纳米技术复习资料

1、1.纳米技术内容 纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，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（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，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学等。 纳米技术(nanotechnology），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的一种技术。纳米技术是一门交

2、叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。纳米科学与技术主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等 。这七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征这三个研究领域。纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。从迄今为止的研究来看，关于纳米技术分为三种概念：第一种，是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在创造的机器一书中提出的分子纳米技术。根据这一概念，可以使组合分子的机器实用化，从而可以任意组合所有种类的分子，可以制造出任何种

3、类的分子结构。这种概念的纳米技术还未取得重大进展。第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的"加工"来人工形成纳米大小的结构的技术。这种纳米级的加工技术，也使半导体微型化即将达到极限。现有技术即使发展下去，从理论上讲终将会达到限度，这是因为，如果把电路的线幅逐渐变小，将使构成电路的绝缘膜变得极薄，这样将破坏绝缘效果。此外，还有发热和晃动等问题。为了解决这些问题，研究人员正在研究新型的纳米技术。第三种概念是从生物的角度出发而提出的。本来，生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。DNA分子计算机、细胞生物计算机的开发，成为纳米生物技术的重要内容。2.纳米技

4、术的发展史1993年，第一届国际纳米技术大会(INTC)在美国召开，将纳米技术划分为6大分支：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学，促进了纳米技术的发展。由于该技术的特殊性，神奇性和广泛性，吸引了世界各国的许多优秀科学家纷纷为之努力研究。 纳米技术一般指纳米级(0.1一100nm)的材料、设计、制造，测量、控制和产品的技术。纳米技术主要包括：纳米级测量技术：纳米级表层物理力学性能的检测技术：纳米级加工技术；纳米粒子的制备技术；纳米材料；纳米生物学技术；纳米组装技术等。灵感来源纳米技术的灵感，来自于已故物理学家理查德·费曼1959年所作的一次题为在底部

5、还有很大空间的演讲。这位当时在加州理工大学任教的教授向同事们提出了一个新的想法。从石器时代开始，人类从磨尖箭头到光刻芯片的所有技术，都与一次性地削去或者融合数以亿计的原子以便把物质做成有用的形态有关。费曼质问道，为什么我们不可以从另外一个角度出发，从单个的分子甚至原子开始进行组装，以达到我们的要求？他说：“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。”关键突破1990年，IBM公司阿尔马登研究中心的科学家成功地对单个的原子进行了重排，纳米技术取得一项关键突破。他们使用一种称为扫描探针的设备慢慢地把35个原子移动到各自的位置，组成了IBM三个字母。这证明费曼是正确的，二个

6、字母加起来还没有3个纳米长。不久，科学家不仅能够操纵单个的原子，而且还能够“喷涂原子”。使用分子束外延长生长技术，科学家们学会了制造极薄的特殊晶体薄膜的方法，每次只造出一层分子。目前，制造计算机硬盘读写头使用的就是这项技术。 著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德· 费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想。技术编年史70年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想，1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工；1982年，科学家发明研究纳米的重要工具扫描隧道显微镜，为我们揭示一个可见的

7、原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用；1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生；1991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10倍，成为纳米技术研究的热点，诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，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、超微开关以及纳米级电子线路等；1993年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文、1990年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“ 中国”二字，标志着中国开始在国

8、际纳米科技领域占有一席之地；1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机；1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录；到1999年，纳米技术逐步走向市场，全年基于纳米产品的营业额达到500亿美元；近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新5年科技基本计划的研发重点；德

9、国专门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从1997年的1.16亿美元增加到2001年的4.97亿美元。中国也将纳米科技列为中国的“973计划”，其间涌出了像“安然纳米”等一系列以纳米科技为代表的高科技企业。我国的纳米先锋1993年，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地，并居于国际科技前沿；      1996年底，舟山普陀升兴公司与中科院固体物理研究所合作，成功开发了纳米家庭的重要一员-纳米SiO2，使我国成

