原子世界與納米技術

1、2021/4/21原子世界與納米技術II物理科學與技術學院大連大學2021/4/22目錄w引言n天梯碳納米管繩梯w一、納米與納米技術n1納米 - 1米的十億分之一n2納米技術(Nanotechnology)n3納米技術的提出n4納米技術的實現(xiàn)與發(fā)展n5掃描隧道顯微鏡(STM)n6納米操縱技術 納米級微加工后的表面 移動氙原子 移動硅原子 移動硫原子 移動鐵原子 移動一氧化碳分子 鐵基FeCO分子形成過程 2002年納米操縱成像獲重大突破 w二、納米材料的奇異特性n1. 各種納米材料的特性 不用洗滌劑的納米服裝 具有易潔納米涂層的陶瓷 摔不碎的納米陶瓷 強度比常規(guī)銅高5倍納米銅 納米醫(yī)藥和醫(yī)學n

2、2. 納米材料的奇異特性n3. 納米材料的應用與展望n4. 納米材料的制造w三、微型機器人w四、碳納米管n1 碳60和巴基球n2 碳納米管w五、納米技術發(fā)展的五個階段2021/4/23引言2021/4/24天梯碳納米管繩梯w 傲立宇宙間，頂天立地的“第二巴別塔”太空電梯w 橫空出世 ， 莽昆侖， 閱盡人間春色。引言2021/4/25w 1982年科普作家朱毅麟認為天梯的高度至少是天上的地球同步衛(wèi)星那么高。從地面修造天梯達到幾萬千米高的衛(wèi)星，底部必須是直徑358千米粗的柱子，才能支撐得住，不被自己的重量壓彎。其底座相當于江蘇省的面積。w 古人幻想，順著天梯就可以上天。認為沿著昆侖山頂峰上的大樹向

3、上爬，爬到樹頂就能進入天庭，這棵樹就是上天的天梯。天梯碳納米管繩梯2021/4/26w 建設天梯（20世紀90年代提出）：同步衛(wèi)星放下由碳納米管制作的繩纜到地球，升降機將沿著繩纜爬上爬下。天梯碳納米管繩梯2021/4/27一、納米與納米技術一、納米與納米技術2021/4/28集成電路w 一塊用來制作大規(guī)模集成電路的芯片，上面有許多的溝槽，這張圖片能夠清晰的顯示出溝槽的深淺和走向。CPUSRAM視頻：肖克萊與硅谷2021/4/29激光唱片w 肉眼看激光唱片(Compact Disk, CD)，表面十分光滑。從微觀上看，光盤上面有凹凸不平的凹痕和突起。2021/4/210w 上圖：Milliped

4、e - 第一個應用于數(shù)據(jù)存儲的納米技術w 下圖：Millipede存儲芯片的實驗室原型。 納米技術存儲器2021/4/211激光技術加工合成樹脂w 日本科學家使用激光技術，用合成樹脂制成了迄今為止世界上最小的牛。2021/4/2121納米 - 1米的十億分之一w 納米（nanometer）長度單位 nano是十億分之一的意思 1納米是1米的十億分之一，記作nm 1納米：10個氫原子一個挨一個排成一列 20納米：1根頭發(fā)絲的三千分之一1 nm = 1 10-9 m視頻：晶體管與集成電路2021/4/2132. 納米技術(Nanotechnology)w 誕生：誕生：20世紀80年代隨著新型顯微鏡

5、(STM)的出現(xiàn)，人們能看清1納米大小的物質，于是出現(xiàn)了納米技術即毫微米技術。w 納米結構：納米結構： 指尺寸在100納米以下的微小結構。2021/4/2143. 納米技術概念的提出40年前，諾貝爾物理獎得主、量子物理學家費曼所作的題為底部還有很大空間的演講，被公認為是納米技術思想的來源提出納米技術概念的科學家費曼（1918 1988）R.P.Feynman2021/4/215人物介紹費曼w 很多物理學家把費曼稱為“新的”物理學之父，可見他對物理學的貢獻之大，而愛因斯坦是“早先的”物理學之父。w 1965年，費曼和朱利安薛溫格、朝永振一郎共同獲得了諾貝爾物理獎。主要貢獻在于對量子電動力學的理解

