纳米技术课件.ppt

1、第1章纳米技术简介，1.1纳米技术的历史，1.2纳米技术的基本概念，1.3纳米技术的历史和1.1纳米技术。在介绍纳米技术的历史之前，我们必须先回顾一下我们对物质世界的掌握。到目前为止，人类对自然的研究规模是2 * 1026米-1 * 10-16米，2 * 1026米-(200亿光年)，这就是所谓的哈勃半径，这是人类观察宇宙的范围，银河系的半径是1021米。原子线性度是10-10米，核线性度是10-14米-10-15米。对10-10米以下微观世界的研究是核物理和粒子物理的内容。力学、电磁学等宏观世界的物理规律已经得到了深入的研究，但介观场(只是原子和分子的尺度范围)在1-100纳米区间内的知识不

2、仅仅是物理学家的研究领域，更多的化学家和生物学家也在关注这一领域的发展，因为这是材料性质变化的边界，量子效应不容忽视。如果有人类智能的领域，那么科学不断扩展到更小或更大的长度单位标志着人类视野的不断拓宽。在工业革命之前，大多数人类生产和科学研究不需要毫米。以蒸汽机等机械发明为标志的第一次工业革命将人类的认知提升到了毫米级。在第二次工业革命中，电被发明，从机械时代到微电子时代，毫米是不够的，千分之一微米的毫米诞生了。随着科学技术的发展，微米级的局限性越来越明显。例如，尽管计算机芯片变得越来越小，但它即将达到材料的物理极限。只有当它进入另一个层次，纳米层次，才会有更大的突破。在纳米水平上，宏观尺度

3、上的许多定律、定理、方法和手段将不再适用，世界将从此不同。我们现在熟悉的“原材料”将是小到纳米尺度的原子和分子。纳米技术的梦想源于一位天才物理学家的大胆想法。1959年，诺贝尔奖获得者、理论物理学家理查德费曼首次提出了纳米尺度的科学技术问题。在一次演讲中，他提出：“如果人类能够在原子和分子尺度上加工材料和制造装置，我们将会有许多激动人心的新发现。”这是关于纳米技术的最早梦想。1974年，谷口首次用纳米技术这个词来描述精密加工。20世纪70年代末，麻省理工学院的德雷克斯勒倡导纳米技术的研究，但当时大多数主流科学家对此持怀疑态度，历史也是如此相似。哥白尼的日心说和爱因斯坦的相对论。爱因斯坦本人获得

4、诺贝尔奖是因为他在光电效应(现在是光电探测的基础)方面的成就，并提出了光的波粒二象性假说。1912年提出的大陆漂移理论在当时被忽视，直到20世纪60年代才被广泛接受，这使得地质学得到了发展。因为当时没有能力或手段来观察和控制原子和分子，所以纳米技术的发展非常缓慢。要从分子和原子开始制造商品，第一步是要看到原子和分子。德国人取得了这一重大突破。1981年，德国科学家发明了扫描隧道显微镜。从那时起，人类可以直观地观察单个原子。这时，人们已经系统地研究了一些纳米粒子的结构、形态和特性。扫描隧道显微镜在推动纳米技术发展方面发挥了积极作用。1984年，德国Gleiter等人用惰性气体蒸发冷凝法制备了铁、

5、铜、钯等纳米金属粉末。随后，发现纳米二氧化钛陶瓷在室温下表现出良好的韧性。进行180弯曲，无裂纹。这一突破给一个世纪以来为陶瓷增韧而奋斗的材料科学家带来了希望。英国著名材料科学家卡恩在自然杂志上撰文指出，纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的一种战略性方法。1985年，英国的克罗托等人用激光加热石墨，使其蒸发，在甲苯中形成C60。C60不同于石墨和金刚石。它有一个全新的封闭式足球结构，由32个多面体、20个六边形和12个五边形组成。纯C60是绝缘体，掺杂碱金属后成为导体，也可以成为掺杂成分适当的超导体。最高超导转变温度为45K。C60的研究热潮随即在世界范围内兴起。1988年，法国发现了纳米铁/铬多层膜的巨

6、磁电阻效应，引起了全世界的关注。1990年，美国加利福尼亚的国际商用机器公司实验室在镍衬底上成功地将35个氙原子排列成三个字母“IBM”；总面积只有几平方纳米。人类第一次实现了对单个原子的操控，纳米技术的序幕已经拉开。诞生与发展1990年7月，第一届纳米科学与技术国际会议在美国巴尔的摩召开，与此同时，第五届扫描隧道显微镜国际会议也召开了，这标志着纳米技术的正式诞生。纳米材料、纳米生物学、纳米电子学和纳米力学的概念被正式提出。纳米技术和纳米生物学这两种国际专业期刊也相继问世。中国科学院上海核研究所的李明安教授出席了会议。1991年，人类发现了碳纳米管。它的质量是同样体积的钢的六分之一，但它的强度

