是工具小、節(jié)省材料、能耗低。納米技術(shù)在新的工業(yè)革省材料、能耗低。納米技術(shù)在新的工業(yè)革命當(dāng)中將發(fā)揮重要的作用。命當(dāng)中將發(fā)揮重要

19、的作用。從納米產(chǎn)業(yè)未來(lái)的市場(chǎng)發(fā)展從納米產(chǎn)業(yè)未來(lái)的市場(chǎng)發(fā)展來(lái)看，世界各國(guó)正在紛紛搶來(lái)看，世界各國(guó)正在紛紛搶占納米產(chǎn)業(yè)這個(gè)巨大的市場(chǎng)。占納米產(chǎn)業(yè)這個(gè)巨大的市場(chǎng)。全球納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)的年產(chǎn)值已經(jīng)全球納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)的年產(chǎn)值已經(jīng)接近接近1000億美元億美元，據(jù)估計(jì)，據(jù)估計(jì)，到，到2010年美國(guó)要培養(yǎng)年美國(guó)要培養(yǎng)80萬(wàn)真正懂納米科技的人才，納米科萬(wàn)真正懂納米科技的人才，納米科技對(duì)美國(guó)國(guó)民生產(chǎn)總值（技對(duì)美國(guó)國(guó)民生產(chǎn)總值（GDP）的貢獻(xiàn)要達(dá)到）的貢獻(xiàn)要達(dá)到1萬(wàn)億美元，萬(wàn)億美元，并提供并提供200萬(wàn)個(gè)就業(yè)機(jī)會(huì)。萬(wàn)個(gè)就業(yè)機(jī)會(huì)。科技革命帶來(lái)的必然結(jié)果是引起新的產(chǎn)業(yè)革命，而產(chǎn)業(yè)革科技革命帶來(lái)的必然結(jié)果是引起新的產(chǎn)業(yè)革命，而

20、產(chǎn)業(yè)革命又必然帶來(lái)經(jīng)濟(jì)的巨大變化和迅速發(fā)展。隨著納米科技的命又必然帶來(lái)經(jīng)濟(jì)的巨大變化和迅速發(fā)展。隨著納米科技的產(chǎn)生和發(fā)展，一場(chǎng)新的工業(yè)革命即將發(fā)生。產(chǎn)生和發(fā)展，一場(chǎng)新的工業(yè)革命即將發(fā)生。納米科技在納米科技在21世紀(jì)的經(jīng)濟(jì)舞臺(tái)上將扮演舉足輕重的角色世紀(jì)的經(jīng)濟(jì)舞臺(tái)上將扮演舉足輕重的角色 ?！凹{米經(jīng)濟(jì)納米經(jīng)濟(jì)”“”“錢錢”途廣途廣納米科技對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影納米科技對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響響納米技術(shù)在美國(guó)納米技術(shù)在美國(guó) 2010年年: 80萬(wàn)納米科技人才萬(wàn)納米科技人才,GDP1萬(wàn)億美元萬(wàn)億美元, 200萬(wàn)個(gè)就萬(wàn)個(gè)就業(yè)機(jī)會(huì)業(yè)機(jī)會(huì) 能源部的能源部的8項(xiàng)優(yōu)先研究中，項(xiàng)優(yōu)先研究中，6項(xiàng)有關(guān)納米材料項(xiàng)有關(guān)納米材料 本世紀(jì)前

21、本世紀(jì)前10年幾個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域之一，制定了年幾個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域之一，制定了“國(guó)家納米國(guó)家納米技術(shù)倡議技術(shù)倡議”: 納米材料納米材料 納米電子學(xué)、光電子學(xué)和磁學(xué)納米電子學(xué)、光電子學(xué)和磁學(xué) 納米醫(yī)學(xué)和生物學(xué)納米醫(yī)學(xué)和生物學(xué) 軍工軍工: 隱形飛機(jī)表面涂料、艦船表面納米涂料隱形飛機(jī)表面涂料、艦船表面納米涂料 美國(guó)總統(tǒng)布什美國(guó)總統(tǒng)布什2003.12.3日簽署了日簽署了21世紀(jì)納米技術(shù)研世紀(jì)納米技術(shù)研究開發(fā)法案究開發(fā)法案，批準(zhǔn)聯(lián)邦政府在從，批準(zhǔn)聯(lián)邦政府在從2005財(cái)政年度開始財(cái)政年度開始的的4年中共投入約年中共投入約37億美元，用于促進(jìn)納米技術(shù)的研究?jī)|美元，用于促進(jìn)納米技術(shù)的研究開發(fā)開發(fā)納米技術(shù)在日本納米技術(shù)在日本

