纳米技术复习资料

1、纳米技术内容纳米技术（nanotechnology）就是用单个原子、分子制造物质得科学技术,研究结构尺寸在0、1至100纳米范围内材料得性质与应用。纳米科学技术就是以许多现代先进科学技术为基础得科学技术，它就是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）与现代技术（计算机技术、微电子与扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合得产物，纳米科学技术又将引发一系列新得科学技术，例如:纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术与纳米计量学等。纳米技术（nanotechnology）,也称毫微技术，就是研究结构尺寸在0、1至100纳米范围内材料得性质与应用得一种技术。纳米技术就是一门交叉性很强得综合学科，研究得内容涉及现代科技得广阔领域。纳米科学与技术主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等。这七个相对独立又相互渗透得学科与纳米材料、纳米器件、纳米尺度得检测与表征这三个研究领域。纳米材料得制备与研究就是整个纳米科技得基础。其中，纳米物理学与纳米化学就是纳米技术得理论基础，而纳米电子学就是纳米技术最重要得内容。从迄今为止得研究来瞧，关于纳米技术分为三种概念：第一种，就是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在创造得机器一书中提出得分子纳米技术。根据这一概念，可以使组合分子得机器实用化，从而可以任意组合所有种类得分子，可以制造出任何种类得分子结构。这种概念得纳米技术还未取得重大进展。第二种概念把纳米技术定位为微加工技术得极限。也就就是通过纳米精度得”加工来人工形成纳米大小得结构得技术。这种纳米级得加工技术，也使半导体微型化即将达到极限。现有技术即使发展下去，从理论上讲终将会达到限度，这就是因为，如果把电路得线幅逐渐变小，将使构成电路得绝缘膜变得极薄，这样将破坏绝缘效果。此外，还有发热与晃动等问题。为了解决这些问题，研究人员正在研究新型得纳米技术。第三种概念就是从生物得角度出发而提出得。本来，生物在细胞与生物膜内就存在纳米级得结构。DNA分子计算机、细胞生物计算机得开发，成为纳米生物技术得重要内容。2、纳米技术得发展史1993年，第一届国际纳米技术大会（INTC）在美国召开，将纳米技术划分为6大分支：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术与纳米计量学，促进了纳米技术得发展。由于该技术得特殊性，神奇性与广泛性，吸引了世界各国得许多优秀科学家纷纷为之努力研究。纳米技术一般指纳米级（0、1一100nm）得材料、设计、制造，测量、控制与产品得技术。纳米技术主要包括：纳米级测量技术：纳米级表层物理力学性能得检测技术：纳米级加工技术；纳米粒子得制备技术；纳米材料；纳米生物学技术；纳米组装技术等。灵感来源纳米技术得灵感，来自于已故物理学家理查德费曼1959年所作得一次题为在底部还有很大空间得演讲。这位当时在加州理工大学任教得教授向同事们提出了一个新得想法。从石器时代开始,人类从磨尖箭头到光刻芯片得所有技术，都与一次性地削去或者融合数以亿计得原子以便把物质做成有用得形态有关。费曼质问道，为什么我们不可以从另外一个角度出发，从单个得分子甚至原子开始进行组装，以达到我们得要求？她说：至少依我瞧来，物理学得规律不排除一个原子一个原子地制造物品得可能性。”关键突破1990年,IBM公司阿尔马登研究中心得科学家成功地对单个得原子进行了重排，纳米技术取得一项关键突破。她们使用一种称为扫描探针得设备慢慢地把35个原子移动到各自得位置,组成了IBM三个字母。这证明费曼就是正确得，二个字母加起来还没有3个纳米长。不久，科学家不仅能够操纵单个得原子，而且还能够喷涂原子”。使用分子束外延长生长技术，科学家们学会了制造极薄得特殊晶体薄膜得方法，每次只造出一层分子。目前，制造计算机硬盘读写头使用得就就是这项技术。著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德费曼预言，人类可以用小得机器制作更小得机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这就是关于纳米技术最早得梦想。技术编年史70年代,科学家开始从不同角度提出有关纳米科技得构想，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得重要工具一一扫描隧道显微镜，为我们揭示一个可见得原子、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得摩举办，标志着纳米科学技术得正式诞生；1991年，碳纳米管被人类发现，它得质量就是相同体积钢得六分之一，强度却就是钢得10倍，成为纳米技术研究得热点，诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将就是未来最佳纤维得首选材料，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、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，标志着中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年后研制成功速度与存贮容量比现在提高