纳米科学技术新课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,纳米科学技术新,纳米科学技术新,1,1,2,3,4,5,6,7,返回,退出,纳米科学技术,一、前 言,纳米科学技术,（Nano Science and Technology,),在这里，纳米不仅仅意味着空间尺度小，而且提供了一种,新的思考方式,，既生产过程要求越来越精细，以致于能够直接操纵单个原子和分子以制造具有特定功能的产品。,1234567返回退出纳米科学技术一、前 言,2,1,2,3,4,5,6,7,返回,退出,纳米科学技术,一、前 言,0.1-100 nm,空间尺度小 量子效应,纳米科学技术 量子力学原理,1234567返回退出纳米科学技术一、前 言0.1-1,3,1,2,3,4,5,6,7,返回,退出,纳米科学技术,一、前 言,“一旦到纳米技术范围，量子力学 效应就出现了。也就是说，我们要研究开发的这个领域，量子力学就变成了一个必要的工具，不能总是把量子力学局限在理论研究中，要把这个理论应用到实际的开发工作中，即技术工作中去。要运用量子力学来设计、研究这方面的工作。”,钱学森,1234567返回退出纳米科学技术一、前 言,4,1,2,3,4,5,6,7,返回,退出,纳米科学技术,一、前 言,1981年，第一台扫描隧道显微镜（STM）诞生。,获诺贝尔奖。,1234567返回退出纳米科学技术一、前 言1981年，第,5,1,2,3,4,5,6,7,返回,退出,纳米科学技术,二、纳米材料,20世纪80年代，科学家惊奇地发现，介于宏观与微观之间的纳米体系中，材料的许多性质都完全变了模样：,金属银失去了典型的金属特征；,纳米二氧化硅电阻下降了几个数量级；,常态下电阻较小的金属到了纳米级电阻会增大；,纳米级金属的电阻温度系数下降甚至出现负数；,原是绝缘体的氧化物到了纳米级，电阻却反而下降；,10-25nm的铁磁金属微粒矫顽力比相同的宏观材料大1000倍；,颗粒尺寸小于10nm，矫顽力变为零，表现为超顺磁性。,1234567返回退出纳米科学技术二、纳米材料 20,6,1,2,3,4,5,6,7,返回,退出,纳米科学技术,二、纳米材料,1.纳米微粒的特殊物理性质,小尺寸效应,表面与界面效应,量子尺寸效应,1234567返回退出纳米科学技术二、纳米材料1.纳米微,7,1,2,3,4,5,6,7,返回,退出,纳米科学技术,二、纳米材料,纳米微粒的特殊物理性质,表面与界面效应,物质粒径的减小,比表面积大大增加,键态严重失配,出现许多活性中心,粒径5nm的颗粒，表面占50，粒径2nm时，表面的体积百分数增加到80。,极强的吸附能力,极强的抓俘能力,防腐,抗菌,催化剂,1234567返回退出纳米科学技术二、纳米材料纳米微粒的特殊,8,1,2,3,4,5,6,7,返回,退出,纳米科学技术,二、纳米材料,能级间距,=4,E,F,/3,N,宏观固定的准连续能带消失了，而表现为分裂的能级，使纳米体系的光、热、电、磁等物理性质与常规材料不同，出现许多新奇特性。,纳米材料尺寸小,电子被局限在一个体积十分微小的纳米空间,电子平均自由程短,电子的局域性和相干性增强,纳米体系包含的原子数大大降低,纳米微粒的特殊物理性质,量子尺寸效应,1234567返回退出纳米科学技术二、纳米材料能级间距,9,1,2,3,4,5,6,7,返回,退出,纳米科学技术,二、纳米材料,2.一种新型的纳米材料碳纳米管,碳的三种形态：C,60,、金刚石、石墨,1234567返回退出纳米科学技术二、纳米材料2.一种新型的,10,1,2,3,4,5,6,7,返回,退出,纳米科学技术,二、纳米材料,2.一种新型的纳米材料碳纳米管,1234567返回退出纳米科学技术二、纳米材料2.一种新型的,11,1,2,3,4,5,6,7,返回,退出,纳米科学技术,二、纳米材料,碳纳米管的吸附性质：,“袖中乾坤”,巴基管吸附HF分子,1234567返回退出纳米科学技术二、纳米材料碳纳米管的吸附,12,1,2,3,4,5,6,7,返回,退出,纳米科学技术,二、纳米材料,3.