納米技術答案（期末）

1、第一講 納米材料及納米結構1、納米技術的定義。能操作細小到0.1100nm物件的一類新發(fā)展的高技術（也稱毫微技術，是研究結構尺寸在0.1至100納米范圍內材料的性質和應用）。2、舉例4種自然界中的納米材料和結構，并說明其利用納米技術方面。 蓮葉表面的超微結構（自潔作用），應用：制作自潔玻璃 壁虎腳趾上數(shù)以萬計的細小剛毛（吸附作用），應用：研制壁虎帶 水黽腿部上有數(shù)千根按同一方向排列的多層微米尺寸的剛毛（超疏水特性），應用：制作新型的防水制品 蜜蜂、海龜?shù)仍趦鹊脑S多生物體內都存在著納米尺寸的磁性顆粒，應用：制作新型的導航儀3、納米科技研究內容是 什 么？ 創(chuàng)造和制備優(yōu)異性能的納米材料，制備各種納

2、米器件和裝置，探測和分析納米區(qū)域的性質和現(xiàn)象4、納米科學與技術的概念與內涵；是研究在千萬分之一到十億分之一內，原子，分子和其他類型物質的運動和變化的科學；同時在這一尺度范圍內對原子，分子等進行操縱和加工的技術，又稱為納米技術5、納米科技的發(fā)展歷程。第一階段（1990年以前）主要是在實驗室探索用各種手段制備各種材料的納米顆粒粉體，合成塊體（包括薄膜），研究評估表征的方法；第二階段（1994年以前）人們關注的熱點是根據(jù)奇特物理，化學和力學性能，設計納米復合材料納米微粒和納米微粒復合（0-0復合）納米微粒和常規(guī)塊體復合（0-3復合）復合納米薄膜（0-2復合）第三階段（1994到現(xiàn)在）納米組裝研究基本

3、內涵是以納米顆粒以及納米絲，管為基本單元在一維二維三維空間組裝排列成具有納米結構的體系的研究第二講 納米材料及納米結構納米1 nm = 1 10-9 m（1）納米材料：指三維空間至少有一維尺寸處于納米量級的材料。（2）納米結構：指尺寸在100納米以下的結構。（3）納米結構材料：指利用納米技術以新原理和新結構在納米層次上構筑特定性質的材料或自然界不存在的材料（具有塊體材料的體外特征）。（4）納米材料的發(fā)展階段（5）納米材料的分類（空間維度）按維數(shù)分： (1)0維,指在空間3維尺度均在納米尺度,如納米尺度顆粒,原子團簇等; (2)1維,指在空間有兩維處于納米尺度,如納米絲、納米棒、納米管等; (3

4、)2維,指在3維空間中有1維在納米尺度,如超薄膜,多層膜,超晶格等。按化學組成分:納米金屬、納米晶體、納米陶瓷、納米玻璃、納米高分子和納米復合材料。按材料物性可分為：納米半導體、納米磁性材料、納米非線性光學材料、納米鐵電體、納米超導材料、納米熱電材料等。按應用分：納米電子材料、納米光電子材料、納米生物醫(yī)用材料、納米敏感材料、納米儲能材料等。（6）納米材料的基本效應：小尺寸效應；量子尺寸效應；表面效應；宏觀量子隧道效應（7）納米材料各類應用利用的是什么特性（8）納米安全性第三講 納米材料的制備及改性（1）納米材料制備方法分類（2）固相、液相和氣相制備法的特點固相制備法的特點：液相制備法的特點：（

5、優(yōu)點）：比較容易控制成核，容易控制顆粒的化學組成，形狀及大小，添加的微量成分和組成較均勻（缺點）：極易引入雜質，造成所得粉體純度不夠氣相制備法的特點：（3）法的具體介紹：機械法 機械法有機械球磨法、機械粉碎法以及超重力技術。機械球磨法無需從外部供給熱能，通過球磨讓物質材料之間發(fā)生界面反應，使大晶粒變?yōu)樾【Я＃玫郊{米材料。機械粉碎法是利用各種超微粉機械粉碎和電火花爆炸等方法將原料直接粉碎成超微粉，尤其適用于制備脆性材料的超微粉。超重力技術利用超重力旋轉床高速旋轉產(chǎn)生的相當于重力加速度上百倍的離心加速度，使相間傳質和微觀混合得到極大的加強，從而制備納米材料。氣相法 氣相法包括蒸發(fā)冷凝法、溶液蒸發(fā)

