光電子技術(shù)入門(納米技術(shù)的背景)

1、第一章 納米科技基礎(chǔ) 1.1 科學革命1.2 納米科技分類和納米機器1.3 元素周期表1.4 原子結(jié)構(gòu)1.5 分子和物質(zhì)的相態(tài)1.6 能量1.7 分子和原子尺寸1.8 表面和三維空間1.9 “自上而下”和“自下而上”2021/9/1211.1科技革命幾百萬年以前，人類發(fā)展到石器時代，這時我們的祖先開始利用石頭作為工具，石頭也就成為人類最早的工具。工匠可以利用這些巖石制造出不同用途的工具來，這些工具的使用促進了社會的進步。石器的使用可能是人類改造世界和掌握自身命運的第一步，并推動了如表1.1所示的其他方面的發(fā)展。發(fā)明類型名稱時代起始時間工業(yè)工具石器公元前2 200 000年工業(yè)冶金青銅器公元前3

2、500年 工業(yè)蒸汽機工業(yè)1764自動化大規(guī)模生產(chǎn)1906自動化計算機信息1946健康基因工程基因1953工業(yè)納米技術(shù)納米時代？1991自動化分子組裝組裝時代？2020？所有三類生命組裝生命時代？2050？表1.1 科學的發(fā)展史2021/9/122火是一種有價值的工具。大約在五六千年以前，有人將一塊含銅礦石放入篝火中，銅被熔化提煉出來。不久像青銅這種由兩種金屬熔融而成的合金被發(fā)現(xiàn)了。利用鐵礦石提煉出金屬鐵，從鐵進一步中提煉得到鋼?，F(xiàn)在人們通過新的冶金學方法，可以制備出自然界中沒有的新物質(zhì)。隨著食物的不斷豐富，越來越多的人能夠離開土地，開始從事商貿(mào)活動。18世紀之前，所有的生產(chǎn)活動都依賴人力和畜力

3、或者自然界的能源（比如水力和風力）。蒸汽機的發(fā)明很可能與銅的發(fā)現(xiàn)一樣意義重大，因為蒸汽機使用了完全不同的能源。有了蒸汽機，就隨之出現(xiàn)了火車和鐵路，接著石油、汽車、噴氣式飛機和宇宙飛船等也相繼問世。是什么導致了蒸汽機的發(fā)明呢？是要得到更好的馬車？還是對蒸汽作為一種能源感興趣？投資者也許對制造更好的馬車更感興趣，但是利用蒸氣這種能源才是發(fā)明蒸汽機的真正動力。 2021/9/123大規(guī)模生產(chǎn)與計算機是兩種不同的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明。電的使用使快速的大規(guī)模產(chǎn)品生產(chǎn)成為可能。建立在微晶體管基礎(chǔ)上的計算機，代替人腦進行計算和信息處理，加快了速度，提高了精度。DNA是脫氧核糖核酸的縮寫，它是稱為基因的生物體遺傳信息的

4、載體。RNA，也就是核糖核酸，將這些信息以不同方式在細胞內(nèi)傳輸。在第六章將詳細講述DNA和RNA?；蚬こ棠軌虮磉_和修飾DNA中的基因特性，這是一項正在發(fā)生的重大革命。人類第一次能夠把握自己和動植物的進化過程而不是完全依靠自然的繁殖過程。因此可以用一種不同的方法來延長壽命?；蚬こ淌沟萌祟惒粌H僅是通過減少意外事故或預防疾病的方法，而是借助基因工程通過改變物種的方法從根本上延長其壽命。2021/9/124什么是納米技術(shù)？為什么它能帶來巨大財富？為什么它會比以前所有其它的科學進程更重要呢？納米技術(shù)是一種按照人們的意志在原子水平上廉價地操縱物質(zhì)結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)，它是低成本和無污染的制造技術(shù)，能生產(chǎn)出納

5、米機器和納米器件。因此納米技術(shù)與第一件石器工具的發(fā)現(xiàn)同等重要。除了制造自然界已有的東西以外，我們還可以依照我們意愿通過納米技術(shù)創(chuàng)造事物。冶金技術(shù)將自然界的礦物作為原料，而納米技術(shù)則是將原子作為加工的對象。 雖然在我們的先輩們創(chuàng)造財富過程中，過時的科學知識并沒有起到重要作用。但是汽車、和電燈、晶體管和電子管以及藥物等讓福特、蓋茨、諾貝爾等獲得了巨額財富。遺傳工程和基因治療的發(fā)展，也會使得許多人一夜暴富。將來人們將依靠什么致富？答案就是納米技術(shù)。2021/9/125納米技術(shù)時代已經(jīng)開始了嗎？回答是肯定的。1959年12月，在美國物理學年會上，著名的物理學家、諾貝爾獎獲得者Richard Feynm

