纳米科技在精密测量上的应用

纳米科技及精密测量技术应用主讲人：蒋超同组人员：杨易达、李荣星、

侯泽宇

2016.5.12

目录一、纳米和纳米科技的概念二、纳米材料的奇异性能三、纳米技术潜在应用四、我国纳米科技的研究水平五、纳米技术在精密测量方面的应用一、纳米和纳米科技的概念纳米结构

纳米是一个长度单位，一纳米是一米的十亿分之一，相当于人类头发直径的万分之一。因此，纳米科技是在和微观世界“打交道”。纳米技术纳米技术，也称毫微技术，是研究结构尺寸在1纳米至100纳米范围内材料的性质和应用的一种技术。1981年扫描隧道显微镜发明后，诞生了一门以0.1到100纳米长度为研究分子世界，它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。因此，纳米技术其实就是一种用单个原子、分子射程物质的技术。纳米科技应用领域创造和制备优异性能的纳米材料设计、制备各种纳米器件和装置探测分析纳米区域的性质和现象纳米科技的科学意义（1）纳米科技将促使人类认知的革命

首先，纳米科技的科学意义体现在：纳米尺度下的物质世界及其特性，是人类较为陌生的领域，也是一片新的研究疆土。其次，由于纳米科技是对人类认知领域新疆域的开拓，人类将面临对新理论和新发现重新学习和理解的任务。

再次，从人类未来发展的角度看，可持续发展将是人类社会进步的唯一选择。纳米科技推动产品的微型化、高性能化和与环境友好化，这将极大节约资源和能源，减少人类对其过分依赖，并促进生态环境的改善。这将在新的层次上为可持续发展的理论变为现实提供物质和技术保证。(2)纳米科技将引发一场新的工业革命纳米技术是80年代初迅速发展起来的前沿学科，它使人们认识、改造微观世界的水平提高到了一个新的高度。纳米技术将用于下一代的微电子器件即纳米电子器件，使未来的电脑、电视机、卫星、机器人等的体积变得越来越小.纳米概念手机二、

纳米材料的奇异性能纳米金属的熔点比普通金属低几百度；气体在纳米材料中的扩散速度比在普通材料中快几千倍；纳米磁性材料的磁记录密度可比普通的磁性材料提高１０倍；纳米复合材料对光的反射度极低，但对电磁波的吸收性能极强，是隐形技术的突破；纳米材料颗粒与生物细胞结合力很强。

用作发光二极管、激光二极管，实现光电集成。中科大功能纳米材料研究室1.纳米硅发光奇异性能实例2.碳纳米管多种优异性能

碳纳米管是由碳原子按一定规则排列形成的空心笼状管式结构，其直径不超过几十纳米（一纳米为十亿分之一米）。导电性强、场发射性能优良、强度是钢的100倍、韧度高等，是一种用途广泛的新材料。量子栅栏

三、纳米技术潜在应用纳米科技将对信息和生物技术产业产生革命性的影响促使传统产业的“旧貌换新颜”。比如通过纳米材料的研究，我们在化纤制品中加入纳米微粒，可以除味、杀菌。通过纳米技术的运用，使建筑物外墙涂料的耐洗刷性由原来的1000多次提高到1万多次，老化时间也延长了两倍多。纳米武器称雄未来战场机器苍蝇麻雀卫星

它既能被飞机、火炮和步兵武器投放，也可以人工放置在敌军信息系统和武器系统附近，大批“机器苍蝇”可在某地区形成高效侦察监视网，大大提高战场信息获取量。如果再在它们身上安装某种极小的弹头，“苍蝇”无疑会变成“马蜂”。“机器苍蝇”“麻雀卫星”

质量不足10千克，各种部件全部用纳米材料制造，一枚小型火箭一次就可以发射数百颗。若在太阳同步轨道上等间隔地部署648颗功能不同的“麻雀卫星”，就可以保证在任何时刻对地球上任何一点进行连续监视，即使少数失灵，整个卫星网络的工作也不会受影响。四、我国纳米科技的

研究水平

1995年，德国科技部对各国在纳米技术方面的相对领先程度的分析中，我国在纳米材料方面与法国同列第五等级，前四个等级为日本、德国、美国、英国和北欧。五、纳米技术在精密测量方面的应用原子力显微镜（AFM）扫描隧道显微镜（STM）扫描近场光学显微镜（SNOM）原子力显微镜概括：原子力显微镜（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。原理：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。

优点：提供真正的三维表面图不需要对样品的任何特殊处理在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作能观测非导电样品，具有更为广泛的适用性缺点：成像范围太小，速度慢，受探头

的影响太大扫描隧道显微镜概括：扫描隧道显微镜（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。STM使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景，被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一。原理：如同一根唱针扫过一张唱片，一根探针慢慢地通过要被分析的材料（针尖极为尖锐，仅仅由一个原子组成）。一个小小的电荷被放置在探针上，一股电流从探针流出，通过整个材料，到底层表面。当探针通过单个的原子，流过探针的电流量便有所不同，这些变化被记录下来。电流在流过一个原子的时候有涨有落，如此便极其细致地探出它的轮廓。在许多流通后，通过绘出电流量的波动，人们可以得到组成一个网格结构的单个原子的美丽图片。

具有原子级高分辨率可实时得到实空间中样品表面的三维图像可以观察单个原子层的局部表面结构可在真空、大气、常温等不同环境下工作，探测过程对样品无损伤利用STM针尖，可实现对原子和分子的移动和操纵恒电流工作模式下，样品表面微粒之间沟槽不能准确探测，分辨率较差所观察的样品必须具有一定程度的导电性

针尖形状的不确定性往往会对仪器的分辨率和图象的认证与解释带来许多不确定因素优越性：局限性：扫描近场光学显微镜概括：近场光学显微镜（SNOM）由探针、信号传输器件、扫描控制、信号处理和信号反馈等系统组成。新型的近场光学显微镜的出现，使人们的视野拓宽到波长的十分之一以下，即纳米尺度。在近场光学显微镜中，采用孔径远小于光波长的探针代替光学镜头。当把这样的亚波长探针放置在距离物体表面一个波长以内，即近场区域时，通过探测束缚在物体表面的非辐射场，可以探测到丰富的亚微米光学信息原理：使用一个孔阑限制的光学探针去探测样品附近的辐射，辐射的强度是样品表面光学性质的量度。与长度尺度有光的分辨率与光源的波长无关，而是由光探针口径和探针与样品之间的间隙大小决定的。将光探头以恒高模式在样品表面扫描，就可以的光显微图像，其分辨率为50nm左右，即为光波长的十分之一。如果用电子反馈线路调节探针的高度来保持光强的恒定，则可得到样品表面的形貌。应用：由于近场光学显微镜能克服传统光学显微镜低分辨率以及扫描电子显微镜和扫描隧道显微镜对生物样品产生损伤等缺点，因此得到了越来越广泛的应用，特别是在生物医学以及纳米材料和微电子