22、 國(guó)會(huì)國(guó)會(huì): 21世紀(jì)前世紀(jì)前20年的立國(guó)之本，年的立國(guó)之本，日本政府日本政府總總共投共投資資了多了多于于38億億美元美元在在研究上研究上 著名大企業(yè)著名大企業(yè): 納米實(shí)用化技術(shù)的計(jì)劃納米實(shí)用化技術(shù)的計(jì)劃 三菱化工建立了三菱化工建立了(富勒烯富勒烯)納米碳管生產(chǎn)線納米碳管生產(chǎn)線 自潔凈玻璃、光催化凈化水或空氣自潔凈玻璃、光催化凈化水或空氣納米技術(shù)在歐洲納米技術(shù)在歐洲 第一個(gè)第一個(gè)五年五年納米納米科技研究科技研究(99-03)已已結(jié)束結(jié)束 第二個(gè)第二個(gè)五年五年納米納米科技研究科技研究(04-09)正在進(jìn)行中，正在進(jìn)行中，共計(jì)投入了幾十億歐元共計(jì)投入了幾十億歐元納米技術(shù)與當(dāng)代中國(guó)納米技術(shù)與當(dāng)代中國(guó)

23、 1993年，中科院操縱原子寫字年，中科院操縱原子寫字 國(guó)家納米科技發(fā)展綱要國(guó)家納米科技發(fā)展綱要2001-2010和和國(guó)家納米科技發(fā)展國(guó)家納米科技發(fā)展指南框架指南框架 納米繪畫藝術(shù)納米繪畫藝術(shù) 納米中國(guó)納米中國(guó) p 中國(guó)科學(xué)院化學(xué)所的科技人員利用納米加工技術(shù)在中國(guó)科學(xué)院化學(xué)所的科技人員利用納米加工技術(shù)在石墨表面通過(guò)搬遷碳原子而石墨表面通過(guò)搬遷碳原子而繪制出的世界上最小的中繪制出的世界上最小的中國(guó)地圖。國(guó)地圖。p 這幅地圖到底有多小呢？打個(gè)比方吧，如果把這幅這幅地圖到底有多小呢？打個(gè)比方吧，如果把這幅圖放大到一張一米見(jiàn)方的中國(guó)地圖大小的尺寸，就相圖放大到一張一米見(jiàn)方的中國(guó)地圖大小的尺寸，就相當(dāng)于

24、把該幅地圖放大到中國(guó)遼闊的領(lǐng)土的面積當(dāng)于把該幅地圖放大到中國(guó)遼闊的領(lǐng)土的面積。納米繪畫藝術(shù)納米繪畫藝術(shù) 納米中國(guó)納米中國(guó) 納米技術(shù)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)力的提升納米技術(shù)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)力的提升 能源領(lǐng)域能源領(lǐng)域：石油、煤等不可再生資源。石油、煤等不可再生資源。 環(huán)保領(lǐng)域：環(huán)保領(lǐng)域：解決水污染的問(wèn)題、解決空氣污染的問(wèn)解決水污染的問(wèn)題、解決空氣污染的問(wèn)題。題。 微電子微電子：納米電子器件、納米線、納米電子器件、納米線、納米傳感器。納米傳感器。 信息領(lǐng)域信息領(lǐng)域：光纖、發(fā)光器件。光纖、發(fā)光器件。納米技術(shù)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)力的提升納米技術(shù)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)力的提升 功能性涂料功能性涂料、薄膜：、薄膜：防靜電涂料、特殊視覺(jué)涂料、防靜電涂料、特殊視覺(jué)涂料

