纳米技术课件.ppt
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1、第一章第一章 纳米技术概论纳米技术概论1.1纳米技术的历史纳米技术的历史1.2纳米基本概念纳米基本概念1.3 关于纳米科技关于纳米科技1.1纳米技术的历史纳米技术的历史 在介绍纳米科技的历史之前,我在介绍纳米科技的历史之前,我们首先要回顾一下我们人类对物质世界的们首先要回顾一下我们人类对物质世界的掌握情况。掌握情况。至今为止,人类研究自然界的尺至今为止,人类研究自然界的尺度在空间上为:度在空间上为:2*1026m-1*10-16m,2*1026m-(200亿光年亿光年)被称为哈勃半径,是人被称为哈勃半径,是人类已观测到的宇宙的范围,银河系半径是类已观测到的宇宙的范围,银河系半径是1021m。原
2、子线度。原子线度10-10m,原子核的线度,原子核的线度10-14m-10-15m。10-10m以下的微以下的微观观世界的研究是核物理世界的研究是核物理和粒子物理研究的内容,宏和粒子物理研究的内容,宏观观世界的物理世界的物理规规律如力学,律如力学,电电磁学已磁学已经经研究的比研究的比较较透透彻彻,但,但处处于于1-100nm 区区间间的介的介观领观领域(正好是原子,域(正好是原子,分子的尺度范分子的尺度范围围)的知)的知识识就不就不仅仅仅仅是物理学是物理学家研究的家研究的领领域了,更多的化学家,生物学家域了,更多的化学家,生物学家都关心都关心这这一一领领域的域的发发展,因展,因为这为这正是物正
3、是物质质性性质发质发生生变变化的界化的界线线,量子效,量子效应应不能被忽略的不能被忽略的界界线线,所有物,所有物质质的物理,化学性的物理,化学性质质都要都要发发生生改改变变。从广。从广义义上上讲讲,出,出现现量子相干量子相干现现象的体象的体系系统统称称为为介介观观体系。体系。如果说人类智慧有一个区域的话,那么,如果说人类智慧有一个区域的话,那么,科学向更小的或是更大的长度单位不断扩展,科学向更小的或是更大的长度单位不断扩展,就标志着人类视野的不断开阔。在工业革命就标志着人类视野的不断开阔。在工业革命以前,大部分人类生产、科研不需要用到毫以前,大部分人类生产、科研不需要用到毫米,以蒸汽机等机械发
4、明为主要标志的第一米,以蒸汽机等机械发明为主要标志的第一次工业革命,将人类认知推向毫米层次。第次工业革命,将人类认知推向毫米层次。第二次工业革命,发明了电,从机械时代进入二次工业革命,发明了电,从机械时代进入微电子时代,毫米不够用了,毫米的千分之微电子时代,毫米不够用了,毫米的千分之一一微米诞生了。微米诞生了。随着科学技术的发展,微米层次的局限越来随着科学技术的发展,微米层次的局限越来越明显,例如,电脑芯片虽然已越做越小,越明显,例如,电脑芯片虽然已越做越小,但即将达到材料的物理极限,只有进入另一但即将达到材料的物理极限,只有进入另一个层次个层次纳米层次,才会有更大的突破,纳米层次,才会有更大
5、的突破,在纳米层次,许多原来在宏观尺度上使用的在纳米层次,许多原来在宏观尺度上使用的规律、定理、方式、方法,都将不再适用,规律、定理、方式、方法,都将不再适用,世界将从此是另一个样。我们现在所熟悉的世界将从此是另一个样。我们现在所熟悉的“原材料原材料”将是小至纳米级的原子、分子。将是小至纳米级的原子、分子。一、梦想一、梦想 纳纳米技米技术术,起源于一个天才物理学家的,起源于一个天才物理学家的大胆大胆设设想。想。1959年,年,诺贝诺贝尔尔奖获奖获得者、理得者、理论论物理学物理学家家理理查查得得费费曼最早提出了曼最早提出了纳纳米尺度上的科米尺度上的科学和技学和技术问题术问题,他在一次演,他在一次
