纳米技术课件.ppt

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1、第一章第一章 纳米技术概论纳米技术概论1.1纳米技术的历史纳米技术的历史1.2纳米基本概念纳米基本概念1.3 关于纳米科技关于纳米科技1.1纳米技术的历史纳米技术的历史 在介绍纳米科技的历史之前，我在介绍纳米科技的历史之前，我们首先要回顾一下我们人类对物质世界的们首先要回顾一下我们人类对物质世界的掌握情况。掌握情况。至今为止，人类研究自然界的尺至今为止，人类研究自然界的尺度在空间上为：度在空间上为：2*1026m-1*10-16m，2*1026m-(200亿光年亿光年)被称为哈勃半径，是人被称为哈勃半径，是人类已观测到的宇宙的范围，银河系半径是类已观测到的宇宙的范围，银河系半径是1021m。原

2、子线度。原子线度10-10m，原子核的线度，原子核的线度10-14m-10-15m。10-10m以下的微以下的微观观世界的研究是核物理世界的研究是核物理和粒子物理研究的内容，宏和粒子物理研究的内容，宏观观世界的物理世界的物理规规律如力学，律如力学，电电磁学已磁学已经经研究的比研究的比较较透透彻彻，但，但处处于于1-100nm 区区间间的介的介观领观领域（正好是原子，域（正好是原子，分子的尺度范分子的尺度范围围）的知）的知识识就不就不仅仅仅仅是物理学是物理学家研究的家研究的领领域了，更多的化学家，生物学家域了，更多的化学家，生物学家都关心都关心这这一一领领域的域的发发展，因展，因为这为这正是物正

3、是物质质性性质发质发生生变变化的界化的界线线，量子效，量子效应应不能被忽略的不能被忽略的界界线线，所有物，所有物质质的物理，化学性的物理，化学性质质都要都要发发生生改改变变。从广。从广义义上上讲讲，出，出现现量子相干量子相干现现象的体象的体系系统统称称为为介介观观体系。体系。如果说人类智慧有一个区域的话，那么，如果说人类智慧有一个区域的话，那么，科学向更小的或是更大的长度单位不断扩展，科学向更小的或是更大的长度单位不断扩展，就标志着人类视野的不断开阔。在工业革命就标志着人类视野的不断开阔。在工业革命以前，大部分人类生产、科研不需要用到毫以前，大部分人类生产、科研不需要用到毫米，以蒸汽机等机械发

4、明为主要标志的第一米，以蒸汽机等机械发明为主要标志的第一次工业革命，将人类认知推向毫米层次。第次工业革命，将人类认知推向毫米层次。第二次工业革命，发明了电，从机械时代进入二次工业革命，发明了电，从机械时代进入微电子时代，毫米不够用了，毫米的千分之微电子时代，毫米不够用了，毫米的千分之一一微米诞生了。微米诞生了。随着科学技术的发展，微米层次的局限越来随着科学技术的发展，微米层次的局限越来越明显，例如，电脑芯片虽然已越做越小，越明显，例如，电脑芯片虽然已越做越小，但即将达到材料的物理极限，只有进入另一但即将达到材料的物理极限，只有进入另一个层次个层次纳米层次，才会有更大的突破，纳米层次，才会有更大

5、的突破，在纳米层次，许多原来在宏观尺度上使用的在纳米层次，许多原来在宏观尺度上使用的规律、定理、方式、方法，都将不再适用，规律、定理、方式、方法，都将不再适用，世界将从此是另一个样。我们现在所熟悉的世界将从此是另一个样。我们现在所熟悉的“原材料原材料”将是小至纳米级的原子、分子。将是小至纳米级的原子、分子。一、梦想一、梦想 纳纳米技米技术术，起源于一个天才物理学家的，起源于一个天才物理学家的大胆大胆设设想。想。1959年，年，诺贝诺贝尔尔奖获奖获得者、理得者、理论论物理学物理学家家理理查查得得费费曼最早提出了曼最早提出了纳纳米尺度上的科米尺度上的科学和技学和技术问题术问题，他在一次演，他在一次

6、演讲讲中提出：中提出：“如果如果人人类类能能够够在原子，分子尺度上来加工材料和在原子，分子尺度上来加工材料和制造装置，我制造装置，我们们将有将有许许多激多激动动人心的新人心的新发现发现。”这这是关于是关于纳纳米科技的最早梦想。米科技的最早梦想。1974年，年，坦尼盖茨（坦尼盖茨（Taniguchi）最早使）最早使用纳米技术（用纳米技术（nanotechnology）一词描述精）一词描述精细机械加工细机械加工 20世世纪纪70年代后期，美国麻省理工大学年代后期，美国麻省理工大学德雷克斯勒提倡开展德雷克斯勒提倡开展纳纳米科技的研究，但当米科技的研究，但当时时多数主流科学家多数主流科学家对对此持此持

