第六章纳米科技宋启徨.ppt

走进纳米世界 What is Nano ? In Greek, “nano” means dwarf Really really really small!!! 1 nanometer (nm) = 10-9 m Nanoscale generally refers to the size scale of 1 – 100 nm. 本章内容 一、纳米和纳米科技的概念 什么是纳米？ 纳米是一个长度计量单位，1纳米 = 10-9米 纳米结构？ 纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下（1-100nm）的微小结构。 纳米技术？ 是指在纳米尺度的范围内，通过直接操纵和安排原子、分子来创造新物质材料的技术。即研究100纳米到1纳米范围内物质所具有的特异现象和特异功能，并在此基础上制造新材料，研究新工艺的方法与手段。 一纳米有多大？ 什么是纳米科技？ 二.纳米科技概念的提出与发展 “The principles of physics, as far as I can see, do not speak against the possibility of maneuvering things atom by atom.” “Put the atoms down where the chemist says, and so you make the substance.” - Richard Feynman(1959) Physics Nobel Laureate 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(STM) 1981年，美国IBM公司设在瑞士苏黎世的实验室里，物理学家葛·宾尼(G.Binnig)和罗·海雷尔(H.Rohrer)发明了一种前所未有的新式显微镜，他们称其为“扫描隧道显微镜 (Scanning Tunneling Microscope) ”简称STM 。应用这台显微镜人们可以看到原子大小的东西。 STM的工作原理 将针尖和样品表面作为两个电极，当两者之间的距离足够小时，在电场的作用下，电子会穿过电极间的绝缘层，形成 “隧道电流”，这种效应就是隧道效应。 STM工作时的特点利用针尖扫描样品表面，通过隧道电流获取图像。 STM工作方式 恒电流扫描 恒高度扫描 STM的原理示意图 STM的结构 STM主要由STM主体、电子反馈系统、计算机控制系统及高分辨图象显示终端组成。 ——核心的部件是探头。 ——电子反馈系统用于产生隧道电流及维持隧道电流的恒定，并控制针尖在样品表面进行扫描。 ——计算机系统控制全部系统的运转，收集和存贮所获得的图像，并对原始图象进行处理，最后对在图象显示终端显示出的图象拍摄照片。 STM例：移动铁原子 1993年，美国科学家在低温下，用STM针尖将48个铁原子排成一个圆环，并且直接观察到了电子驻波的图形 而后，他们又成功地移动铁原子写成了两个汉字 “原子”。 铁原子的移动过程 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，标志我国在纳米科技领域占有一席之地。 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。 天梯——碳纳米管绳梯 从地面修造一架天梯达到几万千米高的卫星，底部必须是直径358千米粗的柱子，才能支撑得住，才不会被自己的重量压弯，这样的天梯，其底座相当于江苏省的面积那么大。 天梯——碳纳米管绳梯 建设天梯（20世纪90年代提出）：同步卫星放下由碳纳米管制作的绳缆到地球。升降机将沿着这个绳缆爬上爬下。 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。 到