整理納米科技基礎(chǔ)

1、第一章納米科技基礎(chǔ)知識1.1 納米科技發(fā)展歷程1 .發(fā)展歷史：費(fèi)恩曼提出一一掃描隧道顯微鏡2 .主要特征：更多考慮分子設(shè)計(jì)，材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等；以傳統(tǒng)三束（光子束、電子束、離子束）為核心的微電子平面加工技術(shù)起主要作用；表征方法有譜學(xué)技術(shù)、電子顯微技術(shù)、STM、AFM、掃描近場顯微術(shù)（SNOM）;沿兩條路線進(jìn)行：微電子技術(shù)和量子效應(yīng)納米器件；利用分子組裝實(shí)現(xiàn)具有設(shè)計(jì)功能的一些機(jī)構(gòu)。1.2 納米科技概念及分類定義：在納米尺度（1-100nm）上研究物質(zhì)的特性和相互作用，以及利用這些特性的多學(xué)科交叉的科學(xué)。研究領(lǐng)域：納米材料、納米器件、納米尺度的檢測與表征。分類：納米材料學(xué)、納米電子與器件、納米加工與納

2、米機(jī)械、納米生物與醫(yī)藥。1.3 納米材料基本知識元素周期表；原子結(jié)構(gòu)；能量分子與物質(zhì)的相態(tài)：氣液固；價(jià)鍵：金屬鍵、氫鍵、離子鍵、共價(jià)鍵、范德瓦爾斯鍵（倫敦力（也叫色散力）、極化力、氫鍵）,研究思路：自上而下、自下而上。1.4 納米顆?；咎匦粤孔映叽缧?yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)。1.5 納米科技應(yīng)用領(lǐng)域材料與制造、微電子與計(jì)算機(jī)、醫(yī)藥與健康、生物技術(shù)與農(nóng)業(yè)、環(huán)境與能源、航空航天、國家安全。第二章納米材料的測試與表征納米材料性能：材料表面形貌、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成。2.1 電子顯微技術(shù)1 .掃描隧道顯微鏡（STM）:探針及掃描器，電子學(xué)控制，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理及顯示。應(yīng)用實(shí)例：C60,

3、DNA用STM操縱單個(gè)原子和分子2 .原子力顯微鏡（AFM）3 .掃描和透射電子顯微技術(shù)掃描電子顯微鏡（SEM）透射電子顯微鏡（TEM）高分辨電子顯微術(shù)（HREM）4 .電子衍射分析（n入=2dsin6）2.2 光譜技術(shù)（紫外可見光譜、核磁共振光譜、X射線衍射譜、紅外光譜、原子吸收光譜、電感耦合等離子光譜、熒光光譜、拉曼光譜）1. X射線衍射分析（XRD）:將未知物質(zhì)的粉末衍射花樣與已知物質(zhì)衍射花樣d、I/Ii數(shù)列對照。檢索方法：Hanawalt法數(shù)字索引、字順?biāo)饕㈦娮佑?jì)算機(jī)檢索。X射線衍射分析裝置：X射線管、樣品臺、測角儀、檢測器。納米材料的XRD分析：晶相分析、晶粒尺寸分析Dc=KX/（

4、Bcos8）、納米介孔結(jié)構(gòu)的測定。2 .紅外光譜和拉曼光譜分子振動光譜的原理：非線性分子有3N-6種振動形式，線性分子有3N-5種振動形式。一般來說，引起分子偶極矩變化的振動分為伸縮振動和變形振動。振動頻率：°=1/（2兀c）*（k/八0.5。在解釋紅外光譜時(shí)，通常從吸收帶的數(shù)目、位置、形狀和強(qiáng)度等方面來考慮。拉曼光譜是利用分子的非彈性散射現(xiàn)象而形成的（非彈性散射為拉曼散射，彈性散射為瑞利散射）。在拉曼光譜中，我們關(guān)心的是拉曼位移的大小。紅外光譜分子對紅外光吸收所產(chǎn)生對應(yīng)于分子振動能級的躍遷,落在紅夕卜區(qū)域要求分子振動過程中存在偶極矩的變化拉曼光譜分子對單色可見光的散射所產(chǎn)生激發(fā)虛態(tài)