25、、紫外線吸收涂層、耐磨紫外線吸收涂層、耐磨、防腐、耐高溫、耐沖刷、防腐、耐高溫、耐沖刷涂層。涂層。 機(jī)械：機(jī)械：納米結(jié)構(gòu)單元和納米機(jī)械納米結(jié)構(gòu)單元和納米機(jī)械 結(jié)構(gòu)陶瓷：結(jié)構(gòu)陶瓷：增強(qiáng)、增韌、助燒結(jié)增強(qiáng)、增韌、助燒結(jié)納米技術(shù)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)力的提升納米技術(shù)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)力的提升 化學(xué)化工：化學(xué)化工：催化劑、助催化劑、阻燃劑等。催化劑、助催化劑、阻燃劑等。 塑料和橡膠塑料和橡膠：制品成型劑、補(bǔ)強(qiáng)劑、抗老化劑。：制品成型劑、補(bǔ)強(qiáng)劑、抗老化劑。 辦公領(lǐng)域辦公領(lǐng)域：復(fù)印機(jī)和激光打印機(jī)的墨粉，噴墨打：復(fù)印機(jī)和激光打印機(jī)的墨粉，噴墨打印機(jī)墨水、高級(jí)墨水。印機(jī)墨水、高級(jí)墨水。納米技術(shù)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)力的提升納米技術(shù)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)力的提升 納米藥

26、物納米藥物：磁性納米粒子藥物：磁性納米粒子藥物 衛(wèi)生保健品衛(wèi)生保健品：防曬霜：防曬霜 紡織品紡織品：反射紅外線型化纖、：反射紅外線型化纖、殺菌滅菌除臭型化纖殺菌滅菌除臭型化纖提升國(guó)防科技提升國(guó)防科技 納米探測(cè)系統(tǒng)納米探測(cè)系統(tǒng) 納米材料提高武器打擊納米材料提高武器打擊 納米材料提高防護(hù)能力納米材料提高防護(hù)能力 納米機(jī)械系統(tǒng)制造的小型機(jī)器人納米機(jī)械系統(tǒng)制造的小型機(jī)器人 雷達(dá)隱身技術(shù)雷達(dá)隱身技術(shù) 納米衛(wèi)星納米衛(wèi)星我國(guó)我國(guó)“十一五十一五”納米科技發(fā)展重點(diǎn)納米科技發(fā)展重點(diǎn)納米電子、納米光電子材料與微納器件納米電子、納米光電子材料與微納器件 納米加工與表征技術(shù)納米加工與表征技術(shù) 納米生物醫(yī)用材料：納米生物

27、醫(yī)用材料：納米傳感器、重大疾病早期診斷納米傳感器、重大疾病早期診斷與治療用納米材料與器件。與治療用納米材料與器件。 納米環(huán)境與能源材料：納米環(huán)境與能源材料：環(huán)境友好與資源節(jié)約型納米材環(huán)境友好與資源節(jié)約型納米材料與技術(shù)，新型能源納米材料與器件。料與技術(shù)，新型能源納米材料與器件。 提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的納米材料與技術(shù)提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的納米材料與技術(shù) 納米級(jí)加工納米級(jí)加工p 納米級(jí)加工的含義納米級(jí)加工的含義 納米級(jí)加工的含意是達(dá)到納米級(jí)加工精度納米級(jí)加工的含意是達(dá)到納米級(jí)加工精度，包含：納米級(jí)尺寸精度，納米級(jí)幾何形狀精，包含：納米級(jí)尺寸精度，納米級(jí)幾何形狀精度、納米級(jí)表面質(zhì)量。度、納米級(jí)表面質(zhì)量。納米級(jí)加工的特

28、點(diǎn)納米級(jí)加工的特點(diǎn) p 欲得到欲得到l nm的加工精度，加工的最小單位必然在亞納的加工精度，加工的最小單位必然在亞納米級(jí)。由于原子間的距離為米級(jí)。由于原子間的距離為0.1-0.3nm，納米級(jí)加工實(shí)納米級(jí)加工實(shí)際上已到加工精度的極限際上已到加工精度的極限。p 納米級(jí)加工中試件表面的一個(gè)個(gè)納米級(jí)加工中試件表面的一個(gè)個(gè)原于或分子原于或分子將成為直將成為直接的加工對(duì)象，因此納米級(jí)加工的物理實(shí)質(zhì)就是接的加工對(duì)象，因此納米級(jí)加工的物理實(shí)質(zhì)就是要切要切斷原子間的結(jié)合斷原子間的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)原子或分子的去除原子或分子的去除。納米級(jí)加工方法納米級(jí)加工方法p 納米級(jí)加工的主要方法納米級(jí)加工的主要方法：直接利用光