6、。該學科研究光和帶電粒子之間的相互作用，特別是光和電子之間的相互作用。他在弱核反應和超導研究方面也作出巨大的貢獻。視頻：納米概念的提出2021/4/2164. 納米技術的實現(xiàn)與發(fā)展w 放大倍率達千萬倍的掃描隧道顯微鏡（STM）發(fā)明后，納米技術真正成為一門科學技術。w 從20世紀90年代初起，納米科技得到迅速發(fā)展，像納米電子學、納米材料學、納米機械學、納米生物學等新名詞、新概念不斷涌現(xiàn)。w 專家預測：未來全球技術發(fā)展的9大關鍵技術之一就是納米科技的研究與應用。2021/4/2175掃描隧道顯微鏡(STM)w 1981年，美國IBM公司在瑞士蘇黎世的實驗室里，物理學家葛賓尼(G.Binnig)和羅

7、海雷爾(H.Rohrer)發(fā)明了新式顯微鏡，稱為“掃描隧道顯微鏡 (Scanning Tunneling Microscope) ”，簡稱STM 。w 應用這臺顯微鏡人們可以看到原子大小的東西。視頻：STM2021/4/218w STM的出現(xiàn)，使人類第一次能夠實時地觀察單個原子物質表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關的物理、化學性質，被國際公認為20世紀80年代世界十大科技成就之一。2021/4/219w 賓尼希博士(Gerd K. Binnig)和羅雷爾博士(Heinrich Rohrer)由于掃瞄隧道顯微鏡(ScanningTunneling Microscopy) 的發(fā)明，共同獲得 198

8、6 年諾貝爾物理獎。w 賓尼希于 1978 年進入 IBM 公司蘇黎士研究實驗室(Zurich Research Laboratory)的一個物理研究組。19851986 年就職于 IBM 公司在加州圣荷西市的 Almaden 研究中心。1987 年被提名為 IBM 公司的杰出研究人員 （IBM Fellow），目前仍任 IBM 蘇黎士研究實驗室的研究員。2021/4/220w 羅雷爾博士（Heinrich Rohrer）w 羅雷爾于1960 年完成博士后研究，隨即加入 IBM 新成立的蘇黎士研究實驗室（Zurich ResearchLaboratory），從事 Kondo 材料、反鐵磁體（a

9、ntiferromagnets）及其它方面的研究，接著把研究重心轉向掃瞄式穿隧顯微鏡。1986 年被提名為 IBM 公司的杰出研究人員（IBM Fellow），并且在 19861988 年間擔任 IBM 公司蘇黎士研究實驗室的物理科學部門經(jīng)理。 1997 年 7 月從 IBM 公司退休。2021/4/221我國的納米先鋒w 自2080年代中期以來，納米科學和納米技術越來越受到重視。w 為期十年的“納米科學攀登計劃”和一系列先進材料的研究計劃是核心活動。已投入經(jīng)費約數(shù)千萬元人民幣。w 有實力的領域是納米探針和運用納米管的生產(chǎn)工藝的開發(fā)方面。中科院納米科技項目首席科學家白春禮院士2021/4/22

10、25.1.1. 勢壘w 在兩塊導電物體之間夾一層絕緣體，若在兩個導體之間加上一定的電壓，通常是不會有電流從一個導體穿過絕緣層流向另一導體的，即：兩個導體之間存在著勢壘，像隔著一座山一樣2021/4/2235.1.2. 隧道效應假如這層勢壘的厚度很窄只有幾個納米，由于電子在空間的運動呈現(xiàn)波動性，根據(jù)量子力學的計算，電子將穿過而不是越過這層勢壘，從而形成電流。如同在山腰部打通了一條隧道而火車通過隧道那樣，這種現(xiàn)象稱為隧道效應。2021/4/2245.2. STM的工作原理w 將針尖和樣品表面作為兩個電極，當其間距離足夠小時，在電場的作用下，電子會穿過電極間的絕緣層，形成 “隧道電流”隧道效應。w