7、怀怀疑疑态态度，度，历历史如史如此相似，哥白尼日心此相似，哥白尼日心说说，爱爱因斯坦的相因斯坦的相对论对论。爱爱因斯坦本人的因斯坦本人的nobel奖奖也是因也是因为为其在光其在光电电效效应应（现现在光在光电检测电检测的基的基础础）方面的成就，提）方面的成就，提出光的波粒二象性假出光的波粒二象性假设设而而获获得的。得的。1912年提年提出来的大出来的大陆陆漂移学漂移学说说，在当，在当时时也受到忽也受到忽视视，直到直到20世世纪纪60年代才被广泛接受，并使地年代才被广泛接受，并使地质质学学发发展起来。展起来。二、准二、准备备 由于当由于当时时没有没有观观察和控制原子，分子的察和控制原子，分子的能力

8、或手段，所以能力或手段，所以纳纳米技米技术术的的发发展非常展非常缓缓慢。慢。要从分子、原子出要从分子、原子出发发，制造物品，第一步得，制造物品，第一步得看看见见原子和分子，原子和分子，这这一关一关键键性的突破，由德性的突破，由德国人国人迈迈出。出。1981年，德国科学家年，德国科学家发发明了明了扫扫描隧道描隧道显显微微镜镜(STM)，人，人类类从此可以直从此可以直观观地地观观察到察到单单个原子了。此个原子了。此时时人人们对们对一些一些纳纳米微粒的米微粒的结结构，构，形形态态和特性和特性进进行了比行了比较较系系统统的研究。的研究。扫扫描隧描隧道道显显微微镜镜对纳米科技发展产生了积极的促进对纳米科

9、技发展产生了积极的促进作用。作用。1984年，德国年，德国Gleiter等人采用惰性气体等人采用惰性气体蒸蒸发发冷凝法制冷凝法制备备了了纳纳米米Fe，Cu，Pd等金属粉等金属粉末。随后末。随后发现纳发现纳米米TiO2陶瓷在室温下呈良好陶瓷在室温下呈良好的的韧韧性。在性。在180经经受弯曲并不受弯曲并不产产生裂生裂纹纹。这这一一突破使突破使为为陶瓷增陶瓷增韧奋韧奋斗了一个世斗了一个世纪纪的材料科的材料科学家学家们们看到了希望。英国著名材料科学家卡看到了希望。英国著名材料科学家卡恩在恩在nature 杂杂志上撰文志上撰文说纳说纳米陶瓷是解决陶米陶瓷是解决陶瓷脆性的瓷脆性的战战略途径。略途径。198

10、5年，英国年，英国Kroto等人采用激光加等人采用激光加热热石石墨蒸墨蒸发发并在甲苯中形成并在甲苯中形成C60，C60不同于石墨，不同于石墨，也不同于金也不同于金刚刚石，具有全新的封石，具有全新的封闭闭的足球的足球结结构，由构，由32面体构成，有面体构成，有20个六个六边边形和形和12个个5边边形，形，纯纯的的C60是是绝缘绝缘体，体，掺杂掺杂碱金属后碱金属后变变成成导导体，适当的体，适当的掺杂掺杂成份成份还还可以使其成可以使其成为为超超导导体，体，最高的超最高的超导转变导转变温度温度为为45K。立即在全世界。立即在全世界兴兴起了起了C60的研究的研究热热潮。潮。1988年，法国在年，法国在纳

11、纳米米Fe/Cr多多层层膜中膜中发现发现巨磁巨磁电电阻效阻效应应，引起全世界的普遍关注。，引起全世界的普遍关注。1990年，美国加州国年，美国加州国际际商用机器公司商用机器公司（IBM）实验实验室，在室，在Ni基板上成功的将基板上成功的将35个个氙原子排布成氙原子排布成“IBM”3个字母；个字母；总总面面积积只有只有几个平方几个平方纳纳米，人米，人类类第一次第一次实现实现了操了操纵单纵单个个原子，原子，纳纳米科技的序幕拉开了。米科技的序幕拉开了。三、三、诞诞生和生和发发展展 1990年年7月，第一届国际纳米科学技术月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩与第五届国际扫描隧道会议在美国巴尔的

12、摩与第五届国际扫描隧道显微学会议同时举办，标志着纳米科学技术显微学会议同时举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。的正式诞生。正式提出了正式提出了纳纳米材料学，米材料学，纳纳米米生物学，生物学，纳纳米米电电子学，子学，纳纳米机械学和概念。米机械学和概念。纳米技术纳米技术与与纳米生物学纳米生物学这两种国际这两种国际性专业期刊也相继问世。性专业期刊也相继问世。中科院上海原子核中科院上海原子核研究所的李民乾教授参加了此次会研究所的李民乾教授参加了此次会议议。1991年，碳纳米管被人类发现，它的质年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10

13、倍，倍，于是碳于是碳纳纳米管立即米管立即成为纳米技术研究成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利smalley教教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。以及纳米级电子线路等。1993年，继年，继1989年美国斯坦福大学搬走年美国斯坦福大学搬走原子团原子团“写写”下斯坦福大学英文名字、下斯坦福大学英文名字、1990年美国国际商用机器公司（年美国国际商用机器公司（IBM公司）在镍公司）在镍表面用表面用36个氙原子排出个氙原子排出