6、演讲讲中提出:中提出:“如果如果人人类类能能够够在原子,分子尺度上来加工材料和在原子,分子尺度上来加工材料和制造装置,我制造装置,我们们将有将有许许多激多激动动人心的新人心的新发现发现。”这这是关于是关于纳纳米科技的最早梦想。米科技的最早梦想。1974年,年,坦尼盖茨(坦尼盖茨(Taniguchi)最早使)最早使用纳米技术(用纳米技术(nanotechnology)一词描述精)一词描述精细机械加工细机械加工 20世世纪纪70年代后期,美国麻省理工大学年代后期,美国麻省理工大学德雷克斯勒提倡开展德雷克斯勒提倡开展纳纳米科技的研究,但当米科技的研究,但当时时多数主流科学家多数主流科学家对对此持此持
7、怀怀疑疑态态度,度,历历史如史如此相似,哥白尼日心此相似,哥白尼日心说说,爱爱因斯坦的相因斯坦的相对论对论。爱爱因斯坦本人的因斯坦本人的nobel奖奖也是因也是因为为其在光其在光电电效效应应(现现在光在光电检测电检测的基的基础础)方面的成就,提)方面的成就,提出光的波粒二象性假出光的波粒二象性假设设而而获获得的。得的。1912年提年提出来的大出来的大陆陆漂移学漂移学说说,在当,在当时时也受到忽也受到忽视视,直到直到20世世纪纪60年代才被广泛接受,并使地年代才被广泛接受,并使地质质学学发发展起来。展起来。二、准二、准备备 由于当由于当时时没有没有观观察和控制原子,分子的察和控制原子,分子的能力
8、或手段,所以能力或手段,所以纳纳米技米技术术的的发发展非常展非常缓缓慢。慢。要从分子、原子出要从分子、原子出发发,制造物品,第一步得,制造物品,第一步得看看见见原子和分子,原子和分子,这这一关一关键键性的突破,由德性的突破,由德国人国人迈迈出。出。1981年,德国科学家年,德国科学家发发明了明了扫扫描隧道描隧道显显微微镜镜(STM),人,人类类从此可以直从此可以直观观地地观观察到察到单单个原子了。此个原子了。此时时人人们对们对一些一些纳纳米微粒的米微粒的结结构,构,形形态态和特性和特性进进行了比行了比较较系系统统的研究。的研究。扫扫描隧描隧道道显显微微镜镜对纳米科技发展产生了积极的促进对纳米科
9、技发展产生了积极的促进作用。作用。1984年,德国年,德国Gleiter等人采用惰性气体等人采用惰性气体蒸蒸发发冷凝法制冷凝法制备备了了纳纳米米Fe,Cu,Pd等金属粉等金属粉末。随后末。随后发现纳发现纳米米TiO2陶瓷在室温下呈良好陶瓷在室温下呈良好的的韧韧性。在性。在180经经受弯曲并不受弯曲并不产产生裂生裂纹纹。这这一一突破使突破使为为陶瓷增陶瓷增韧奋韧奋斗了一个世斗了一个世纪纪的材料科的材料科学家学家们们看到了希望。英国著名材料科学家卡看到了希望。英国著名材料科学家卡恩在恩在nature 杂杂志上撰文志上撰文说纳说纳米陶瓷是解决陶米陶瓷是解决陶瓷脆性的瓷脆性的战战略途径。略途径。198
10、5年,英国年,英国Kroto等人采用激光加等人采用激光加热热石石墨蒸墨蒸发发并在甲苯中形成并在甲苯中形成C60,C60不同于石墨,不同于石墨,也不同于金也不同于金刚刚石,具有全新的封石,具有全新的封闭闭的足球的足球结结构,由构,由32面体构成,有面体构成,有20个六个六边边形和形和12个个5边边形,形,纯纯的的C60是是绝缘绝缘体,体,掺杂掺杂碱金属后碱金属后变变成成导导体,适当的体,适当的掺杂掺杂成份成份还还可以使其成可以使其成为为超超导导体,体,最高的超最高的超导转变导转变温度温度为为45K。立即在全世界。立即在全世界兴兴起了起了C60的研究的研究热热潮。潮。1988年,法国在年,法国在纳