纳米材料的应用,（1）在微电子器件方面的应用。,纳米材料制作单电子隧穿二极管,纳米硅基超晶格。,（2）在磁记录方面的应用。,（3）在传感器上的应用。,纳米陶瓷材料(LiN,6,O,3,LiTiO,3,),制成红外检测传感器。,1234567返回退出纳米科学技术二、纳米材料3.纳米材,13,1,2,3,4,5,6,7,返回,退出,纳米科学技术,其他领域中的应用,3.,纳米机械学,纳米级加工、装配甚至,可移动单个原子的工程技术。,1234567返回退出纳米科学技术其他领域中的应用3.纳,14,1,2,3,4,5,6,7,返回,退出,纳米科学技术,其他领域中的应用,1.纳米电子学,纳米尺度的分子电子器件,超高密度记录,原子开关原理,1234567返回退出纳米科学技术其他领域中的应用1.纳米,15,1,2,3,4,5,6,7,返回,退出,2.,纳米生物学,在纳米尺度上研究生命问题,了解生物大分子的精细结构及其,与功能的关系。,获取分析细胞的生命信息。,研制纳米,“,机器人,”,。,纳米科学技术,其他领域中的应用,1234567返回退出2.纳米生物学 了解生物大分子,16,1,2,3,4,5,6,7,返回,退出,纳米科学技术,三、STM的工作原理,金属中的电子必须克服功函数才能逸出金属表面,费米能级,功函数,E,F1,经典理论,1234567返回退出纳米科学技术三、STM的工作原理金属中,17,1,2,3,4,5,6,7,返回,退出,纳米科学技术,三、STM的工作原理,经典理论：势垒的存在阻碍了电子在两个导体间的运动,金属A,金属B,绝缘层,或真空,S,E,F1,E,F2,1234567返回退出纳米科学技术三、STM的工作原理 经典,18,1,2,3,4,5,6,7,返回,退出,纳米科学技术,三、STM的工作原理,微观粒子在空间的运动呈一定的几率分布,量子理论,1234567返回退出纳米科学技术三、STM的工作原理微观粒,19,1,2,3,4,5,6,7,返回,退出,纳米科学技术,三、STM的工作原理,量子理论,绝缘层,或真空,入射波,反射波,透射波,金属A,金属B,S,势垒厚度小到纳米量级时，电子将有可能,穿过,势垒，形成电流。,1234567返回退出纳米科学技术三、STM的工作原理量子理,20,1,2,3,4,5,6,7,返回,退出,纳米科学技术,三、STM的工作原理,把探针尖与被测样品表面做成电极。当样品表面与针尖的距离非常接近时(一般1 nm)，通过针尖与样品表面施加一定的电压形成外电场。在外电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的绝缘层(一般为空气或液体)流向另一个电极，产生隧道电流。,金属A做成探针状 金属B为被研究物质的表面,1234567返回退出纳米科学技术三、STM的工作原理,21,1,2,3,4,5,6,7,返回,退出,纳米科学技术,三、STM的工作原理,注意：,隧道电流的强度对针尖与样品表面的距离十分敏感，呈指数衰减。,1234567返回退出纳米科学技术三、STM的工作原理注意：,22,1,2,3,4,5,6,7,返回,退出,纳米科学技术,三、STM的工作原理,针尖在样品表面作二维扫描，若能控制隧道电流不变，则针尖与样品表面的局域高度也会保持不变。针尖将随着样品表面的起伏而作同样的高低起伏的运动，于是第三维高度的信息就可反映出来。,1234567返回退出纳米科学技术三、STM的工作原理针尖在,23,1,2,3,4,5,6,7,返回,退出,纳米科学技术,三、STM的工作原理,结论：,STM是根据电子穿过表面势垒的隧道效应制成的。它利用针尖扫描样品表面，通过隧道电流获得样品表面的图像。