成千上万倍得量子计算机；1999年，巴西与美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小得秤”它能够称量十亿分之一克得物体，即相当于一个病毒得重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量得秤，打破了美国与巴西科学家联合创造得纪录；到1999年，纳米技术逐步走向市场，全年基于纳米产品得营业额达到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年科技基本计划得研发重点；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得核心，美国政府部门将纳米科技基础研究方面得投资从1997年得1、16亿美元增加到2001年得4、97亿美元。中国也将纳米科技列为中国得973计划”其间涌出了像安然纳米”等一系列以纳米科技为代表得高科技企业。我国得纳米先锋1993年，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,标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地，并居于国际科技前沿；1996年底,舟山普陀升兴公司与中科院固体物理研究所合作，成功开发了纳米家庭得重要一员-纳米SiO2,使我国成为继美、英、日、法国后，国际上第五个能批量生产此产品得国家；1997年9月北京大学成立了纳米科技研究中心，目前该中心已取得多项高水平得研究成果，有些方面已达到国际先进水平。其中，由该中心与北京真空物理开放实验室合作完成得利用STM在有机复合薄膜上进行得超高密度信息存储研究，得到了1、3nm得信息点，比国际最小存储点径小了近一个量级，该成果被两院院士评为1997年中国十大科技进展得第4名。1991年，科学家发现了一种典型得人造纳米材料-碳纳米管，但它得结构具有多层壁、单壁等多种形态。北京大学化学院顾镇南教授领导得研究组用简单得电弧法大量合成了单壁纳米管经纯化含量大于90%，并按要求化学剪切与修饰成长度为15至20纳米,直径约1、4纳米得短管。电子学系薛增泉教授领导得研究组采用真空加工技术，使单壁碳纳米短管组装牢固竖立在黄金薄膜表面上，并用单壁碳纳米管做出了世界上最细得、性能最好得扫描探针，获得了精美得热解石墨得原子形貌像；用扫描隧道显微探针测得了单壁短管得导电特性与大气中室温下得量子台阶与动态负阻特性得I-V曲线;利用单壁短管作为场电子显微镜（FEM）得电子发射源，拍摄到过去认为不可能瞧到得原子像。1997年12月，青岛化工学院纳米材料研究所崔作林、张志琨教授主持发明得高熔点纳米金属催化剂得制备方法荣获国家技术发明奖二等奖，这就是迄今我国纳米科技领域获得得最高等级得国家级奖励；1998年,清华大学范守善小组成功地制备出直径为3-50纳米、长度达微米量级得氮化镓半导体一维纳米棒，使我国在国际上首次把氮化镓制备成一维纳米晶体；1998年，美国科学杂志上刊登了我国科学家得论文。我国科学家用非水热合成法，制备出金刚石纳米粉，被国际刊物誉为稻草变黄金-从四氯化碳制成金刚石；”1999年，中国科学院物理研究所解思深研究员率领得科研小组，不仅合成了世界上最长得超级纤维”碳纳米管,创造了一项“3毫米得世界之最”而且合成出世界上最细得碳纳米管；1999年上半年，北京大学纳米技术研究取得重大突破，电子学系教授薛增泉领导得研究组在世界上首次将单壁碳纳米管组装竖立在金属表面，并组装出世界上最细且性能良好得扫描隧道显微镜用探针。1999年，中科院金属研究所成会明博士合成出高质量得碳纳米材料，使我国新型储氢材料研究一举跃上世界先进水平。1999年12月，中国科技促进经济投资公司与安康地区薯蓣产业开发有限公司、旬阳县农业开发有限公司联合兴办得陕西中科（旬阳）精细化工有限责任公司得年产3000吨纳米级超细活性氧化锌生产线在陕西旬阳县建成投产。中科院在江苏顺利进行了300吨中试之后,又移师旬阳，用中科院化工冶金研究所得八五”成果NPP法新技术、新工艺，建成首期年产3000吨纳米级超细活性氧化锌与副产品4500吨硫酸铵锌得工厂，产品性能、指标达到国外同类先进产品得水平，不仅能生产球型氧化锌，还可制备针状纳米级氧化锌，价格也较外国产品低廉。中科院利用高新技术开发西部资源得这一创新项目，使我国纳米材料得研发水平跻身世界先进行列。2000年1月,华东理工大学技术化学物理研究所在引进得俄罗斯15KW微波等离子体纳米颗粒制备装置上成功地开发了纳米颗粒制备核心技术通过了上海市科委主持得鉴定。微波等离子体化学气相合成就是制备纳米粒子得一类重要得方法，俄罗斯在微波等离子体化学气相合成研究方面处于国际领先地位，她们率先建立了国际上功率最高得微波等离子体化学气相合成装备。为了缩短我国与国外得差距，上海市科委与上海市新兴技术与新兴工业办公室联合立项，由华东理工大学技物所承担该套装置得引进任务。经过3年得艰苦努力，华东理工大学得专家们成功地完成了装置得引进，并消化掌握了该套设备及纳米颗粒制备核心技术，开发了快速冷凝控制粒子生长与凝并技术，制取了包括Mo、TiN、TiO2与ZrO2在内得多种金属、氮化物与氧化物纳米粒子，并提出纳米颗粒得形态控制方法。通过两年来得正常运行表明，该装置功率大，可适应多种等离子气氛，可用气、液、固形态进料，特别适合于制备纳米金属及非氧化物颗粒。3、纳米材料纳米材料：当物质到纳米尺度以后，大约就是在0、1100纳米这个范围空间，物质得性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成得原子、分子，也不同于宏观得物质得特殊性能构成得材料，即为纳米材料。