11、纳米米Fe/Cr多多层层膜中膜中发现发现巨磁巨磁电电阻效阻效应应,引起全世界的普遍关注。,引起全世界的普遍关注。1990年,美国加州国年,美国加州国际际商用机器公司商用机器公司(IBM)实验实验室,在室,在Ni基板上成功的将基板上成功的将35个个氙原子排布成氙原子排布成“IBM”3个字母;个字母;总总面面积积只有只有几个平方几个平方纳纳米,人米,人类类第一次第一次实现实现了操了操纵单纵单个个原子,原子,纳纳米科技的序幕拉开了。米科技的序幕拉开了。三、三、诞诞生和生和发发展展 1990年年7月,第一届国际纳米科学技术月,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会议在美国巴尔的
12、摩与第五届国际扫描隧道显微学会议同时举办,标志着纳米科学技术显微学会议同时举办,标志着纳米科学技术的正式诞生。的正式诞生。正式提出了正式提出了纳纳米材料学,米材料学,纳纳米米生物学,生物学,纳纳米米电电子学,子学,纳纳米机械学和概念。米机械学和概念。纳米技术纳米技术与与纳米生物学纳米生物学这两种国际这两种国际性专业期刊也相继问世。性专业期刊也相继问世。中科院上海原子核中科院上海原子核研究所的李民乾教授参加了此次会研究所的李民乾教授参加了此次会议议。1991年,碳纳米管被人类发现,它的质年,碳纳米管被人类发现,它的质量是相同体积钢的六分之一,强度却是钢的量是相同体积钢的六分之一,强度却是钢的10
13、倍,倍,于是碳于是碳纳纳米管立即米管立即成为纳米技术研究成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利smalley教教授认为,纳米碳管将是未来最佳纤维的首选授认为,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。以及纳米级电子线路等。1993年,继年,继1989年美国斯坦福大学搬走年美国斯坦福大学搬走原子团原子团“写写”下斯坦福大学英文名字、下斯坦福大学英文名字、1990年美国国际商用机器公司(年美国国际商用机器公司(IBM公司)在镍公司)在镍表面用表面用36个氙原子排出个氙原子排出
14、“”之后,中之后,中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出子成功写出“中国中国”二字,标志着我国开始二字,标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。在国际纳米科技领域占有一席之地。1994年,美国着手研究年,美国着手研究“麻雀麻雀”卫卫星,星,“蚊蚊子子”导弹导弹,“苍蝇苍蝇”飞飞机等。机等。1995年,科学家研究并年,科学家研究并证实证实碳碳纳纳米管具米管具有有优优良的良的场发场发射性能。射性能。1996年,我国年,我国实现实现碳碳纳纳米管的大面米管的大面积积定向定向生生长长。1997年,法国全国科学研究中心和美国年,法国全国科学研究中心和
15、美国IBM公司共同研制成功第一个分子公司共同研制成功第一个分子级级放大器。放大器。其活性部分是一个直径只有其活性部分是一个直径只有0.7nm的碳分子。的碳分子。标标志着志着纳纳米技米技术术开始开始进进入入实实用用阶阶段。段。1998年,美国成功制年,美国成功制备备出了量子磁出了量子磁盘盘。这这种磁种磁盘盘是由磁性是由磁性纳纳米棒米棒组组成的成的纳纳米米阵阵列体系。列体系。美国商家正美国商家正组织组织人人员员将此技将此技术术迅速迅速转转化化为产为产品。品。1999年,年,韩韩国制成碳国制成碳纳纳米管阴极彩色米管阴极彩色显显示示器器样样管。管。2000年,日本制成碳年,日本制成碳纳纳米管米管场发场