14、“”之后，中之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出子成功写出“中国中国”二字，标志着我国开始二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。在国际纳米科技领域占有一席之地。1994年，美国着手研究年，美国着手研究“麻雀麻雀”卫卫星，星，“蚊蚊子子”导弹导弹，“苍蝇苍蝇”飞飞机等。机等。1995年，科学家研究并年，科学家研究并证实证实碳碳纳纳米管具米管具有有优优良的良的场发场发射性能。射性能。1996年，我国年，我国实现实现碳碳纳纳米管的大面米管的大面积积定向定向生生长长。1997年，法国全国科学研究中心和美国年，法国全国科学研究中心和

15、美国IBM公司共同研制成功第一个分子公司共同研制成功第一个分子级级放大器。放大器。其活性部分是一个直径只有其活性部分是一个直径只有0.7nm的碳分子。的碳分子。标标志着志着纳纳米技米技术术开始开始进进入入实实用用阶阶段。段。1998年，美国成功制年，美国成功制备备出了量子磁出了量子磁盘盘。这这种磁种磁盘盘是由磁性是由磁性纳纳米棒米棒组组成的成的纳纳米米阵阵列体系。列体系。美国商家正美国商家正组织组织人人员员将此技将此技术术迅速迅速转转化化为产为产品。品。1999年，年，韩韩国制成碳国制成碳纳纳米管阴极彩色米管阴极彩色显显示示器器样样管。管。2000年，日本制成碳年，日本制成碳纳纳米管米管场发场

16、发射器射器样样管。美国研制出量子管。美国研制出量子计计算机和生物算机和生物计计算机。算机。美国柯达公司研制成一种即具有顔料又具有美国柯达公司研制成一种即具有顔料又具有染料功能的新型染料功能的新型纳纳米粉体，米粉体，预计预计将将给给彩色印彩色印像像业带业带来革命性的来革命性的变变革。革。在在纳纳米技米技术刚刚术刚刚出出现现不久，一些不久，一些发发达国达国家就开始投入大量的人力物力家就开始投入大量的人力物力进进行深入的研行深入的研究开究开发发，将其列入近期的高科技开，将其列入近期的高科技开发项发项目。目。例如，美国的例如，美国的星球大星球大战战计计划、日本的划、日本的创创造科学技造科学技术术推推进

17、进事事业业、西欧的、西欧的尤里卡尤里卡计计划等都不划等都不约约而同地将而同地将纳纳米科技确定米科技确定为为重点攻重点攻关关课题课题。此外，美国此外，美国还还于于2001年起开始年起开始实实施施国家国家纳纳米技米技术术推推进计进计划划，以，以抢抢占在占在这这一一领领域的制高域的制高点。在点。在这这种国种国际际背景下，我国政府也先后将背景下，我国政府也先后将纳纳米材料技米材料技术术研究列入研究列入国家高技国家高技术研究研究发展展计划划863，国家重点基，国家重点基础研究研究发展展计划划973，“十一五十一五”国家科技攻关国家科技攻关计计划中。投入大量人划中。投入大量人力物力力物力进进行技行技术术攻

18、关，并确定其攻关，并确定其为为高度重高度重视视并大力并大力发发展的九大关展的九大关键键技技术术之一。之一。另外在另外在1996年年1998年，世界技年，世界技术评术评估估中心中心对对“纳纳米米结结构的科学和技构的科学和技术术”的研究开的研究开发发现现状和状和发发展展趋势进趋势进行了行了调调研。研。结结果果发现发现：1.通通过过将材料制成将材料制成纳纳米米结结构，可以得到全新构，可以得到全新的性能的性能2.纳纳米科技涉及的学科范米科技涉及的学科范围围极广，极广，许许多新的多新的发现发现都是在各学科的交叉点上。同都是在各学科的交叉点上。同时还时还比比较较了各国在了各国在纳纳米技米技术术上的投上的投

19、资资和和实实力。力。四：四：结论结论1.人人类类的的发发展已展已经进经进入了小尺寸入了小尺寸时时代。代。纳纳米米级级的研究正在迅速的研究正在迅速发发展。展。2.纳纳米科技是个完完全全的多学科交叉米科技是个完完全全的多学科交叉领领域。域。单单一的知一的知识结识结构是不能适构是不能适应应科技的科技的发发展的。展的。3.要培养要培养创创造性的思造性的思维维和工作能力。和工作能力。纳纳米米领领域的域的观观念常常是与我念常常是与我们现们现有的思有的思维维方方式相反的。式相反的。4.要具要具备团结协备团结协作精神。作精神。现现代的科学研究代的科学研究再也不是某个人能完成的工作。再也不是某个人能完成的工作。