6、an首先提出納米技術(shù)的概念。Feynman指出：“我認為，物理學原理并不排斥通過操縱單個原子來制造物質(zhì)。這樣做并不違反任何定理，而且原則上是可以實現(xiàn)的”。如果說Feynman是哲學家，那么Drexler則是一位預言家。在創(chuàng)造的動力納米時代的來臨一書中，Drexler用即興和交叉的思考方法，對Feynman提出的納米技術(shù)概念進行了拓展，該書值得一讀。1990年Drexler指出：“納米技術(shù)的基本思想是在分子水平上，通過操縱原子來控制物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。它使我們可以利用單個原子組建分子系統(tǒng)，制備不同類型的納米器件?！?021/9/126Binning和Rohrer印證了Drexler的想法。1981年，I

7、BM公司蘇黎世研究實驗室的Binning和Rohrer發(fā)明了掃描隧道顯微鏡，使得人類首次在大氣及常溫下觀察到了原子，這為納米技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。爾后不久，科學家們便可以通過移動原子來構(gòu)筑納米結(jié)構(gòu)。在納米技術(shù)提出的早期階段，納米技術(shù)僅僅停留在實驗室階段，并沒有在實際生產(chǎn)中獲得應用。隨著人們對納米技術(shù)的重要性的認識的深入，建立在納米尺度上的“納米技術(shù)”這一術(shù)語被廣泛地接受了?！皀ano”一詞最早來自于希臘語，其含義為“侏儒”，但是在科學術(shù)語中“nano”是指10-9，即1nm就是10-9m，大概相當于10個氫原子肩并肩排列在一起的長度。所謂技術(shù)，是指按照科學規(guī)律來構(gòu)造有用的物質(zhì)。因此，“納米技術(shù)

8、”就是指在10-9米的尺度上構(gòu)造物質(zhì)。那么，納米技術(shù)和普通化學合成之間的差別何在呢？ 2021/9/127納米技術(shù)特別注重通過觀察原子和分子，在納米尺度上操縱分子和原子，因此它和普通化學是不同的。但是，納米技術(shù)卻基本涵蓋了所有的化學、大部分物理學和分子生物學的知識。Feynman 和 Drexler 提出的納米技術(shù)概念現(xiàn)在看來應歸于分子納米技術(shù)，有時叫分子加工技術(shù)。分子加工技術(shù)的描述并不十分貼切，因為它和合成化學的定義非常相似。有時我們也采用分子工程等術(shù)語，但是這些術(shù)語涵蓋了對于大于原子實體或基團的操作加工，即屬于設(shè)計操作幾十個或幾百個原子大小的物質(zhì)和設(shè)備等范疇。本書將涵蓋這些領(lǐng)域。2021/

9、9/128納米技術(shù)給予我們更為廣闊的思路，使我們可以在納米尺度上設(shè)計全新的器件，比如可以利用小塊晶體或生物材料進行加工，而不一定要將物質(zhì)拆分到單個原子。由原子構(gòu)筑的分子納米技術(shù)的發(fā)展和應用進程將是緩慢的，因為我們需要時間來確定物質(zhì)的臨界點，在這一臨界點我們只需要改變物質(zhì)中為數(shù)不多的幾個原子就會得到不同的材料。在第7章和第8章中，我們將討論單電子晶體管，這是分子納米技術(shù)快速商品化的實例之一。相對于自上而下（Top down）的加工過程，用單個原子組建納米器件會更有效，研究者可以達到在原子水平上控制物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性能的最終目的2021/9/129分子納米技術(shù)的最大問題是利用它雖然可以得到一、兩種分子納

10、米結(jié)構(gòu)，但是卻難于生產(chǎn)出眾多的產(chǎn)品。我們需要能夠大量制備納米結(jié)構(gòu)材料的機器，這種機器曾被稱之為“裝配器”。當我們能夠生產(chǎn)這種裝配器的時候，分子納米技術(shù)將掀起一場前所未有的工業(yè)革命，其影響將超過以前所有的工業(yè)革命。Drexler把裝配器描述為一種在計算機控制下的納米機器人。一個裝配器就是一臺納米機器，但是非常特殊的是，裝配器不但可以制造新的納米機器，而且還可以在同一過程中實現(xiàn)自我復制。裝配器能夠有效控制和固定反應原子和分子，使這些分子和原子在精確區(qū)域內(nèi)發(fā)生反應。通過一系列精確控制的化學反應以及分子自組裝，將可以建造在原子尺度上十分精確的大型物體。如果需要的話，裝配器可以實現(xiàn)自我復制。裝配器可以大

11、規(guī)模的廉價地生產(chǎn)產(chǎn)品。在確保每一個原子能夠被精確地安置的前提下，我們就可以生產(chǎn)高質(zhì)量和性能可靠的產(chǎn)品。因為在制造過程中多余的分子可以再利用，所以是一種清潔制造過程。在類似方式的生產(chǎn)線上，一個組裝器可以遵循一系列的指令組裝任意的分子結(jié)構(gòu)。通過對分子單元三維位置的定向控制，可以合成復雜的分子結(jié)構(gòu)。同時，組裝器可以形成各種不同類型的化學鍵。 2021/9/1210這當然不是科幻小說。這些結(jié)構(gòu)在生物體中已經(jīng)存在，被稱為核糖體。正是核糖體這一納米器件制造了所有生物所需要的蛋白質(zhì)。一典型核糖體只有幾千立方納米，但它能精確控制蛋白質(zhì)基本構(gòu)成單元氨基酸的序列，進而合成蛋白質(zhì)。核糖體通過一種RNA按序?qū)⑻囟ǖ拿?/p>

