第四章纳米科学的基本理论

一纳米科学1 纳米含义即毫微米，简写为nm。

1nm为10的-9次方即十亿分之一米。

形象地讲，1纳米的物体放到乒乓球上，就像一个乒乓球放在地球上一般。

这就是纳米长度的概念。

2 人类对客观世界认知的三个领域(1) 宏观领域：指以人的肉眼可见的最小物体开始为下限，上至无限大的宇宙天体。

(2) 微观领域：指以分子、原子为最大起点，下限是无限的领域。

(3) 介观领域：指介于宏观和微观之间的领域。

包括了从微米、亚微米、纳米到团簇尺寸的范围。

广义上，介观体系包括亚微米体系、纳米体系和团簇；狭义上，介观范围通常分为：介观领域3 纳米科技与纳米技术纳米科学技术简称纳米科技，是二十世纪八十年代末刚刚诞生并正在崛起的新科技，它的基本涵义是：在纳米尺寸范围内认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创制新的物质。

纳米科技是研究由尺寸在0.1-100nm 之间的物质组成的体系的运动规律、相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。

纳米技术是单个原子、分子层次上对物质的种类、数量和结构形态进行精确的观测、识别和控制的技术，是在纳米尺度内研究物质的特征和相互作用，并利用这些特性制造具有特定功能产品的高新技术。

通常，人们把在1-100nm空间内制备、研究和工业化纳米材料，以及利用纳米尺度（1-100nm）物质进行交叉研究和工业化的综合技术叫做纳米技术。

4 纳米科技的主要内容纳米科学研究领域的是人类过去从未涉及的非宏观、非微观的中间领域，从而开辟了人类认识世界的新层次，也使人们改造自然的能力延伸到分子、原子水平，标志着人类的科学技术进入了一个新时代，即纳米科技时代。

纳米科技是 21 世纪科技的产业革命的重要内容之一，可以与产业革命相比拟，是高度交叉的综合性学科，主要包括以下七个部分内容，并相对独立。

（1）纳米体系物理学；（2）纳米化学；（3）纳米材料学；（4）纳米生物学；（5）纳米电子学；（6）纳米加工学；（7）纳米力学。

第四章纳米材料的物理化学性能纳米微粒的物理性能第一节热学性能※1.1. 纳米颗粒的熔点下降由于颗粒小，纳米颗粒的表面能高、比表面原子多，这些表面原子近邻配位不全，活性大以及体积远小于大块材料的纳米粒子熔化时所需要增加的内能小得多，这就使纳米微粒熔点急剧下降。

金的熔点：1064o C；2nm的金粒子的熔点为327o C。

银的熔点：960.5o C；银纳米粒子在低于100o C开始熔化。

铅的熔点：327.4o C；20nm球形铅粒子的熔点降低至39o C。

铜的熔点：1053o C；平均粒径为40nm的铜粒子，750o C。

※1.2. 开始烧结温度下降所谓烧结温度是指把粉末先用高压压制成形，然后在低于熔点的温度下使这些粉末结合成块，密度接近常规材料的最低加热温度。

纳米颗粒尺寸小，表面能高，压制成块材后的界面具有高能量，在烧结中高的界面能成为原子运动的驱动力，有利于界面中的孔洞收缩，空位团的湮灭，因此，在较低的温度下烧结就能达到致密化的目的，即烧结温度降低。

※1.3. NPs 晶化温度降低非晶纳米颗粒的晶化温度低于常规粉末，且纳米颗粒开始长大温度随粒径的减小而降低。

※熔点降低、烧结温度降低、晶化温度降低等热学性质的显著变化来源于纳米材料的表（界）面效应。

第二节电学性能2.1 纳米金属与合金的电阻特性1. 与常规材料相比，Pd纳米相固体的比电阻增大；2. 比电阻随粒径的减小而逐渐增加；3. 比电阻随温度的升高而上升4. 随粒子尺寸的减小，电阻温度系数逐渐下降。

电阻的温度变化规律与常规粗晶基本相似，差别在于温度系数强烈依赖于晶粒尺寸。

随着尺寸的不断减小，温度依赖关系发生根本性变化。

当粒径为11nm时，电阻随温度的升高而下降。

5. 当颗粒小于某一临界尺寸时（电子平均自由程），电阻的温度系数可能会由正变负，即随着温度的升高，电阻反而下降（与半导体性质类似）.电子在晶体中传播由于散射使其运动受阻，而产生电阻。

