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纳米材料与纳米技术 主要内容 前言 纳米效应 纳米结构合成方法 纳米材料应用 3.1.3 生物大分子自组装 生物大分子：蛋白质、DNA等具有生物活性的分子 只要分子本身具有可以和基底发生化学作用的能力，就一定能够形成有序的纳米结构。 直接自组装 刻印技术组装法 分子识别组装法 SPL（扫描探针刻印）构筑图形基底示意图 长链硫醇 疏基羧酸 3.2 模板法组装有序纳米结构薄膜 借助选定模板的限定作用或者模板与纳米微粒之间的识别作用，将微粒组装到模板中，使组装的结构更完善、可控、长程有序。 双功能有机分子模板法 固态薄膜材料模板法 胶体粒子模板法 共聚物模板法 多孔模板法制备PEDOT一维纳米结构 多孔氧化铝模板的表面及断面SEM图 模板法制备的PEDOT纳米管的SEM图 TTAB存在下PANI/In2O3复合薄膜成膜机理示意图 TTAB PANI/In2O3仿制了 TTAB模板的形貌 柱状超分子结构 层状超分子结构 3.3 刻印技术制备有序纳/微米结构薄膜 用传统光刻印技术在小于100 nm尺度上操作、组装更小的原件是很困难的 在基底表面通过化学法直接进行“图形”设计 用适当的方法将单个纳米粒子组装到有特定图形的位置上，形成2D纳米结构 以2D纳米结构为模板，进一步组装形成3D纳米结构 软刻印技术 （soft lithography） 浸笔纳米印刷技术（dip-pen nanolithography, DPN） 电子束刻印技术（e-beam nanolithography） 纳米掩模刻印术 纳米球刻印术 （nanosphere lithography） 共聚物掩模刻印术 纳米环制造过程示意图 （a）以氧化硅微球为掩模所得Au纳米环有序阵列的SEM图；（b）相对应的AFM图，纳米环高度50 nm 纳米球刻印术 四、纳米材料应用 1、在传感器方面的应用 传感器是纳米技术应用的一个重要领域。 由于超微粒表面积大、表面活性高等特点，对环境中的温度、湿度、光以及气氛等的变化十分敏感。根据不同材料本身的性质可以制备出不同的传感器。 随着纳米技术的进步，造价更低、功能更强的微型传感器将广泛应用在各个领域。 采用反向胶束法制备的PEDOT纳米粒子SEM图 PEDOT纳米粒子 PEDOT块体 不同PEDOT粒子对5 ppm HCl气体的响应恢复曲线 PANI/TiO2复合薄膜的SEM图 PANI/TiO2薄膜传感器对不同浓度NH3的响应－恢复特性曲线 石墨烯场效应晶体管集成芯片，用于石墨烯和单个心肌细胞之间形成稳定接触，实现对细胞电生理信号的高灵敏度、非侵入式检测。 石墨烯纳米生物传感器 纳米发电机 纳米级的氧化锌导线可作为压电材料，该材料能够将机械能转化为电能； 该装置封装在一个聚合物总屏蔽了体内液体，从而保证该装置产生的任何电流不受背景干扰。 纳米发电机从心脏跳动获得能量，向动植物体内植入的传感器提供电能。 2、在分子组装方面的应用 如何合成具有特定尺寸，并且粒度均匀分布无团聚的纳米材料，是该领域一直努力要解决的问题。 目前，纳米技术深入到对单原子的操纵，通过利用软化学与主客体模板化学，超分子化学相结合的技术，正在成为组装与剪裁，实现分子手术的主要手段。 采用多孔氧化铝（AAO）模板法制备的导电聚合物纳米线及纳米管 用STM针尖操纵，让48个Fe原子围成一个平均半径为7.13 nm的圆圈——“量子围栏”，围栏中的电子形成驻波。 CO分子竖在铂表面上、高0.5 nm的分子人 3、在微电子学上的应用 纳米电子学：是讨论纳米电子元件、电路、集成器件和信息加工的理论和技术的新学科。代表了微电子学的发展趋势并将成为下一代电子科学与技术的基础。 最先实用化的三种器件和技术分别是：纳米CMOS器件、共振隧穿器件和单电子存储器。 据预测，2014年CMOS器件的特征尺寸将达到28 nm。 纳米CMOS器件： CMOS器件的一个重要特点在于它的各个参数可以随着特征尺寸按比例缩小。但是当器件尺寸缩小到深亚微米、纳米尺度时，器件的阈值电压和电源电压不能相应的减小，导致器件内部电场强度增强，器件可靠性变差。 * * 前 沿 专 题 Ideal is the beacon. Without ideal, there is no secure direction; without direction , there is no life. ——Leo Tolstory 材料是科学技术的必要物质基础，新技术突破的前提保证。 光通信——光导纤维和激光材料 计算机技术——超导体材料和磁性材料 新能源——超导材料、光电材料和贮氢材料 生物工程——生物功能材料 1.1 新材料技术