纳米技术答案（期末）

1、第一讲 纳米材料及纳米结构1、纳米技术的定义。能操作细小到0.1100nm物件的一类新发展的高技术（也称毫微技术，是研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用）。2、举例4种自然界中的纳米材料和结构，并说明其利用纳米技术方面。 莲叶表面的超微结构（自洁作用），应用：制作自洁玻璃 壁虎脚趾上数以万计的细小刚毛（吸附作用），应用：研制壁虎带 水黾腿部上有数千根按同一方向排列的多层微米尺寸的刚毛（超疏水特性），应用：制作新型的防水制品 蜜蜂、海龟等在内的许多生物体内都存在着纳米尺寸的磁性颗粒，应用：制作新型的导航仪3、纳米科技研究内容是 什 么？ 创造和制备优异性能的纳米材料，制备各种纳

2、米器件和装置，探测和分析纳米区域的性质和现象4、纳米科学与技术的概念与内涵；是研究在千万分之一到十亿分之一内，原子，分子和其他类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对原子，分子等进行操纵和加工的技术，又称为纳米技术5、纳米科技的发展历程。第一阶段（1990年以前）主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体（包括薄膜），研究评估表征的方法；第二阶段（1994年以前）人们关注的热点是根据奇特物理，化学和力学性能，设计纳米复合材料纳米微粒和纳米微粒复合（0-0复合）纳米微粒和常规块体复合（0-3复合）复合纳米薄膜（0-2复合）第三阶段（1994到现在）纳米组装研究基本

3、内涵是以纳米颗粒以及纳米丝，管为基本单元在一维二维三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究第二讲 纳米材料及纳米结构纳米1 nm = 1 10-9 m（1）纳米材料：指三维空间至少有一维尺寸处于纳米量级的材料。（2）纳米结构：指尺寸在100纳米以下的结构。（3）纳米结构材料：指利用纳米技术以新原理和新结构在纳米层次上构筑特定性质的材料或自然界不存在的材料（具有块体材料的体外特征）。（4）纳米材料的发展阶段（5）纳米材料的分类（空间维度）按维数分： (1)0维,指在空间3维尺度均在纳米尺度,如纳米尺度颗粒,原子团簇等; (2)1维,指在空间有两维处于纳米尺度,如纳米丝、纳米棒、纳米管等; (3

4、)2维,指在3维空间中有1维在纳米尺度,如超薄膜,多层膜,超晶格等。按化学组成分:纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子和纳米复合材料。按材料物性可分为：纳米半导体、纳米磁性材料、纳米非线性光学材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电材料等。按应用分：纳米电子材料、纳米光电子材料、纳米生物医用材料、纳米敏感材料、纳米储能材料等。（6）纳米材料的基本效应：小尺寸效应；量子尺寸效应；表面效应；宏观量子隧道效应（7）纳米材料各类应用利用的是什么特性（8）纳米安全性第三讲 纳米材料的制备及改性（1）纳米材料制备方法分类（2）固相、液相和气相制备法的特点固相制备法的特点：液相制备法的特点：（

5、优点）：比较容易控制成核，容易控制颗粒的化学组成，形状及大小，添加的微量成分和组成较均匀（缺点）：极易引入杂质，造成所得粉体纯度不够气相制备法的特点：（3）法的具体介绍：机械法 机械法有机械球磨法、机械粉碎法以及超重力技术。机械球磨法无需从外部供给热能，通过球磨让物质材料之间发生界面反应，使大晶粒变为小晶粒，得到纳米材料。机械粉碎法是利用各种超微粉机械粉碎和电火花爆炸等方法将原料直接粉碎成超微粉，尤其适用于制备脆性材料的超微粉。超重力技术利用超重力旋转床高速旋转产生的相当于重力加速度上百倍的离心加速度，使相间传质和微观混合得到极大的加强，从而制备纳米材料。气相法 气相法包括蒸发冷凝法、溶液蒸发

6、法、深度塑性变形法等。蒸发冷凝法是在真空或惰性气体中通过电阻加热、高频感应、等离子体、激光、电子束、电弧感应等方法使原料气化或形成等离子体并使其达到过饱和状态，然后在气体介质中冷凝形成高纯度的纳米材料。溶液蒸发法是将溶剂制成小滴后进行快速蒸发，使组分偏析最小，一般可通过喷雾干燥法、喷雾热分解法或冷冻干燥法加以处理。深度塑性变形法是在准静态压力的作用下，材料极大程度地发生塑性变形，而使尺寸细化到纳米量级。磁控溅射法与等离子体法 溅射技术是采用高能粒子撞击靶材料表面的原子或分子，交换能量或动量，使得靶材料表面的原子或分子从靶材料表面飞出后沉积到基片上形成纳米材料。等离子体法是利用在惰性气氛或反应性