※纳米材料的电阻来源可以分为两部分：颗粒组元（晶内）：当晶粒大于电子平均自由程时主要来自晶内散射界面组元（晶界）：晶粒尺寸与电子平均自由程相当时，主要来自界面电子散射•纳米材料中大量的晶界存在，几乎使大量电子运动局限在小颗粒范围。

纳米微粒的基本理论:电子能级的不连续性：久保（Kubo）理论和电子能级的统计学和热力学。

√量子尺寸效应：当例子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的垫子能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。

能带理论表明：金属费米能级附近电子能级一般是连续的，这一点只有在高温或宏观尺寸情况下才成立。

√小尺寸效应：当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电、磁、热、力学等特征呈现新的小尺寸效应。

√表面效应：纳米微粒尺寸小表面能高位于表面的原子占相当大的比例。

这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。

粒子直径减小到纳米级，不仅引起表面原子数的迅速增加，而且纳米粒子的表面积、表面能都会迅速增加，这主要是因为处于表面的原子数较多，表面原子的晶场环境和结合能与部原子不同所引起的。

表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性质，易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很大的化学活性，例如金属的纳米粒子在空气中会燃烧，无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应。

这种表面原子的活性不但引起纳米粒子表面原子输运和构型变化，同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。

√宏观量子隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。

近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应，称为宏观量子隧道效应。

库伦堵塞与量子隧穿：当体系的尺度进入到纳米级（一般金属粒子为几个纳米，半导体粒子为几十纳米），体系是电荷“量子化”的，即充电和放电过程是不连续的，充入一个电子所需的能量Ec为e^2/2c，e为一个电子的电荷，c为小体系的电容，体系越小，c越小，Ec越大。

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。

纳米技术知识点纳米技术是一门跨学科的领域，涵盖了物理学、化学、材料科学、生物学等多个学科领域。

它研究和应用的对象是纳米尺度的物质，尺度在纳米级别（10的负9次方米）。

一、纳米尺度的定义纳米尺度是指物质的尺寸在1到100纳米之间。

在纳米尺度下，物质的特性会发生显著变化，具有许多与宏观物质不同的特征和性质。

二、纳米技术的应用领域1. 医学领域：纳米技术在药物传输、疾病诊断和治疗等方面具有广泛的应用。

纳米粒子可以通过改变其表面性质，实现药物的靶向输送，提高治疗效果。

此外，纳米技术还可以用于制备新型的生物传感器和生物成像技术，提高疾病的诊断精确度。

2. 材料科学领域：纳米技术在材料制备方面有着重要的应用。

通过纳米材料的合成和组装技术，可以制备出具有特殊结构和性能的材料，如纳米传感器和纳米存储器等。

此外，纳米技术还可以改变材料的力学、电学、光学等性质，提高材料的性能。

3. 能源领域：纳米技术在能源转换和储存领域具有广泛应用。

通过纳米材料的设计和制备，可以提高太阳能电池的效率和储能设备的性能。

此外，纳米材料还可以用于制备新型的燃料电池和催化剂，提高能源利用效率。

4. 环境领域：纳米技术在环境治理和监测方面有着重要的应用。

纳米吸附材料可以用于污染物的吸附和去除，纳米传感器可以实现对环境污染物的快速监测。

此外，纳米技术还可以用于水处理和空气净化等方面，提高环境保护的效果。

三、纳米技术的挑战和展望虽然纳米技术在各个领域都有广泛的应用，但也面临着一些挑战。

首先，纳米材料的制备和表征技术仍然不够成熟。

其次，纳米材料的毒性和环境影响问题亟待解决。

此外，纳米技术在产业化和商业化方面还存在一定的困难。

展望未来，纳米技术将继续发展，并得到更广泛的应用。

随着纳米材料的制备和表征技术的不断突破，纳米技术的应用领域将继续扩大。

同时，人们对纳米技术的安全性和环境影响也将给予更多的关注和研究。

结论纳米技术是当前科学技术领域的热点之一，具有广泛的应用前景和经济效益。

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。

纳米科技导论微米科技在20世纪70年代以来的信息科学中占有中心地位，新兴纳米科技在新的21世纪信息科学中将起革命性的作用。

纳米材料将是21世纪新兴材料科学和技术发展的一个新的方向。

大量研究证明，生物克隆、生物病毒、胶体化学、团簇结构、粘土矿物、电子显微学等，都是与纳米尺度密切相关的研究，不必从形式上再加上一顶纳米桂冠，但从纳米科学和技术进行更深入研究，可能会有新的发现与新的突破新兴的纳米科学和技术的发展，开辟了纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米矿物学研究的新领域。