5、能級與振動態(tài)能級的躍遷所產(chǎn)生的可見光要求分子在振動過程中存在極化率的變化紅外光譜儀：棱鏡光譜儀、光柵光譜儀、干涉型傅里葉變換紅外光譜儀（邁克爾遜干涉儀）。拉曼光譜儀：激光拉曼光譜儀（光源、外光路系統(tǒng)、樣品池、單色儀、信號處理輸出系統(tǒng)）納米材料的紅外吸收和拉曼散射行為：紅外吸收峰的藍(lán)移和變寬，拉曼光譜分析中鍵的振動會有差異。3 .光電子能譜分析（XPS）第三章納米光學(xué)和納米電子學(xué)納米光學(xué)和光子學(xué)1 .納米技術(shù)和光的基本特性透明材料：一些允許光線和光子通過而不會改變傳播方向的材料。透光材料：一些光通過后會改變方向的材料。目前應(yīng)用于生產(chǎn)光學(xué)設(shè)備的納米技術(shù)大致有：精確納米烙印技術(shù)；先在金屬膜上沉積有規(guī)

6、律排列的納米顆粒，然后振動使顆粒脫離而在金屬層上留下空洞；用納米陶瓷制造堆棧，燒結(jié)，使結(jié)構(gòu)緊密；排列納米管；人為組裝納米顆粒；有機(jī)表面活性劑作為模板來制造納米粒子。光的基本特性：反射，透射，偏振，輻射2 .納米結(jié)構(gòu)和光的相互作用光電子器件：能把光轉(zhuǎn)換為有用的電子運(yùn)動或者電信號的裝置。等離子體基元：材料吸收電磁波能量和捕獲光子的能力主要取決于材料中輻射頻率和電子能級的匹配，光子的相互作用產(chǎn)生了額外的波叫等離子體基元。電子在最早被激發(fā)的時(shí)間段里，能量弁沒有一下子全部轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，這段時(shí)間被稱為弛豫時(shí)間。3 .新型成像技術(shù)：易消散波，反常回波4 .基于納米技術(shù)的新型光學(xué)材料：納米金屬，納米日光技術(shù)，紅

7、外反射材料，光吸收材料，隱身材料，光學(xué)納米技術(shù)復(fù)合物5 .光學(xué)晶體：能夠巧妙引導(dǎo)光信號進(jìn)入固體結(jié)構(gòu)內(nèi)任何位置的品體。表面光波導(dǎo)：金屬表面納米結(jié)構(gòu)模式能將光子束引入圍繞表面的特定路徑，甚至有可能使光轉(zhuǎn)過直角。6 .光子學(xué)與電子學(xué)特征電子靜止質(zhì)量m00運(yùn)動質(zhì)量me.,2hu/c傳播特性不能在自由空間傳播能在自由空間傳播傳播速度小于光速等于光速時(shí)間特性具有時(shí)間/、可逆性具有一定的類時(shí)間可逆性特征電子空間特性高度的空間局域不具空間局域性粒子特性費(fèi)米子玻色子電荷-e0自旋l(h)/2l(h)光子具有的優(yōu)異特性：具有極高的信息容量和效率；具有極快的響應(yīng)能力；具有極強(qiáng)的互連能力與弁行能力；具有極大的存儲能力

8、。納米電子學(xué)1 .摩爾定律：2 .微電子學(xué)的發(fā)展歷程：半導(dǎo)體一晶體管一集成電路金屬中電子定向流動形成電流，而在半導(dǎo)體中有兩種不同的電荷載流子：電子和空穴。晶體管有兩種：雙極（p-n結(jié)）型晶體管和場效應(yīng)晶體管。3 .未加工和納米加工技術(shù)：光刻技術(shù)，電子束刻蝕技術(shù)掃描隧道顯微技術(shù)，分子束外延（MBE）。近場效應(yīng)：高能電子（5100keV）在刻蝕劑和基片表面間經(jīng)過大量彈性散射碰撞，以至于抗蝕劑受電子輻照的區(qū)域?qū)嶋H上遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于精細(xì)聚焦的電子式斑，導(dǎo)致了圖形邊界模糊不清。MBE:在超高真空環(huán)境下，將所需材料加熱形成分子束，當(dāng)分子束中的分子達(dá)到經(jīng)加熱處于合適溫度的晶片清潔表面時(shí)就形成了單晶薄膜。UHV系統(tǒng)：