12、和氨基酸用化學鍵連接起來,也能控制氨基酸與多肽的反應，使氨基酸鍵聯(lián)在多肽的末端。就象核糖體依照信息載體RNA的指令而動作一樣，裝配器也需要一系列詳細的控制信號。當然，這些控制信號不一定是RNA或者DNA，許多其它的信號編碼也可以用來合成蛋白質(zhì)以外的物質(zhì)。在非生物納米器件中，這些詳細的控制信號可以由計算機提供，但是它必須是分子計算機，或者是與RNA相似的某種物質(zhì)。對于分子計算機領(lǐng)域，如果不改變目前的思維方式，我們將無法進一步減小電子芯片的特征尺寸。自然界中的一些現(xiàn)象為我們認識未來的納米器件提供線索。細菌是一個典型的由生物計算機控制的具有自我復制功能的裝配器。人類制造的納米器件不會比細菌大，也許和

13、病毒一樣小，甚至可能就是一種病毒。 2021/9/12111.2納米技術(shù)分類和納米機器什么是納米機器呢？正如前面所討論過的，4萬年前居住在洞穴中的人使用燧石作為工具，將合適的材料做成罐狀和盤狀來燒水。在那個時代，工具和機器的概念是很模糊的。單個工具組合起來就有新的用途，如刀和棍棒用繩子綁在一起就做成了矛，它是種武器，但同時亦是種工具。這些技術(shù)經(jīng)過不斷的發(fā)展進步，到現(xiàn)在我們能夠作到這樣：將物體分解開，然后把它們中的一部分進行再組合，造出極其復雜的機器。硅晶片和一些銅線連接在一起可以構(gòu)成微型電路，再和其它一些元件組合就可以組成一臺計算機。這些就是微型機器。 2021/9/1212生物體可以認為是許

14、多微型機器的集合體。如:除核糖體外，人體內(nèi)還存在數(shù)目巨大的微型機器，把碳水化合物轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸?，利用轉(zhuǎn)變過程中產(chǎn)生能量來維持人的生命活動。此過程和在火力發(fā)電廠中進行的過程沒有太大差別，不同的只是電廠利用煤而不是碳水化合物，且體積更為龐大而已。雖然人體內(nèi)這些賦有生命的設(shè)備很小，但是它們卻可以實現(xiàn)自我復制，所以它們比起燃煤發(fā)電設(shè)備更為復雜。生命活動的單元，如隔膜，由多種化學物質(zhì)組成，可以作為探測微量物質(zhì)的機器。然而，許多宏觀的有機體都是由成千上萬種不同的納米機器組合而成。例如，當光線照射到人的眼睛時，人就會產(chǎn)生腦電波。這是有機體將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，使大腦做出的反應。當然，與電子光柵相聯(lián)系的眼組織也會

15、自行復原。生物組織能夠自我生長，自我復制，而且不受外界干擾。2021/9/1213隨著科技的進步，許多機器和器件都微型化了。原來幾米大的設(shè)備，現(xiàn)在已經(jīng)縮小到幾個厘米，甚至更小。表1.2列舉了一些描述物體尺度的前綴?，F(xiàn)在使用的許多機器，比如微電子器件，都是在微米尺寸上進行操作。實際上，毛細血管就具有和集成電路元件相類似的尺度。我們在納米尺度上構(gòu)筑微型機器是完全可能的。因為納米是幾個原子的尺度，因此我們必須利用原子、原子簇、分子來開展工作。事實上，輪盤狀分子以及球狀、鏈狀和鏈輪狀分子已經(jīng)存在，這些形狀在目前的機器設(shè)備中經(jīng)常使用，但是在納米技術(shù)領(lǐng)域里，這些形狀將是在原子尺度上使用，而不是工廠車間規(guī)模

16、上使用。制造由眾多分子構(gòu)成的復雜的分子機器是完全可能的，比如類似于擁有火車站、隨時可以停止和啟動火車的納米鐵路線。可以用作開關(guān)和晶體管類電子器件的分子是非常重要的。2021/9/1214表1.2 描述物體尺度的前綴 前綴符號指數(shù)形式名稱ExaE1018千兆兆PetaP1015兆兆TeraT1012萬億GigaG109十億MegaM106百萬KiloK103千UnityU100個CntiC10-2百分之一MilliM10-3千分之一MicroM10-6百萬分之一NanoN10-9十億分之一PicoP10-12萬億分之一FemtoF10-15兆兆分之一AttoA10-18千兆兆分一2021/9/1

