真空与纳米技术.ppt

1、,真空与纳米技术 （Vacuum and Nanotechnology） 李建昌 真空流体工程研究中心 真空薄膜器件研究组 电话,禽流感病毒 蜜蜂体内、海龟头部存在磁性纳米粒子罗盘作用 人体和兽类的牙齿是由纳米粒子构成的,如果一个纳米粒子放在乒乓球上，相当于把一个乒乓球放在地球上。 扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope，SPM），是基于扫描隧道显微镜的基本原理设计出的超近扫描高分辨率显微镜。分辨率可达纳米级，并可将观察的原子或分子形成三维图像。,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理、化学性质，在纳

2、米材料、表面科学、生命科学等领域有着重大的意义和广阔的应用前景，被国际科学界公认为八十年代世界十大科技成就。,扫描探针显微镜 SPM,扫描探针显微镜 SPM,扫描隧道显微镜（SPM）主要包括扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）两种功能。,超高真空扫描探针显微镜UHVSPM,扫描探针显微镜 SPM,相较于其他显微镜技术各项性能指标比较：,扫描隧道显微镜 （Scanning Tunnel Microscope, STM ）,扫描隧道显微镜(STM)由IBM苏黎世实验室的宾宁与罗雷尔发明并获1986年诺贝尔奖。,美国橡树岭实验室用真空化学气相沉积法制备出石墨烯纳米带，并用STM等进行结构

3、与特性表征，作为一种准一的碳纳米材料，石墨烯在实际应用中具有很强的边界效应和特殊的电学性质，此研究具有重要的意义。,原子力显微镜 （Atomic Force Microscope ，AFM ）,原子力显微镜（AFM）利用原子间的范德华力来呈现样品的表面特性。,原子力显微镜 （Atomic Force Microscope ，AFM ）,科学家用原子力显微镜直接测量原子电荷状态,UHV-MBE-ETM四点探针系统,科美国匹斯堡大学研制出UHV-MBE-ETM四点探针系统，配备多种标准表面科学分析工具，在超高真空条件下能实现薄膜沉积，掺杂或量子点生长，可对单根纳米线进行原位表征。,塞贝克系数扫描探

4、针显微镜 （Potential-Seebeck Microprobe, PSM）,扫描电导率塞贝克系数显微镜（PSM）电导率和塞贝克系数的空间分布状况，是研究热电材料的最新利器。,应用领域： 1、热电材料，超导材料，燃料电池，导电陶瓷以及半导体材料的均匀度测量 2、测量功能梯度材料的梯度 3、监测 NTC/PTC 材料的电阻漂移 4、 GMR 材料峰值温度的降低，电阻率的变化 5、样品的质量监控,高速高分辨率成像拉曼显微镜 RAMAM 11,RAMAN-11是由日本anophoton公司推出的新一代快速、高精度、面扫描激光拉曼彩色成像系统，是唯一一款具有高速、高分辨率成像功能的拉曼显微 。,右

5、图为介于5V电极间的碳纳米管（CNT）的拉普成像。,模拟了温度298 K，200 atm下氢H吸附在碳纳米管阵列（10，10）的情况。,碳纳米管基铁电场效应晶体管有优异存储特性,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室表面物理实验室/研究部SF1组将碳纳米管的优点和铁电薄膜的性质相结合，实现了铁电场效应晶体管的存储功能。,(a) 碳纳米管基铁电场效应晶体管结构示意图；(b) I-Vg扫描曲线形成理想的本征回路；(c) 反复的写/擦操作，显示了存储的可控和非易失性。,碳纳米管和石墨烯性能表征系统 NS3 NanoSpectralyzer,碳纳米管和石墨烯性能表征系统： 1、较高灵敏度，即使

6、碳纳米管和石墨烯的含量很低也能精确测量。2、较高测量精度，对碳纳米管的（n,m）分辨率很高。3、对待测样品要求低，可直接分析含较多杂质的样品。4、测量设备相对简单，准备待测样品非常容易。5、数据处理简单，测量结果无需考虑背景减除。 应用领域： 测量碳纳米管（n,m）分布监视碳纳米管和石墨烯品质的稳定性测量化学反应和物理作用的动态过程,NS3上的测量结果：碳纳米管的近红外发射光谱,纳米薄膜制备与真空镀膜技术,纳米薄膜主要有两类： 一类是由纳米粒子组成（或堆砌而成）的薄膜； 一类是在纳米粒子之间有较多的孔隙或无序原子或另一种材料。纳米粒子镶嵌在另一基体材料中的颗粒膜。,纳米薄膜的制备方法按原理可分