6、法、深度塑性變形法等。蒸發(fā)冷凝法是在真空或惰性氣體中通過電阻加熱、高頻感應、等離子體、激光、電子束、電弧感應等方法使原料氣化或形成等離子體并使其達到過飽和狀態(tài)，然后在氣體介質中冷凝形成高純度的納米材料。溶液蒸發(fā)法是將溶劑制成小滴后進行快速蒸發(fā)，使組分偏析最小，一般可通過噴霧干燥法、噴霧熱分解法或冷凍干燥法加以處理。深度塑性變形法是在準靜態(tài)壓力的作用下，材料極大程度地發(fā)生塑性變形，而使尺寸細化到納米量級。磁控濺射法與等離子體法 濺射技術是采用高能粒子撞擊靶材料表面的原子或分子，交換能量或動量，使得靶材料表面的原子或分子從靶材料表面飛出后沉積到基片上形成納米材料。等離子體法是利用在惰性氣氛或反應性

7、氣氛中通過直流放電使氣體電離產(chǎn)生高溫等離子體，從而使原料溶液化合蒸發(fā)，蒸汽達到周圍冷卻形成超微粒。等離子體溫度高，能制備難熔的金屬或化合物，產(chǎn)物純度高，在惰性氣氛中，等離子法幾乎可制備所有的金屬納米材料。 化學制備方法 1溶膠凝膠法 溶膠凝膠法的化學過程首先是將原料分散在溶劑中，然后經(jīng)過水解反應生成活性單體，活性單體進行聚合，開始成為溶膠，進而生成具有一定空間結構的凝膠。2離子液法 離子液作為一種特殊的有機溶劑，具有獨特的物理化學性質，如粘度較大、離子傳導性較高、熱穩(wěn)定性高、低毒、流動性好以及具有較寬的液態(tài)溫度范圍等。即使在較高的溫度下，離子液仍具有低揮發(fā)性，不易造成環(huán)境污染，是一類綠色溶劑。

8、因此，離子液是合成不同形貌納米結構的一種良好介質。3溶劑熱法 溶劑熱法是指在密閉反應器(如高壓釜)中，通過對各種溶劑組成相應的反應體系加熱，使反應體系形成一個高溫高壓的環(huán)境，從而進行實現(xiàn)納米材料的可控合成與制備的一種有效方法。 4微乳法 微乳液制備納米粒子是近年發(fā)展起來的新興的研究領域，具有制得的粒子粒徑小、粒徑接近于單分散體系等優(yōu)點。1943年Hoar等人首次報道了將水、油、表面活性劑、助表面活性劑混合，可自發(fā)地形成一種熱力學穩(wěn)定體系，體系中的分散相由80nm- 800nm的球形或圓柱形顆粒組成，并將這種體系定名微乳液。自那以后，微乳理論的應用研究得到了迅速發(fā)展。表面修飾與改性目的 目的：改

9、善或改變粒子的分散性 提高微粒表面活性 使微粒表面產(chǎn)生新的物理化學等性能物理和化學改性方法分別有哪幾種 物理修飾法：吸附法：用無機化合物或者有機化合物(水溶性或油溶性高分子化合物及脂肪酸皂等)對納米粒子表面進行包覆，對納米粒子的團聚起到減弱或屏蔽，而且由于包覆物而產(chǎn)生了空間位阻斥力，使粒子再團聚十分困難，從而達到改性的目的。 表面沉積法：將一種物質沉積到納米微粒的表面，形成與微粒表面無化學化合的包裹層。化學改性法：偶聯(lián)劑法（如：硅烷偶聯(lián)劑）偶聯(lián)改性是納米粒子表面發(fā)生化學偶聯(lián)反應，兩組份之間除了范德華力、氫鍵或配位鍵相互作用外，還有離子鍵或共價鍵的結合。 酯化反應法 表面接枝改性法：通過化學反應