17、2151.3元素周期表 化學家已經(jīng)對具有納米結(jié)構(gòu)的分子研究了150多年。與納米技術(shù)學家不同，過去，化學家不能看到原子，只能通過推測去了解分子的行為。原子理論指出物質(zhì)都是由109種原子組成的，但過去這僅僅是一個理論?，F(xiàn)在我們認識到這已不只是抽象的理論，因為我們可以通過透射電子顯微鏡（TEM）確確實實地觀察到原子。我們非常希望能了解這些元素的幾百萬種結(jié)合方法，以及如何將其應用于納米技術(shù)。很幸運，元素周期表使我們能夠這樣去做。因為在元素周期表里，按照元素的原子量排列時，揭示了同一族元素性質(zhì)有規(guī)則的變化趨勢和規(guī)律。 2021/9/12162021/9/1217元素周期表是根據(jù)元素之間相似的性質(zhì)分類并按

18、照一定的規(guī)律把1號到109號的元素排列得到的。分子納米技術(shù)學家認為，元素只是用來構(gòu)成物質(zhì)的不同基本結(jié)構(gòu)單元的集合體。你也許覺得奇怪，原子的數(shù)目看上去好像是一個隨機數(shù)字。為什么元素的數(shù)目只是109，不是更多或者更少？這有點類似于Hitch Hiker星系理論里的數(shù)字42一樣，看上去似乎難以解釋。宇宙中存在的很多數(shù)字都十分特殊，比如，虛數(shù) ( )等。那么為什么偏偏是這個數(shù)字呢？這些并非真的很神秘，從26號鐵元素以后，隨著原子量的增大，原子核的穩(wěn)定性開始下降。按照這種思維，我們可以推知，可以制備出2050號元素。但它一定是極不穩(wěn)定的。所謂元素趨于不穩(wěn)定，也只是對它們存在的時間長短的一種度量而已。正象

19、我們可以獲得更多的知識，但永遠不能獲得所有的知識一樣。 2021/9/1218元素在元素周期表中的位置是其性質(zhì)的反映，所以當我們要初步了解某個元素的時候，最好的方法是弄清它在元素周期表中的位置。周期表中的列稱為族，行稱為周期。每一個族里的元素，其性質(zhì)都在逐漸發(fā)生變化。比如在第一族里的鈉元素，其性質(zhì)就是第一族里其他元素性質(zhì)代表。這一族里的元素還有：鋰Li、鉀K、銣Rb、銫Cs、鈁Fr，這些元素被稱為堿金屬。它們都是有銀色光澤的、低溫下就能熔融的軟金屬。在納米技術(shù)中，這些原子的重要性就在于它們很容易失去一個電子。緊挨著第一族元素的是堿土金屬，它們很容易失去兩個電子。周期表中最右邊的元素族是惰性氣體

20、，由稀有元素構(gòu)成，性質(zhì)非常不活潑。在納米技術(shù)中，這些元素常作為保護性工具來應用，尤其是最大的元素氡Rn和氙Xe。與惰性氣體相鄰的是鹵族元素，它們是一些活潑的氣體或固體。我們應該知道在周期表同一族中元素活性隨原子量的增加而降低。周期表中第3族到第12族是過渡金屬元素，包括鐵Fe、銅Cu、銀Ag和金Au，具有優(yōu)良的導電性等有用的電性能，是用于納米技術(shù)的重要元素區(qū)。第14族元素包括碳和硅，這兩種元素是制造納米碳管和導電納米器件的重要元素。當我們知道元素屬于哪一族、與哪些元素相鄰后，就可以預測該元素的性質(zhì)。 2021/9/12191.4 原子結(jié)構(gòu) 原子理論的雛型至少可以追溯到古希臘時代，他們提出了元素

21、的概念，并且認為構(gòu)成物質(zhì)基本元素是土、火、空氣和水，如果這些元素按適當?shù)捻樞蚪M合就可以得到各種各樣的物質(zhì)。這一觀點和我們今天的認知基本一致，不同的是現(xiàn)在人們認為是不同的元素構(gòu)成了地球上的物質(zhì)，其中包括一些自然界中根本不存在而只能在實驗室中才能合成得到的元素。什么是元素？每個元素由一種原子構(gòu)成。古希臘人認為物質(zhì)可以無限分割，但這個假說沒有科學實驗結(jié)果作為依據(jù)。1807年，在實驗事實的基礎(chǔ)上，英國教師道爾頓（17661844），闡述了原子概念并提出了原子理論。該理論的提出基于以下幾點假設(shè)：1. 元素由不可分割的粒子構(gòu)成，這些不可分割的粒子稱為原子。2. 構(gòu)成特定元素的所有原子是相同的（現(xiàn)在被認為是