10、为继美、英、日、法国后，国际上第五个能批量生产此产品的国家；      1997年9月北京大学成立了纳米科技研究中心，目前该中心已取得多项高水平的研究成果，有些方面已达到国际先进水平。其中，由该中心与北京真空物理开放实验室合作完成的利用STM在有机复合薄膜上进行的超高密度信息存储研究，得到了1.3nm的信息点，比国际最小存储点径小了近一个量级，该成果被两院院士评为1997年中国十大科技进展的第4名。1991年，科学家发现了一种典型的人造纳米材料-碳纳米管，但它的结构具有多层壁、单壁等多种形态。北京大学化学院顾镇南教授领导的研究组用简单的电弧法大

11、量合成了单壁纳米管，经纯化含量大于90，并按要求化学剪切和修饰成长度为15至20纳米，直径约1.4纳米的短管。电子学系薛增泉教授领导的研究组采用真空加工技术，使单壁碳纳米短管组装牢固竖立在黄金薄膜表面上，并用单壁碳纳米管做出了世界上最细的、性能最好的扫描探针，获得了精美的热解石墨的原子形貌像；用扫描隧道显微探针测得了单壁短管的导电特性和大气中室温下的量子台阶和动态负阻特性的I-V曲线；利用单壁短管作为场电子显微镜（FEM）的电子发射源，拍摄到过去认为不可能看到的原子像。      1997年12月，青岛化工学院纳米材料研究所崔作林、张志琨教授主

12、持发明的“高熔点纳米金属催化剂的制备方法”荣获国家技术发明奖二等奖，这是迄今我国纳米科技领域获得的最高等级的国家级奖励；      1998年，清华大学范守善小组成功地制备出直径为350纳米、长度达微米量级的氮化镓半导体一维纳米棒，使我国在国际上首次把氮化镓制备成一维纳米晶体；      1998年，美国科学杂志上刊登了我国科学家的论文。我国科学家用非水热合成法，制备出金刚石纳米粉，被国际刊物誉为“稻草变黄金-从四氯化碳制成金刚石；”      

13、1999年，中国科学院物理研究所解思深研究员率领的科研小组，不仅合成了世界上最长的“超级纤维”碳纳米管，创造了一项“3毫米的世界之最”，而且合成出世界上最细的碳纳米管；      1999年上半年，北京大学纳米技术研究取得重大突破，电子学系教授薛增泉领导的研究组在世界上首次将单壁碳纳米管组装竖立在金属表面，并组装出世界上最细且性能良好的扫描隧道显微镜用探针。      1999年，中科院金属研究所成会明博士合成出高质量的碳纳米材料，使我国新型储氢材料研究一举跃上世界先进水平。 

14、0;    1999年12月，中国科技促进经济投资公司与安康地区薯蓣产业开发有限公司、旬阳县农业开发有限公司联合兴办的陕西中科（旬阳）精细化工有限责任公司的年产3000吨纳米级超细活性氧化锌生产线在陕西旬阳县建成投产。中科院在江苏顺利进行了300吨中试之后，又移师旬阳，用中科院化工冶金研究所的“八五”成果NPP法新技术、新工艺，建成首期年产3000吨纳米级超细活性氧化锌和副产品4500吨硫酸铵锌的工厂，产品性能、指标达到国外同类先进产品的水平，不仅能生产球型氧化锌，还可制备针状纳米级氧化锌，价格也较外国产品低廉。中科院利用高新技术开发西部资源的这一创新项目，使我国

15、纳米材料的研发水平跻身世界先进行列。     2000年1月，华东理工大学技术化学物理研究所在引进的俄罗斯15KW微波等离子体纳米颗粒制备装置上成功地开发了纳米颗粒制备核心技术通过了上海市科委主持的鉴定。微波等离子体化学气相合成是制备纳米粒子的一类重要的方法，俄罗斯在微波等离子体化学气相合成研究方面处于国际领先地位，他们率先建立了国际上功率最高的微波等离子体化学气相合成装备。为了缩短我国与国外的差距，上海市科委和上海市新兴技术和新兴工业办公室联合立项，由华东理工大学技物所承担该套装置的引进任务。经过3年的艰苦努力，华东理工大学的专家们成功地完成