,样品,电子线路,显示器,显示器,探针,1234567返回退出纳米科学技术三、STM的工作原理结论：,24,1,2,3,4,5,6,7,返回,退出,纳米科学技术,四、STM的仪器设备,STM仪器设备全景图,计算机控制系统,STM 主体设备,电子反馈系统,高分辨率显示终端,1234567返回退出纳米科学技术四、STM的仪器设备STM,25,1,2,3,4,5,6,7,返回,退出,纳米科学技术,四、STM的仪器设备,STM主体,S T M 的核心部件,探头,装在主体箱,1234567返回退出纳米科学技术四、STM的仪器设备STM,26,1,2,3,4,5,6,7,返回,退出,纳米科学技术,四、STM的仪器设备,电子反馈系统:,产生隧道电流,控制隧道电流的恒定,高分辨率显示终端：,显示所获取的显微图像,计算机控制系统：,发出指令，控制系统运转，收集、存储所获得的图像，对原始图像进行处理（如平滑、背景扣除、区域缩小或放大、剖面线等）,1234567返回退出纳米科学技术四、STM的仪器设备电子反,27,1,2,3,4,5,6,7,返回,退出,纳米科学技术,四、STM的仪器设备,恒流工作模式,STM,的工作方式,恒高工作模式,1234567返回退出纳米科学技术四、STM的仪器设备恒流工,28,1,2,3,4,5,6,7,返回,退出,纳米科学技术,四、STM的仪器设备,主要技术问题,要想达到原子级的分辨率，探针尖端最好只有一个原子。,探针制作,1234567返回退出纳米科学技术四、STM的仪器设备主要技,29,1,2,3,4,5,6,7,返回,退出,纳米科学技术,四、STM的仪器设备,主要技术问题,探针,样品表面,1nm,探针不与样品表面接触,1234567返回退出纳米科学技术四、STM的仪器设备主要技,30,1,2,3,4,5,6,7,返回,退出,纳米科学技术,四、STM的仪器设备,主要技术问题,如何实现针尖在样品表面扫描？,压电陶瓷：在外加电压作用下，在某一方向伸长或缩短，且伸长或缩短的尺度与外加电压成比例。,1234567返回退出纳米科学技术四、STM的仪器设备主要技,31,1,2,3,4,5,6,7,返回,退出,纳米科学技术,四、STM的仪器设备,STM 的独特优点,分辨率高,：横向0.1nm,纵向0.01nm。,同时获得原子和电子,结构的丰富信息。,工作条件范围大,（空气、,常温、液体,）,1234567返回退出纳米科学技术四、STM的仪器设备 ST,32,1,2,3,4,5,6,7,返回,退出,纳米科学技术,五、STM的应用,1、观察和研究固体表面的微观结构,1234567返回退出纳米科学技术五、STM的应用1、观,33,1,2,3,4,5,6,7,返回,退出,纳米科学技术,五、STM的应用,2、观察DNA分子揭示生命的奥秘,世界上第一张DNA图像,小白鼠DNA,1234567返回退出纳米科学技术五、STM的应用2、观察D,34,5、进行纳米级微加工表面刻蚀,常温、液体）,2、观察DNA分子揭示生命的奥秘,纳米材料效应：小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应。,如何实现针尖在样品表面扫描？,能级间距 =4EF/3N,了解生物大分子的精细结构及其,纳米陶瓷材料(LiN6O3,LiTiO3),空间尺度小 量子效应,在外电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的绝缘层(一般为空气或液体)流向另一个电极，产生隧道电流。,（1）在微电子器件方面的应用。,（Nano Science and Technology),48个Fe原子在Cu表面围成围栏,将产生出什么样的奇迹！,在这里，纳米不仅仅意味着空间尺度小，而且提供了一种新的思考方式，既生产过程要求越来越精细，以致于能够直接操纵单个原子和分子以制造具有特定功能的产品。,1,2,3,4,5,6,7,返回,退出,纳米科学技术,五、STM的应用,DNA合成瞬间,平行双链DNA,2