纳米科学技术概论

纳米科学技术概论2016年4月27日纳米科技的作用纳米科技英文名称是nanotechnology，是指能操作细小到0.1～100nm物件的一类新发展的高技术。

目前科技界普遍公认的纳米科技的定义是：在纳米尺度上研究物质的特性和相互作用以及如何利用这些特性和相互作用的具有多学科交叉性质的科学和技术。

若以研究对象或工作性质来区分，纳米科技包括三个研究领域：纳米材料；纳米器件；纳米尺度的检测与表征。

从20世纪纳米科技的兴起，几十年来已得到飞速发展，进入21世纪更是全球形成了世界性的纳米科技热潮，纳米科技领域的新发现与新成果层出不穷。

于此同时，在生活的的各个方面已出现数不胜数的应用，掀起了信息，材料，能源，环境，医疗，卫生，生物与农业等领域的产业革命，对社会科学技术的发展以及人类生活产生了重要意义。

任何一门学科如果只注重于理论是不会得到很大发展的，而纳米技术所以能得到飞速发展是因为在我们生活中得到了广泛的应用。

第一，在纳米电子和计算机技术领域的应用。

微电子的发展改变了现代人的生活，计算机的运算速度几乎是每两年翻一番。

纳米结构下的微处理器的效率将提高一万倍。

未来的方向是把微电子技术和纳米技术有机结合起来。

第二，在纳米材料领域的应用。

在纳米尺度上控制构成材料的基本单元的结构和成分，再组装成具有独特性质与功能的大结构，这将从根本上改变材料和器件的制造方法；以新原理和新结构在纳米层次上制备特定性质的材料或自然界中不存在的材料，生物材料和仿生材料，实现材料破坏过程中纳米级损伤的诊断和修复。

第三，在生物工程技术领域的应用。

纳米材料在生物医学材料中占有重要位置，自从1984年德国物理学家格莱特成功研制纳米金属材料以后,发现纳米材料具有许多鲜为人知的奇异特性。

纳米无机非金属生物材料,如复合型生物陶瓷、含骨生长因子复合陶瓷韧性好,与人体组织相容,并能促进组织生长。

第四，在航天航空技术领域的应用。

纳米材料在航空航天领域的应用，指航空航天科学技术应用的主要或重要材料是具有高级性能的纳米材料。

纳米（n a n o m e t e r）是一个长度计量单位，1纳米=10-9米纳米科学技术：在纳米尺度，由于尺寸的限制，导致一些新奇现象的发生，从而使纳米材料和系统可以具有新的、或显著提高的物理、化学、生物的性能。

一旦这些性能得以应用，将带来无数的新产品、新工艺、新技术和潜在的巨大利益。

纳米科学技术研究内容：研究尺寸在1--100纳米尺度上物质微粒（包括原子、分子）的结构、表征、性质及其相互作用，探索新现象和新特性（物理、化学和生物），并通过在该尺度上控制物质，创造新功能材料、新器件和系统的多学科科学技术。

纳米科学技术是高度交叉的多学科研究领域：物理、化学、生物、材料，力学，电子学等等纳米尺度：通常指1nm 到100nm之间研究对象：纳米材料或结构（包括原子、分子的操纵）的特性和相互作用研究目标：以原子、分子及物质的纳米尺度上表现出来的新颖的物理、化学和生物学特性制造出具有特定功能的产品。

实现纳米结构的两种方法：1.自上而下法（Top-Down）：集成电路芯片的加工：通过薄膜沉积、光刻以及等离子刻蚀的方法实现需要的纳米结构。

2. 自下而上法（Bottom-up）:a. 原子与原子，分子与分子的叠加用STM搬迁法把CO分子组装的人形结构（IBM）b.原子及分子的自组装采用自组装加工有机单层结构 (Yale)c.化学或生物工艺化学工艺实现碳纳米管构成纳米结构的基本单元有下述几种：原子团簇，纳米微粒、人造原子、纳米管、纳米棒、纳米线、纳米纤维、纳米带、纳米环、纳米螺旋和同轴纳米电缆等。

共同特点：至少有一个维度上的尺寸处于纳米尺度原子团簇简称团簇，是由几个乃至上千个原子、分子或离子通过物理和化学结合力组成相对稳定的聚集体，其物理和化学性质随着所含的原子数目不同而变化。