7、是钢的十倍。因此，碳纳米管立即成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利斯马利教授认为，碳纳米管将是未来最佳纤维的首选，并将广泛应用于超微导线、超微开关和纳米电子电路。1993年，在斯坦福大学于1989年迁离其原子集团，书写了斯坦福大学的英文名称后，1990年，国际商用机器公司(IBM)用36个氙原子在镍表面“放电”，中国科学院北京真空物理实验室自由操控原子，成功书写了“中国”一词，标志着中国开始在国际纳米技术领域占据一席之地。1994年，美国开始研究麻雀卫星、蚊子导弹和飞行器。1995年，科学家研究并证实碳纳米管具有优异的场发射性能。1996年，中国实现了碳纳米管的大面积定向生长。199

8、7年，法国国家科学研究中心和美国IBM公司共同开发了第一个分子放大器。活性部分是一个直径只有0.7纳米的碳分子。它标志着纳米技术实用阶段的开始。1998年，美国成功制造了量子磁盘。磁盘是由磁性纳米棒组成的纳米阵列系统。美国企业正在组织人们将这项技术迅速转化为产品。1999年，韩国制造了碳纳米管阴极彩色显示样品管。2000年，碳纳米管场发射样品管在日本制造。美国已经开发了量子计算机和生物计算机。美国柯达公司开发了一种兼具颜料和染料功能的新型纳米粉体，有望给彩色印刷行业带来革命性的变化。纳米技术出现后不久，一些发达国家开始投入大量的人力物力进行深入的研究和开发，并将其纳入近期的高科技发展项目中。例

9、如，美国的星球大战计划、日本的科学技术推广以及西欧的尤里卡计划都将纳米技术确定为一个关键的研究课题。此外，美国于2001年开始实施国家纳米技术推广计划，以抢占该领域的制高点。在这种国际背景下，中国政府还将纳米材料技术的研究列入了国家863高技术研究发展计划、国家973重点基础研究发展计划和国家“十一五”科技研究计划。投入大量的人力物力来解决关键技术问题，并将其确定为九大高度重视和大力发展的关键技术之一。此外，结果表明：1 .通过将材料制成纳米结构，可以获得新的性能；2.纳米技术涉及广泛的学科，许多新发现都在不同学科的交汇处。同时，它还比较了各国在纳米技术方面的投资和实力。结论人类的发展已经进入

10、小尺寸时代。纳米研究发展迅速。纳米技术是一个完全跨学科的领域。单一的知识结构不能适应科学技术的发展。培养创造性思维和工作能力。纳米场的概念往往与我们现有的思维方式相反。有团结合作的精神。现代科学研究不再是一项可以完成的工作。1.2纳米的基本概念。首先，众所周知的纳米长度单位是：米，厘米，毫米，嗯，纳米。纳米也叫纳米，1纳米=10-9米是十亿分之一米。在大学物理中，我们都知道原子的线性度是10-10米，所以一纳米是几个并排排列的原子的长度。这并没有给我们一个纳米有多小的直观印象。当美国人尼尔阿姆斯特朗上个月踏上这个球时，他说这对于个人来说是一小步，但对于人类来说却是一大步。纳米对人类来说可能是另

11、一个巨大的进步，但是它的速度和尼尔阿姆斯特朗在太阳系中的速度一样小。粗略估计，在1毫米* 2毫米的面积上刻有2万个字，每个字的面积只有10毫米* 10毫米。美国NNI(国家纳米创新中心)表示，它将领导下一次工业革命。(国家纳米技术倡议引领下一次工业革命).这个短语印在比头发还细的平面上，字母大小是0.3微米.头发的直径一般为20-50微米。在没有任何仪器的情况下，人眼能看到的最小的东西的横截面尺寸为10微米。2002年，商业微芯片上蚀刻的最小器件尺寸为0.13微米。这幅图的比喻是，一个纳米和一个人之间的尺寸差等于一个人和月球轨道之间的尺寸差，然后一个纳米物体被放在乒乓球上，就像乒乓球被放在地球