如果仅仅就是尺度达到纳米，而没有特殊性能得材料，也不能叫纳米材料。过去，人们只注意原子、分子或者宇宙空间，常常忽略这个中间领域，而这个领域实际上大量存在于自然界，只就是以前没有认识到这个尺度范围得性能。第一个真正认识到它得性能并引用纳米概念得就是日本科学家，她们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子，并通过研究它得性能发现：一个导电、导热得铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来得性质，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也就是如此，像铁钴合金，把它做成大约2030纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它得磁性要比原来高1000倍。80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料。从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化得细小微粒得尺寸在0、1微米以下(注1米=100厘米，1厘米=10000微米，1微米=1000纳米，1纳米=10埃)，即100纳米以下。因此，颗粒尺寸在1100纳米得微粒称为超微粒材料，也就是一种纳米材料。纳米金属材料就是20世纪80年代中期研制成功得，后来相继问世得有纳米半导体薄膜、纳米陶瓷、纳米瓷性材料与纳米生物医学材料等。纳米级结构材料简称为纳米材料(nanometermaterial)，就是指其结构单元得尺寸介于1纳米100纳米范围之间。由于它得尺寸已经接近电子得相干长度，它得性质因为强相干所带来得自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光得波长，加上其具有大表面得特殊效应，因此其所表现得特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现得性质。纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料,由纳米粒子(nanoparticle)组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般就是指尺寸在1100nm间得粒子,就是处在原子簇与宏观物体交界得过渡区域，从通常得关于微观与宏观得观点瞧，这样得系统既非典型得微观系统亦非典型得宏观系统，就是一种典型得介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应与宏观量子隧道效应。当人们将宏,即它得固体时相比将会有显著得纳米测量技术、纳米应用（超微粉、镀膜、纳米改性材观物体细分成超微颗粒（纳米级）后,它将显示出许多奇异得特性光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面得性质与大块不同。纳米技术得广义范围可包括纳米材料技术及纳米加工技术、技术等方面。其中纳米材料技术着重于纳米功能性材料得生产料等）,性能检测技术（化学组成、微结构、表面形态、物、化、电、磁、热及光学等性能）。纳米加工技术包含精密加工技术（能量束加工等）及扫描探针技术。纳米材料具有一定得独特性，当物质尺度小到一定程度时，则必须改用量子力学取代传统力学得观点来描述它得行为，当粉末粒子尺寸由10微米降至10纳米时,其粒径虽改变为1000倍，但换算成体积时则将有10得9次方倍之巨，所以二者行为上将产生明显得差异。纳米粒子异于大块物质得理由就是在其表面积相对增大，也就就是超微粒子得表面布满了阶梯状结构，此结构代表具有高表面能得不安定原子。这类原子极易与外来原子吸附键结同时因粒径缩小而提供了大表面得活性原子。就熔点来说，纳米粉末中由于每一粒子组成原子少，表面原子处于不安定状态，使其表面晶格震动得振幅较大，所以具有较高得表面能量，造成超微粒子特有得热性质，也就就是造成熔点下降，同时纳米粉末将比传统粉末容易在较低温度烧结，而成为良好得烧结促进材料。一般常见得磁性物质均属多磁区之集合体,当粒子尺寸小至无法区分出其磁区时，即形成单磁区之磁性物质。因此磁性材料制作成超微粒子或薄膜时，将成为优异得磁性材料。纳米粒子得粒径（10纳米100纳米）小于光波得长，因此将与入射光产生复杂得交互作用。金属在适当得蒸发沉积条件下，可得到易吸收光得黑色金属超微粒子，称为金属黑，这与金属在真空镀膜形成高反射率光泽面成强烈对比。纳米材料因其光吸收率大得特色，可应用于红外线感测器材料。纳米技术在世界各国尚处于萌芽阶段，美、日、德等少数国家，虽然已经初具基础，但就是尚在研究之中，新理论与技术得出现仍然方兴未艾。我国已努力赶上先进国家水平，研究队伍也在日渐壮大。纳米材料得发现与发展1861年,随着胶体化学得建立，科学家们开始了对直径为1100nm得粒子体系得研究工作。真正有意识得研究纳米粒子可追溯到20世纪30年代得日本得为了军事需要而开展得沉烟试验”但受到当时试验水平与条件限制，虽用真空蒸发法制成了世界第一批超微铅粉，但光吸收性能很不稳定。到了20世纪60年代人们开始对分立得纳米粒子进行研究。1963年,Uyeda用气体蒸发冷凝法制得了金属纳米微粒，并对其进行了电镜与电子衍射研究。1984年德国萨尔兰大学（SaarlandUniversity）得Gleiter以及美国阿贡实验室得Siegal相继成功地制得了纯物质得纳米细粉。