稳定结构与幻数:在各种团簇的质谱分析中，有一个共同的规律：在团簇的丰度随着所含原子数目n的增大而缓慢下降的过程中，在某些特定值n=N，出现突然增强的峰值，表明具有这些特定原子(分子)数目的团簇具有特别高的热力学稳定性。

纳米（符号为nm）是长度单位，原称毫微米，就是10^-9米（10亿分之一米）纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术。

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，例如纳电子学、纳米材科学、纳机械学等。

纳米科技概念的提出与发展最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费恩曼。

1959年他在一次著名的讲演中提出：如果人类能够在原子／分子的尺度上来加工材料、制备装置，我们将有许多激动人心的新发现。

他指出，我们需要新型的微型化仪器来操纵纳米结构并测定其性质。

那时，化学将变成根据人们的意愿逐个地准确放置原子的问题。

纳米科技的迅速发展是在80年代末、90年代初。

80年代初发明了费恩曼所期望的纳米科技研究的重要仪器——扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)等微观表征和操纵技术，它们对纳米科技的发展起到了积极的促进作用。

1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩与第五届国际扫描隧道显微学会议同时举办《纳米技术》与《纳米生物学》这两种国际性专业期刊也相继问世。

一门崭新的科学技术——纳米科技从此得到科技界的广泛关注。

纳米技术发展可能经历五个阶段第一阶段准确地控制原子数量在100个以下的纳米结构物质。

这需要使用计算机设计.制造技术和现有工厂的设备和超精密电子装置。

第二个阶段生产纳米结构物质。

在这个阶段，纳米结构物质和纳米复合材料的制造将达到实用化水平。

其中包括从有机碳酸钙中制取的有机纳米材料，其强度将达到无机单晶材料的3000倍。

第三个阶段大量制造复杂的纳米结构物质将成为可能。

这要求有高级的计算机设计.制造系统、目标设计技术、计算机模拟技术和组装技术等。

纳米技术科技名词定义中文名称：纳米技术英文名称：nanotechnology定义：能操作细小到0.1～100nm物件的一类新发展的高技术。

生物芯片和生物传感器等都可归于纳米技术范畴。

所属学科：生物化学与分子生物学（一级学科）；方法与技术（二级学科）本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布百科名片纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术。

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，例如纳电子学、纳米材科学、纳机械学等。

目录简介概念分类技术介绍发展历史技术内容研究应用测量技术衰层物理力学性能的检测加工技术粒子制备物理方法化学方法材料合成纳米生物学遗传物质DNA的研究脑功能的研究仿生学的研究组装技术简介概念分类技术介绍发展历史技术内容研究应用测量技术衰层物理力学性能的检测加工技术粒子制备物理方法化学方法材料合成纳米生物学遗传物质DNA的研究脑功能的研究仿生学的研究组装技术展开编辑本段简介纳米技术(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。

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利用纳米技术将氙原子排成IBM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。

纳米技术是一门交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。

1.纳米科学与技术（Nano-ST）是研究由尺寸在0.1～100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。

2.1纳米(nm)=10-3微米(μm)=10-6毫米(mm)=10-9米(m)=10埃3.纳米材料的定义指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。

4.纳米材料的分类：纳米材料的基本单元按维数（结构）可以分为三类：(1)零维，指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇、人造超原子、纳米尺寸的孔洞等；(2)一维，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)二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等．因为这些单元往往具有量子性质，所以零维、一维和二维基本单元又分别有量子点、量子线和量子阱之称。

按组成分类金属纳米材料，无机非金属纳米材料，有机和高分子纳米材料，复合纳米材料；根据化学成分，纳米材料可分为纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷和纳米高分子。

5.纳米材料的特点：（1）至少有一维处于0.1～100nm；（2）因具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、或宏观量子隧道效应等引起光学、热学、电学、磁学、力学、化学等性质发生十分显著的变化。

否则，不能称之为纳米材料6.自然界的纳米技术★人体和兽类的牙齿★海洋中的生命粒子★蜜蜂的―罗盘‖－腹部的磁性纳米粒子★螃蟹的横行－磁性粒子―指南针‖定位作用的紊乱★海龟在大西洋的巡航－头部磁性粒子的导航★荷花出污泥而不染等7.为什么会有这种“荷叶效应”？●用传统的化学分子极性理论來解释，不仅解释不通，恰恰是相反。