7、气氛中通过直流放电使气体电离产生高温等离子体，从而使原料溶液化合蒸发，蒸汽达到周围冷却形成超微粒。等离子体温度高，能制备难熔的金属或化合物，产物纯度高，在惰性气氛中，等离子法几乎可制备所有的金属纳米材料。 化学制备方法 1溶胶凝胶法 溶胶凝胶法的化学过程首先是将原料分散在溶剂中，然后经过水解反应生成活性单体，活性单体进行聚合，开始成为溶胶，进而生成具有一定空间结构的凝胶。2离子液法 离子液作为一种特殊的有机溶剂，具有独特的物理化学性质，如粘度较大、离子传导性较高、热稳定性高、低毒、流动性好以及具有较宽的液态温度范围等。即使在较高的温度下，离子液仍具有低挥发性，不易造成环境污染，是一类绿色溶剂。

8、因此，离子液是合成不同形貌纳米结构的一种良好介质。3溶剂热法 溶剂热法是指在密闭反应器(如高压釜)中，通过对各种溶剂组成相应的反应体系加热，使反应体系形成一个高温高压的环境，从而进行实现纳米材料的可控合成与制备的一种有效方法。 4微乳法 微乳液制备纳米粒子是近年发展起来的新兴的研究领域，具有制得的粒子粒径小、粒径接近于单分散体系等优点。1943年Hoar等人首次报道了将水、油、表面活性剂、助表面活性剂混合，可自发地形成一种热力学稳定体系，体系中的分散相由80nm- 800nm的球形或圆柱形颗粒组成，并将这种体系定名微乳液。自那以后，微乳理论的应用研究得到了迅速发展。表面修饰与改性目的 目的：改

9、善或改变粒子的分散性 提高微粒表面活性 使微粒表面产生新的物理化学等性能物理和化学改性方法分别有哪几种 物理修饰法：吸附法：用无机化合物或者有机化合物(水溶性或油溶性高分子化合物及脂肪酸皂等)对纳米粒子表面进行包覆，对纳米粒子的团聚起到减弱或屏蔽，而且由于包覆物而产生了空间位阻斥力，使粒子再团聚十分困难，从而达到改性的目的。 表面沉积法：将一种物质沉积到纳米微粒的表面，形成与微粒表面无化学化合的包裹层。化学改性法：偶联剂法（如：硅烷偶联剂）偶联改性是纳米粒子表面发生化学偶联反应，两组份之间除了范德华力、氢键或配位键相互作用外，还有离子键或共价键的结合。 酯化反应法 表面接枝改性法：通过化学反应

10、法将高分子接枝到纳米微粒上得化学方法。表面改性剂的种类：偶联剂，不饱和有机酸，表面活性剂，有机硅，有机聚合物，高级脂肪酸及其盐，超分散剂表面改性的应用前景从技术的通用性来看，表面纳米技术与工程趋向是共性技术或通用技术，它可应用于很多领域。如：高耐蚀耐磨涂层(包括热喷涂、冷喷涂的金属合金涂层和非金属涂层，纳米无机有机涂层等)，超硬表面涂层，大规模集成电路封装涂层，宽频的微波、红外和雷达波吸收纳米涂层，化学催化和电化学催化涂层和材料，电池表面工程，超精细工程表面涂层，扫描探针显微镜薄膜，等等。第四讲 碳纳米材料1质碳纳米材料的分类富勒烯，或巴基球（C50，C60，C70，C76，C80，C82，C

11、90，C94等）碳纳米管（单壁，多壁）洋葱碳及其相关结构纳米金刚石金刚石薄膜2纳米材料的结构和化学键以共价键化合：单键，双键，三键原子可以按链型，环型，网状等互相形成各类结构碳材料（石墨，金刚石，金刚石薄膜，富勒烯，碳纳米管等）第五讲 纳米检测和表征技术STM工作原理及两种工作方式（扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microsco-pe:STM)。扫描隧道显微镜的工作原理是应用电子隧道现象，将样品本身作为一具电极，另一个电极是一根非常尖利的探针。把探针移近样品，并在两者之间加上电压，当探针和样品表面相距只有数十埃时，由于隧道效应在探针与样品表面之间就会发生隧穿电流，并坚持

12、不变。若表面有渺小起伏，那怕只有原子大小的起伏，也将使穿电流产生成千上万倍的变更。这些信息输进电子盘算机，经过处置即可在荧光屏上显示出一幅物体的三维图像。STM有两种工作方式。一种称为恒电流模式，利用一套电子反馈线路控制隧道电流 I ，使其保持恒定。再通过计算机系统控制针尖在样品表面扫描，即是使针尖沿x、y两个方向作二维运动。由于要控制隧道电流 I 不变，针尖与样品表面之间的局域高度也会保持不变，因而针尖就会随着样品表面的高低起伏而作相同的起伏运动，高度的信息也就由此反映出来。这就是说，STM得到了样品表面的三维立体信息。这种工作方式获取图象信息全面，显微图象质量高，应用广泛。 另一种工作模式