9、組合抽氣系統(tǒng)(吸附泵、升華泵、離子泵、低溫泵)和不銹鋼的巨大的真空腔體。納米電子器件的用途：5 .從經(jīng)典物理到量子物理6 .量子電子器件：高電子遷移率三極管，量子干涉晶體管，單電子晶體管(SETS),碳納米管三極管，DNA模板組裝和在電子學(xué)中應(yīng)用。7 .量子計(jì)算機(jī)：(1)量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)的區(qū)別：計(jì)算規(guī)則的改變。(2)量子計(jì)算機(jī)的工作機(jī)理：信息寫入一信息讀出一量子計(jì)算；脫散一一量子計(jì)算的敵人；量子計(jì)算的能力：量子運(yùn)算規(guī)則：Shor運(yùn)算法則，Grover運(yùn)算法則。(3)量子計(jì)算機(jī)的樣機(jī)：量子計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)提案：離子阱系統(tǒng)、核磁共振系統(tǒng)、電晶體系統(tǒng)、量子光學(xué)、量子點(diǎn)、超導(dǎo)量子位。實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算必需

10、的基本要求：可升級的。與環(huán)境不相關(guān)聯(lián)以降低脫散的、具有明確量子位的物理系統(tǒng)；寄存器在計(jì)算前必須初始化到已知態(tài)；通過特定的量子位就能夠讀出數(shù)據(jù)；量子位的脫散時(shí)間必須比邏輯門操作時(shí)間長得多；有一套通用的量子邏輯門。第四章納米材料學(xué)納米微粒1 .納米微粒的結(jié)構(gòu)與形貌特征2 .納米微粒的主要性能A物理特性：(1)熱學(xué)性能：納米微粒熔點(diǎn)、開始燒結(jié)溫度、品化溫度均比常規(guī)粉體低很多。(2)磁學(xué)性能：超順磁性、超鐵磁性、超反鐵磁性；矯頑力；磁相變溫度；磁化率。(3)光學(xué)性能：寬頻帶強(qiáng)吸收；藍(lán)移和紅移現(xiàn)象；量子限域效應(yīng)；納米微粒的發(fā)光；納米微粒分散物系的光學(xué)性能。(4)電學(xué)性能B化學(xué)特性：(1)吸附作用：納米微

11、粒在氣相中的吸附；納米微粒在液相中的吸附(非電解質(zhì)的吸附；電解質(zhì)的吸附)(2)催化作用：新一代催化劑；光催化作用。3 .納米微粒的制備方法：(1)氣相法制備納米微粒(氣源、熱源、氣氛、工藝參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)、粉體收集系統(tǒng))：物理氣相沉淀法、化學(xué)氣相沉淀法(等離子方法、激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉淀法)。(2)液相法制備納米微粒：沉淀法(均相沉淀法、共沉淀法)；水熱法；溶膠一凝膠法(水解-單體發(fā)生縮合和聚合反應(yīng)形成顆粒-顆粒長大-顆粒團(tuán)聚)；微乳液法；模板法。(3)固相法制備納米微粒：高能球磨法。(4)納米微粒的表面修飾：納米微粒的不穩(wěn)定性與解決途徑；納米微粒表面改性方法的分類；納米微粒的表面改性(表面改性物質(zhì)

12、：無機(jī)氧化物、有機(jī)化合物、表面活性劑)納米固體1 .納米固體的結(jié)構(gòu)特征(1)納米固體的結(jié)構(gòu)特征：納米微晶的種類：晶粒組元、界面組元.(2)納米固體的結(jié)構(gòu)模型：類氣態(tài)模型、有序模型、結(jié)構(gòu)特征分布模型。(3)納米固體結(jié)構(gòu)的主要觀察方法：X射線衍射；透射電鏡；正電子湮沒；核磁共振；穆斯堡爾譜化。2 .納米固體的性能(1)力學(xué)性能：Hall-Petch關(guān)系(正、負(fù)、正-負(fù))；模量;超塑性。(2)熱學(xué)性能：比熱；熱穩(wěn)定性(界面遷移、品界結(jié)構(gòu)弛豫)。(3)光學(xué)性能：紫外-可見光吸收；紅外吸收。(4)電學(xué)性能：納米材料的電導(dǎo)(電阻)；電流電壓特性。(5)磁學(xué)性能：巨磁電阻效應(yīng)；居里溫度；超順磁性。3 .納米