29、子、電子、離子直接利用光子、電子、離子等基本能子的加工。等基本能子的加工。p 近年來(lái)納米級(jí)加工有很大的突破，例如：用近年來(lái)納米級(jí)加工有很大的突破，例如：用電子束光電子束光刻和離子刻蝕，刻和離子刻蝕，己實(shí)現(xiàn)己實(shí)現(xiàn)0.1 m線寬的加工；掃描隧道線寬的加工；掃描隧道顯微技術(shù)已實(shí)現(xiàn)單個(gè)顯微技術(shù)已實(shí)現(xiàn)單個(gè)原子的去除、搬遷、增添和原子原子的去除、搬遷、增添和原子的重組。的重組。微米與納米加工技術(shù)可達(dá)的水平微米與納米加工技術(shù)可達(dá)的水平目前主要目前主要納米級(jí)加工方法納米級(jí)加工方法： 納米級(jí)機(jī)械加工納米級(jí)機(jī)械加工 電子束和離子束加工電子束和離子束加工 掃描隧道顯微加工技術(shù)等掃描隧道顯微加工技術(shù)等一、納米級(jí)機(jī)械加

30、工一、納米級(jí)機(jī)械加工p 金剛石刀具超精密切削加工有色金屬和非金屬金剛石刀具超精密切削加工有色金屬和非金屬可能獲得可能獲得Ra(0.02-0.002) m的鏡面，刀具仔細(xì)研磨的鏡面，刀具仔細(xì)研磨時(shí)可切時(shí)可切 l nm切削厚度的切屑。主要用切削厚度的切屑。主要用平面、圓柱面平面、圓柱面和非球曲面的鏡面加工。和非球曲面的鏡面加工。 p 最近新發(fā)展的金屬結(jié)合最近新發(fā)展的金屬結(jié)合劑砂輪的劑砂輪的在線電解修整砂在線電解修整砂輪的輪的ELID鏡面磨削技術(shù)鏡面磨削技術(shù)可以加工出可以加工出Ra(0.02-0.002) m的鏡面。的鏡面。p 精密研磨拋光可以加工出精密研磨拋光可以加工出Ra(0.01-0.002)

31、 m的鏡面。的鏡面。量塊、集成電路的硅基片等都是用精量塊、集成電路的硅基片等都是用精密研磨得到高質(zhì)量表面密研磨得到高質(zhì)量表面。 二、電子束、離子束和激光加工二、電子束、離子束和激光加工p 可用于刻蝕、打孔、切割、焊接、表面處理和表面改可用于刻蝕、打孔、切割、焊接、表面處理和表面改性等性等p 電子束加工時(shí)，被加速的電子將其能量轉(zhuǎn)化成熱能以電子束加工時(shí)，被加速的電子將其能量轉(zhuǎn)化成熱能以去除穿透層表面的原子，電子束可以聚焦成很小的束去除穿透層表面的原子，電子束可以聚焦成很小的束班班(中中0.1 m)，照射敏感材料，用，照射敏感材料，用電子刻蝕可加工出電子刻蝕可加工出0.1 m的線條寬度而在制造集成電

32、路中實(shí)際應(yīng)用的線條寬度而在制造集成電路中實(shí)際應(yīng)用。電子束和離子束加工電子束和離子束加工p 離子束加工時(shí)，因離子直徑為離子束加工時(shí)，因離子直徑為0.1n m數(shù)量級(jí)數(shù)量級(jí)，故可以直接將工件表面原子碰撞出去達(dá)到，故可以直接將工件表面原子碰撞出去達(dá)到加工的目的。用聚焦的離子束進(jìn)行刻蝕，加工的目的。用聚焦的離子束進(jìn)行刻蝕，可可以得到精確的形狀和納米級(jí)的線條寬度以得到精確的形狀和納米級(jí)的線條寬度。電子束加工電子束加工p 電子束利用熱效應(yīng)加工電子束利用熱效應(yīng)加工 高速和高能量密度的電子束沖擊工件表面，在幾分之一秒內(nèi)與原字相互作用。 電子與原子碰撞，使原子振動(dòng)產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象 幾乎所有的能量都轉(zhuǎn)化為熱能。 由于電