16、了装置的引进，并消化掌握了该套设备及纳米颗粒制备核心技术，开发了快速冷凝控制粒子生长和凝并技术，制取了包括Mo、TiN、TiO2和ZrO2在内的多种金属、氮化物和氧化物纳米粒子，并提出纳米颗粒的形态控制方法。通过两年来的正常运行表明，该装置功率大，可适应多种等离子气氛，可用气、液、固形态进料，特别适合于制备纳米金属及非氧化物颗粒。 3.纳米材料纳米材料：当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。 这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料

17、，也不能叫纳米材料。过去，人们只注意原子、分子或者宇宙空间，常常忽略这个中间领域，而这个领域实际上大量存在于自然界，只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家，他们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，像铁钴合金，把它做成大约2030纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍。80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料。从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在0.1微米以下

18、（注1米=100厘米，1厘米=10000微米，1微米=1000纳米，1纳米=10埃），即100纳米以下。因此，颗粒尺寸在1100纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料。纳米金属材料是20世纪80年代中期研制成功的，后来相继问世的有纳米半导体薄膜、纳米陶瓷、纳米瓷性材料和纳米生物医学材料等。纳米级结构材料简称为纳米材料(nanometer material)，是指其结构单元的尺寸介于1纳米100纳米范围之间。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学

19、、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子(nano particle)组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。纳米技术的广义范围可包括纳米材料技术及纳米加工技术、纳米测

20、量技术、纳米应用技术等方面。其中纳米材料技术着重于纳米功能性材料的生产（超微粉、镀膜、纳米改性材料等），性能检测技术（化学组成、微结构、表面形态、物、化、电、磁、热及光学等性能）。纳米加工技术包含精密加工技术（能量束加工等）及扫描探针技术。纳米材料具有一定的独特性，当物质尺度小到一定程度时，则必须改用量子力学取代传统力学的观点来描述它的行为，当粉末粒子尺寸由10微米降至10纳米时，其粒径虽改变为1000倍，但换算成体积时则将有10的9次方倍之巨，所以二者行为上将产生明显的差异。纳米粒子异于大块物质的理由是在其表面积相对增大，也就是超微粒子的表面布满了阶梯状结构，此结构代表具有高表面能的不安定原

21、子。这类原子极易与外来原子吸附键结，同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子。就熔点来说，纳米粉末中由于每一粒子组成原子少，表面原子处于不安定状态，使其表面晶格震动的振幅较大，所以具有较高的表面能量，造成超微粒子特有的热性质，也就是造成熔点下降，同时纳米粉末将比传统粉末容易在较低温度烧结，而成为良好的烧结促进材料。一般常见的磁性物质均属多磁区之集合体，当粒子尺寸小至无法区分出其磁区时，即形成单磁区之磁性物质。因此磁性材料制作成超微粒子或薄膜时，将成为优异的磁性材料。纳米粒子的粒径（10纳米100纳米）小于光波的长，因此将与入射光产生复杂的交互作用。金属在适当的蒸发沉积条件下，可得到易吸收光的黑色

22、金属超微粒子，称为金属黑，这与金属在真空镀膜形成高反射率光泽面成强烈对比。纳米材料因其光吸收率大的特色，可应用于红外线感测器材料。纳米技术在世界各国尚处于萌芽阶段，美、日、德等少数国家，虽然已经初具基础，但是尚在研究之中，新理论和技术的出现仍然方兴未艾。我国已努力赶上先进国家水平，研究队伍也在日渐壮大。纳米材料的发现和发展1861年，随着胶体化学的建立，科学家们开始了对直径为1100nm的粒子体系的研究工作。真正有意识的研究纳米粒子可追溯到20世纪30年代的日本的为了军事需要而开展的“沉烟试验”，但受到当时试验水平和条件限制，虽用真空蒸发法制成了世界第一批超微铅粉，但光吸收性能很不稳定。到了2