11、STM工作時的特點利用針尖掃描樣品表面，通過隧道電流獲取圖像。w STM工作方式n恒電流掃描恒電流掃描n恒高度掃描視頻：STM原理2021/4/2255.3 STM的結構w 主要由STM主體、電子反饋系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)及高分辨圖象顯示終端組成。核心部件是探頭。電子反饋系統(tǒng)用于產(chǎn)生隧道電流并維持隧道電流的恒定，控制針尖在樣品表面進行掃描。計算機系統(tǒng)控制全部系統(tǒng)的運轉，收集和存貯所獲得的圖像，并對原始圖象進行處理，最后對在圖象顯示終端顯示出的圖象拍攝照片。CSTM-90002021/4/2265.3 STM的原理示意圖2021/4/227納米操縱技術納米操縱技術2021/4/2286.1 納米級

12、微加工后的表面w 應用隧道效應，用STM可以人為操作表面w 利用計算機控制STM的針尖作有規(guī)律的移動，在某些部位加大隧道電流的強度或使針尖頂端直接接觸到樣品的表面，在某些樣品如石墨的平坦表面上刻出有規(guī)律的痕跡，形成某些有意義的圖形和文字w 中科院化學所用自制的掃描隧道顯微鏡，在石墨晶體表面刻寫出一幅中國地圖，并寫出“中國”兩個字。兩幅圖像和文字的線條寬度只有10納米。2021/4/2292021/4/230w 中科院化學所的科技人員利用納米技術在石墨表面通過搬遷碳原子繪制出世界上最小的中國地圖2021/4/2316.2 移動氙原子w 1990年4月，美國IBM公司的兩位科學家在用STM觀測金屬

13、鎳表面的氙原子時，由探針和氙原子的運動受到啟示，嘗試用STM針尖移動吸附在金屬鎳表面上的氙原子，得到下圖所示的情況。并在液氦的低溫下，將35個氙（Xe）原子在鎳（Ni）表面上移動排列出5個原子高的“IBM”的構圖。視頻：IBM2021/4/2326.3 移動硅原子w 美國IBM公司的科學家將STM的針尖放到選擇的硅原子表面，加一電壓脈沖，可以把硅原子移走，然后把移走的硅原子放回來，得到一系列的圖象。w 中科院北京真空物理實驗室的科研人員通過STM在硅單晶表面上直接提取硅原子，形成平均寬度為2納米（3至4個硅原子）的線條。2021/4/2336.4 移動硫原子w 1991年6月初，日本日立中心研

14、究室的科技人員利用STM從二硫化鉬晶體表面上把硫原子有規(guī)律的轟擊出來，留下的空位組成了英文“PEACE91”的字樣，并附有日立中心實驗室的字頭縮寫。PEACE91HCRL2021/4/2346.5 移動鐵原子w 1993年美國科學家在低溫下，用STM針尖將48個鐵原子排成一個圓環(huán)，并且直接觀察到了電子駐波的圖形w 而后，又成功地移動鐵原子寫成了兩個漢字 “原子”。2021/4/235鐵原子的移動過程2021/4/2366.6 移動一氧化碳分子w 1991年2月IBM公司用STM針尖移動吸附在金屬鉑表面的一氧化碳分子，描繪出“一氧化碳人”，其身高為5納米。2021/4/2376.7 鐵基FeCO

15、分子形成過程w 一個鐵原子(Fe)與一個一氧化碳( CO )分子結合成一個鐵基分子( FeCO )的過程如圖所示2021/4/2386.8 2002年納米操縱成像獲重大突破 w 2002年第一期國際納米界權威雜志納米通訊采用了三個“筆跡”稍有歪扭的“DNA”字母虛擬畫面做封面。這一成果由中科院上海原子核研究所、交通大學胡鈞、李民乾兩位研究員中科院上海原子核研究所、交通大學胡鈞、李民乾兩位研究員領銜的課題組與德國莎萊大學科學家合作取得領銜的課題組與德國莎萊大學科學家合作取得。w 通過納米操縱技術納米操縱技術，用單個DNA分子長鏈書寫；每個字母長僅300nm、寬200nmw 應用原子力顯微鏡原子力