20、1.2纳米基本概念纳米基本概念一、纳米一、纳米 我们所熟知的长度单位有：我们所熟知的长度单位有：m，cm，mm，um，nm，。纳米又称毫微米，纳米又称毫微米，1nm=10-9 m 即即10亿分之一米。在大学物理中我们都知道原亿分之一米。在大学物理中我们都知道原子的线度是子的线度是10-10米量级，那么一个纳米就米量级，那么一个纳米就是数个原子并列排起来的长度。这样并不是数个原子并列排起来的长度。这样并不能给我们以直观的印象纳米到底有多小。能给我们以直观的印象纳米到底有多小。当美国人尼尔阿姆斯特朗当美国人尼尔阿姆斯特朗（neil armstrong）踏上月）踏上月球，它称对个人而言这是球，它称对

21、个人而言这是很小的一步，但对人类而很小的一步，但对人类而言却是巨大的一步。纳米言却是巨大的一步。纳米也许代表人类再一次的巨也许代表人类再一次的巨大一步，但其步伐之小，大一步，但其步伐之小，就像尼尔阿姆斯特朗在太阳系中的大小。粗就像尼尔阿姆斯特朗在太阳系中的大小。粗略估算一下，在略估算一下，在1mm*2mm的面积上刻两万的面积上刻两万字，每个字的面积只有字，每个字的面积只有10 um*10 um。美国美国NNI（国家纳米创新中心）称其会引导下（国家纳米创新中心）称其会引导下一次工业革命。（一次工业革命。（National nanotechnology initiative leading tow

22、ards the next industrial revolution）。这个短语印在比头发丝还细下）。这个短语印在比头发丝还细下的一个平面上，字母大小是的一个平面上，字母大小是0.3 um。头发丝。头发丝的直径一般在的直径一般在20-50um。不借助任何仪器，。不借助任何仪器，人类的眼睛可看到的最小的东西其断面尺寸人类的眼睛可看到的最小的东西其断面尺寸为为10 um。2002年，商用微芯片上刻蚀的最年，商用微芯片上刻蚀的最小器件的尺寸为小器件的尺寸为0.13um。形象的比喻是。形象的比喻是1纳纳米和一个人的尺寸差别与米和一个人的尺寸差别与1个人和月球轨道的个人和月球轨道的差别相同，再就是一纳

23、米的物体放到乒乓球差别相同，再就是一纳米的物体放到乒乓球上，就像一个乒乓球放在地球上一般。上，就像一个乒乓球放在地球上一般。纳纳米米还还有一个引申意是思有一个引申意是思维维方式的概念，方式的概念，“纳纳米米”的的“纳纳”字原是希腊文中字原是希腊文中“矮小矮小”的意思，的意思，即人即人类类的科研、生的科研、生产产活活动动将向更小的尺度、将向更小的尺度、更深的更深的层层次次发发展，例如从微米展，例如从微米层层次深入至次深入至纳纳米米层层次；一般来次；一般来说说物物质质在在颗颗粒大小粒大小进进入到入到1纳纳米米100纳纳米的尺度范米的尺度范围时围时，其性，其性质质都会都会发发生生变变化。化。二、二、

24、纳纳米尺度：米尺度：是指是指1-100nm的空的空间间范范围围。这这正是分子正是分子尺寸。尺寸。科学家在科学家在这这尺度上尺度上观观察物察物质时发现质时发现了了崭崭新的新的现现象，象，传统传统的材料特性和器件功能的模的材料特性和器件功能的模式和理式和理论论都基于大于都基于大于100nm这这一一临临界尺寸的界尺寸的前提，当材料在至少一前提，当材料在至少一维维上的尺寸小于上的尺寸小于这这一一临临界尺寸界尺寸时时，往往会，往往会显现显现出用出用传统传统的模式和的模式和理理论论无法解无法解释释的独特性能。的独特性能。在在这这一尺度，我一尺度，我们们所熟悉的物所熟悉的物质质的通常的通常性性质质如如导电导

25、电性，硬度及熔点均会性，硬度及熔点均会发发生奇特的生奇特的变变化，一根化，一根纳纳米米导线导线或或电电路元件一般是不遵路元件一般是不遵循欧姆定律循欧姆定律这这一一现现代代电电子学的基本定律的。子学的基本定律的。物物质质基本的化学，基本的化学，电电子和物理性能在子和物理性能在这这一尺一尺度上的耦合是理解所有的度上的耦合是理解所有的纳纳米科学的关米科学的关键键。一一块块10cm 见见方的金子如果分割成两半，方的金子如果分割成两半，那么每一那么每一块块仍然是金子，呈金黄色，有光仍然是金子，呈金黄色，有光泽泽，依然是依然是软软的，的，导电导电的，具有和分割前一的，具有和分割前一样样的熔的熔点，除了便于