16、发射器射器样样管。美国研制出量子管。美国研制出量子计计算机和生物算机和生物计计算机。算机。美国柯达公司研制成一种即具有顔料又具有美国柯达公司研制成一种即具有顔料又具有染料功能的新型染料功能的新型纳纳米粉体,米粉体,预计预计将将给给彩色印彩色印像像业带业带来革命性的来革命性的变变革。革。在在纳纳米技米技术刚刚术刚刚出出现现不久,一些不久,一些发发达国达国家就开始投入大量的人力物力家就开始投入大量的人力物力进进行深入的研行深入的研究开究开发发,将其列入近期的高科技开,将其列入近期的高科技开发项发项目。目。例如,美国的例如,美国的星球大星球大战战计计划、日本的划、日本的创创造科学技造科学技术术推推进
17、进事事业业、西欧的、西欧的尤里卡尤里卡计计划等都不划等都不约约而同地将而同地将纳纳米科技确定米科技确定为为重点攻重点攻关关课题课题。此外,美国此外,美国还还于于2001年起开始年起开始实实施施国家国家纳纳米技米技术术推推进计进计划划,以,以抢抢占在占在这这一一领领域的制高域的制高点。在点。在这这种国种国际际背景下,我国政府也先后将背景下,我国政府也先后将纳纳米材料技米材料技术术研究列入研究列入国家高技国家高技术研究研究发展展计划划863,国家重点基,国家重点基础研究研究发展展计划划973,“十一五十一五”国家科技攻关国家科技攻关计计划中。投入大量人划中。投入大量人力物力力物力进进行技行技术术攻
18、关,并确定其攻关,并确定其为为高度重高度重视视并大力并大力发发展的九大关展的九大关键键技技术术之一。之一。另外在另外在1996年年1998年,世界技年,世界技术评术评估估中心中心对对“纳纳米米结结构的科学和技构的科学和技术术”的研究开的研究开发发现现状和状和发发展展趋势进趋势进行了行了调调研。研。结结果果发现发现:1.通通过过将材料制成将材料制成纳纳米米结结构,可以得到全新构,可以得到全新的性能的性能2.纳纳米科技涉及的学科范米科技涉及的学科范围围极广,极广,许许多新的多新的发现发现都是在各学科的交叉点上。同都是在各学科的交叉点上。同时还时还比比较较了各国在了各国在纳纳米技米技术术上的投上的投
19、资资和和实实力。力。四:四:结论结论1.人人类类的的发发展已展已经进经进入了小尺寸入了小尺寸时时代。代。纳纳米米级级的研究正在迅速的研究正在迅速发发展。展。2.纳纳米科技是个完完全全的多学科交叉米科技是个完完全全的多学科交叉领领域。域。单单一的知一的知识结识结构是不能适构是不能适应应科技的科技的发发展的。展的。3.要培养要培养创创造性的思造性的思维维和工作能力。和工作能力。纳纳米米领领域的域的观观念常常是与我念常常是与我们现们现有的思有的思维维方方式相反的。式相反的。4.要具要具备团结协备团结协作精神。作精神。现现代的科学研究代的科学研究再也不是某个人能完成的工作。再也不是某个人能完成的工作。
20、1.2纳米基本概念纳米基本概念一、纳米一、纳米 我们所熟知的长度单位有:我们所熟知的长度单位有:m,cm,mm,um,nm,。纳米又称毫微米,纳米又称毫微米,1nm=10-9 m 即即10亿分之一米。在大学物理中我们都知道原亿分之一米。在大学物理中我们都知道原子的线度是子的线度是10-10米量级,那么一个纳米就米量级,那么一个纳米就是数个原子并列排起来的长度。这样并不是数个原子并列排起来的长度。这样并不能给我们以直观的印象纳米到底有多小。能给我们以直观的印象纳米到底有多小。当美国人尼尔阿姆斯特朗当美国人尼尔阿姆斯特朗(neil armstrong)踏上月)踏上月球,它称对个人而言这是球,它称对
