納米技術(shù)及應(yīng)用

納米技術(shù)及應(yīng)用第1頁/共38頁一、納米與納米技術(shù)第2頁/共38頁1．納米納米（nanometer）——長度單位

nano是十億分之一的意思

1納米是1米的十億分之一，記作nm

1nm=1×10-9

m第3頁/共38頁2.納米技術(shù)(Nanotechnology)納米結(jié)構(gòu)：是指尺寸在100納米以下的微小結(jié)構(gòu)。納米技術(shù)是指在納米尺度的范圍內(nèi)，通過直接操縱和安排原子、分子來創(chuàng)造新物質(zhì)材料的技術(shù)。第4頁/共38頁3.納米技術(shù)的提出提出納米技術(shù)

概念的科學(xué)家

費(fèi)曼

（1918~1988）

R.P.Feynman第5頁/共38頁4.納米技術(shù)的實(shí)現(xiàn)與發(fā)展直到放大倍率達(dá)千萬倍的掃描隧道顯微鏡（STM）發(fā)明后，納米技術(shù)才真正成為一門科技技術(shù)。從20世紀(jì)90年代初起，納米科技得到迅速發(fā)展，新名詞、新概念不斷涌現(xiàn)，像納米電子學(xué)、納米材料學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、納米生物學(xué)等等。第6頁/共38頁5．掃描隧道顯微鏡(STM)1981年，美國IBM公司設(shè)在瑞士蘇黎世的實(shí)驗(yàn)室里，物理學(xué)家葛·賓尼(G.Binnig)和羅·海雷爾(H.Rohrer)發(fā)明了一種前所未有的新式顯微鏡，他們稱其為“掃描隧道顯微鏡

(ScanningTunnelingMicroscope)”簡稱STM

。

第7頁/共38頁賓尼希博士于1978年加入了IBM公司蘇黎士研究實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)物理研究小組。1987年時(shí)，賓尼希博士被提名為IBM公司的杰出研究人員（IBMFellow）。第8頁/共38頁羅雷爾博士（HeinrichRohrer）羅雷爾博士于1960年完成博士后研究之后，隨即加入IBM新成立的蘇黎士研究實(shí)驗(yàn)室，從事Kondo材料、反鐵磁體（antiferromagnets）以及其它方面的研究工作，接著便把研究重心轉(zhuǎn)向掃瞄式穿隧顯微鏡。1986年時(shí)，羅雷爾博士被提名為IBM公司的杰出研究人員（IBMFellow），并且在1986～1988年間擔(dān)任IBM公司蘇黎士研究實(shí)驗(yàn)室的物理科學(xué)部門經(jīng)理，羅雷爾博士于1997年7月從IBM公司退休。第9頁/共38頁我國的納米先鋒為期十年的“納米科學(xué)攀登計(jì)劃”和一系列先進(jìn)材料的研究計(jì)劃是核心活動。已投入經(jīng)費(fèi)約數(shù)千萬元人民幣。中科院納米科技項(xiàng)目