23、0世纪60年代人们开始对分立的纳米粒子进行研究。1963年，Uyeda用气体蒸发冷凝法制的了金属纳米微粒，并对其进行了电镜和电子衍射研究。1984年德国萨尔兰大学（Saarland University)的Gleiter以及美国阿贡实验室的Siegal相继成功地制得了纯物质的纳米细粉。Gleiter在高真空的条件下将粒子直径为6nm的铁粒子原位加压成形，烧结得到了纳米微晶体块，从而使得纳米材料的研究进入了一个新阶段。1990年7月在美国召开了第一届国际纳米科技技术会议（International Conference on Nanoscience&Technology)，正式宣布纳米材

24、料科学为材料科学的一个新分支。自20世纪70年代纳米颗粒材料问世以来，从研究内涵和特点大致可划分为三个阶段：第一阶段（1990年以前）：主要是在实验室探索用各种方法制备各种材料的纳米颗粒粉体或合成块体，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于普通材料的特殊性能；研究对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这种材料称为纳米晶或纳米相材料。第二阶段（19901994年）：人们关注的热点是如何利用纳米材料已发掘的物理和化学特性，设计纳米复合材料，复合材料的合成和物性探索一度成为纳米材料研究的主导方向。第三阶段（1994年至今）：纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构材料体系正在成为纳米材料研究的新

25、热点。国际上把这类材料称为纳米组装材料体系或者纳米尺度的图案材料。它的基本内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。纳米材料的四大效应纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级（）的超细材料，它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般为它包括体积分数近似相等的两个部分一是直径为几个或几十个纳米的粒子二是粒子间的界面前者具有长程序的晶状结构，后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构纳米材料由于其独特的尺寸结构，使得纳米材料有着传统材料不具备的特征即四大效应， 表面效应纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变化而急剧增大后引

26、起的性质上的变化球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积体积）与直径成反比随着颗粒直径变小比表面积将会显著地增加，说明表面原子所占的原子数将会显著地增加通常，对直径大于的颗粒表面效应可忽略不计当尺寸小于nm时其表面原子数急剧增长，甚至克纳米颗粒的表面积的总和可高达这时的表面效应将不容忽略纳米颗粒的表面与大块物体的表面，若用高倍率电子显微镜对金属纳米颗粒（直径为）进行电视摄像，实时观察，发现这些颗粒没有固定的形态随着时间的变化会自动形成多种形状（如立方八面体、十面体、二十面体多孪晶等，它既不同于一般固体，又不同予液体是一种准固体。由于表面原子数增多，原子

27、配位不足及高的表面能，使这些原子易与其他原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性，例如金属的纳米粒子在空气中会燃烧，无机的纳米粒子在空气中会引吸气体，并与气体进行反应 小尺寸效应由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应，当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长，以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电磁、热力学等特性呈现新的小尺寸效应对纳米颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生一系列新奇的性质一是光学性质，金属纳米颗粒对光的反射率很低通常低于，大约几微米的

28、厚度就能完全消光所以所有的金属在纳米颗粒状态下都呈现黑色；二是热学性质，固态物质在其形态为大尺寸时其熔点是固定的，纳米颗粒的熔点却会显著降低例如，金的常规熔点是1064，10nm颗粒熔点降低了27，nm的熔点仅为327；三是磁学性质，小尺寸的纳米颗粒磁性与大块材料显著不同，大块的纯铁矫顽力约为踟，而直径小于20nm时，其矫顽力可以增加1000倍当直径小于6nm时其矫顽力反而降低为零，呈显出超顺磁性可广泛地应用于电声器件、阻尼器件等利用等离子共振频率随颗粒尺寸变化的性质可以改变颗粒尺寸来控制吸收边的位移，制造具有一定频宽的微渡吸收纳米材料它们可用于电磁渡屏蔽和隐形飞机等 量子尺寸效应大块材料的能

29、带可以看作是准连续的，而介于原子和大块材料之间的纳米材料的能带将分裂为分立的能级能级闻的间距随颗粒尺寸减小而增大当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈显出一系列与宏观物体截然不同的反常特性，这种现象称为量子尺寸效应例如导电的金属在纳米颗粒时可以变成绝缘体，磁距的大小与颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会反常变化 宏观量子隧道效应微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应宏观量子隧道效应的研究对基础研究及实用都有着重要意义它限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极限量子尺寸效应、隧道效应将会是未来微电子器件的基础，它确立了现存微电子器件进步微型化的极限当微电子器件进一步细微化时必须要考