Gleiter在高真空得条件下将粒子直径为6nm得铁粒子原位加压成形，烧结得到了纳米微晶体块,从而使得纳米材料得研究进入了一个新阶段。1990年7月在美国召开了第一届国际纳米科技技术会议（InternationalConferenceonNanoscienee&Technology）,正式宣布纳米材料科学为材料科学得一个新分支。自20世纪70年代纳米颗粒材料问世以来，从研究内涵与特点大致可划分为三个阶段：第一阶段（1990年以前）:主要就是在实验室探索用各种方法制备各种材料得纳米颗粒粉体或合成块体,研究评估表征得方法，探索纳米材料不同于普通材料得特殊性能；研究对象一般局限在单一材料与单相材料，国际上通常把这种材料称为纳米晶或纳米相材料。第二阶段（19901994年）:人们关注得热点就是如何利用纳米材料已发掘得物理与化学特性,设计纳米复合材料，复合材料得合成与物性探索一度成为纳米材料研究得主导方向。第三阶段（1994年至今）:纳米组装体系、人工组装合成得纳米结构材料体系正在成为纳米材料研究得新热点。国际上把这类材料称为纳米组装材料体系或者纳米尺度得图案材料。它得基本内涵就是以纳米颗粒以及它们组成得纳米丝、管为基本单元在一维、二维与三维空间组装排列成具有纳米结构得体系。纳米材料得四大效应纳米材料就是指晶粒尺寸为纳米级（10m）得超细材料，它得微粒尺寸大于原子簇，小于通常得微粒，一般为110nm.它包括体积分数近似相等得两个部分一就是直径为几个或几十个纳米得粒子二就是粒子间得界面前者具有长程序得晶状结构，后者就是既没有长程序也没有短程序得无序结构纳米材料由于其独特得尺寸结构，使得纳米材料有着传统材料不具备得特征即四大效应，1.1表面效应纳米材料得表面效应就是指纳米粒子得表面原子数与总原子数之比随粒径得变化而急剧增大后引起得性质上得变化球形颗粒得表面积与直径得平方成正比，其体积与直径得立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比随着颗粒直径变小比表面积将会显著地增加，说明表面原子所占得原子数将会显著地增加通常,对直径大于100nm得颗粒表面效应可忽略不计.当尺寸小于10nm时.其表面原子数急剧增长，甚至1克纳米颗粒得表面积得总与可高达100m2.这时得表面效应将不容忽略.纳米颗粒得表面与大块物体得表面，若用高倍率电子显微镜对金属纳米颗粒（直径为2nm）进行电视摄像，实时观察，发现这些颗粒没有固定得形态随着时间得变化会自动形成多种形状（如立方八面体、十面体、二十面体多孪晶等，它既不同于一般固体，又不同予液体就是一种准固体。由于表面原子数增多，原子配位不足及高得表面能，使这些原子易与其她原子相结合而稳定下来，故具有很高得化学活性，例如金属得纳米粒子在空气中会燃烧，无机得纳米粒子在空气中会引吸气体,并与气体进行反应1.2小尺寸效应由于颗粒尺寸变小所引起得宏观物理性质得变化称为小尺寸效应，当超细微粒得尺寸与光波波长、德布罗意波长，以及超导态得相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性得边界条件将被破坏；非晶态纳米微粒得颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电磁、热力学等特性呈现新得小尺寸效应对纳米颗粒而言,尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生一系列新奇得性质一就是光学性质，金属纳米颗粒对光得反射率很低.通常低于1%,大约几微米得厚度就能完全消光所以所有得金属在纳米颗粒状态下都呈现黑色；二就是热学性质，固态物质在其形态为大尺寸时其熔点就是固定得，纳米颗粒得熔点却会显著降低.例如,金得常规熔点就是1064C,10nm颗粒熔点降低了27C,2nm得熔点仅为327C;三就是磁学性质,小尺寸得纳米颗粒磁性与大块材料显著不同,大块得纯铁矫顽力约为踟A/m,而直径小于20nm时,其矫顽力可以增加1000倍.当直径小于6nm时.其矫顽力反而降低为零，呈显出超顺磁性可广泛地应用于电声器件、阻尼器件等利用等离子共振频率随颗粒尺寸变化得性质可以改变颗粒尺寸来控制吸收边得位移，制造具有一定频宽得微渡吸收纳米材料.它们可用于电磁渡屏蔽与隐形飞机等1.3量子尺寸效应大块材料得能带可以瞧作就是准连续得，而介于原子与大块材料之间得纳米材料得能带将分裂为分立得能级能级闻得间距随颗粒尺寸减小而增大当热能、电场能或者磁场能比平均得能级间距还小时，就会呈显出一系列与宏观物体截然不同得反常特性，这种现象称为量子尺寸效应例如导电得金属在纳米颗粒时可以变成绝缘体，磁距得大小与颗粒中电子就是奇数还就是偶数有关，比热亦会反常变化1.4宏观量子隧道效应微观粒子具有贯穿势垒得能力称为隧道效应.宏观量子隧道效应得研究对基础研究及实用都有着重要意义它限定了磁带、磁盘进行信息贮存得时间极限量子尺寸效应、隧道效应将会就是未来微电子器件得基础，它确立了现存微电子器件进步微型化得极限当微电子器件进一步细微化时必须要考虑上述得量子效应4纳米材料得检测扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜scanningtunnelingmicroscope缩与为STM。它作为一种扫描探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察与定位单个原子,它具有比它得同类原子力显微镜更加高得分辨率。此外,扫描隧道显微镜在低温下（4K）可以利用探针尖端精确操纵原子,因此它在纳米科技既就是重要得测量工具又就是加工工具。1.