26、携点，除了便于携带带外，不会外，不会让让你你获获得更多的不得更多的不同，同，继续继续把每一把每一块块再分割，直到我再分割，直到我们们眼睛看不眼睛看不到了，那么那一到了，那么那一块块金子的物理，化学性金子的物理，化学性质质仍然仍然不会不会发发生生变变化，但如果把金子分割到化，但如果把金子分割到纳纳米尺度米尺度，所有的事情都要改，所有的事情都要改变变，包括金子的，包括金子的颜颜色，熔色，熔点和化学性能。而点和化学性能。而变变化的原因主要是因化的原因主要是因为纳为纳米米尺度内原子尺度内原子间间的相互作用不同于大的相互作用不同于大块块物理物理间间的的作用。作用。三、三、纳纳米米结结构构 所所谓纳谓纳米

27、米结结构就是将构就是将纳纳米米结结构构单单元按照元按照一定的一定的规规律律规则规则地排列成二地排列成二维维和三和三维维的的结结构。构。由于由于该结该结构奇特的物理构奇特的物理现现象及与下一代量子象及与下一代量子结结构器件的构器件的联联系，成系，成为为人人们们十分感十分感兴兴趣的研趣的研究究热热点。点。纳纳米米结结构构单单元是至小一元是至小一维处维处于于纳纳米米尺度的尺度的结结构构单单元，包括元，包括纳纳米晶，米晶，纳纳米米颗颗粒，粒，纳纳米管，米管，纳纳米棒或米棒或纳纳米米单层单层膜等。膜等。纳纳米米结结构构组组装体系是以装体系是以纳纳米米颗颗粒或粒或纳纳米米丝丝，纳纳米管米管为为基本基本单单

28、元在一元在一维维，二，二维维和三和三维维空空间组间组装排列成具有装排列成具有纳纳米米结结构的体系，构的体系，其中其中包括包括纳纳米米阵阵列体系、介孔列体系、介孔组组装体系、薄膜嵌装体系、薄膜嵌镶镶体系体系。纳纳米米组组装体系不装体系不仅仅在包含在包含纳纳米米结结构构基本基本单单元元还还要包括支撑它要包括支撑它们们的具有的具有纳纳米尺度米尺度的空的空间间的基体。的基体。根据根据纳纳米米结结构体系构筑构体系构筑过过程中的程中的驱动驱动力是力是靠外因靠外因还还是靠内因来划分，大致可分是靠内因来划分，大致可分为为两两类类，一是人工一是人工纳纳米米结结构构组组装体系，二是装体系，二是纳纳米米结结构自构自

29、组组装体系。装体系。所所谓谓人工人工纳纳米米结结构构组组装体系装体系,是按是按人人类类的意志的意志,利用物理和化学的方法人工地将利用物理和化学的方法人工地将纳纳米尺度的物米尺度的物质单质单元元组组装装在一起或在一起或利用物理和利用物理和化学的化学的办办法生法生长长各种各各种各样样的超晶格和量子的超晶格和量子线线，人工人工纳纳米米结结构包括构包括纳纳米有序米有序阵阵列体系和介孔复列体系和介孔复合体系等合体系等。人的人的设计设计和参与制造起到决定性的和参与制造起到决定性的作用作用,就好像人就好像人们们造造飞飞机，盖房子机，盖房子一一样样。自自组组装体系是指通装体系是指通过过弱的和弱的和较较小方向性

30、的小方向性的非共价非共价键键,如如 氢键氢键、范德瓦、范德瓦尔尔键键和弱的离子和弱的离子键协键协同作用把原子、离子或分子同作用把原子、离子或分子连连接在一起接在一起构筑成一个构筑成一个纳纳米米结结构构。纳纳米米颗颗粒、粒、丝丝、管可以是有序地排列。、管可以是有序地排列。这这一一阶阶段研究的特点更段研究的特点更强强调调按人按人们们的意愿的意愿设计设计、组组装、装、创创造新的体系造新的体系,更有目的地使更有目的地使该该体系体系具有人具有人们们所希望的特性。所希望的特性。费费曼曾曼曾预预言言 如果如果有一天人有一天人们们能按照自己的意愿排列原子和分能按照自己的意愿排列原子和分子子,那将那将创创造什么

31、造什么样样的奇迹的奇迹 。那么那么现现在在纳纳米米结结构构组组装就是装就是创创造新奇迹的造新奇迹的起点起点。气凝胶孔隙率高于气凝胶孔隙率高于 90%,孔径大小孔径大小为为纳纳米米级级,这这就就导导致孔隙致孔隙间间的材料的材料实际实际上是上是纳纳米尺度的微粒或米尺度的微粒或丝丝,这这种种纳纳米米结结构构为为嵌嵌镶镶、组组装装纳纳米微粒提供一个三米微粒提供一个三维维空空间间。纳纳米管的米管的出出现现,丰富了丰富了纳纳米材料研究的内涵米材料研究的内涵,为为合成合成组组装装纳纳米材料提供了新的机遇。米材料提供了新的机遇。重点重点发发展超高精度展超高精度纳纳米米结结构材料的制构材料的制备备技技术术有如下