30、虑上述的量子效应4纳米材料的检测扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜 scanning tunneling microscope 缩写为STM。它作为一种扫描探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。此外，扫描隧道显微镜在低温下（4K）可以利用探针尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。1. 工作原理扫描隧道显微镜是根据量子力学中的隧道效应原理，通过探测固体表面原子中电子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显微装置。根据量子力学原理，由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限于金属表面之内，电子云密度并不是在表面

31、边界处突变为零。在金属表面以外，电子云密度呈指数衰减，衰减长度约为1nm。用一个极细的、只有原子线度的金属针尖作为探针，将它与被研究物质(称为样品)的表面作为两个电极，当样品表面与针尖非常靠近(距离1nm)时，两者的电子云略有重叠，如图1所示。若在两极间加上电压U，在电场作用下，电子就会穿过两个电极之间的势垒，通过电子云的狭窄通道流动，从一极流向另一极，形成隧道电流 I 。隧道电流 I 的大小与针尖和样品间的距离 s 以及样品表面平均势垒的高度 有关，其关系为 ，式中A为常量。 如果s以 nm为单位， 以eV为单位，则在真空条件下，A 1， 。由此可见，隧道电流 I 对针尖与样品表面之间的距离

32、 s 极为敏感，如果 s 减小0.1nm，隧道电流就会增加一个数量级。当针尖在样品表面上方扫描时，即使其表面只有原子尺度的起伏，也将通过其隧道电流显示出来。借助于电子仪器和计算机，在屏幕上即显示出样品的表面形貌。2. 工作方式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

33、微图象质量高，应用广泛。恒高度模式 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”的原因原子力显微镜它主要由带针尖的微悬臂、微悬臂运动检测装置、监控其运动的反馈回路、使样品进行扫描的压电陶瓷扫描器件、计算机控制的图像采集、显示

34、及处理系统组成。微悬臂运动可用如隧道电流检测等电学方法或光束偏转法、干涉法等光学方法检测，当针尖与样品充分接近相互之间存在短程相互斥力时，检测该斥力可获得表面原子级分辨图像，一般情况下分辨率也在纳米级水平。AFM测量对样品无特殊要求，可测量固体表面、吸附体系等。1. 工作原理原子力显微镜（atomic force microscope，简称AFM）利用微悬臂感受和放大悬臂上尖细探针与受测样品原子之间的作用力，从而达到检测的目的，具有原子级的分辨率。由于原子力显微镜既可以观察导体，也可以观察非导体，从而弥补了扫描隧道显微镜的不足。原子力显微镜是由IBM公司苏黎世研究中心的格尔德·宾宁与

35、斯坦福大学的Calvin Quate于一九八五年所发明的，其目的是为了使非导体也可以采用类似扫描探针显微镜（SPM）的观测方法。原子力显微镜（AFM）与扫描隧道显微镜（STM）最大的差别在于并非利用电子隧穿效应，而是检测原子之间的接触，原子键合，范德瓦耳斯力或卡西米尔效应等来呈现样品的表面特性。详细  图1. 激光检测原子力显微镜探针工作示意图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

36、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。下面，我们以激光检测原子力显微镜（Atomic Force Microscope Employing Laser Beam Deflection for Force Detection,Laser-AFM）扫描探针显微镜家族中最常用的一种为例，来详细说明其工作原理。如图1所示，二极管激光器（Laser Diode）发出的激光束经过光学系统聚焦在微悬臂（Cantilever）背面，并从微悬臂背面反射到由光电二极管构成的光斑位置检测器（Detect