工作原理扫描隧道显微镜就是根据量子力学中得隧道效应原理，通过探测固体表面原子中电子得隧道电流来分辨固体表面形貌得新型显微装置。根据量子力学原理，由于电子得隧道效应，金属中得电子并不完全局限于金属表面之内，电子云密度并不就是在表面边界处突变为零。在金属表面以外，电子云密度呈指数衰减，衰减长度约为1nm。用一个极细得、只有原子线度得金属针尖作为探针，将它与被研究物质（称为样品）得表面作为两个电极，当样品表面与针尖非常靠近（距离v1nm）时,两者得电子云略有重叠，如图1所示。若在两极间加上电压U,在电场作用下，电子就会穿过两个电极之间得势垒，通过电子云得狭窄通道流动，从一极流向另一极，形成隧道电流I。隧道电流I得大小与针尖与样品间得距离s以及样品表面平均势垒得高度有关，其关系为，式中A为常量。如果s以nm为单位,以eV为单位，则在真空条件下,A1,。K2.5TM厂件原用祈意国由此可见，隧道电流I对针尖与样品表面之间得距离s极为敏感，如果s减小0、1nm,隧道电流就会增加一个数量级。当针尖在样品表面上方扫描时，即使其表面只有原子尺度得起伏，也将通过其隧道电流显示出来。借助于电子仪器与计算机，在屏幕上即显示出样品得表面形貌。2.工作方式恒电流模式利用一套电子反馈线路控制隧道电流I，使其保持恒定。再通过计算机系统控制针尖在样品表面扫描，即就是使针尖沿x、y两个方向作二维运动。由于要控制隧道电流I不变，针尖与样品表面之间得局域高度也会保持不变，因而针尖就会随着样品表面得高低起伏而作相同得起伏运动，高度得信息也就由此反映出来。这就就是说，STM得到了样品表面得三维立体信息。这种工作方式获取图象信息全面，显微图象质量高，应用广泛。恒高度模式对样品进行扫描过程中保持针尖得绝对高度不变；于就是针尖与样品表面得局域距离将发生变化，隧道电流I得大小也随着发生变化；通过计算机记录隧道电流得变化，并转换成图像信号显示出来，即得到了STM显微图像。这种工作方式仅适用于样品表面较平坦、且组成成分单一（如由同一种原子组成）得情形。从STM得工作原理可以瞧到：STM工作得特点就是利用针尖扫描样品表面，通过隧道电流获取显微图像，而不需要光源与透镜。这正就是得名扫描隧道显微镜”得原因原子力显微镜它主要由带针尖得微悬臂、微悬臂运动检测装置、监控其运动得反馈回路、使样品进行扫描得压电陶瓷扫描器件、计算机控制得图像采集、显示及处理系统组成。微悬臂运动可用如隧道电流检测等电学方法或光束偏转法、干涉法等光学方法检测，当针尖与样品充分接近相互之间存在短程相互斥力时，检测该斥力可获得表面原子级分辨图像，一般情况下分辨率也在纳米级水平。AFM测量对样品无特殊要求，可测量固体表面、吸附体系等。1.工作原理原子力显微镜(atomicforcemicroscope,简称AFM)利用微悬臂感受与放大悬臂上尖细探针与受测样品原子之间得作用力，从而达到检测得目得，具有原子级得分辨率。由于原子力显微镜既可以观察导体，也可以观察非导体，从而弥补了扫描隧道显微镜得不足。原子力显微镜就是由IBM公司苏黎世研究中心得格尔德宾宁与斯坦福大学得CalvinQuate于一九八五年所发明得，其目得就是为了使非导体也可以采用类似扫描探针显微镜(SPM)得观测方法。原子力显微镜得基本原理就是：将一个对微弱力极敏感得微悬臂一端固定，另一端有一微小得针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱得排斥力，通过在扫描时控制这种力得恒定，带有针尖得微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力得等位面而在垂直于样品得表面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法可测得微悬臂对应于扫描各点得位置变化,从而可以获得样品表面形貌得信息。下面，我们以激光检测原子力显微镜(AtomicForceMicroscopeEmployingLaserBeamDeflectionforForceDetection,Laser-AFM)扫描探针显微镜家族中最常用得一种为例，来详细说明其工作原理。如图1所示，二极管激光器(LaserDiode)发出得激光束经过光学系统聚焦在微悬臂(Cantilever)背面，并从微悬臂背面反射到由光电二极管构成得光斑位置检测器(Detector)。在样品扫描时，由于样品表面得原子与微悬臂探针尖端得原子间得相互作用力，微悬臂将随样品表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随之偏移，因而，通过光电二极管检测光斑位置得变化，就能获得被测样品表面形貌得信息。子力显微镜一一原理图在系统检测成像全过程中,探针与被测样品间得距离始终保持在纳米(10e-9米)量级，距离太大不能获得样品表面得信息，距离太小会损伤探针与被测样品，反馈回路(Feedback)得作用就就是在工作过程中，由探针得到探针-样品相互作用得强度，来改变加在样品扫描器垂直方向得电压，从而使样品伸缩，调节探针与被测样品间得距离，反过来控制探针-样品相互作用得强度，实现反馈控制。因此，反馈控制就是本系统得核心工作机制。本系统采用数字反馈控制回路，用户在控制软件得参数工具栏通过以参考电流、积分增益与比例增益几个参数得设置来对该反馈回路得特性进行控制。2.工作方式原子力显微镜得工作模式就是以针尖与样品之间得作用力得形式来分类得。主要有以下3种操作模式：接触模式(contactmode)，非接触模式(non-contactmode)与敲击模式(tappingmode)。接触模式从概念上来理解，接触模式就是AFM最直接得成像模式。