10、法將高分子接枝到納米微粒上得化學方法。表面改性劑的種類：偶聯(lián)劑，不飽和有機酸，表面活性劑，有機硅，有機聚合物，高級脂肪酸及其鹽，超分散劑表面改性的應用前景從技術的通用性來看，表面納米技術與工程趨向是共性技術或通用技術，它可應用于很多領域。如：高耐蝕耐磨涂層(包括熱噴涂、冷噴涂的金屬合金涂層和非金屬涂層，納米無機有機涂層等)，超硬表面涂層，大規(guī)模集成電路封裝涂層，寬頻的微波、紅外和雷達波吸收納米涂層，化學催化和電化學催化涂層和材料，電池表面工程，超精細工程表面涂層，掃描探針顯微鏡薄膜，等等。第四講 碳納米材料1質碳納米材料的分類富勒烯，或巴基球（C50，C60，C70，C76，C80，C82，C

11、90，C94等）碳納米管（單壁，多壁）洋蔥碳及其相關結構納米金剛石金剛石薄膜2納米材料的結構和化學鍵以共價鍵化合：單鍵，雙鍵，三鍵原子可以按鏈型，環(huán)型，網(wǎng)狀等互相形成各類結構碳材料（石墨，金剛石，金剛石薄膜，富勒烯，碳納米管等）第五講 納米檢測和表征技術STM工作原理及兩種工作方式（掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microsco-pe:STM)。掃描隧道顯微鏡的工作原理是應用電子隧道現(xiàn)象，將樣品本身作為一具電極，另一個電極是一根非常尖利的探針。把探針移近樣品，并在兩者之間加上電壓，當探針和樣品表面相距只有數(shù)十埃時，由于隧道效應在探針與樣品表面之間就會發(fā)生隧穿電流，并堅持

12、不變。若表面有渺小起伏，那怕只有原子大小的起伏，也將使穿電流產(chǎn)生成千上萬倍的變更。這些信息輸進電子盤算機，經(jīng)過處置即可在熒光屏上顯示出一幅物體的三維圖像。STM有兩種工作方式。一種稱為恒電流模式，利用一套電子反饋線路控制隧道電流 I ，使其保持恒定。再通過計算機系統(tǒng)控制針尖在樣品表面掃描，即是使針尖沿x、y兩個方向作二維運動。由于要控制隧道電流 I 不變，針尖與樣品表面之間的局域高度也會保持不變，因而針尖就會隨著樣品表面的高低起伏而作相同的起伏運動，高度的信息也就由此反映出來。這就是說，STM得到了樣品表面的三維立體信息。這種工作方式獲取圖象信息全面，顯微圖象質量高，應用廣泛。 另一種工作模式

13、是恒高度工作，在對樣品進行掃描過程中保持針尖的絕對高度不變；于是針尖與樣品表面的局域距離 s 將發(fā)生變化，隧道電流I的大小也隨著發(fā)生變化；通過計算機記錄隧道電流的變化，并轉換成圖像信號顯示出來，即得到了STM顯微圖像。這種工作方式僅適用于樣品表面較平坦、且組成成分單一(如由同一種原子組成)的情形。 從STM的工作原理可以看到：STM工作的特點是利用針尖掃描樣品表面，通過隧道電流獲取顯微圖像，而不需要光源和透鏡。這正是得名掃描隧道顯微鏡的原因。隧道效應和隧道電流隧道效應：粒子的總能量E小于勢壘高度時仍能貫穿勢壘的現(xiàn)象稱為隧道效應；（來源于微觀粒子的波粒二相性）隧道電流：由于電子的隧道效應，金屬中

14、的電子并不完全局限于表面邊界之內，電子密度并不在表面邊界處突變?yōu)榱?，而是在表面以外呈指?shù)形式衰減，只要將原子線度的極細探針以及被研究物質的表面作為兩個電極，當樣品與探針的距離非常接近時，在這兩電極間加一微小電壓，電子就會穿過電極間的勢壘形成隧道電流AFM工作原理及三種工作模式（原子力顯微鏡）原子力顯微鏡的基本原理是：將一個對微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微 小的針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸，由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱 的排斥力，通過在掃描時控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將對應于針尖與樣品表 面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向起伏運動。利用光學檢測法或隧

