納米教學課件

1234567返回退出納米科學技術(shù)一、前言

長久以來，人們一直有一個愿望：即企盼著有一天能夠按照人們的意志去安排一個一個的原子和分子，以構(gòu)成人們所需的材料與器件。

今天，這個愿望已有可能變成現(xiàn)實……美國著名物理學家費曼1959年1.納米1234567返回退出納米科學技術(shù)一、前言

納米科學技術(shù)（NanoScienceandTechnology)

在這里，納米不僅僅意味著空間尺度小，而且提供了一種新的思考方式，既生產(chǎn)過程要求越來越精細，以致于能夠直接操縱單個原子和分子以制造具有特定功能的產(chǎn)品。2.納米1234567返回退出納米科學技術(shù)一、前言3.微觀—

孤立原子、分子宏觀—

原子或分子構(gòu)成系統(tǒng)固液氣固長程有序—晶體(如金屬)長程無序但短程有序—非晶體(如玻璃)納米

—

物質(zhì)粉碎成“納米級”微粒(如含10-100個分子)(物理、化學……方法)再加壓成型為納米材料納米微粒納米材料(聚合體)(如納米金屬、納米陶瓷、納米非晶態(tài)材料…)納米1234567返回退出納米科學技術(shù)一、前言4.0.1-100nm空間尺度小量子效應(yīng)納米科學技術(shù)量子力學原理

納米1234567返回退出納米科學技術(shù)一、前言

“一旦到納米技術(shù)范圍，量子力學效應(yīng)就出現(xiàn)了。也就是說，我們要研究開發(fā)的這個領(lǐng)域，量子力學就變成了一個必要的工具，不能總是把量子力學局限在理論研究中，要把這個理論應(yīng)用到實際的開發(fā)工作中，即技術(shù)工作中去。要運用量子力學來設(shè)計、研究這方面的工作。”

—錢學森5.納米1234567返回退出納米科學技術(shù)一、前言1981年,第一臺掃描隧道顯微鏡(STM)→原子顯像能力

1986年,STM的發(fā)明者G.Binnig和H.Rohrer獲諾貝爾獎G.BinnigH.Rohrer6.

光學顯微鏡→2000倍,電子顯微鏡→幾百萬倍,STM→億倍納米1234567返回退出納米科學技術(shù)二、納米材料20世紀80年代，科學家驚奇地發(fā)現(xiàn)，介于宏觀與微觀之間的納米體系中，材料的許多性質(zhì)都完全變了模樣：金屬銀失去了典型的金屬特征；納米二氧化硅電阻下降了幾個數(shù)量級；常態(tài)下電阻較小的金屬到了納米級電阻會增大；納米級金屬的電阻溫度系數(shù)下降甚至出現(xiàn)負數(shù)；原是絕緣體的氧化物到了納米級，電阻卻反而下降；

10-25nm的鐵磁金屬微粒矯頑力比相同的宏觀材料大1000倍；顆粒尺寸小于10nm，矯頑力變?yōu)榱?，表現(xiàn)為超順磁性。

……………7.納米1234567返回退出納米科學技術(shù)二、納米材料1.納米微粒的特殊物理性質(zhì)●

小尺寸效應(yīng)●表面與界面效應(yīng)●量子尺寸效應(yīng)8.納米微粒線度<

光性質(zhì)顯著變化電磁熱力、聲光、吸收頻率寬而均勻良好韌性(納米金屬均稱“黑色”)吸收極強如(與尺寸有關(guān))各種微波吸收材料電磁屏蔽隱身材料(1)小尺寸效應(yīng)納米1234567返回退出納米科學技術(shù)二、納米材料(2)表面與界面效應(yīng)物質(zhì)粒徑的減小比表面積大大增加鍵態(tài)嚴重失配出現(xiàn)許多活性中心粒徑5nm的顆粒，表面占50％，粒徑2nm時，表面的體積百分數(shù)增加到80％。極強的吸附能力極強的抓俘能力防腐抗菌催化劑9.納米1234567返回退出納米科學技術(shù)二、納米材料能級間距δ=4EF/3N

宏觀固定的準連續(xù)能帶消失了，而表現(xiàn)為分裂的能級，使納米體系的光、熱、電、磁等物理性質(zhì)與常規(guī)材料不同，出現(xiàn)許多新奇特性。納米材料尺寸小電子被局限在一個體積十分微小的納米空間電子平均自由程短電子的局域性和相干性增強納米體系包含的原子數(shù)大大降低(3)量子尺寸效應(yīng)10.納米1234567返回退出納米科學技術(shù)二、納米材料2.一種新型的納米材料——碳納米管碳的三種形態(tài)：C60、金剛石、石墨11.納米1234567返回退出納米科學技術(shù)二、納米材料2.一種新型的納米材料——碳納米管12.納米1234567返回退出納米科學技術(shù)二、納米材料碳納米管的吸附性質(zhì)：“袖中乾坤”巴基管吸附HF分子13.納米1234567返回退出納米科學技術(shù)二、納米材料3.納米材料的應(yīng)用

（1）在微電子器件方面的應(yīng)用。納米材料制作單電子隧穿二極管納米硅基超晶格。（2）在磁記錄方面的應(yīng)用。（3）在傳感器上的應(yīng)用。納米陶瓷材料(LiN6O3,LiTiO3)