32、几个方面有如下几个方面:球磨和机械合金化工球磨和机械合金化工艺艺和技和技术术;化学合成工化学合成工艺艺和技和技术术;等离子等离子电电弧合成技弧合成技术术;电电火花制火花制备备技技术术;激光合成技激光合成技术术;生物学制生物学制备备技技术术;磁控磁控溅溅射技射技术术;燃燃烧烧合成技合成技术术;喷雾喷雾合成技合成技术术。纳纳米材料的米材料的评评价与价与测测量技量技术术等等四、四、纳纳米材料米材料 纳纳米材料是其基本米材料是其基本单单元的元的颗颗粒或晶粒尺寸粒或晶粒尺寸至少在一至少在一维维上小于上小于100nm，且必，且必须须具有与常具有与常规规材料截然不同的光、材料截然不同的光、电电、热热、化学或

33、力学性能、化学或力学性能的一的一类类材料体系。材料体系。纳纳米材料的奇异性是由于其构成基本米材料的奇异性是由于其构成基本单单元元的尺寸及其特殊的界面、表面的尺寸及其特殊的界面、表面结结构所决定的。构所决定的。所以所以纳纳米材料也可以米材料也可以简单简单理解理解为为由由纳纳米米级级的的结结构构单单元构成的任何元构成的任何类类型的材料。型的材料。如果按如果按维维数，数，纳纳米材料的基本米材料的基本单单元可以分元可以分为为三三类类：零零维维 ,指在空指在空间间三三维维尺度均在尺度均在纳纳米尺度米尺度 ,如如纳纳米尺度米尺度颗颗粒、原子粒、原子团团簇等簇等 ;一一维维 ,指在空指在空间间有两有两维处维

34、处于于纳纳米米 尺度尺度 ,如如纳纳米米丝丝、纳纳米棒、米棒、纳纳米管等米管等 ;二二维维 ,指指在三在三维维空空间间中有中有 一一维维在在纳纳米尺度米尺度 ,如超薄如超薄膜、多膜、多层层膜、超晶格等。因膜、超晶格等。因为这为这些些单单元往往元往往具有量子性具有量子性质质 ,所以所以 ,对对零零维维、一、一维维和二和二维维的基本的基本单单元分元分别别又有量子点、量子又有量子点、量子线线和量和量子阱之称子阱之称。纵观纳米纵观纳米材料发展材料发展的历史的历史 ,大致可以划大致可以划分为三个阶段分为三个阶段 ,第一阶第一阶 段段 (1990(1990 年以前年以前 )主要是在实验室探索用各种手段制备

35、各种材主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的料的 纳米颗粒粉体纳米颗粒粉体 ,合成块体合成块体 (包括薄膜包括薄膜 ),),研究评估表征的方法研究评估表征的方法 ,探索探索 纳米材料不纳米材料不同于常规材料的特殊性能。对纳米颗粒和纳同于常规材料的特殊性能。对纳米颗粒和纳米块体材料米块体材料 结构的研究在结构的研究在 80 80 年代末期一度年代末期一度形成热潮。研究的对象一般局限在单一材料形成热潮。研究的对象一般局限在单一材料和单相材料和单相材料 ,国际上通常把这类纳米材料称国际上通常把这类纳米材料称纳米纳米晶晶或纳米相或纳米相 (Elanocrystalline or(Elanocrys

36、talline or nanophase)nanophase)材料。材料。第二第二阶阶段段(1994 年前年前)人人们们关注的关注的热热点是如点是如何利用何利用纳纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学学和力学 性能性能,设计纳设计纳米复合材料米复合材料,通常采通常采用用纳纳米微粒与米微粒与纳纳米微粒复合米微粒复合(OJ 复合复合),纳纳米米微粒与常微粒与常规块规块体复合体复合(0-3 复合复合)及及发发展复合展复合纳纳米薄膜米薄膜(03 复合复合),国国际际上通常把上通常把这类这类材料称材料称为纳为纳米复合材料。米复合材料。这这一一阶阶段段纳纳 米复合材料的米复

37、合材料的合成及物性的探索一度成合成及物性的探索一度成为纳为纳米材料研究的米材料研究的主主导导方向。第三方向。第三阶阶段段(从从 1994 年到年到现现在在)纳纳米米组组装体系、人工装体系、人工组组装合成的装合成的纳纳米米结结构体系构体系越来越受到人越来越受到人们们的关注。的关注。1.3 关于纳米科技关于纳米科技 一、定义一、定义 2001年，迈克罗克（年，迈克罗克（mike roco）在它编撰的美）在它编撰的美国国家科学基金文件中关于纳米纳米科学和纳米技国国家科学基金文件中关于纳米纳米科学和纳米技术的定义是：术的定义是：1纳米是尺度范畴中的一个奇特点，纳纳米是尺度范畴中的一个奇特点，纳米结构是