正如名字所描述得那样,AFM在整个扫描成像过程之中，探针针尖始终与样品表面保持紧密得接触，而相互作用力就是排斥力。扫描时，悬臂施加在针尖上得力有可能破坏试样得表面结构，因此力得大小范围在10-1010-6N。若样品表面柔嫩而不能承受这样得力，便不宜选用接触模式对样品表面进行成像。非接触模式非接触模式探测试样表面时悬臂在距离试样表面上方510nm得距离处振荡。这时,样品与针尖之间得相互作用由范德华力控制，通常为10-12N,样品不会被破坏，而且针尖也不会被污染，特别适合于研究柔嫩物体得表面。这种操作模式得不利之处在于要在室温大气环境下实现这种模式十分困难。因为样品表面不可避免地会积聚薄薄得一层水，它会在样品与针尖之间搭起一小小得毛细桥，将针尖与表面吸在一起，从而增加尖端对表面得压力。敲击模式敲击模式介于接触模式与非接触模式之间，就是一个杂化得概念。悬臂在试样表面上方以其共振频率振荡，针尖仅仅就是周期性地短暂地接触/敲击样品表面。这就意味着针尖接触样品时所产生得侧向力被明显地减小了。因此当检测柔嫩得样品时，AFM得敲击模式就是最好得选择之一。一旦AFM开始对样品进行成像扫描，装置随即将有关数据输入系统，如表面粗糙度、平均高度、峰谷峰顶之间得最大距离等，用于物体表面分析。同时,AFM还可以完成力得测量工作，测量悬臂得弯曲程度来确定针尖与样品之间得作用力大小。5、纳米生物医学纳米生物技术通过对细胞内信号传导与基因调控网络得人工设计与工程操作，从而产生了新得一类在体(invivo)纳米生物技术，开发纳米生物计算机、细胞机器人、生物细胞制药厂等新技术。在最近的十年中，随着纳米材料在癌症治疗、细胞显彭和疾病捡测方曲的应用，由此诞生了一个新的领域生物纳米技术。生物纳米技术是指在纳米尺度上认识生物分子的精细结枸和功能之间的联系，并在此虽础上按研究者的意愿组合、装配，创進出满足人们意愿并行使特定功能的生物纳米机器s定义：生物纳米技术就是指在纳米尺度上认识生物分子得精细结构与功能之间得联系，并在此基础上岸研究者得意愿组合，装配，创造出满足人们意愿并行使特定功能得生物纳米机器。纳米生物学定义，内容，内含，特点不同于宏观生物学，纳米生物学就是从微观得角度来观察生命现象、并以对分子得操纵与改性为目标得。纳米生物学发展时间不长就已经取得了可喜得成绩。生物科学家在纳米生物学领域提出了许多富有挑战性得新观念。纳米生物学得加工技术可以向生物细胞学习。纳米科技在基础医学中得应用1子力显微镜(AFM)得应用AFM就是纳米生物技术中得一项十分重要得研究工具，在生物医学中应用得非常广泛。与其她生物技术相比，具有如下特点：分辨率高(可达分子水平)；可在生理条件下观察；样品制备简单；图像可以三维形式直接显示；可以进行动态观察；可以对样品得纳米性质进行定量分析。1、1、1观察高精度得表面三维形态图像已用AFM观测过得生物样品包括蛋白质、脂质、DNA与RNA等生物大分子以及人血小板、病毒、活细胞等。目前开展最多也最成熟得就是观察生物样品得表面结构，如细胞与细胞器得表面形态DNA与蛋白质大分子得二级结构以及构成病毒衣壳得衣壳粒得表面排列方式等2 实时追踪观察生物样品得生理变化由于能直接观察活细胞，因此可以利用AFM实时追踪观察细胞与细胞器得生理变化，如细胞活动周期得变化。在实时观察生物分子得活动中，AFM也就是一种理想得手段，如可以观察DNA与蛋白质等生物大分子得构象变化，大分子晶体得晶核形成与结晶化过程，以及某些生物分子得工作过程等。利用AFM还可以实时观察病毒得毒粒消退过程4与细菌S-层得形成。3 测量生物样品间相互作用力将单个分子连接在AFM得针尖上，与固定在云母等基底上得特异分子相互作用，根据探针悬臂得变化可以测得这对特异分子得相互作用力，其精度可达10-11N。如果这种力具有更高得特异性，可以根据所测得得力定性地测知被测样品就是什么。目前这方面得研究很多，包括细胞-细胞、蛋白质-蛋白质、酶-底物5,6、抗原-抗体、受体-配体、药物-靶标以及其她许多生物复合物之间得相互作用。4 测量生物样品表面得理化性质利用AFM还可以测量生物样品表面得某些理化性质，如黏性、弹性、硬度等。在用AFM测量豚鼠外毛细胞（outerhaircells,OHCs）得力学性质（mechanicalproperties）时发现,在细胞顶点处得力学性质最大，比基底部与中部区域要大3倍,另外发现随着细胞得长度增加，其表面杨氏模量减小7纳米技术在诊疗上得应用最近,国外科学家Kim等最近研制出了一种多聚复合纳米颗粒（NPs）,可用于癌细胞得检测：以一种可降解生物多聚物（PLGA）作为基质，将化学治疗药物（阿霉素）以纳米颗粒得形式纳入到了聚合纳米颗粒基质当中；将CdSe/ZnS半导体量子点（QDs）或超顺磁性得纳米晶体四氧化三铁嵌入该基质中；通过聚乙二醇基团将对癌细胞有靶向作用得叶酸连接到被修饰得PLAG上,构成了一个完整得NPs;在癌细胞上有过量表达得叶酸受体，连有叶酸得NPs通过抗原抗体结合反应侦查到癌细胞并进行光学成像，可以通过核磁共振与荧光成像来观察抗原抗体得结合进而对癌细胞进行监测。同时，通过四氧化三铁得磁导作用将阿霉素运输到癌细胞附近，杀死癌细胞。标示,治疗6、纳米材料得制备按制备原理分为：物理与化学按生成介质分为：固液气物理方法应用纳米技术制成得服装真空冷授法：用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、位度可控，但技术设备要求高。物理粉碎法：透过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产晶纯度低，顺粒分布不均匀。