33、子束能量密度高，作用時(shí)間短，所產(chǎn)生的熱量來(lái)不及傳導(dǎo)、擴(kuò)散就將工件被沖擊部分局部熔化、汽化、蒸發(fā)成霧狀粒子而飛散。電子束加工原理圖控制柵極加速陽(yáng)極電子束斑點(diǎn)旁熱陰極聚焦系統(tǒng)工件工作臺(tái)電子束加工電子束加工p 電子束加工特點(diǎn)電子束加工特點(diǎn) 束徑小，能量密度高，能微細(xì)聚焦（0.01m），適合于加工深孔、細(xì)深孔、窄縫。 熱影響范圍小，適合于硬、脆、軟、韌金屬和非金屬材料、熱敏材料、半導(dǎo)體材料、易氧化材料等加工。原則上各種材料均能加工，特別適用于加工特硬、難熔金屬和非金屬材料。 加工速度快，效率高。非接觸加工，無(wú)工具損耗；無(wú)切削力，加工時(shí)間極短，控制性能好，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 可用于打孔、切槽、焊接、光刻、

34、表面改性。 在真空中加工，無(wú)氧化，特別適于加工高純度半導(dǎo)體材料和易氧化的金屬及合金。加工設(shè)備較復(fù)雜，投資較大。多用于微細(xì)加工離子束加工離子束加工p 離子束利用力效應(yīng)加工離子束利用力效應(yīng)加工 離子質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子，加速較慢，但一旦加速后，具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電子的能量。 質(zhì)量大、動(dòng)能高的離子沖擊工件表面，將產(chǎn)生彈性碰撞，將能量傳遞給工件的原子和分子，使原子和分子產(chǎn)生濺射，被拋出工件表面。 離子束穿透能力強(qiáng)，被加工表層幾乎不產(chǎn)生熱量，不引起機(jī)械應(yīng)力和損傷。 將被加速的離子聚焦成細(xì)束，射到被加工表面上。被加工表面受“轟擊”后，打出原子或分子，實(shí)現(xiàn)分子級(jí)去除加工。離子束濺射去除加工離子束濺射去除加工惰性氣體入

35、口陰極中間電極電磁線圈陽(yáng)極控制電極絕緣子引出電極離子束聚焦裝置擺動(dòng)裝置工件三坐標(biāo)工作臺(tái)離子束去除加工裝置離子束濺射鍍膜加工離子束濺射鍍膜加工 用加速的離子從靶材上打出原子或分子，并將這些原子或分子附著到工件上，形成“鍍膜”。 濺射鍍膜可鍍金屬，也可鍍非金屬。 由于濺射出來(lái)的原子和分子有相當(dāng)大的動(dòng)能，故鍍膜附著力極強(qiáng)（與蒸鍍、電鍍相比）。 離子鍍氮化鈦，即美觀，又耐磨。應(yīng)用在刀具上可提高壽命1-2倍。離子束源靶濺射材料濺射粒子工件真空離子束濺射鍍膜加工離子束濺射鍍膜加工p 離子束加工特點(diǎn)離子束加工特點(diǎn) 是一種以原子、分子為加工單位的加工方法。 加工精度和表面質(zhì)量高，可達(dá)納米級(jí)。 可對(duì)各種材料進(jìn)行

36、加工。 控制性能好，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 應(yīng)用廣泛，如：粒子束濺射去除加工、粒子束濺射鍍膜加工、離子束注入加工等。激光束加工激光束加工p 激光束利用熱效應(yīng)加工激光束利用熱效應(yīng)加工 激光光斑大小可聚焦到微米級(jí)。 激光束照射工件，光能被吸收，轉(zhuǎn)化為熱能，產(chǎn)生瞬時(shí)高溫、局部熔化、汽化。 激光束加工是非接觸加工，沒(méi)有力的作用，沒(méi)有工具，加工速度快。 與電子束和離子束加工比較，激光加工裝置簡(jiǎn)單，無(wú)需真空系統(tǒng)。電源p 激光束加工特點(diǎn)激光束加工特點(diǎn) 加工精度高，激光光斑直徑可達(dá)1m一下。 加工材料范圍廣，可對(duì)各種材料進(jìn)行加工。 速度快、效率高。 控制性能好，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 應(yīng)用廣泛，如：激光打孔、激光切割、激