首席科學(xué)家白春禮院士第10頁/共38頁（1）勢壘在兩塊導(dǎo)電物體之間夾一層絕緣體，若在兩個(gè)導(dǎo)體之間加上一定的電壓，通常是不會有電流從一個(gè)導(dǎo)體穿過絕緣層流向另一導(dǎo)體的，即：第11頁/共38頁（2）隧道效應(yīng)假如這層勢壘的厚度很窄只有幾個(gè)納米時(shí)，電子將穿過而不是越過這層勢壘，從而形成電流。第12頁/共38頁（3）STM的工作原理將針尖和樣品表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)兩者之間的距離足夠小時(shí)，在電場的作用下，電子會穿過電極間的絕緣層，形成“隧道電流”，這種效應(yīng)就是隧道效應(yīng)。STM工作時(shí)的特點(diǎn)利用針尖掃描樣品表面，通過隧道電流獲取圖像。第13頁/共38頁（4）STM的結(jié)構(gòu)STM主要由STM主體、電子反饋系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及高分辨圖象顯示終端組成。CSTM-9000第14頁/共38頁二、納米操縱技術(shù)第15頁/共38頁1、納米級微加工后的表面應(yīng)用隧道效應(yīng)，用STM可以人為操作表面中國科學(xué)院化學(xué)所用自己研制的掃描隧道顯微鏡，在石墨晶體表面刻寫出一幅中國地圖，并刻寫出“中國”兩個(gè)字。兩幅圖像和文字的線條寬度只有10納米。第16頁/共38頁第17頁/共38頁中科院化學(xué)所的科技人員利用納米技術(shù)在石墨表面通過搬遷碳原子繪制出世界上最小的中國地圖第18頁/共38頁2、移動氙原子1990年4月，美國IBM公司的兩位科學(xué)家在用STM觀測金屬鎳表面的氙原子時(shí)，由探針和氙原子的運(yùn)動受到啟示，嘗試用STM針尖移動吸附在金屬鎳表面上的氙原子，得到下圖所示的情況。第19頁/共38頁3、移動硫原子1991年6月初，日本日立中心研究室的科技人員利用STM從二硫化鉬晶體表面上把硫原子有規(guī)律的轟擊出來，留下的空位則組成了英文“PEACE91”的字樣，并附有日立中心實(shí)驗(yàn)室的字頭縮寫。PEACE’91HCRL第20頁/共38頁4、移動鐵原子1993年，美國科學(xué)家在低溫下，用STM針尖將48個(gè)鐵原子排成一個(gè)圓環(huán)，并且直接觀察到了電子駐波的圖形而后，他們又成功地移動鐵原子寫成了兩個(gè)漢字“原子”。第21頁/共38頁5、移動一氧化碳分子1991年2月IBM公司用STM針尖移動吸附在金屬鉑表面的一氧化碳分子，描繪出“一氧化碳人”，其身高為5納米。第22頁/共38頁應(yīng)用原子力顯微鏡等納米顯微術(shù)，將單個(gè)DNA鏈完整地拉直，再對分子鏈進(jìn)行切割、彎曲、修剪，終于“寫”出“DNA”三個(gè)字母第23頁/共38頁三、納米材料的奇異特性第24頁/共38頁各種納米材料的特性蓮花葉子表面

的自我潔凈第25頁/共38頁鵝毛和鴨毛的排列非常整齊，且毛與毛之間的隙縫極小，小到納米尺寸，所以水分子無法穿透層層的鵝毛和鴨毛。第26頁/共38頁不用洗滌劑的納米服裝2002年，一批高科技服裝面料從實(shí)驗(yàn)室走上了展臺：不用洗滌劑也能清潔的衣物、可用做防水地圖的仿真絲面料等相繼出現(xiàn)。第27頁/共38頁具有易潔納米涂層的陶瓷第28頁/共38頁摔不碎的納米陶瓷納米陶瓷第29頁/共38頁強(qiáng)度比常規(guī)銅高5倍納米銅納米銅第30頁/共38頁納米材料的應(yīng)用與展望電子和通訊 全媒體存儲器；平板顯示器；納米醫(yī)療 納米結(jié)構(gòu)藥物；微型機(jī)器人；化學(xué)和材料 納米催化劑；納米陶瓷；能源 新型電池；氫燃料安全存儲；制造工業(yè) 微細(xì)加工；微型機(jī)器；飛機(jī)和汽車 無須洗滌的油漆；不燃塑料；航天 輕型航天器；環(huán)境保護(hù) 納米膜；納米存儲器；開關(guān)；第31頁/共38頁未來的理想超級纖維

──碳納米管第32頁/共38頁碳60和巴基球1985年，美國科學(xué)家克勞特和斯莫利等用激光束去轟擊石墨表面，意外地發(fā)現(xiàn)了C60。第33頁/共38頁碳納米管碳納米管，是指用納米技術(shù)將碳做成的細(xì)管C60C60C70金剛石石墨第34頁/共38頁納米技術(shù)發(fā)展的五個(gè)階段第35頁/共38頁以研究分子機(jī)械而著稱的美國風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)宰貝克斯公司的一項(xiàng)預(yù)測認(rèn)為，納米技術(shù)的發(fā)展可能會經(jīng)歷以下五個(gè)階段：第一階段準(zhǔn)確地控制原子數(shù)量在100個(gè)以下的納米結(jié)構(gòu)物質(zhì)。第二階段生產(chǎn)納米結(jié)構(gòu)物質(zhì)。第三階段大量制造復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)物質(zhì)。第四階段納米計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)。第五階段科學(xué)家們將研制出