●从机械学的粗糙度、光洁度角度來解释也不行，因为它的表面光洁度根本达不到机械学意义上的光洁度（粗糙度），用手触摸就可以感到它的粗糙程度。

原來在荷叶叶面上存在着非常复杂的多种纳米和微米级的超微结构。

蜡质结晶＋细微结构→荷叶效应在超高解析度电子显微镜下可以清晰看到：在荷叶叶面上布满着一個挨一個隆起的“小山包”在山包上面長滿絨毛，在“山包”頂則又長出一個個饅頭狀的“碉堡”凸頂。

纳米科学技术概述纳米科学技术概述一、历史背景在20世纪90年代的科技报刊上，经常出现“纳米材料”和“纳米技术”这种名词。

什么是“纳米材料”呢？通俗一点说，就是用尺寸只有几个纳米的极微小的颗粒组成的材料。

1纳米为10亿分之一米，用肉眼根本看不见。

但用纳米颗粒组成的材料却具有许多特异性能。

因此，科学家又把它们称为“超微粒”材料和“21世纪新材料”。

而纳米材料并非完全是最近才出现的。

最原始的纳米材料在我国公元前12世纪就出现了，那就是中国的文房四宝之──墨，墨中的重要成分是烟。

实际上，烟是由许多超微粒炭黑形成的，而制造烟和墨的过程中就包含了所谓的纳米技术。

1984年，一位德国科学家格莱特（Gleiter）把一些极其细微的肉眼看不见的金属粉末用一种特殊的方法压制成一个小金属块，并对这个小金属块的内部结构和性能做了详细的研究。

结果发现这种金属竟然呈现出许多不可思议的特异的金属性能和内部结构。

他制出的这种材料的特殊性在于，一般的物理概念认为晶体的有序排列为物质的主体，而其中的缺陷、杂质是次要的，要尽力除去。

格莱特把物质碾成极小微粒再组合起来，实际上是把界面上的缺陷作为物质的主体，由微小颗粒压制成的金属块是一种双组元材料，有晶态组元和界面组元，界面组元占50％，在晶态组元中原子仍为原来的有序排列，而在界面组元中，界面存在大量缺陷，原子的排列顺序发生变化，当把双组元材料制到纳米级时，这种特殊结构的物质就构成了纳米材料，由此开始了对纳米材料及纳米科学技术的研究。

1987年，德国和美国同时报道制备成功二氧化钛纳米陶瓷（颗粒大小为12纳米），这种陶瓷比单晶体和粗晶体的二氧化钛陶瓷的变形性能和韧性好得多。

例如，纳米陶瓷在180℃下能经受弯曲变形而不产生裂纹，纳米陶瓷零件即使开始时带有裂纹，在经受一定程度的弯曲变形后，裂纹也不会扩大。

1989年，美国商用机器公司（IBM）的科学家用80年代才发明的扫描隧道显微镜（STM）移动氙原子，用它们拼成IBM 三个字母，接着又用48个铁原子排列组成了汉字“原子“两字。

3.单壁碳管分类：
8.电子物质相互作用：
9.TEM局限性：探测面积小，对TEM像的解释，电子束对样品的损坏，安全性，样品制备
10.电子源：热发射电子源，场发射电子源，肖特基发射电子源
11.SEM中SE成像其他因素的影响：1.加速电压（大加速电压形成小电子束，增大分辨率。

但对样品破坏，边缘效应明显，穿透深度加大，表面信息丢失，充电现象）；
减小）；3.孔径大小（小孔径对应小电子束，场深增大，分辨率提高）
2.成像原理：加偏压下的隧穿效应，隧穿电流正比于
3.SPM特点：高分辨率（横向1A，纵向
入射光强），入射光子转换成电子效率
3.传统太阳能电池：（1）原理：光电效应；（）结构：
（3）标准PN结太阳能电池损耗：晶格振动、结损失、接
）提高效率：堆叠太阳能电池、
热载流子电池、多载流子激发、多能带电池、热光伏技术
）优点：薄膜低厚度，可降低消耗，现代工艺可快速大面积沉积。

纳米薄膜增大界面面积，提高光子吸收率。

吸收层厚，膜间距小，有效提高电荷传导效率（2）分类：晶体硅薄膜太阳能电
5.染料敏化太阳能电池：（1）基本原理：
（2）优缺点：优点-成本低，工艺简单；缺点：效率低（效率：染料、封装、氧化物
分子电子学简介：侯士敏。