15、道 電流檢測法，可測得微懸臂對應于掃描各點的位置變化，從而可以獲得樣品表面形貌的 信息。接觸模式從概念上來理解，接觸模式是AFM最直接的成像模式。 正如名字所描述的那樣，AFM 在整個掃描成像過程之中，探針針尖始終與樣品表面保持緊密的接觸，而相互作用力是排斥力。 掃描時，懸臂施加在針尖上的力有可能破壞試樣的表面結構，因此力的大小范圍在10 - 1010 - 6 N。 若樣品表面柔嫩而不能承受這樣的力，便不宜選用接觸模式對樣品表面進行成像。 非接觸模式非接觸模式探測試樣表面時懸臂在距離試樣表面上方510 nm 的距離處振蕩。 這時，樣品與針尖之間的相互作用由范德華力控制，通常為10 - 12 N

16、 ，樣品不會被破壞，而且針尖也不會被污染，特別適合于研究柔嫩物體的表面。 這種操作模式的不利之處在于要在室溫大氣環(huán)境下實現(xiàn)這種模式十分困難。因為樣品表面不可避免地會積聚薄薄的一層水，它會在樣品與針尖之間搭起一小小的毛細橋，將針尖與表面吸在一起，從而增加尖端對表面的壓力。 敲擊模式敲擊模式介于接觸模式和非接觸模式之間，是一個雜化的概念。 懸臂在試樣表面上方以其共振頻率振蕩，針尖僅僅是周期性地短暫地接觸/ 敲擊樣品表面。 這就意味著針尖接觸樣品時所產(chǎn)生的側向力被明顯地減小了。 因此當檢測柔嫩的樣品時，AFM的敲擊模式是最好的選擇之一。一旦AFM開始對樣品進行成像掃描，裝置隨即將有關數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，如

17、表面粗糙度、平均高度、峰谷峰頂之間的最大距離等，用于物體表面分析。 同時，AFM 還可以完成力的測量工作，測量懸臂的彎曲程度來確定針尖與樣品之間的作用力大小。 三種模式的比較接觸模式（Contact Mode）： 優(yōu)點：掃描速度快，是唯一能夠獲得“原子分辨率”圖像的AFM垂直方向上有明顯變化的質硬樣品，有時更適于用Contact Mode掃描成像。 缺點：橫向力影響圖像質量。在空氣中，因為樣品表面吸附液層的毛細作用，使針尖與樣品之間的粘著力很大。橫向力與粘著力的合力導致圖像空間分辨率降低，而且針尖刮擦樣品會損壞軟質樣品（如生物樣品，聚合體等）。 非接觸模式（Non-Contact Mode）：

18、 優(yōu)點：沒有力作用于樣品表面。 缺點：由于針尖與樣品分離，橫向分辨率低；為了避免接觸吸附層而導致針尖膠粘，其掃描速度低于Tapping Mode和Contact Mode AFM。通常僅用于非常怕水的樣品，吸附液層必須薄，如果太厚，針尖會陷入液層，引起反饋不穩(wěn)，刮擦樣品。由于上述缺點，on-contact Mode的使用受到限制。 輕敲模式（Tapping Mode）： 優(yōu)點：很好的消除了橫向力的影響。降低了由吸附液層引起的力，圖像分辨率高，適于觀測軟、易碎、或膠粘性樣品，不會損傷其表面。 缺點：比Contact Mode AFM 的掃描速度慢。第六講 納米生物醫(yī)學納米生物技術指在納米尺度上認

19、識生物分子的精細結構和功能之間的聯(lián)系，并在此基礎上按研究者的意愿組合，裝配，創(chuàng)造出滿足人們意愿并行使特定功能的生物納米機器的技術納米醫(yī)學納米醫(yī)學是隨著納米生物醫(yī)藥發(fā)展起來用納米技術解決醫(yī)學問題的學科，將納米技術應用于醫(yī)學領域的強大技術。DNA芯片第七講 納米光觸媒光觸媒及其作用原理第9-10講 納米加工技術1、何謂納米加工技術納米加工技術是指利用納米原料對傳統(tǒng)材料進行納米化加工，使傳統(tǒng)材料具有納米功能的技術。（納米原料是指含有納米粒子的分散體系）2、哪些種類的加工方法可以實現(xiàn)納米加工基于傳統(tǒng)半導體加工的納米加工技術：1) 減小曝光光源波長的加工技術（電子束光刻，X射線光刻，極紫外光刻，原子光刻）2) 納米掩膜刻蝕加工技術探針直接書寫式納米加工技術納米復制加工技術3、從加工方式上