38、人类能制造的最小器件和生物的最大分子米结构是人类能制造的最小器件和生物的最大分子的汇合点，纳米尺度科学和工程在这里指的是通过的汇合点，纳米尺度科学和工程在这里指的是通过对尺度在孤立的原子和分子与块体材料之间的体系对尺度在孤立的原子和分子与块体材料之间的体系的新的物理的，化学的和生物的性能探索，从而获的新的物理的，化学的和生物的性能探索，从而获得的对其最基本的理解，并产生相应的技术进步。得的对其最基本的理解，并产生相应的技术进步。另一个国内比较常用的定为是：在纳米尺度上研另一个国内比较常用的定为是：在纳米尺度上研究物质究物质(包括原子、分子的操纵包括原子、分子的操纵)的特性和相互作用，的特性和相

39、互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。二、分类二、分类 分类：它是现代科学：混沌物理、量子分类：它是现代科学：混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学和现代技术：力学、介观物理、分子生物学和现代技术：计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术结合的产物，纳米科学技术被认核分析技术结合的产物，纳米科学技术被认为是世纪之交出现的一项高科技。在短短的为是世纪之交出现的一项高科技。在短短的十几年里，已派生出纳米材料学、纳米电子十几年里，已派生出纳米材料学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学、纳米物理学、

40、学、纳米加工学、纳米力学、纳米物理学、纳米化学、及纳米生物学等七大分支学科。纳米化学、及纳米生物学等七大分支学科。当物质小到当物质小到1-100nm时，其量子效应、物时，其量子效应、物质的局域性及巨大的表面及界面效应使物质质的局域性及巨大的表面及界面效应使物质的很多性能发生质变，呈现出许多既不同于的很多性能发生质变，呈现出许多既不同于宏观物体，也不同于单个孤立原子的奇异现宏观物体，也不同于单个孤立原子的奇异现象。象。纳纳米科技的最米科技的最终终目的是以原子、分子目的是以原子、分子为为起点，去起点，去设计设计制造具有特殊功能的制造具有特殊功能的产产品。而品。而主要的研究手段是主要的研究手段是扫扫

41、描探描探针显针显微家族中的各微家族中的各种探种探针显针显微微镜镜。它。它贯贯穿到七个分支穿到七个分支领领域中，域中，以其以其为为分析和加工所做的工作占一半以上。分析和加工所做的工作占一半以上。美国一些科学家甚至将美国一些科学家甚至将STM（扫扫描隧道描隧道显显微微镜镜）问问世之日当作世之日当作纳纳米科技米科技创创立之立之时时。三、研究内容三、研究内容 生物科学技生物科学技术术、信息科学技、信息科学技术术、纳纳米科学米科学 技技术术是本世是本世纪纪内科学技内科学技术发术发展的主流。展的主流。、纳纳米材料：米材料：创创造和制造和制备优备优异性能的异性能的纳纳 米材料米材料是是纳纳米科技最米科技最为

42、为重要的研究重要的研究领领域。可以域。可以说说，谁谁掌握了掌握了纳纳米材料，米材料，谁谁就掌握了就掌握了21世世纪纳纪纳米米科技科技发发展的主展的主动权动权。、纳纳米器件：米器件：设计设计、制、制备备各种各种纳纳米器件米器件和装置和装置纳米孔纳米孔DNA测控仪测控仪不同尺度的不同尺度的CuTCNQ有机单晶纳米材料与三维纳米有机单晶纳米材料与三维纳米结构结构CuPc单晶纳米带与纳米晶体管用于新一代34纳米NAND器件生产的300毫米晶圆，可切割出400个左右的32Gb芯片 纳纳米器件的研制和米器件的研制和应应用水平是用水平是进进入入纳纳米米时时代的重要代的重要标标志。志。纳纳米科技的最米科技的最

43、终终目的就是目的就是直接利用直接利用纳纳米尺度上所表米尺度上所表现现出来的新出来的新颖颖的物的物理、化学和生物学等特性来制造出具有特殊理、化学和生物学等特性来制造出具有特殊功能的功能的产产品。品。、纳纳米米检测检测与表征：探与表征：探测测和分析和分析纳纳米区米区域的性域的性质质和和现现象象 纳纳米米检测检测与表征是与表征是为为在在纳纳米尺度上研究米尺度上研究材料和器件的材料和器件的结结构、性能提供研究手段。构、性能提供研究手段。四、内涵四、内涵目前有关目前有关纳纳米科技的内涵从不同的角度有米科技的内涵从不同的角度有四种提法：四种提法：1)纳纳米米级颗级颗粒的制粒的制备备技技术术。2)纳纳米米结

44、结构的构的组组装技装技术术。3)制造具有所需功能的分子装置。制造具有所需功能的分子装置。4)利用生物的自利用生物的自识别识别、自、自组织组织、自复制的功、自复制的功能制造特定的能制造特定的纳纳米米产产品。品。上述四种提法中的任何上述四种提法中的任何单单一概念都不能涵一概念都不能涵盖盖纳纳米科技的全部内涵。米科技的全部内涵。五、意五、意义义 纳纳米科技在推米科技在推动动人人类类社会社会产产生巨大的生巨大的变变革方面具有重要意革方面具有重要意义义1、纳纳米科技将促使人米科技将促使人类认类认知知领领域的革命域的革命 人人类对类对客客观观世界的世界的认识认识是随着科学技是随着科学技术术的的发发展而不断