22、不正確的）；而不同元素由不同的原子構(gòu)成。3. 原子結(jié)合在一起形成化合物，同一種化合物由相同數(shù)量和種類的原子組成。4. 化學反應時，原子從一種結(jié)合狀況變成另一種結(jié)合狀況，原子本身不發(fā)生變化。2021/9/1220道爾頓原子理論是化學發(fā)展史上的一個里程碑。這個理論的主要假設(shè)至今還在沿用，當然理論也在不斷完善，以解釋新的現(xiàn)象。道爾頓認為原子不能再分，這一點是不正確的?！安荒茉俜帧币馕吨诓桓淖冊刈陨砘瘜W性質(zhì)情況下，原子不能進一步分裂。例如，當一個碳原子被分解成更小的粒子時（稱作亞原子）就失去了原來的化學性質(zhì)。人們常把原子與原子彈、原子分裂聯(lián)系在一起。原子彈和核反應器都依靠自身核裂變鏈反應，它能釋放

23、巨大的能量。在核裂變過程中，一個重核子分裂成幾個不穩(wěn)定的較輕的粒子，釋放的能量可以完成物質(zhì)的合成或分解。1939年德國科學家Otto Hahn和Fritz Strassmann第一次報道了核裂變反應，1945年原子彈第一次在日本廣島和長崎爆炸。三種主要的基本亞原子粒子是電子、質(zhì)子和中子，質(zhì)子和中子構(gòu)成原子核。除此之外還存在許多其它的亞原子粒子，包括正電子、介子和中微子，對于它們的討論已經(jīng)超出了本書的范圍。電子是小而輕的粒子，帶負電荷。質(zhì)子比電子大而且重，帶正電荷。中子的大小和質(zhì)量與質(zhì)子相似，但不帶電荷。由于原子是電中性的，所以應該擁有相同數(shù)量的質(zhì)子和電子。與道爾頓的最初假設(shè)相反，同種元素中的所

24、有原子并不是都具有相同的質(zhì)量。我們把質(zhì)子數(shù)相同而原子量不同的原子稱為同位素，同位素之間中子數(shù)的不同導致了原子量的不同。例如，碳12和碳13都有6個質(zhì)子（原子序數(shù)6），但中子數(shù)分別為6和7。 2021/9/1221為了區(qū)分不同類型的原子核，我們把質(zhì)子數(shù)（原子序數(shù)）寫在元素符號的左下角，質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之和（質(zhì)量數(shù)）寫在元素符號的左上角。、表示質(zhì)子數(shù)為1、中子數(shù)分別為0、1、2的氫元素。同樣，、分別為含有不同質(zhì)子數(shù)的不同元素。表1.3給出了不同亞原子粒子的性質(zhì)。原子核既有自旋又帶正電的粒子，因此可把一個原子核看作一個小的磁鐵，在磁場中原子沿著磁場或逆磁場排列，原子核的磁性稱為核磁矩。只有自旋不為零的

25、原子核才具有核磁矩，是否具有核磁矩取決于質(zhì)子和中子的比例。如（1個質(zhì)子，0個中子）和（6個質(zhì)子，7個中子）的核自旋不為零，有磁矩，但（6個質(zhì)子，6個中子）中的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)均為偶數(shù)，核自旋為零，沒有磁矩。利用原子核的磁矩來探測原子核的性質(zhì)，這一現(xiàn)象就是核磁共振現(xiàn)象。 表1.3 部分亞原子微觀粒子的性質(zhì)亞原子粒子符號電荷數(shù)相對質(zhì)量(amu)實際質(zhì)量(g)質(zhì)子p+111.67310-24電子e-15.4510-49.11010-28中子n011.67510-242021/9/1222原子非常小，單個原子的直徑在0.1到0.5nm之間，元素不同原子直徑也存在差別。例如，一個碳原子直徑大約為0.15n

26、m，670萬個碳原子線形排列的長度為1mm（1106nm）。正如前文所提到的，電子圍繞原子核運動，電子云密度在距離原子核的一定距離時并不會突然降為零。那么原子的直徑究竟有多大？一種觀點認為在非常緊湊的結(jié)構(gòu)中，原子的半徑相當于相鄰原子間距的一半，但這種定義方式仍然存在一些問題。因為原子通過化學鍵結(jié)合在一起時，其原子間距小于沒有化學鍵連接時的距離，比如惰性氣體。然而在原子間為相同種類的化學鍵連接時，元素的原子半徑是可以比較的。一般的趨勢是在元素周期表中同一主族原子半徑由上到下逐漸增加，同一周期中原子半徑由左向右逐漸減少。這將在1.7節(jié)中詳細介紹。 2021/9/12231.5 分子與物質(zhì)的相態(tài) 物