12、上一样。纳米还具有思维方式概念的延伸意义。“纳米”的“那”字在希腊语中原本是“短”的意思，即人类的科学研究和生产活动将发展到更小的规模和更深的层次，例如从微米级发展到纳米级；一般来说，当一种物质的粒度进入1纳米到100纳米的范围时，其性质就会发生变化。2.纳米尺度：指1-100纳米的空间范围。这是分子大小。科学家们在观察如此规模的物质时发现了一个全新的现象。材料特性和器件功能的传统模型和理论是基于临界尺寸大于100纳米的前提。当材料在至少一个维度上的尺寸小于这个临界尺寸时，它们通常表现出传统模型和理论无法解释的独特性质。在这个尺度下，常见物质的通常性质，如导电性、硬度和熔点，将会发生奇怪的变化

13、。纳米线或电路元件通常不遵循欧姆定律，欧姆定律是现代电子学的基本定律。在这个尺度上，物质的基本化学、电子和物理性质的耦合是理解所有纳米科学的关键。如果一块10厘米见方的金子被分成两半，那么每一块仍然是金子，金黄色，有光泽，柔软和导电，并且具有与分割前相同的熔点。除了便携性，它不会让你变得更加与众不同。继续将每一片再分开，直到我们的眼睛看不见为止，那么那片金的物理和化学性质仍然不会改变，但是如果金被分成纳米尺度，所有改变的主要原因是纳米尺度的原子之间的相互作用不同于体物理之间的相互作用。纳米结构所谓的纳米结构是根据一定的规则将纳米结构单元排列成二维和三维结构。由于这种结构特有的物理现象及其与下一

14、代量子结构器件的联系，它已经成为一个非常有趣的研究热点。纳米结构单元是纳米尺度的结构单元，包括纳米晶体、纳米粒子、纳米管、纳米棒或纳米单层膜。纳米结构组装体系是以纳米粒子或纳米线和纳米管为基本单元，在一维、二维和三维空间中组装和排列纳米结构的体系，包括纳米阵列体系、介孔组装体系和薄膜镶嵌体系。纳米组装体系不仅包括纳米结构的基本单元，还包括支撑它们的具有纳米尺度空间的基体。根据纳米结构体系构建过程中的驱动力是取决于外部因素还是内部因素，大致可以分为两类，一类是人工纳米结构组装体系，另一类是纳米结构自组装体系。所谓人工纳米结构组装系统，就是根据人类的意愿，通过物理和化学方法组装纳米尺度的材料单元，

15、或者通过物理和化学方法生长各种超晶格和量子线。人工纳米结构包括纳米有序阵列系统和介孔复合系统。正如人们建造飞机和房屋一样，人们的设计和参与在制造业中起着决定性的作用。自组装系统是指原子、离子或分子通过氢键、范德瓦尔键和弱离子键等弱的、方向性较弱的非共价键连接在一起，形成纳米结构。纳米粒子、细丝和管子可以有序排列。这一阶段研究的特点是更加注重根据人们的意愿设计、组装和创造一个新的系统，从而使系统具有预期的特点。费曼预言，如果有一天人们能够按照自己的意愿排列原子和分子，将会创造出什么样的奇迹。现在，纳米结构组装是创造新奇迹的起点。气凝胶的孔隙率高于90%，孔径为纳米级，这导致孔隙之间的材料实际上是

16、纳米级的颗粒或细丝。这种纳米结构为嵌入和组装纳米粒子提供了三维空间。纳米管的出现丰富了纳米材料研究的内涵，为纳米材料的合成和组装提供了新的机遇。超高精度纳米结构材料的制备技术主要发展在以下几个方面：球磨和机械合金化工艺技术；化学合成工艺和技术；等离子弧合成技术：电火花制备技术：激光合成技术；生物制备技术；磁控溅射技术；燃烧合成技术；喷雾合成技术纳米材料的评价和测量技术等。4.纳米材料是一种基本单位颗粒或晶粒尺寸至少在一维小于100纳米的材料体系，它必须具有与常规材料完全不同的光学、电学、热学、化学或机械性能。纳米材料的奇异性取决于其基本单元的大小及其特殊的界面和表面结构。因此，纳米材料也可以简单地理解为由纳米级结构单元组成的任何类型的材料。根据维度，纳米材料的基本单位可以分为三类：零维，即空间中的所有三维都在纳米尺度，如纳米尺度的粒子和原子簇；一维，也就是说空间中有纳米尺度的二维，如纳米线、纳米棒、纳米管等。二维是指三维空间中的一维，如超薄薄膜、多层薄膜、超晶格等。因为这些单元通常具有量子特性，所以零维、一维和二维基本单元分别被称为量子点、量子线和量子阱。纵观纳米材料的发展历史，大致可以分为三个阶段。第一阶段(1990年以前)主要是探索用各种方法制备各种材料的纳米粒子粉末，合成块体(包括薄膜)，研究评价和表征方法，探索纳米