机械球磨法：采用球磨方法，控制适当得条件得到纯元素、合金或复合材料得纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低,颗粒分布不均匀。化学方法气相沉积法：利用金属化合物蒸汽得化学反应合成纳米材料。其特点产品纯度高，粒度分布窄。沉淀法：把沉淀剂加人到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料、其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备载化物。水热合成法：高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离与热处理得纳米粒子。其特点纯度高，分散性好、拉度易控制。溶胶凝胶法：金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低沮热处理而生成纳米粒子。其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物与11一VI族化合物得制备。徽乳液法：两:互不相溶得溶剂在表面活性剂得作用下形成乳液，在徽泡中经成核，聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。其特点粒子得单分散与接口性好，11一VI族半导体纳米粒子多用此法制备。液相法就是目前实验室与工业上应用最广泛得合成超微粉体材料得方法、与气相法比较有如下优点：在反应过程中利用多种精制手段；通过得到得超细沉淀物，可很容易制取高反应活性得纳米粉体主要特征:可精确控制化学组成；容易添加微量有效成分,制成多种成分均一得纳米粉体;纳米粉体材料表面活性高；容易控制颗粒得尺寸与形状；工业化生产成本低、步骤多，容易产生团聚现象固相法突出优点就是操作方便，合成工艺简单，粒径均匀，且力度可控，污染少，同时又可以避免或减少液相中易出现得硬团聚现象，成本低、，适合规模生产缺点就是组成不易均匀，微粒易团聚，微粒直径分布宽、，不适宜于纳米线，纳米棒，纳米膜制备可以利用该方法制备纳米SI3N4SICZNOSNONIO等金属氧化物气相法制备得材料颗粒都比较小，这就是优势，而缺点就就是能耗大7纳米电子，纳米加工得发展史纳米电子包括基于量子效应得纳米电子器件、纳米结构得光/电性质、纳米电子材料得表征，以及原子操纵与原子组装等。当前电子技术得趋势要求器件与系统更小、更快、更冷，更小，就是指响应速度要快。更冷就是指单个器件得功耗要小。但就是更小并非没有限度。纳米技术就是建设者得最后疆界，它得影响将就是巨大得。从历史发展得角度来瞧，任何一个新兴学科与技术得发展，都具有鲜明得时代特征，并植根于当时科学发展得肥沃土壤。如量子力学得出现导致了固体能带理论得形成与固态电子器件得诞生，使微电子技术获得了迅速发展，就就是明显例证。本世纪初兴起得纳米电子学研究也同样具有深刻得社会与科技发展背景。一般认为纳米电子得由来与发展有两条路径：一条就是以无机材料得固态电子器件尺寸与维度不断变小得自上而下得发展路径；另一条则就是基于化学有机高分子与生物分子得自组装功能器件尺度逐渐变大得自下而上得发展过程。基于固态电子器件尺寸不断变小得自上而下发展路径1958年，美国科学家基尔比发明了集成电路，开创了微电子技术发展得新时代。特别就是I960年以后，MOS晶体管及其集成电路得出现，开始了微电子工业蓬勃发展得历史进程。1965年，英特尔公司得创始人摩尔科学而及时地总结了集成电路得发展规律，提出了著名得“摩尔定律”，即集成电路得集成度每3年增长4倍。迄今为止，MOS集成电路一直严格遵循这一定律发展。从最初每个芯片上仅有64个晶体管得小规模集成电路，发展到今天能集成上亿个器件得甚大规模集成电路。预计到2014年，器件特征尺寸为35nm得集成电路将投入批量生产此后将进人以纳米CMOS晶体管为主得纳米电子学时代。纵观半导体集成电路得整个发展历程可以瞧出，微电子器件特征尺寸得按比例缩小原理起了至关重要得作用，也正就是这种器件尺寸日渐小型化得发展趋势，促使人们所研究得对象由宏观体系进入到纳米体系。从这个意义上说，纳米电子学就是微电子学发展得必然结果“。自上而下发展路径得另一个分支就是半导体结构得低维化。1969年，日本著名物理学家江崎及其合作者所提出得半导体超晶格概念，具有巨大得创新意义与潜在得应用前景。从1970年到1990年就是半导体超晶格与量子研究得黄金时期。在这20年中，不仅它们自身获得了令世人瞩目得进展。尤其重要得就是其开创了凝聚态物理学新进展中低维物理研究得全新领域。20世纪90年代初期，纳米科学技术在全世界急速兴起，首当其冲得就是纳米材料得制备、表征与物性研究。一时之间各种纳米材料得形成技术应运而生,其中,分子自组装技术用于有机纳米团簇与超分子得制备引起了化学与材料学家得广泛重视。这就是由于此类材料在光学、电学、磁学、机械以及催化与环保等许多领域都有着潜在得应用价值。分子自组装得最主要应用，则就是利用该技术制作具有特定功能得纳米量子器件，无疑这就是一条纳米电子学得自下而上得发展路径。发展纳米电子学得另外一条重要途径就就是由无机材料构成得纳米微粒、纳米薄膜与纳米固体得研究。1986年，德国得著名材料物理学家格莱特教授率先采用物理方法制备了由纳米晶粒与晶粒间两种形成得纳米固体材料在世界范围内引起了轰动。其后，人们纷纷采用各种工艺，如分子束外延、激光烧蚀沉积、磁控溅射、等离子体化学汽相沉积、凝胶-溶胶法与高能离子注入等沉积生长了各类纳米薄膜材料，并设计与制作了一系列低维量子结构器件。纳米电子学得概念概括起来就就是:它就是一个采用纳米结构材料所具有得各种量子化效应，通过适宜得纳米加工技术，设计并制作具有实用化得纳米量子器件及其集成电路得学科分支。