16、顯微鏡等納米顯微術，將單個DNA鏈完整地拉直，再對分子鏈進行切割、彎曲、修剪切割、彎曲、修剪，終于“寫”出“DNA”三個字母2021/4/239二、納米材料的奇異特性二、納米材料的奇異特性2021/4/2401 各種納米材料的特性蓮花葉子表面蓮花葉子表面的自我潔凈的自我潔凈蓮花葉面表面的結構與粗糙度為微米至納米尺寸的大小。當遠大于該結構的灰塵、雨水等降落在葉面上時，只能和葉面上凸狀物形成點的接觸。液滴在自身的表面張力作用下形成球狀，在滾動中吸附灰塵，并滾出葉面。視頻：蓮花2021/4/241鵝毛和鴨毛的排列非常整齊，毛與毛之間的隙縫小到納米尺寸，所以水分子無法穿透層層的鵝毛和鴨毛。鵝與鴨得以在

17、水中保持身體的干燥。這種結構還極其通氣。2021/4/242不用洗滌劑的納米服裝w 2002年，一批高科技服裝面料從實驗室走上了展臺：不用洗滌劑也能清潔的衣物、可用做防水地圖的仿真絲面料等令人耳目一新視頻：納米布料 2021/4/243具有易潔納米涂層的陶瓷視頻：納米表面2021/4/244摔不碎的納米陶瓷納米陶瓷2021/4/245強度比常規(guī)銅高5倍納米銅納米銅視頻：SPS 復合材料改善鋼板的特性2021/4/246納米醫(yī)藥和醫(yī)學視頻：納米醫(yī)學w納米藥物w納米診斷儀w納米膜技術w納米抗癌技術w納米醫(yī)療機器人 2021/4/247w 2.1 具有很高的活性w 2.2 特殊的光學性質w 2.3

18、特殊的熱學性質w 2.4 特殊的磁學性質w 2.5 特殊的力學性質w 2.6 量子尺寸效應w 2.7 宏觀量子隧道效應2. 納米材料的奇異特性2021/4/2482.1 具有很高的活性w 納米超微顆粒很高的“比表面積比表面積”決定了其表面具有很高的活性。在空氣中，納米金屬顆粒會迅速氧化而燃燒。利用表面活性，金屬超微顆粒可望成為新一代的高效催化劑、貯氣材料和低熔點材料。2021/4/2492.2 特殊的光學性質 w 所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)時都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色越黑。金屬超微顆粒對光的反射率很低，通?？傻陀趌%，大約幾微米厚度的膜就能起到完全消光的作用。利用這個特性可以制造高效率的光熱、

19、光電轉換材料，以很高的效率將太陽能轉變?yōu)闊崮?、電能。另外還有可能應用于紅外敏感元件、紅外隱身材料等。視頻：發(fā)光材料2021/4/2502.3 特殊的熱學性質w 大尺寸的固態(tài)物質其熔點往往是固定的，超細微化的固態(tài)物質其熔點卻顯著降低，當顆粒小于10納米量級時尤為突出。w 金的常規(guī)熔點為1064，當顆粒的尺寸減小到10納米時，熔點會降低27，減小到2納米尺寸時的熔點僅為327左右。2021/4/2512.4 特殊的磁學性質w 磁性超微顆粒實質個生物磁羅盤。大塊純鐵的磁矯頑力約為80安/米，當顆粒尺寸減小到210-2微米以下時，矯頑力增加103 倍。當顆粒尺寸減小到約小于610-3微米時，矯頑力反而

20、降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。w 利用磁性超微顆粒高矯頑力的特性制成的高儲存密度的磁記錄磁粉，大量應用于磁帶、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙等。利用超順磁性，將磁性超微顆粒制成了用途廣泛的磁性液體。視頻：磁性液體2021/4/2522.5 特殊的力學性質w 陶瓷材料通常呈現(xiàn)脆性，由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料具有良好的韌性。呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬35倍。金屬-陶瓷復合納米材料則可在更大的范圍內改變材料的力學性質。2021/4/2532.6 量子尺寸效應w 超微顆粒的小尺寸效應還表現(xiàn)在超導電性、介電性能、聲學特性以及化學性能等方面。w 當熱能、電場能或者磁場能比平均的能級間距還小時，就會