21、个人而言这是很小的一步,但对人类而很小的一步,但对人类而言却是巨大的一步。纳米言却是巨大的一步。纳米也许代表人类再一次的巨也许代表人类再一次的巨大一步,但其步伐之小,大一步,但其步伐之小,就像尼尔阿姆斯特朗在太阳系中的大小。粗就像尼尔阿姆斯特朗在太阳系中的大小。粗略估算一下,在略估算一下,在1mm*2mm的面积上刻两万的面积上刻两万字,每个字的面积只有字,每个字的面积只有10 um*10 um。美国美国NNI(国家纳米创新中心)称其会引导下(国家纳米创新中心)称其会引导下一次工业革命。(一次工业革命。(National nanotechnology initiative leading tow
22、ards the next industrial revolution)。这个短语印在比头发丝还细下)。这个短语印在比头发丝还细下的一个平面上,字母大小是的一个平面上,字母大小是0.3 um。头发丝。头发丝的直径一般在的直径一般在20-50um。不借助任何仪器,。不借助任何仪器,人类的眼睛可看到的最小的东西其断面尺寸人类的眼睛可看到的最小的东西其断面尺寸为为10 um。2002年,商用微芯片上刻蚀的最年,商用微芯片上刻蚀的最小器件的尺寸为小器件的尺寸为0.13um。形象的比喻是。形象的比喻是1纳纳米和一个人的尺寸差别与米和一个人的尺寸差别与1个人和月球轨道的个人和月球轨道的差别相同,再就是一纳
23、米的物体放到乒乓球差别相同,再就是一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。上,就像一个乒乓球放在地球上一般。纳纳米米还还有一个引申意是思有一个引申意是思维维方式的概念,方式的概念,“纳纳米米”的的“纳纳”字原是希腊文中字原是希腊文中“矮小矮小”的意思,的意思,即人即人类类的科研、生的科研、生产产活活动动将向更小的尺度、将向更小的尺度、更深的更深的层层次次发发展,例如从微米展,例如从微米层层次深入至次深入至纳纳米米层层次;一般来次;一般来说说物物质质在在颗颗粒大小粒大小进进入到入到1纳纳米米100纳纳米的尺度范米的尺度范围时围时,其性,其性质质都会都会发发生生变变化。化。二、二、
24、纳纳米尺度:米尺度:是指是指1-100nm的空的空间间范范围围。这这正是分子正是分子尺寸。尺寸。科学家在科学家在这这尺度上尺度上观观察物察物质时发现质时发现了了崭崭新的新的现现象,象,传统传统的材料特性和器件功能的模的材料特性和器件功能的模式和理式和理论论都基于大于都基于大于100nm这这一一临临界尺寸的界尺寸的前提,当材料在至少一前提,当材料在至少一维维上的尺寸小于上的尺寸小于这这一一临临界尺寸界尺寸时时,往往会,往往会显现显现出用出用传统传统的模式和的模式和理理论论无法解无法解释释的独特性能。的独特性能。在在这这一尺度,我一尺度,我们们所熟悉的物所熟悉的物质质的通常的通常性性质质如如导电导
25、电性,硬度及熔点均会性,硬度及熔点均会发发生奇特的生奇特的变变化,一根化,一根纳纳米米导线导线或或电电路元件一般是不遵路元件一般是不遵循欧姆定律循欧姆定律这这一一现现代代电电子学的基本定律的。子学的基本定律的。物物质质基本的化学,基本的化学,电电子和物理性能在子和物理性能在这这一尺一尺度上的耦合是理解所有的度上的耦合是理解所有的纳纳米科学的关米科学的关键键。一一块块10cm 见见方的金子如果分割成两半,方的金子如果分割成两半,那么每一那么每一块块仍然是金子,呈金黄色,有光仍然是金子,呈金黄色,有光泽泽,依然是依然是软软的,的,导电导电的,具有和分割前一的,具有和分割前一样样的熔的熔点,除了便于
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