45、深入的。展而不断深入的。认识认识从直接用肉眼就从直接用肉眼就能看到的事物开始，然后不断深入，逐能看到的事物开始，然后不断深入，逐渐发渐发展成展成为为两个两个层层次：一是宏次：一是宏观领观领域，二是微域，二是微观观领领域。域。这里的宏观领域是指以人眼可见的最这里的宏观领域是指以人眼可见的最小的物体开始直到无限大的宇宙天体，微观小的物体开始直到无限大的宇宙天体，微观领域是指以分子，原子为起点，下到无限小领域是指以分子，原子为起点，下到无限小的领域，的领域，然而在宏然而在宏观领观领域和微域和微观领观领域之域之间这间这存在着存在着一个一个过过渡区称之渡区称之这这介介观领观领域。域。这这它包括从微它包括

46、从微米，米，亚亚微米（微米（0.11um），），纳纳米（米（1100nm）到）到团团簇尺寸（几个到几百个原子簇尺寸（几个到几百个原子组组成）的空成）的空间间范范围围。介介观领观领域特域特别别是是纳纳米尺度范米尺度范围围内，出内，出现现了了许许多奇异的物理，化学特性，从而引起了多奇异的物理，化学特性，从而引起了人人们们极大的研究极大的研究兴兴趣。但趣。但纳纳米尺度内的物米尺度内的物质质世界及其特性仍是人世界及其特性仍是人类认类认知知领领域的盲点，是域的盲点，是一片全新的研究疆土。在一片全新的研究疆土。在纳纳米尺度上有米尺度上有许许多多新新现现象，新象，新规规律有待律有待发现发现，它充，它充满满了

47、原始了原始创创新的机会，也是新技新的机会，也是新技术发术发展的源展的源头头。纳米科技是多学科交叉融合性质的集中体现。纳米科技是多学科交叉融合性质的集中体现。我们已不能将其归类为任何一门传统的学科我们已不能将其归类为任何一门传统的学科领域。纳米科技是对人类认知领域新疆域的领域。纳米科技是对人类认知领域新疆域的开拓，人类将承担对新发现和新理论重新学开拓，人类将承担对新发现和新理论重新学习和理解的任务，而一旦对这一领域探索过习和理解的任务，而一旦对这一领域探索过程中形成理论和我们的生活中得以广泛的应程中形成理论和我们的生活中得以广泛的应用，那么人类将建立不同于我们肉眼所能观用，那么人类将建立不同于我

48、们肉眼所能观察到的物质世界的新概念。并给人类社会带察到的物质世界的新概念。并给人类社会带来观念上的变革。这种影响绝不亚于信息社来观念上的变革。这种影响绝不亚于信息社会和生物技术对人类的影响。会和生物技术对人类的影响。2、纳纳米科技是人米科技是人类类可持可持续发续发展的保展的保证证 20世世纪纪是大是大发发展的年代，但也是展的年代，但也是环环境大境大破坏的年代。人破坏的年代。人们们利用巨大的机械无情地将利用巨大的机械无情地将世界塑造成世界塑造成“理想理想”的模的模样样。开山劈石，。开山劈石，围围海海造田，而造田，而这样这样留留给给我我们们的是无的是无穷穷的的祸祸患：水患：水土流失，山洪暴土流失，

49、山洪暴发发，环环境境污污染，气候染，气候变热变热。因此从人因此从人类类未来未来发发展的角度来看，可持展的角度来看，可持续发续发展将是人展将是人类类社会社会进进步的惟一步的惟一选择选择。纳纳米科技是从原子，分子出米科技是从原子，分子出发发制造材料和制造材料和产产品，原材料消耗少，品，原材料消耗少，对环对环境境污污染程度低。染程度低。现现在人在人们们的生的生产产模式，是从大到小，从上到模式，是从大到小，从上到下的，比如造一个橱，要从粗木到木材到成下的，比如造一个橱，要从粗木到木材到成品；造品；造电脑电脑，从半，从半导导体硅，体硅，经过经过切、割、刻、切、割、刻、蚀蚀、渗、渗杂杂等等许许多步多步骤骤

50、，变变成成电电子元器件，子元器件，这这个个过过程，原材料浪程，原材料浪费费大、能耗大。而大、能耗大。而纳纳米技米技术术，就是要做到，从小到大，从下到上；要，就是要做到，从小到大，从下到上；要什么什么东东西，将分子、原子搭起来，就是什么，西，将分子、原子搭起来，就是什么，原材料浪原材料浪费为费为零，能耗降到极低。因此零，能耗降到极低。因此纳纳米米科技推科技推动产动产品的微型化，品的微型化，变变性能化，和性能化，和对环对环境的友好化，境的友好化，这这将极大地将极大地节约资节约资源和能源，源和能源，减少人减少人类对类对其其过过分的依分的依赖赖，并促，并促进进生生态环态环境境的改善，从此，将在新的的改