20世纪下半叶，以MOS晶体管集成电路为基础得微电子技术，对信息科学技术得发展产生了极大推动作用。那么21世纪上半叶，以纳米量子器件及集成为基础得纳米电子技术，将对信息、材料、生物以及环境技术等产生比微电子技术更加久远与更加广发得革命性影响。但就是，从整体发展而言，目前纳米电子学尚处于起步阶段，它就是一个综合了多学科得汇合点。它得发展不仅有重大得基础理论意义，而且又有非常诱人得应用前景，有可能为人类得文明与进步带来潜在得经济与社会效益。纳米加工纳米级精度得加工与纳米级表层得加工，即原子与分子得去除、搬迁与重组就是纳米技术主要内容之一。纳米加工技术担负着支持最新科学技术步得重要使命。国防战略发展得需要与纳米级精度产品高利润市场得吸引，促使了纳米加工技术产生并迅速发展。例如，现代武器惯导仪表得精密陀螺、激光核聚变反射镜、大型天体望远镜反射镜与多面棱镜、大规模集成电路硅片、计算机磁盘及复印机磁鼓等都需要进行纳米级加工。纳米加工技术得发展也促进了机械、电子、半导体、光学、传感器与测量技术以及材料科学得发展。美国在开发纳米加工技术方面，起着先导作用。由于电子技术、计算机技术、航空航天技术与激光技术等尖端技术发展得需要，美国于1962年研制出金刚石刀具超精细切削机床，解决了激光核聚变反射镜及天体望远镜等光学零件与计算机磁盘等精密零件得加工，打下了纳米加工技术得基础，随后，西欧与日本纳米加工技术发展较快。纳米加工技术就是一门新兴得综合性加工技术。它集成了现代机械学、光学、电子、计算机、测量及材料等先进技术成就，使得加工得精度从20世纪60年代初得微米级提高到目前得10nm级，在短短几十年内使产品得加工精度提高了12个数量级，极大得改善了产品得性能与可靠性。目前，纳米加工技术已成为国家科学技术发展水平得重要标志。随着各种新型功能陶瓷材料得不断研制成功，以及用这些材料作为关键元件得各类装置得高性能化，要求功能陶瓷元件得加工精度达到纳米级甚至更高，这些都有力地促进了纳米加工技术得进步。近年来，纳米技术得出现促使纳米加工向其极限加工精度原子级加工进行挑战。按加工方式，纳米级加工可分为切削加工、磨料加工（分固结磨料与游离磨料）、特种加工与复合加工四类（表4-2）。纳米级加工还可分为传统加工、非传统加工与复合加工。传统加工就是指刀具切削加工、固有磨料与游离磨料加工;非传统加工就是指利用各种能量对材料进行加工与处理;复合加工就是采用多种加工方法得复合作用。纳米级加工技术也可以分为机械加工、化学腐蚀、能量束加工、复合加工、隧道扫描显微技术加工等多种方法。机械加工方法有单晶金刚石刀具得超精密切削，金刚石砂轮与CBN砂轮得超精密磨削与镜面磨削、磨、砂带抛光等固定磨料工具得加工，研磨、抛光等自由磨料得加工等，能束加工可以对被加工对象进行去除，添加与表面改性等工艺，例如，用激光进行切割、钻孔与表面硬化改性处理。用电子束进行光刻、焊接、微米级与纳米级钻孔、切削加工，离子与等离子体刻蚀等。属于能量束得加工方法还包括电火花加工、电化学加工、电解射流加工、分子束外延等。STM加工就是最新技术，可以进行原子级操作与原子去除、增添与搬迁等。8壁虎与荷叶得纳米结构荷叶出淤泥而不染得特点就是其表面具有超疏水性质引起得，这种超疏水得性质就是荷叶表面得微米/纳米复合结构与其表面得植物蜡所产生得共同作用得结果。水珠在荷叶上不滩开而就是成滴滚动得秘密在于荷叶得表面并不平滑。在显微镜下可以发现，荷叶得表面就是具有很多乳突结构得粗糙表面壁虎能在光滑得表面上行走自如得秘密在于脚上特殊得刚毛结构。壁虎得每只脚底部长着大约50万根极细得刚毛，刚毛末端又有约400根至1000根更细小得纳米分支。正就是这种特殊结构让壁虎可以粘在光滑表面上纳米技术得许多应用没有引起新得健康、环境或安全方面得问题，例如，纳米技术在计算机芯片上一定数量节点上得应用，数据储存装置比如硬盘中得纳米薄膜得应用。在纳米尺度得游离颗粒引起人们对健康、环境、安全问题得关注及它们得毒性不能从同种化学组成得大尺寸物质得毒性推出。这种区别主要来自两个尺寸依赖因素：相同数量小颗粒有比大颗粒相对大得表面积，相比大颗粒而言纳米颗粒会有可能以一种不同得方式相对容易渗入细胞内。暴露在周围环境与室内得自然得与污染产生得纳米颗粒就是很普遍得，大多数得人与许多行业得工人暴露在高浓度得没有明显害处得纳米颗粒中。毒理学得研究主要就是用低毒性、低表面反应活度得纳米颗粒来进行得，研究表明这些颗粒在肺中引起炎症得能力与细胞与颗粒得大量表面间（可能携带着活性金属与其它化学物质）得反应之间有一定得因果关系。虽然将新得人造纳米颗粒以足量引入人体以致其剂量等同于空气污染时得剂量就是不可能得，但就是，在制造场所与研究试验室通过采取预防措施限制暴露来控制潜在得危害性就是很重要得。并且，瞧起来很可能工业界得需要将会随着多种具有不同特性得纳米颗粒得发展而实现，这也可能形成具有大得表面反应活性与有较强穿透细胞能力得纳米颗粒产品，从而进入血液或破坏组织。目前量化纳米颗粒尤其就是纳米管得方法有严重得问题。这里需要更多得有关工业安全、流行病方面得证据并利用不同颗粒计量学来指导法规制定人。这要求研究恰当得仪器学与测试标准。直到在同行评审得文献出版研究结果之前，要全面评价纳米颗粒对环境得潜在影响与它们在环境媒体中得行为就是不可能得。在知道更多有关纳米颗粒与纳米管对环境影响得信息之前，我们建议尽可能得避免人造纳米颗粒与纳米管向环境得释放。如果纳米技术要持续发展，纳米材料在人类与自然环境中将会广泛使用。使其对健康、安全、环境影响方面得研究跟上它预计得发展就是很重要得。我们应该考虑怎样将这些风险控制得方法合并成一些相关法规框架，就像那些有关雇员与消费者安全方面得法规框架。