37、or）。在样品扫描时，由于样品表面的原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力，微悬臂将随样品表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随之偏移，因而，通过光电二极管检测光斑位置的变化，就能获得被测样品表面形貌的信息。  子力显微镜原理图在系统检测成像全过程中，探针和被测样品间的距离始终保持在纳米（10e-9米）量级，距离太大不能获得样品表面的信息，距离太小会损伤探针和被测样品，反馈回路(Feedback）的作用就是在工作过程中，由探针得到探针-样品相互作用的强度，来改变加在样品扫描器垂直方向的电压，从而使样品伸缩，调节探针和被测样品间的距离，反过来控制探针-样品相互作用的强度，实现反

38、馈控制。因此，反馈控制是本系统的核心工作机制。本系统采用数字反馈控制回路，用户在控制软件的参数工具栏通过以参考电流、积分增益和比例增益几个参数的设置来对该反馈回路的特性进行控制。2. 工作方式原子力显微镜的工作模式是以针尖与样品之间的作用力的形式来分类的。主要有以下3种操作模式：接触模式（contact mode) ，非接触模式（ non - contact mode) 和敲击模式( tapping mode）。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

39、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 ，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

40、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。5.纳米生物医学纳米生物技术通过对细胞内信号传导与基因调控网络的人工设计与工程操作，从而产生了新的一类在体（in vivo）纳米生物技术

41、，开发纳米生物计算机、细胞机器人、生物细胞制药厂等新技术。定义：生物纳米技术是指在纳米尺度上认识生物分子的精细结构和功能之间的联系，并在此基础上岸研究者的意愿组合，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。纳米生物学定义，内容，内含，特点不同于宏观生物学，纳米生物学是从微观的角度来观察生命现象、并以对分子的操纵和改性为目标的。纳米生物学发展时间不长就已经取得了可喜的成绩。生物科学家在纳米生物学领域提出了许多富有挑战性的新观念。 纳米生物学的加工技术可以向生物细胞学习。纳米科技在基础医学中的应用1子力显微镜(AFM)的应用AFM是纳米生物技术中的一项十分重要的研究工具,在生物医学中应

42、用得非常广泛。与其他生物技术相比,具有如下特点:分辨率高(可达分子水平);可在生理条件下观察;样品制备简单;图像可以三维形式直接显示;可以进行动态观察;可以对样品的纳米性质进行定量分析。1.1.1观察高精度的表面三维形态图像已用AFM观测过的生物样品包括蛋白质、脂质、DNA和RNA等生物大分子以及人血小板、病毒、活细胞等。目前开展最多也最成熟的是观察生物样品的表面结构,如细胞和细胞器的表面形态DNA和蛋白质大分子的二级结构,以及构成病毒衣壳的衣壳粒的表面排列方式等2 实时追踪观察生物样品的生理变化由于能直接观察活细胞,因此可以利用AFM实时追踪观察细胞和细胞器的生理变化,如细胞活动周期的变化。

43、在实时观察生物分子的活动中,AFM也是一种理想的手段,如可以观察DNA和蛋白质等生物大分子的构象变化,大分子晶体的晶核形成和结晶化过程,以及某些生物分子的工作过程等。利用AFM还可以实时观察病毒的毒粒消退过程4和细菌S-层的形成。3 测量生物样品间相互作用力将单个分子连接在AFM的针尖上,与固定在云母等基底上的特异分子相互作用,根据探针悬臂的变化可以测得这对特异分子的相互作用力,其精度可达10-11N。如果这种力具有更高的特异性,可以根据所测得的力定性地测知被测样品是什么。目前这方面的研究很多,包括细胞-细胞、蛋白质-蛋白质、酶-底物5,6、抗原-抗体、受体-配体、药物-靶标以及其他许多生物复

44、合物之间的相互作用。4 测量生物样品表面的理化性质利用AFM还可以测量生物样品表面的某些理化性质,如黏性、弹性、硬度等。在用AFM测量豚鼠外毛细胞(outerhaircells,OHCs)的力学性质(mechanicalproperties)时发现,在细胞顶点处的力学性质最大,比基底部和中部区域要大3倍,另外发现随着细胞的长度增加,其表面杨氏模量减小7纳米技术在诊疗上的应用最近,国外科学家Kim等最近研制出了一种多聚复合纳米颗粒(NPs),可用于癌细胞的检测：以一种可降解生物多聚物(PLGA)作为基质,将化学治疗药物(阿霉素)以纳米颗粒的形式纳入到了聚合纳米颗粒基质当中；将CdSe/ZnS半导