7、为物理方法和化学方法两大类，按物质形态主要有气相法和液相法两种。,纳米薄膜制备与真空镀膜技术,纳米薄膜主要制备方法：,纳米薄膜制备与真空镀膜技术,纳米薄膜主要制备方法：,射频-等离子体增强化学气相沉积系统 （RF-PECVD reactors ）,微波-等离子体化学气相沉积系统 （MW-PECVD reactors ）,脉冲激光沉积系统 （Pulsed Laser Deposition systems，PLD）,磁控管阴极和磁控溅射系统 （Sputtering Cathodes and PVD deposition systems ）,真空聚合物沉积系统 （Vacuum Polymer Dep

8、osition system ）,基底真空度：0.11 torr（工作真空度） 真空室容积：10 L 真空室直径：8 英寸 （10 英寸） 真空泵抽速：1014 cfm 液氮冷阱 基片冷却：水,电脑控制气体管理系统 （Computer Controlled Gas Management Systems ）,纳米薄膜制备方法比较,磁控溅射法：设备简单、成本低。可广泛地应用在高均匀度大面积薄膜制备上。 激光蒸发法（PLD）：成膜质量高、组分易控、过程工艺简单。在真空室内可安装几个不同材料很小的靶实现多层膜的制备。具有很高的沉积率，每秒可达几十纳米的沉积速率。但此方法由于高瞬时沉积，膜内缺陷较多，阳

9、离子无序排列，对生长外延膜不利。 多源的电子束蒸发、离子束溅射：可在大面积上获得成分与均匀的薄膜。 分子束外延（MBE）：主要用于半导体膜生长，可实现人工的一个原子层一个原子层的生长，对人工设计材料或制备自然界不存在的材料来说具有重要意义。 金属-有机物化学气相沉积（MOCVD）：可在形状不同的物体上成膜，很容易扩大成膜尺寸，进行工业规模生产。,纳米材料新型制备技术 美国NanoInk- DPN纳米制备系统,DPN（Dip Pen Nanolithography）是美国西北大学的Mirkin教授小组和Nanoink公司开发的基于原子力显微镜的纳米刻蚀技术，国内又称作浸蘸笔纳米加工刻蚀技术。 通

10、过对被转移材料或物质的精确控制，可以在衬底表面构造出任意的纳米结构。随着与相关技术的发展， DPN逐渐发展为一种操作简单的纳米刻蚀技术。,纳米材料新型制备技术 美国NanoInk- DPN纳米制备系统,纳米结构加工与刻蚀工艺； 直接刻蚀或沉积材料到衬底表面, 如应用于制作微流通道元件； 基于针尖辅助的单分子合成； 将DNA,蛋白质等生物分子排列成任意形状或阵列, 如应用于制作纳米蛋白质芯片或细胞分化研究用蛋白质图案基板； 将目标分子准确的放置到已有的模板或微结构中, 如应用于制作生物传感器。,美国佐治亚理工大学王中林等用纳米材料研制出一种仿生壁虎脚，既能在垂直的表面上轻松吸取重物，也能从不同角

11、度轻松取下，在纳米材料和结构应用方面取得重大进展。,仿生壁虎脚,纳米技术的应用,荷花出淤泥而不染是因为其茎叶表面有一层超疏水材料，具有自清洁功能，美国哈佛大学与康奈尔大学已从纳米层面进行仿生研究，开发超疏水技术在自清洁纺织物、建筑物表面和石油输送管道等方面的应用。,超疏水技术,美国纽约州立大学科学家研究出一种能测定弯曲程度和方向的柔性传感器，可降低工程测试中的难度，有很大的应用价值。,柔性传感器,纳米技术新时代,进入21世纪，科技发展如火如荼，军事变革风起云涌。站在历史新起点上审视，到底什么科技能够像核能和微电子技术一样，对未来军事发展产生革命性的深远影响，并将主导新一轮军事变革？国外专家不约而同地指出：“纳米技术” 将在21世纪引发重大变革，并成为新的技术革命的核心！”,美国研制的可遥控甲虫,英国研制的蜘蛛“机械虫”,英国拟研制的智