27、質(zhì)具有三種狀態(tài)，即液態(tài)、氣態(tài)和固態(tài)。這些相態(tài)中存在的分子即是由原子互相結(jié)合起來形成的聚集體。氧氣是由兩個氧原子組成的分子，寫作O2；水（H2O）分子是由兩個氫原子和一個氧原子組成。原子組成分子有兩種方式：一種是共用電子，稱為共價鍵結(jié)合；另一種通過原子間的電子轉(zhuǎn)移組成分子，失去電子的原子帶正電，而得到電子的原子帶負電，分別用“+”與“-”來表示，稱為離子鍵結(jié)合。當電子在兩原子間轉(zhuǎn)移時，稱作電離。如氯化鈉（NaCl）中鈉原子帶正電，寫作Na+；氯原子帶負電，寫作Cl-。帶正電的稱為陽離子，帶負電的稱為陰離子。共價鍵用一直線表示，如氯氣（Cl2）分子可寫成Cl-Cl，直線表示兩原子共用電子。在共價鍵

28、型固體中，分子是獨立的，并能相互區(qū)分開。在氯化鈉這樣的離子鍵型固體中，如圖1.1所示，原子有規(guī)則地排列在點陣中，沒有單個獨立的分子。點陣有許多不同的類型，取決于原子堆積方式，與電荷和原子的尺寸也有關(guān)。2021/9/1224圖1.1氯化鈉晶格結(jié)構(gòu)如圖1.2所示，金屬中存在一種特殊的價鍵，金屬中所有的電子同時被所有的原子共享。這樣金屬就很容易導電，因為額外的電子很容易被移入與遷出，而從單個原子中遷移電子是困難的。這里不進一步討論金屬鍵，然而了解金屬的不同的導電能力是很重要的。 圖1.2金屬鍵2021/9/1225在納米技術(shù)中還涉及到其它一些很重要的價鍵。分子和原子也能通過相對弱的范德華力吸引在一起

29、。范德華在研究氣體時提出了這種吸引力，因而將這種形式的力命名為范德華力。這些吸引力有三種形式：倫敦力（圖1.3 a），也叫色散力；極化力（圖1.3b）；以及氫鍵。我們將簡要地逐一說明這些形式的作用力。圖1.3 a) 分子或原子間London力；b)兩個分子間的偶極相互作用 2021/9/1226電子繞原子核運動狀態(tài),有點類似于海面上的波浪。在任何時候，波浪中心水的密度顯然都要比波浪頂點處高，而且這將隨著波浪的移動而變化。在原子中，電子像波浪一樣“漂浮”在原子核周圍，在一定的空間位置上，電子密度總是大一些。這就導致了電荷在空分布上的差異，見1.3a，這種電荷的分離是偶極矩作用。在所有原子和分子之

30、間都存在色散力，而且影響其它原子和分子的帶電性。在納米技術(shù)中，可以借助于色散力獲取和移動原子。2021/9/1227在化學鍵中，并不是所有的原子都能均等地共享其電子，一些原子核可能比其它原子核“貪婪”些。當化學鍵中的電子被不均等地共享時，就會出現(xiàn)微小的電荷差異，表現(xiàn)為化學鍵具有極性，并且這種偶極作用會長期存在。當具有偶極作用的分子彼此接近時，便會產(chǎn)生相互作用。因為一個分子上的正電荷會和另外一分子的負電荷相互作用，這種相互作用稱作極化力（見圖1.3b）。2021/9/1228第三種類型的范德華力稱為氫鍵。它存在于水以及許多含氫化合物中，如H2Se、乙醇、DNA。當氫原子處于如氧、氟和氮等兩個原子

31、之間時，由于氧、氟和氮等原子中有多余的沒參與成鍵的電子對，這時就會形成氫鍵。當氫原子被這些原子中的電子所吸引時，原來的價鍵被削弱。當一個水分子中氫原子被另一個水分子的氧原子的電子吸引時，就形成了氫鍵，并且這第二個水分子還會和其它的水分子形成氫鍵。2021/9/1229如上所述，化合物中的分子和元素中的原子都會在相態(tài)中反映出來。物質(zhì)存在三種基本相態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)，有時也會以混合態(tài)的形式存在。納米技術(shù)涉及到的物質(zhì)大部分是固態(tài)，因為在固態(tài)中分子和原子相對比較固定，也容易觀察。在固相中，離子或原子有序排列就形成晶體。無序排列時稱作無定形，即是非晶態(tài)。前面提到的價鍵對物質(zhì)相態(tài)有很重要的影響。當成鍵很

32、強時，比如離子鍵，物質(zhì)在相對較高的溫度下仍能以固態(tài)的形式存在。當分子之間僅存在色散力時，物質(zhì)僅能在低溫下保持固態(tài)。隨溫度升高，分子間引力被破壞，弱的鍵首先被打開。假設(shè)沒有氫鍵存在，水在室溫下也會變成氣態(tài)。2021/9/1230在物質(zhì)的形態(tài)中，也會存在其它的變化形式。在晶體中存在三維點陣，并且分子取向一致。然而，在液體中也可能會存在相同的分子取向，它們稱作液晶。在液晶中，分子有序地形成點陣，但仍能流動，呈液體形態(tài)。物質(zhì)在不同的相態(tài)下其電子的運動規(guī)律有所不同。當物質(zhì)處于氣態(tài)時，原子和分子是相對孤立的，因此每個分子或原子有相對獨立的電子特性。電子可以在不同的能級中圍繞分子或原子運動，但它們不能在原子