13、固體的制備方法(1)納米金屬與合金的制備：惰性氣體蒸發(fā)(凝聚)、原位加壓制備法；高能球磨法(金屬、非金屬納米合金材料的制備；納米品純金屬制備)；非品品化法；液相還原法。(2)納米陶瓷的制備：無壓燒結(jié)法；兩步燒結(jié)法；熱壓燒結(jié)；超高壓燒結(jié)；燒結(jié)鍛壓法。(3)納米薄膜的制備：溶膠-凝膠法(可制備金屬薄膜、含銀二氧化硅納米薄膜、納米氧化鐵薄膜、納米氧化鎂薄膜)；電沉積法；化學(xué)氣相沉積法；濺射法；惰性氣體蒸發(fā)法。4 .一維納米材料(1)碳納米管的結(jié)構(gòu)特征(2)碳納米管的性能及應(yīng)用：A化學(xué)活性、電導(dǎo)率、光學(xué)活性、力學(xué)強(qiáng)度；B能量存儲(儲氫、鋰離子插入、超級電容)；真空微電子器件(場發(fā)射器件、晶體管、納米探

14、針和傳感器)；復(fù)合材料；模板。(3)碳納米管的制備：化學(xué)氣相沉淀法；電弧放電法；激光燒蝕法(4)納米線、納米棒的應(yīng)用：傳感器方面；磁電阻效應(yīng)；功能復(fù)合材料；光電器件和分子器件納米復(fù)合材料1.納米復(fù)合材料的分類(1)用途：催化劑；涂料；纖維；塑料；生物仿生材料;黏合劑與密封膠(2)性能：光電轉(zhuǎn)換材料；增強(qiáng)劑；光學(xué)材料；磁性材料、耐磨材料。(3)形態(tài)：粉體；膜材；型材(4)基體材料：(5)分散性組分：(6)制備方法：填充納米復(fù)合材料；插層納米復(fù)合材料；雜化納米復(fù)合材料。2 .納米復(fù)合材料的性能與應(yīng)用領(lǐng)域(1)軍事領(lǐng)域：武器新能源；光電子對抗；軍用特種材料。(2)化學(xué)化工領(lǐng)域：化工催化；能源領(lǐng)域。(

15、3)敏感材料領(lǐng)域(4)光電領(lǐng)域(5)電磁學(xué)領(lǐng)域(6)生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域3 .納米功能復(fù)合材料的制備方法物理復(fù)合方法：機(jī)械研磨復(fù)合法；干式?jīng)_擊法；高能球磨法；共混法；高溫蒸發(fā)法；溶膠-凝膠法。化學(xué)復(fù)合方法：氣相沉淀法；化學(xué)鍍法；沉淀法；溶劑-非溶劑法；溶劑蒸發(fā)法；微乳液法；離子交換法；超臨界流體法；燃燒法；激光合成法。納米結(jié)構(gòu)1 .納米結(jié)構(gòu)與自組裝什么是納米結(jié)構(gòu)；納米結(jié)構(gòu)體系的研究價(jià)值；納米結(jié)構(gòu)單元的合成（納米微粒的合成；納米線、納米纖維、納米管的合成）納米結(jié)構(gòu)體系的自組裝（膠體粒子的自組裝、一維納米結(jié)構(gòu)的組裝）。2 .納米陣列納米陣列的概念及其應(yīng)用；納米陣列功能材料的制備方法：模板法；模板的特征及制