21、呈現(xiàn)出一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子尺寸效應量子尺寸效應。例如，導電的金屬在超微顆粒時可以變成絕緣體，磁矩的大小與顆粒中電子是奇數(shù)還是偶數(shù)有關；比熱亦會反常變化；光譜線會產(chǎn)生向短波長方向的移動。w 在低溫下，對超微顆粒必須考慮量子效應，原有的宏觀規(guī)律已不再成立。2021/4/2542.7 宏觀量子隧道效應w 近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀物理量，如微顆粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量等顯示出隧道效應，稱之為宏觀的量子隧道效應。w 量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應將是未來微電子、光電子器件的基礎，它確立了現(xiàn)存微電子器件進一步微型化的極限，當微電子器件進一步微型化時必須考慮上述的量子效

22、應。2021/4/2553. 納米材料的應用與展望w 電子和通訊全媒體存儲器；平板顯示器；w 納米醫(yī)療納米結構藥物；微型機器人；w 化學和材料納米催化劑；納米陶瓷；w 能源新型電池；氫燃料安全存儲；w 制造工業(yè)微細加工；微型機器；w 飛機和汽車無須洗滌的油漆；不燃塑料；w 航天輕型航天器；w 環(huán)境保護納米膜；納米存儲器；開關；2021/4/2564. 納米材料的制造視頻：納米材料制造2021/4/257三、微型機器人三、微型機器人2021/4/258w 1976年，德雷克斯勒看到了遺傳工程的書，萌發(fā)了制造微型機器人去控制DNA的念頭 。w 我國留學生馮龍生等在美國制成寬度不到1毫米的靜電馬達；

23、w 日本豐田公司造了一輛只有62毫克，米粒大小的微型汽車。w 德國物理學家埃費爾德研制了一架直升飛機，重量不到半克，能升到130毫米的空中。w 美國波士頓大學的化學家T.Ross Kelly，制備出世界上最小的分子馬達，該分子馬達由78個原子構成。視頻：微型機器人2021/4/259仿甲蟲外形制造的微型機器人納米軸承微型機器人2021/4/2603.1 納米機器人w “納米機器人”的研制是根據(jù)分子水平的生物學原理為設計原型，設計制造可對納米空間進行操作的“功能分子器件”。n第一代納米機器人是生物系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的有機結合體 可注入人體血管內，進行健康檢查和疾病治療。還可進行人體器官的修復工作、作

24、整容手術、從基因中除去有害的，把正常的安裝在基因中，使機體正常運行。n第二代納米機器人是直接從原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置n第三代納米機器人是包含納米計算機，可以進行人機對話的裝置。一旦問世將徹底改變人類的勞動和生活方式。 2021/4/2613.2 圖示w納米機器人在清理血管中的有害堆積物。納米機器人小到可在人的血管中自由地游動，對于腦血栓、動脈硬化等病灶，可以很容易地予以清理而不用進行危險的開顱、開胸手術。由碳納米管制作的納米齒輪模型。齒輪上的原子清晰可見。碳納米管的強度高、重量輕，用它做成太空升降機的纜繩，即使纜繩的長度是從太空下垂到地面的距離，它也完全可以經(jīng)得住自身

25、的重量。鈉米存儲器DNA開關2021/4/2623.2 圖示w科學家幻想的人體中血紅細胞和人造細胞在一起的情景。體內某些缺氧的部分會感到疲勞，紅血球的重要功能之一是向身體各部分輸送氧分子 。藍色小球稱為呼吸者，它們具有比紅血球攜帶氧分子多數(shù)百倍的功能，且本身裝有納米計算機、納米泵，可以根據(jù)需要將氧釋放，同時將無用的二氧化碳帶走。w畫家筆下的一種納米仿生術機器人。這種稱為游蕩者的納米仿生物可以為人體傳送藥物，進行細胞修復等工作。2021/4/263四、未來的理想超級纖維四、未來的理想超級纖維碳納米管碳納米管視頻：納米技術的進步2021/4/2641 碳60和巴基球w 1985年，美國科學家克勞特和斯莫利等用激光束去轟擊石墨表面，發(fā)現(xiàn)了C60。w C60的外形像足球，中心是空的，外邊圍砌著60個碳原子，它們組成了12個五邊形和20個正六邊形。碳60有一個別名：巴基球。一個巴基球的直徑是0.7納米。w 巴基球可以做得更大，再增加10個碳原子，還可以做成碳70。如果用960個碳原子制成碳540，有可能在室溫條件下實現(xiàn)超導！2021/4/2652 碳