45、体量子点(QDs)或超顺磁性的纳米晶体四氧化三铁嵌入该基质中；通过聚乙二醇基团将对癌细胞有靶向作用的叶酸连接到被修饰的PLAG上,构成了一个完整的NPs；在癌细胞上有过量表达的叶酸受体,连有叶酸的NPs通过抗原抗体结合反应侦查到癌细胞并进行光学成像,可以通过核磁共振和荧光成像来观察抗原抗体的结合进而对癌细胞进行监测。同时,通过四氧化三铁的磁导作用将阿霉素运输到癌细胞附近,杀死癌细胞。标示，治疗6.纳米材料的制备按制备原理分为：物理和化学按生成介质分为：固 液 气物理方法应用纳米技术制成的服装真空冷授法：用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好

46、、位度可控，但技术设备要求高。物理粉碎法：透过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产晶纯度低，顺粒分布不均匀。机械球磨法：采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。化学方法气相沉积法：利用金属化合物蒸汽的化学反应合成纳米材料。其特点产品纯度高，粒度分布窄。沉淀法：把沉淀剂加人到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料.其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备载化物。水热合成法：高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得纳米粒子。其特点纯度高，分散性好、拉度易控制。溶胶

47、凝胶法：金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低沮热处理而生成纳米粒子。其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和11一VI族化合物的制备。徽乳液法：两：互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在徽泡中经成核，聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。其特点粒子的单分散和接口性好，11一VI族半导体纳米粒子多用此法制备。液相法是目前实验室和工业上应用最广泛的合成超微粉体材料的方法.与气相法比较有如下优点:在反应过程中利用多种精制手段;通过得到的超细沉淀物, 可很容易制取高反应活性的纳米粉体主要特征:可精确控制化学组成;容易添加微量有效成分,制成多种成分均一的纳米粉体;纳米粉体材料表面

48、活性高;容易控制颗粒的尺寸和形状;工业化生产成本低.步骤多，容易产生团聚现象固相法突出优点是操作方便,合成工艺简单,粒径均匀,且力度可控,污染少,同时又可以避免或减少液相中易出现的硬团聚现象,成本低.，适合规模生产缺点是组成不易均匀,微粒易团聚,微粒直径分布宽.，不适宜于纳米线，纳米棒，纳米膜制备可以利用该方法制备纳米SI3N4 SIC ZNO SNO NIO等金属氧化物气相法制备的材料颗粒都比较小，这是优势，而缺点就是能耗大7 纳米电子，纳米加工的发展史纳米电子 包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光/电性质、纳米电子材料的表征，以及原子操纵和原子组装等。当前电子技术的趋势要求器件和系

49、统更小、更快、更冷，更小，是指响应速度要快。更冷是指单个器件的功耗要小。但是更小并非没有限度。 纳米技术是建设者的最后疆界，它的影响将是巨大的。从历史发展的角度来看，任何一个新兴学科和 技术的发展，都具有鲜明的时代特征，并植根于当时科学发展的肥沃土壤。如量子力学的出现导致了 固体能带理论的形成和固态电子器件的诞生，使微电子技术获得了迅速发展，就是明显例证。本世纪初兴起的纳米电子学研究，也同样具有深刻的社会与科技发展背景。一般认为纳米电子的由来与 发展有两条路径：一条是以无机材料的固态电子 器件尺寸和维度不断变小的自上而下的发展路径； 另一条则是基于化学有机高分子和生物分子的自 组装功能器件尺度

50、逐渐变大的自下而上的发展过程。基于固态电子器件尺寸不断变小的自上而下 发展路径 年，美国科学家基尔比发明了集成电路， 开创了微电子技术发展的新时代。特别是年 以后，晶体管及其集成电路的出现，开始了 微电子工业蓬勃发展的历史进程。年，英特 尔公司的创始人摩尔科学而及时地总结了集成电路 的发展规律，提出了著名的“摩尔定律”，即集成 电路的集成度每年增长倍。迄今为止， 集成电路一直严格遵循这一定律发展。从最初每个 芯片上仅有个晶体管的小规模集成电路，发展 到今天能集成上亿个器件的甚大规模集成电路。预 计到年，器件特征尺寸为 的集成电路 将投入批量生产，此后将进人以纳米晶体 管为主的纳米电子学时代。