37、光微調(diào)、激光表面改型、激光存貯、激光測(cè)量、激光焊接、激光熱處理等。三、掃描隧道顯微加工技術(shù)三、掃描隧道顯微加工技術(shù)p 掃描隧道顯微掃描隧道顯微STM (Scanning Tunneling Microscope) 加工技術(shù)是納米加工技術(shù)中的最加工技術(shù)是納米加工技術(shù)中的最新發(fā)展，新發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)原子、分子的搬遷、除、增可實(shí)現(xiàn)原子、分子的搬遷、除、增添和排列重組，可實(shí)現(xiàn)極限的精加工，原子添和排列重組，可實(shí)現(xiàn)極限的精加工，原子級(jí)的精加工級(jí)的精加工。掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡1981年由在年由在IBM瑞士蘇黎世實(shí)驗(yàn)室瑞士蘇黎世實(shí)驗(yàn)室工作的工作的G.Binning 和和 H.Rohrer 發(fā)明。被列為發(fā)

38、明。被列為20世世紀(jì)紀(jì)80年度世界十大科技成果之一，年度世界十大科技成果之一，1986年因此獲諾年因此獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。掃描隧道顯微掃描隧道顯微（STM）STM工作原理：工作原理：基于量子力學(xué)的隧道效應(yīng)。基于量子力學(xué)的隧道效應(yīng)。掃描隧道顯微加工原理掃描隧道顯微加工原理p當(dāng)兩個(gè)電極之間的距離縮短到1nm時(shí)，由于量子力學(xué)中粒子的波動(dòng)性，電流會(huì)在外加電場(chǎng)作用下，穿過(guò)絕緣勢(shì)壘，從一個(gè)電極流向另一個(gè)電極。用探針在試樣表面掃描時(shí)，可得到表面的納米級(jí)三維表面形貌。STM發(fā)明最初是用于測(cè)量試樣表面納米級(jí)形貌。p當(dāng)掃描隧道顯微鏡的探針對(duì)準(zhǔn)試件表面某個(gè)原子并非常接近時(shí)，由于原子間的作用力，探針針尖可以

39、帶動(dòng)該原子隨針尖移動(dòng)，而不脫離試件表面，實(shí)現(xiàn)試件表面原子搬遷。 掃描隧道顯微加工技術(shù)掃描隧道顯微加工技術(shù)p STM的加工精度要比傳統(tǒng)的光刻技術(shù)高的多的加工精度要比傳統(tǒng)的光刻技術(shù)高的多。在。在當(dāng)今高科技產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的時(shí)代，由于各種器件當(dāng)今高科技產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的時(shí)代，由于各種器件的集成度越來(lái)越高，傳統(tǒng)的毫微米加工技術(shù)已經(jīng)的集成度越來(lái)越高，傳統(tǒng)的毫微米加工技術(shù)已經(jīng)接近理論的極限，因此，納米加工技術(shù)的出現(xiàn)無(wú)接近理論的極限，因此，納米加工技術(shù)的出現(xiàn)無(wú)疑給人們帶來(lái)了希望。疑給人們帶來(lái)了希望。掃描隧道顯微鏡示意圖掃描隧道顯微鏡示意圖 圖 STM工作過(guò)程演示STM圖 STM實(shí)物照片 掃描器檢測(cè)電路a）輸出試件運(yùn)

40、動(dòng)軌跡關(guān)鍵技術(shù)：關(guān)鍵技術(shù)：（1）STM探針探針金屬絲金屬絲經(jīng)化學(xué)腐蝕，在腐蝕斷裂瞬經(jīng)化學(xué)腐蝕，在腐蝕斷裂瞬間切斷電流，獲得尖峰，曲間切斷電流，獲得尖峰，曲率半徑為率半徑為10 nm左右。左右。STM針尖 為解決非導(dǎo)體微觀表面形貌測(cè)量，借鑒STM原理，C.Binning 于1986年發(fā)明原子力顯微鏡。當(dāng)兩原子間距離縮小到 級(jí)時(shí)，原子間作用力顯示出來(lái)，造成兩原子勢(shì)壘高度降低，兩者之間產(chǎn)生吸引力。而當(dāng)兩原子間距離繼續(xù)縮小至原子直徑時(shí)，由于原子間電子云的不相容性，兩者之間又產(chǎn)生排斥力。AFM兩種測(cè)量模式：接觸式探針針尖與試件表面距離0.5nm，利用原子間的排斥力。由于分辨率高，目前采用較多。其工作原理是：保持探針與被測(cè)表面間的原子排斥力一定，探針掃描時(shí)的垂直位移即反映被測(cè)表面