纳米技术与纳米材料 ppt课件

20世纪80年代初期，IBM公司苏黎世实 验室的两位科学家G．Binnig和H．Roher发
明了扫描隧道显微镜。
这种新型显微仪器的诞生，使人类能够实时地观测 到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，对表面科学、材料科学、生命科学以及 微电子技术的研究有着重大意义和重要应用价值。为此 这两位科学家与电子显微镜的创制者ERrska教授一起荣 获1986年诺贝尔物理奖。
科学家使用STM观测物质的纳米结构
STM具有空间的高分辨率(横向可达0.1nm，纵向可优 于0．01nm)，能直接观察到物质表面的原子结构，把人 们带到了微观世界。它的基本原理是基于量子隧道效应 和扫描。它是用一个极细的针尖(针尖头部为单个原子) 去接近样品表面，当针尖和表面靠得很近时(＜1nm)， 针尖头部原子和样品表面原子的电子云发生重迭，若在 针尖和样品之间加上一个偏压、电子便会通过针尖和样 品构成的势垒而形成隧道电流。通过控制针尖与样品表 面间距的恒定并使针尖沿表面进行精确的三维移动，就 可把表面的信息(表面形貌和表面电子态)记录下来。由 于STM具有原子级的空间分辨率和广泛的适用性，国际 上掀起了研制和应用STM的热潮，推动了纳米科技的发 展。
STM针尖
硅表面
纳米算盘
C60每10个一组，在铜 表面形成世界上最小 的算盘。
纳米皇冠
伴随着发明以及其在表面高分辨率观
察研究中的各种应用的日渐增多，有人发现利用探 针针尖与表面之间的各种相互作用，可以用来分析 高分辨率成像。1986年宾尼戈等人发明了利用激光 检测针尖与表面相互作用进行表面成像的分析仪器。 该仪器称为原子力显微镜（ATM）。STM 与ATM 共同构成了现今称之为扫描探针显微镜（SPM）的 两大主体技术。
目前除了隧道显微镜（STM）、原子力显微镜 （AFM）以外，还有近场光学显微镜 （NSOM）、侧面力显微镜（IFM）、磁力显 微镜（MFM）、极化力显微镜（SPFM）…… 已有二十多个品种。但大量还处在实验室的产
品研发阶段。由于它们都是用探针通过扫描系
统来获取图像，因此这类显微镜统称为扫描探 针显微镜（SPM）。
二、纳米技术与纳米材料的概念
1.纳米技术
纳米科技是90年代初迅速发展起来的新的前 沿科研领域。它是指在1--100nm尺度空内，研究 电子、原子和分子运动规律、特性的高新技术学 科。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵 单个原子、分子，制造出具有特定功能的产品。
离子注入三维图像
2.纳米材料
纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。 纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm 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。
2000年4月，美国能源部桑地亚国家实验室运用激 光微细加工技术研制出智能手术刀，该手术刀可以 每秒扫描10万个癌细胞，并将细胞所包含的蛋白质 信息输入计算机进行分析判断。
2001年纽约斯隆-凯特林癌症研究中心的戴维. 沙因 贝格尔博士报道了把放射性同位素锕-225的一些原 子装入一个形状像圆环的微型药丸中，制造了一种 消灭癌细胞的靶向药物。
志着我国开始在国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—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。
这些研究表明纳米技术应用于医学的进展是十分迅 速的。
到1999年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米 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。
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”下斯坦福大学英文名字、 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
原子排成的 “原子”字
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，使人类首次
在大气和常温下看见原子，为我们揭示一个可见
的原子、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
扫描隧道显微镜介绍
扫描隧道显微镜是80年代初期发展起来的新型 显微仪器，能达到原子级的超高分辨率。扫描隧道显 微镜不仅作为观察物质表面结构的重要手段，而且可 以作为在极其细微的尺度──即纳米尺度（1 nm=10-9 m）上实现对物质表面精细加工的新奇工具。目前科 学家已经可以随心所欲地操纵某些原子。一门新兴的 学科──纳米科学技术已经应运而生。
纳米技术与纳米材料
第一节 概 述
一、纳米科技的诞生 二、纳米技术与纳米材料的概念 三、纳米材料的特性 四、几种典型的纳米材料
一、纳米科技诞生
1959年，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。 七十年代，科学家开始从 不同角度提出有关纳米科技的构想。