51、纵观半导体集成电路的整个发展历程可以看出，微电子器件特征尺寸的按比例缩小原理起了至 关重要的作用，也正是这种器件尺寸日渐小型化的 发展趋势，促使人们所研究的对象由宏观体系进入 到纳米体系。从这个意义上说，纳米电子学是微电 子学发展的必然结果“。 自上而下发展路径的另一个分支是半导体结构 的低维化。年，日本著名物理学家江崎及其 合作者所提出的半导体超晶格概念，具有巨大的创 新意义和潜在的应用前景。从年到年， 是半导体超晶格与量子研究的黄金时期。在这 年中，不仅它们自身获得了令世人瞩目的进展。 尤其重要的是其开创了凝聚态物理学新进展中低维 物理研究的全新领域。世纪年代初期，纳米科学技术在全世界 急

52、速兴起，首当其冲的是纳米材料的制备、表征与 物性研究。一时之间各种纳米材料的形成技术应运 而生，其中，分子自组装技术用于有机纳米团簇与 超分子的制备引起了化学与材料学家的广泛重视。 这是由于此类材料在光学、电学、磁学、机械以及 催化和环保等许多领域都有着潜在的应用价值。分子自组装的最主要应用，则是利用该技术制 作具有特定功能的纳米量子器件，无疑这是一条纳 米电子学的自下而上的发展路径。发展纳米电子学 的另外一条重要途径就是由无机材料构成的纳米 微粒、纳米薄膜和纳米固体的研究。年，德 国的著名材料物理学家格莱特教授率先采用物理 方法制备了由纳米晶粒和晶粒间两种形成的纳米固体材料，在世界范围内引起

53、了轰动。其 后，人们纷纷采用各种工艺，如分子束外延、激光 烧蚀沉积、磁控溅射、等离子体化学 汽相沉积、凝 胶-溶胶法和高能离子注入等沉积生长了各类纳米 薄膜材料，并设计和制作了一系列低维量子结构器件。纳米电子学的概念概括起来就是：它是一个采用纳米结构 材料所具有的各种量子化效应，通过适宜的纳米加 工技术，设计并制作具有实用化的纳米量子器件及 其集成电路的学科分支。世纪下半叶，以 晶体管集成电路为基础的微电子技术，对信息科学技术的发展产生了极大推动作用。那么世纪上 半叶，以纳米量子器件及集成为基础的纳米电子技 术，将对信息、材料、生物以及环境技术等产生比微电子技术更加久远和更加广发的革命性影响。

54、但是，从整体发展而言，目前纳米电子学尚处 于起步阶段，它是一个综合了多学科的汇合点。它 的发展不仅有重大的基础理论意义，而且又有非常 诱人的应用前景，有可能为人类的文明与进步带来 潜在的经济和社会效益。纳米加工 纳米级精度的加工和纳米级表层的加工，即原子和分子的去除、搬迁和重组是纳米技术主要内容之一。纳米加工技术担负着支持最新科学技术步的重要使命。国防战略发展的需要和纳米级精度产品高利润市场的吸引，促使了纳米加工技术产生并迅速发展。例如，现代武器惯导仪表的精密陀螺、激光核聚变反射镜、大型天体望远镜反射镜和多面棱镜、大规模集成电路硅片、计算机磁盘及复印机磁鼓等都需要进行纳米级加工。纳米加工技术的发展也促进了机械、电子、半导体、光学、传感器和测量技术以及材料科学的发展。美国在开发纳米加工技术方面，起着先导作用。由于电子技术、计算机技术、航空航天技术和激光技术等尖端技术发展的需要，美国于1962年研制出金刚石刀具超精细切削机床，解决了激光核聚变反射镜及天体望远镜等光学零件和计算