16、備：跡蝕刻法模板；多空陽極氧化鋁模板；金屬模板；納米陣列模板合成方法：電化學(xué)沉積；化學(xué)鍍；化學(xué)聚合；溶膠-凝膠沉積；化學(xué)氣相沉積。納米陣列結(jié)構(gòu)材料的性質(zhì)和應(yīng)用：金屬材料（光學(xué)性質(zhì)、磁性質(zhì)、電化學(xué)性質(zhì)、離子選擇性）；半導(dǎo)體功能材料；納米陣列結(jié)構(gòu)復(fù)合材料；碳納米管及碳納米復(fù)合材料。3 .介孔材料是什么介孔材料。介孔材料的合成機(jī)理：液晶模板機(jī)理；電荷匹配機(jī)理。介孔材料的制備：（模板法；溶膠-凝膠法；水熱法）無機(jī)介孔材料；無機(jī)-有機(jī)雜化介孔材料。介孔材料的應(yīng)用：催化領(lǐng)域；吸附方面；復(fù)合組裝體系；具他方面。第五章納米生物學(xué)生物分子及相關(guān)器件1.脂質(zhì)體(1)結(jié)構(gòu)(2)性質(zhì)和特點(diǎn)：靶向性(天然靶向性、隔室靶

17、向性、物理靶向性、配體專一靶向性)；長效作用；降低藥物毒性；提高被包封藥物的穩(wěn)定性。(3)納米脂質(zhì)體的研究(4)脂質(zhì)體作為生物大分子載體：基因物質(zhì)轉(zhuǎn)移載體；生物藥物載體；新型疫苗佐劑和載體。(5)脂質(zhì)體在抗腫瘤藥物研究中的應(yīng)用2 .自組裝膜(1)分子自組裝(2)生物大分子自組裝膜：分類：酶、蛋白質(zhì)、DNA、多肽及其他生物大分子；應(yīng)用：生物傳感器與酶電極、分子器件、醫(yī)用生物材料3 .納米器件(1)生物芯片：概念及其特點(diǎn)(高度并行性、多樣性、微型化)；DNA芯片(基因表達(dá)和發(fā)現(xiàn)、突變和多態(tài)性分析、遺傳作圖、雜交測序)；蛋白質(zhì)芯片。(2)分子馬達(dá)：結(jié)構(gòu)；分類(線性推進(jìn)和旋轉(zhuǎn)式)；研究及應(yīng)用前景。納米

18、生物傳感器1 .2 .生物傳感器簡介3 .4 .納米顆粒在生物傳感技術(shù)中的應(yīng)用(1)納米顆粒在生物傳感器中的應(yīng)用(2)分子自組裝膜在生物傳感技術(shù)中的應(yīng)用：電化學(xué)傳感器、等離子體共振生物傳感器、石英晶體微天平3.納米生物傳感器(1)光纖納米生物傳感器：光纖納米熒光生物傳感器；光纖納米免疫傳感器；無轉(zhuǎn)化器的細(xì)胞內(nèi)生物傳感器；分子信標(biāo)生物傳感器。(2)DNA生物傳感器：電化學(xué)DNA生物傳感器；光學(xué)DNA生物傳感器；壓電DNA生物傳感器(優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)、提高靈敏度的方法、研究重點(diǎn))。(3)納米氧敏性(EPR)生物醫(yī)學(xué)傳感器納米生物材料1 .典型納米生物材料(1)納米顆粒和固體生物材料：納米磷酸鈣骨水泥；納米固體陶瓷；納米生物玻璃；納米碳材料。(2)納米生物涂層材料：冠狀動脈支架納米涂層材料；雕關(guān)節(jié)植入納米涂層材料。(3)牙種植體納米涂層材料2 .納米復(fù)合生物材料(1)納米羥基磷灰石-膠原復(fù)合材料(2)納米羥基磷灰石-聚合物復(fù)合材料(3)納米類骨晶體-聚酰胺復(fù)合材料(4)納米氧化鐵-甲基丙烯酸復(fù)合材料3 .納米生物材料的應(yīng)用(1)藥物載體；(2)基因載體；(3)藥物“納米導(dǎo)彈”；(4)細(xì)胞分離；(5)抗菌性生物材料；(6)納米微囊血液代用品；納米藥物給藥系統(tǒng)1 .納米給藥系統(tǒng)的常見類型、常用材料及制備方法(1)可生物降解聚合物納