33、間躍遷，除非它們被某種方式激發(fā)。然而，當固體中的原子結(jié)合在一起時，這種情況可能會發(fā)生變化。在每個能級只能有2個電子，這就需要許許多多的能級和電子對與之相對應，這時每個能級都非常接近以至于重疊在一起，這就表明電子分布在能帶中，而不是在非連續(xù)的原子能級上。2021/9/12311.6 能量 什么是溫度？它是熱能的一種表現(xiàn)形式。然而，除了熱能之外還存在許多其它形式的能量。物質(zhì)是宇宙的重要組成部分，它具有質(zhì)量，同時也具有能量。我們可以利用能量轉(zhuǎn)換因子，把不同種類的能量表達為同一種形式。對于質(zhì)量為m物質(zhì)而言，能量轉(zhuǎn)換因子是光速的平方。我們可以利用愛因斯坦方程E= mc2計算物質(zhì)的能量，其中c是光速，m是

34、物質(zhì)的質(zhì)量。分子形成過程中會聚集一定的能量，離子鍵的鍵能大約是4.2 10-20J，氫鍵的鍵能大約是3.3 10-20 J，色散力和極化力大約是氫鍵鍵能的十分之一。2021/9/1232光也是一種能量，我們稱之為電磁輻射能。它既可以被描述為一種波，也可以認為是由光子組成的物質(zhì)。然而，光通常被描述成波而非物質(zhì)。德國物理學家普朗克首先創(chuàng)造性地提出了“量子”的觀點，即電磁波在同物質(zhì)相互作用時，所交換的能量不是連續(xù)的，而只能一份一份地交換。在湖面或者海面上，風會產(chǎn)生波浪，它的波峰和波谷在水面上傳播。在垂直于風的方向上，隨著波峰的傳播，水上下運動。兩個波峰之間的距離稱為波長（），波也有振幅和頻率。202

35、1/9/1233可以用吉他弦來描述駐波。通過觸動琴弦上的某一點，就會產(chǎn)生一定的聲波，即聲音，因為琴弦的振動結(jié)果取決于被觸動點的位置。在這種類型的波中，波峰或者振幅最大點被稱為節(jié)點，它們的位置是固定的。駐波是波峰和節(jié)點都固定的波。當空氣隨著吉他弦振動時，我們就能聽到反應振動波長的音符。將手指彈奏在不同位置，就可以演奏很多的音符。舉個例子來說，如果在撥弄琴弦的同時，按一定的時間間隔撥動它的中點，將會形成一系列的波長和音符，我們必須在不連續(xù)的位置撥弄琴弦，才能得到悅耳的聲音。因為琴弦的兩端是固定的，因此我們不能得到所有的波長，在這種情況下，波長就是量子化的。2021/9/1234量子化的概念存在于我

36、們?nèi)粘Ｉ钪小＠?，我們在給汽車加油時，所加油的總價是83.568美分，你能按這個數(shù)值付錢嗎？肯定不能，因為我們貨幣的最小單位是1美分。錢不是量子化的，但是在貨幣制度上，錢卻是量子化的，最小的量子就是價格最小的硬幣。2021/9/1235電磁波在太空中的傳播速度是3108m/s，大約6億7千萬英里小時。光的性質(zhì)決定于它的波長和它在某一個方向上的頻率。光的波長對應于我們所看到的顏色，然而我們的眼睛只能檢測到某一波段的光，也就是可見光。除了可見光之外，宇宙中還有許多其它頻率的電磁波，例如無線電波具有非常寬的頻率，宇宙射線和射線卻只有非常窄的頻率。2021/9/1236圖1.4 給出了不同種類電磁波

37、的波長。當頻率非常高時，電磁波變成連續(xù)，這時它們不再波，而更應歸人連續(xù)的物質(zhì)，能量最好用質(zhì)量來描述。然而，一些能量同時具有波和物質(zhì)的特性，能量這一特性在納米科技中具有重要的作用。在原子尺度上，物質(zhì)之間相互作用，呈現(xiàn)出物質(zhì)和波的兩種特性。德布羅依（De Broglie）方程表達了波長和質(zhì)量m之間的關(guān)系：=h/mv式中h是 Planck 常數(shù)，v是質(zhì)點運動速率。根據(jù)這個方程，可以發(fā)現(xiàn)低速運動的大質(zhì)量粒子和一個快速運動的小質(zhì)量粒子會具有相同的波長。2021/9/1237電磁波的其它能量形式也可能具有波粒二相性。在海中，水撞擊你時的感覺是波浪在撞擊。這里一個波浪相當于一個能量包。對于電磁輻射能，這個能