制成紅外檢測傳感器。14.納米1234567返回退出納米科學技術(shù)其他領(lǐng)域中的應(yīng)用

納米級加工、裝配甚至可移動單個原子的工程技術(shù)。

15.4.其它應(yīng)用(1)納米機械學納米1234567返回退出納米科學技術(shù)其他領(lǐng)域中的應(yīng)用納米尺度的分子電子器件超高密度記錄原子開關(guān)原理(2)納米電子學16.納米1234567返回退出(3)

納米生物學——

在納米尺度上研究生命問題

了解生物大分子的精細結(jié)構(gòu)及其與功能的關(guān)系。獲取分析細胞的生命信息。研制納米“機器人”。納米科學技術(shù)其他領(lǐng)域中的應(yīng)用17.納米1234567返回退出納米科學技術(shù)三、STM的工作原理金屬中的電子必須克服功函數(shù)才能逸出金屬表面費米能級功函數(shù)EF11.經(jīng)典理論18.納米1234567返回退出納米科學技術(shù)三、STM的工作原理

經(jīng)典理論：勢壘的存在阻礙了電子在兩個導體間的運動金屬A金屬B絕緣層或真空SEF1EF219.納米1234567返回退出納米科學技術(shù)三、STM的工作原理微觀粒子在空間的運動呈一定的幾率分布20.2.量子理論絕緣層或真空入射波反射波透射波金屬A金屬BS勢壘厚度小到納米量級時,電子將有可能穿過勢壘形成電流.納米1234567返回退出納米科學技術(shù)三、STM的工作原理

把探針尖與被測樣品表面做成電極。當樣品表面與針尖的距離非常接近時(一般＜1nm)，通過針尖與樣品表面施加一定的電壓形成外電場。在外電場的作用下，電子會穿過兩個電極之間的絕緣層(一般為空氣或液體)流向另一個電極，產(chǎn)生隧道電流。

金屬A做成探針狀金屬B為被研究物質(zhì)的表面22.3.STM簡介納米1234567返回退出納米科學技術(shù)三、STM的工作原理注意：隧道電流的強度對針尖與樣品表面的距離十分敏感，呈指數(shù)衰減。23.納米1234567返回退出納米科學技術(shù)三、STM的工作原理針尖在樣品表面作二維掃描，若能控制隧道電流不變，則針尖與樣品表面的局域高度也會保持不變。針尖將隨著樣品表面的起伏而作同樣的高低起伏的運動，于是第三維高度的信息就可反映出來。23.納米1234567返回退出納米科學技術(shù)三、STM的工作原理結(jié)論：

STM是根據(jù)電子穿過表面勢壘的隧道效應(yīng)制成的。它利用針尖掃描樣品表面，通過隧道電流獲得樣品表面的圖像。樣品電子線路顯示器顯示器探針24.納米1234567返回退出納米科學技術(shù)四、STM的儀器設(shè)備STM儀器設(shè)備全景圖計算機控制系統(tǒng)STM主體設(shè)備電子反饋系統(tǒng)高分辨率顯示終端25.納米1234567返回退出納米科學技術(shù)四、STM的儀器設(shè)備STM主體STM的核心部件

——探頭裝在主體箱26.納米1234567返回退出納米科學技術(shù)四、STM的儀器設(shè)備電子反饋系統(tǒng):

產(chǎn)生隧道電流,控制隧道電流的恒定高分辨率顯示終端：顯示所獲取的顯微圖像計算機控制系統(tǒng)：發(fā)出指令，控制系統(tǒng)運轉(zhuǎn)，收集、存儲所獲得的圖像，對原始圖像進行處理（如平滑、背景扣除、區(qū)域縮小或放大、剖面線等）27.納米1234567返回退出納米科學技術(shù)四、STM的儀器設(shè)備恒流工作模式STM

的工作方式恒高工作模式28.納米1234567返回退出納米科學技術(shù)四、STM的儀器設(shè)備主要技術(shù)問題

要想達到原子級的分辨率,探針尖端最好只有一個原子.

探針制作

29.探針樣品表面1nm探針不與樣品表面接觸納米1234567返回退出納米科學技術(shù)四、STM的儀器設(shè)備主要技術(shù)問題如何實現(xiàn)針尖在樣品表面掃描？

壓電陶瓷：在外加電壓作用下，在某一方向伸長或縮短，且伸長或縮短的尺度與外加電壓成比例。30納米1234567返回退出納米科學技術(shù)四、STM的儀器設(shè)備STM的獨特優(yōu)點分辨率高：橫向0.1nm,縱向0.01nm。同時獲得原子和電子結(jié)構(gòu)的豐富信息。工作條件范圍大（空氣、常溫、液體……）

31.納米1234567返回退出納米科學技術(shù)五、STM的應(yīng)用1、觀察和研究固體表面的微觀結(jié)構(gòu)32.砷化鎵GaAs表面的真空STM圖像硅表面7×7重構(gòu)圖Na過飽和吸附于GaAs表面的真空STM圖像石墨表面碳原子的規(guī)則排列吸附在鉑晶體表面的碘原子納米1234567返回退出納米科學技術(shù)五、STM的應(yīng)用2、觀察DNA分子——揭示生命的奧秘世界上第一張DNA圖像小白鼠DNA33.納米1234567返回退出納米科學技術(shù)五、STM的應(yīng)用DNA合成瞬間平行雙鏈DNA2、觀察DNA分子——揭示生命的奧秘34.納米1234567返回退出納米科學技術(shù)五、STM的應(yīng)用3、改造微觀世界的手段

——操縱原子不是夢35.納米1234567返回退出納米科學技術(shù)五、STM