13、是恒高度工作，在对样品进行扫描过程中保持针尖的绝对高度不变；于是针尖与样品表面的局域距离 s 将发生变化，隧道电流I的大小也随着发生变化；通过计算机记录隧道电流的变化，并转换成图像信号显示出来，即得到了STM显微图像。这种工作方式仅适用于样品表面较平坦、且组成成分单一(如由同一种原子组成)的情形。 从STM的工作原理可以看到：STM工作的特点是利用针尖扫描样品表面，通过隧道电流获取显微图像，而不需要光源和透镜。这正是得名扫描隧道显微镜的原因。隧道效应和隧道电流隧道效应：粒子的总能量E小于势垒高度时仍能贯穿势垒的现象称为隧道效应；（来源于微观粒子的波粒二相性）隧道电流：由于电子的隧道效应，金属中

14、的电子并不完全局限于表面边界之内，电子密度并不在表面边界处突变为零，而是在表面以外呈指数形式衰减，只要将原子线度的极细探针以及被研究物质的表面作为两个电极，当样品与探针的距离非常接近时，在这两电极间加一微小电压，电子就会穿过电极间的势垒形成隧道电流AFM工作原理及三种工作模式（原子力显微镜）原子力显微镜的基本原理是：将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微 小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱 的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表 面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法或隧

15、道 电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的 信息。接触模式从概念上来理解，接触模式是AFM最直接的成像模式。 正如名字所描述的那样，AFM 在整个扫描成像过程之中，探针针尖始终与样品表面保持紧密的接触，而相互作用力是排斥力。 扫描时，悬臂施加在针尖上的力有可能破坏试样的表面结构，因此力的大小范围在10 - 1010 - 6 N。 若样品表面柔嫩而不能承受这样的力，便不宜选用接触模式对样品表面进行成像。 非接触模式非接触模式探测试样表面时悬臂在距离试样表面上方510 nm 的距离处振荡。 这时，样品与针尖之间的相互作用由范德华力控制，通常为10 - 12 N

16、 ，样品不会被破坏，而且针尖也不会被污染，特别适合于研究柔嫩物体的表面。 这种操作模式的不利之处在于要在室温大气环境下实现这种模式十分困难。因为样品表面不可避免地会积聚薄薄的一层水，它会在样品与针尖之间搭起一小小的毛细桥，将针尖与表面吸在一起，从而增加尖端对表面的压力。 敲击模式敲击模式介于接触模式和非接触模式之间，是一个杂化的概念。 悬臂在试样表面上方以其共振频率振荡，针尖仅仅是周期性地短暂地接触/ 敲击样品表面。 这就意味着针尖接触样品时所产生的侧向力被明显地减小了。 因此当检测柔嫩的样品时，AFM的敲击模式是最好的选择之一。一旦AFM开始对样品进行成像扫描，装置随即将有关数据输入系统，如

17、表面粗糙度、平均高度、峰谷峰顶之间的最大距离等，用于物体表面分析。 同时，AFM 还可以完成力的测量工作，测量悬臂的弯曲程度来确定针尖与样品之间的作用力大小。 三种模式的比较接触模式（Contact Mode）： 优点：扫描速度快，是唯一能够获得“原子分辨率”图像的AFM垂直方向上有明显变化的质硬样品，有时更适于用Contact Mode扫描成像。 缺点：横向力影响图像质量。在空气中，因为样品表面吸附液层的毛细作用，使针尖与样品之间的粘着力很大。横向力与粘着力的合力导致图像空间分辨率降低，而且针尖刮擦样品会损坏软质样品（如生物样品，聚合体等）。 非接触模式（Non-Contact Mode）：

18、 优点：没有力作用于样品表面。 缺点：由于针尖与样品分离，横向分辨率低；为了避免接触吸附层而导致针尖胶粘，其扫描速度低于Tapping Mode和Contact Mode AFM。通常仅用于非常怕水的样品，吸附液层必须薄，如果太厚，针尖会陷入液层，引起反馈不稳，刮擦样品。由于上述缺点，on-contact Mode的使用受到限制。 轻敲模式（Tapping Mode）： 优点：很好的消除了横向力的影响。降低了由吸附液层引起的力，图像分辨率高，适于观测软、易碎、或胶粘性样品，不会损伤其表面。 缺点：比Contact Mode AFM 的扫描速度慢。第六讲 纳米生物医学纳米生物技术指在纳米尺度上认

19、识生物分子的精细结构和功能之间的联系，并在此基础上按研究者的意愿组合，装配，创造出满足人们意愿并行使特定功能的生物纳米机器的技术纳米医学纳米医学是随着纳米生物医药发展起来用纳米技术解决医学问题的学科，将纳米技术应用于医学领域的强大技术。DNA芯片第七讲 纳米光触媒光触媒及其作用原理第9-10讲 纳米加工技术1、何谓纳米加工技术纳米加工技术是指利用纳米原料对传统材料进行纳米化加工，使传统材料具有纳米功能的技术。（纳米原料是指含有纳米粒子的分散体系）2、哪些种类的加工方法可以实现纳米加工基于传统半导体加工的纳米加工技术：1) 减小曝光光源波长的加工技术（电子束光刻，X射线光刻，极紫外光刻，原子光刻）2) 纳米掩膜刻蚀加工技术探针直接书写式纳米加工技术纳米复制加工技术3、从加工方式上