38、量包稱為光子。當黃光照射你的時侯，每秒大約有1020個光子照到你。電子是一種具有波粒二相性的特殊的能量形式。當我們把原子中的電子激發(fā)到高能級，然后觀察原子的能量損失，我們會發(fā)現(xiàn)能量的損失是不連續(xù)的，在原子吸收能量時也存在同樣的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象也稱之為量子化。能量是量子化的，電子也是量子化的。當電子被描述為波時，則有特定的波長。 2021/9/1238在熱力學上，能量可以用焓和熵等自由能來描述。在十九世紀中葉，人們發(fā)現(xiàn)化學反應會吸收或者放出熱量。一些反應能自發(fā)進行，就像水能自發(fā)地從高處流向低處。另外一些反應則需要能量推動它們才能進行，就像我們需要能量才能將水輸送到山頂。化學反應過程中有自由能的變化

39、，因為反應過程有能量損失，因此自由能G帶有負號。自由能G的變化取決于化學反應前后物質(zhì)的焓變H。在低溫下，分子運動緩慢且較為有序；在高溫下，熱能導致平移、旋轉(zhuǎn)和振動，其運動狀態(tài)更接近于自然的無序狀態(tài)。 2021/9/1239GHTS （1.1）式中，S表示反應前后物質(zhì)熵（S）的變化，T表示溫度。澳大利亞物理學家玻爾茲曼建立了原子行為與S之間的關(guān)系。雖然他畢生研究成果可信度不高，但是他卻為我們留下了一個以他的名字命名的非常重要常數(shù)，即玻爾茲曼常數(shù)。玻爾茲曼提出了熵（S）的概念，熵的大小反映了某些過程自發(fā)進行的可能性（用W表達）。S和W之間存在對數(shù)關(guān)系：S=KlnW （1.2）式中：K是玻爾茲曼常數(shù)

40、。 2021/9/1240從分子的角度理解熵的概念，要比實驗室反應過程容易的多。設(shè)想我們研究某物體表面上的二十個分子，該分子有兩種不同的原子構(gòu)成，因為分子內(nèi)的二個原子不同，我們可以將其描述為頭和尾。如果這些分子的排列方向完全一致，即所有分子的頭指向同一個方向排成一列，這時W1，由（1.2）計算出S0。當這二十個分子被加熱而獲得能量時，它們可以在所有可能的方向上取向，這時W220，因為k1.3810-23J.K-1，則 S=1.3810-23J.K-1ln2201.910-22J.K-1。在受熱情況下，分子取向趨于混亂，S值從0增大到了1.910-22J.K-1。從20個原子來看，熵的增加很小。

41、但是對于大量的原子來說，熵的增加將是非常大的。對于實驗室中的一小撮粉末（大約1021個原子）來說，熵的增加量已經(jīng)相當大了。從第八章中我們可以看到，分子取向的計算對量子計算和納米計算機都是十分重要的，并且玻爾茲曼常數(shù)非常關(guān)鍵和重要。 2021/9/12411.7 分子和原子尺寸前文我們已經(jīng)指出納米技術(shù)是在納米尺度上工作，而納米相當于幾個原子排列在一起的長度。然而，單個原子的尺寸并不是一個簡單的問題，因為原子內(nèi)部大部分是空的。原子核就好像是足球運動場中的一個足球，電子在該足球場中運動。原子是沒有剛性的球形界面，它可以被設(shè)想成一個帶有正電荷的實心的原子核，被一層帶有負電的電子云所包圍。而且，電子云通

42、常會表現(xiàn)出波粒二相性，電子也不是圍繞原子核做固定的圓周運動，因此我們認為原子尺寸就是原子核外的電子繞原子核運行所占據(jù)的空間。當原子失去電子變成離子后，其尺寸會有很大的變化。這不僅僅是因為原子將失去原來電子所占有的空間，而且會由于原子核對其它電子的引力增大而導致原子尺寸收縮。2021/9/1242盡管原子的絕對大小難于確定，但在納米技術(shù)中我們?nèi)孕枰私庠拥南鄬Τ叽?。圖1.5列出了各種原子的相對尺寸大小。在不同的環(huán)境下和不同的化學鍵中，原子尺寸會存在很大的差異，因此我們必須針對某些情況做出一些定義。我們可以非常精確地測定原子之間和離子之間的距離，因此把該距離作為原子或離子半徑的量度。原子半徑可以定義為相鄰兩個相同原子核間距離的一半，原子半徑的大小取決于原子間的化學鍵（金屬鍵、離子鍵或共價鍵）。當相鄰原子的種類不同時，例如NaCl，我們把兩原子間距離的一部分作為一個原子半徑，而剩下的部分作為另一個原子的半徑。2021/9/12432021/9/1244圖1.5不同原子的相對大小金屬鈉中鈉原子半徑大于NaCl化合物中的鈉原子半徑。在NaCl中，每個鈉原子都失去了一個電子，變成了帶正電的鈉離子；每一個氯原子都得到了一個電子，變成帶負電的氯離子，氯離子的半徑約是氯原子半徑的兩倍。氯氣分子中兩個原子之間的化學鍵和金剛石中碳原子之間的化學鍵都是共價鍵，原子半徑就是