1.纳米科技的基本理论纳米技术器件比宏观物体小，但比分子大，属于一个独特的中尺度领域。

在这一领域中，物质的性质是由经典物理学与量子力学的复杂结合所支配的。

只有认识了在纳米尺寸占支配地位的物理学原理之后，科学家们才能够做出可靠的、优质的纳米器件。

通过建造一些不寻常的、复杂的原子系统并探测它们的奇特行为，科学家逐步发现中尺度的法则。

掌握了纳米科技的科学原理，就能理解R．Feynman的远见：在纳米世界中大自然为人们留下了足够广阔的用武之地，使科学家能创造出无数纳米实用器件以造福于人类。

2.纳米级芯片纳米科技可以使电子芯片的电路尺寸不断缩小。

新的纳米技术电子器件可能取代传统的硅电子技术。

不久的将来，用纳米管或某种纳米新奇材料来制造电子器件，可能使芯片性能不断提高，同时又不会使生产成本高于硅芯片制造的成本。

纳米技术所制造的电子器件可以融人一些将会揭示生物细胞(微型机器)之奥秘的新颖装置中。

在硅时代之后、纳米计算机诞生之前，生物纳米技术就将找到一些实际用途。

为了探测细胞的活性，只需要相当少调用半导体材料制作的纳米标记，它将利用半导体量子点作为生物实验、药物研究、诊断化验以及其他种种应用场合中的标记。

尖端的纳米科技研究。

1981年C．B5nnig和H．R。

hrer发明了扫描隧道显微镜，1986年荣获诺贝尔物理学奖，为科学技术的发展开创了纳米科技新领域。

第一章纳米科技基础知识1.1 纳米科技发展历程1.发展历史：费恩曼提出——>扫描隧道显微镜2.主要特征：更多考虑分子设计，材料结构设计等；以传统三束（光子束、电子束、离子束）为核心的微电子平面加工技术起主要作用；表征方法有谱学技术、电子显微技术、STM、AFM、扫描近场显微术（SNOM）；沿两条路线进行：微电子技术和量子效应纳米器件；利用分子组装实现具有设计功能的一些机构。

1.2 纳米科技概念及分类定义：在纳米尺度（1-100nm）上研究物质的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学。

研究领域：纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征。

分类：纳米材料学、纳米电子与器件、纳米加工与纳米机械、纳米生物与医药。

1.3 纳米材料基本知识元素周期表；原子结构；能量分子与物质的相态：气液固；价键：金属键、氢键、离子键、共价键、范德瓦尔斯键（伦敦力（也叫色散力）、极化力、氢键）。

研究思路：自上而下、自下而上。

1.4 纳米颗粒基本特性量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应。

1.5纳米科技应用领域材料与制造、微电子与计算机、医药与健康、生物技术与农业、环境与能源、航空航天、国家安全。

第二章纳米材料的测试与表征纳米材料性能：材料表面形貌、内部结构、化学组成。

2.1 电子显微技术1. 扫描隧道显微镜（STM）：探针及扫描器，电子学控制，计算机数据处理及显示。

应用实例：C60，DNA用STM操纵单个原子和分子2. 原子力显微镜（AFM）3. 扫描和透射电子显微技术扫描电子显微镜（SEM）透射电子显微镜（TEM）高分辨电子显微术（HREM）4.电子衍射分析（nλ=2dsinθ）2.2 光谱技术（紫外可见光谱、核磁共振光谱、X射线衍射谱、红外光谱、原子吸收光谱、电感耦合等离子光谱、荧光光谱、拉曼光谱）1. X射线衍射分析（XRD）：将未知物质的粉末衍射花样与已知物质衍射花样d、I/I1数列对照。