納米技術（1） 緒論1，納米尺度的定義：在納米尺度（1nm-100nm之間）上研究物質（包括原子、分子的操縱）的特性和相互作用，以及利用這些特性的多學科交叉的科學和技術。 ,2，納米技術的內容：納米技術（nanotechnology）是用單個原子、分子制造物質的科學技術，研究結構尺寸在0.1至100納米范圍內材料的性質和應用。納米科學技術是以許多現代先進科學技術為基礎的科學技術，它是現代科學（混沌物理、量子力學、介觀物理、分子生物學）和現代技術（計算機技術、微電子和掃描隧道顯微鏡技術、核分析技術）結合的產物，納米科學技術又將引發一系列新的科學技術，例如：納米物理學、納米生物學、納米化學、納米電子學、納米加工技術和納米計量學等。（七大學科，三大領域）納米技術是一門交叉性很強的綜合學科，研究的內容涉及現代科技的廣闊領域。納米科學與技術主要包括：納米體系物理學、納米化學、納米材料學、納米生物學、納米電子學、納米加工學、納米力學等 。這七個相對獨立又相互滲透的學科和納米材料、納米器件、納米尺度的檢測與表征這三個研究領域。納米材料的制備和研究是整個納米科技的基礎。其中，納米物理學和納米化學是納米技術的理論基礎，而納米電子學是納米技術最重要的內容。（三個層次，概念）從迄今為止的研究來看，關于納米技術分為三種概念：第一種，是1986年美國科學家德雷克斯勒博士在創造的機器一書中提出的分子納米技術。根據這一概念，可以使組合分子的機器實用化，從而可以任意組合所有種類的分子，可以制造出任何種類的分子結構。這種概念的納米技術還未取得重大進展。第二種概念把納米技術定位為微加工技術的極限。也就是通過納米精度的加工來人工形成納米大小的結構的技術。這種納米級的加工技術，也使半導體微型化即將達到極限。現有技術即使發展下去，從理論上講終將會達到限度，這是因為，如果把電路的線幅逐漸變小，將使構成電路的絕緣膜變得極薄，這樣將破壞絕緣效果。此外，還有發熱和晃動等問題。為了解決這些問題，研究人員正在研究新型的納米技術。第三種概念是從生物的角度出發而提出的。本來，生物在細胞和生物膜內就存在納米級的結構。DNA分子計算機、細胞生物計算機的開發，成為納米生物技術的重要內容。（2） 納米技術的發展史，三個階段1，發展史概括：納米技術的靈感來源，來自于已故物理學家理查德費曼1959年所作的一次題為在底部還有很大空間的演講。關鍵突破1990年，IBM公司阿爾馬登研究中心的科學家成功地對單個的原子進行了重排，納米技術取得一項關鍵突破。他們使用一種稱為掃描探針的設備慢慢地把35個原子移動到各自的位置，組成了IBM三個字母。這證明費曼是正確的。技術編年史1993年，繼1989年美國斯坦福大學搬走原子團“寫”下斯坦福大學英文、1990年美國國際商用機器公司在鎳表面用36個氙原子排出“IBM”之后，中國科學院北京真空物理實驗室自如地操縱原子成功寫出“ 中國”二字，標志著中國開始在國際納米科技領域占有一席之地；近年來，一些國家紛紛制定相關戰略或者計劃，投入巨資搶占納米技術戰略高地。2，納米材料的基本效應：定義+特性1）量子尺寸效應是指當粒子尺寸下降到某一數值時費米能級附近的電子能級由準連續變為離散能級或者能隙變寬的現象。當能級的變化程度大于熱能、光能、電磁能的變化時導致了納米微粒磁、光、聲、熱、電及超導特性與常規材料有顯著的不同。 大塊材料的能帶可以看作是準連續的,而介于原子和大塊材料之間的納米材料的能帶將分裂為分立的能級,能級間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。例如導電的金屬在納米顆粒時可以變成絕緣體,磁距的大小與顆粒中電子是奇數還是偶數有關,比熱亦會反常變化 量子尺寸效應會導致納米粒子磁、光、聲、熱、電以及超導電性與宏觀特性有著顯著不同。如金屬是導體但納米金屬微粒在低溫由于量子尺寸效應會呈現電絕緣性2. 小尺寸效應當顆粒的尺寸與光波波長、德布羅意波長以及超導態的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當或更小時晶體周期性的邊界條件將被破壞非晶態納米粒子的顆粒表面層附近的原子密度減少導致聲、光、電、磁、熱、力學等特性呈現新的物理性質的變化稱為小尺寸效應。3. 表面效應球形顆粒的表面積與直徑的平方成正比其體積與直徑的立方成正比故其比表面積表面積/體積與直徑成反比。隨著顆粒直徑的變小比表面積將會顯著地增加顆粒表面原子數相對增多從而使這些表面原子具有很高的活性且極不穩定致使顆粒表現出不一樣的特性這就是表面效應。 4. 宏觀量子隧道效應當微觀粒子的總能量小于勢壘高度時該粒子仍能穿越這一勢壘。近年來人們發現一些宏觀量例如微顆粒的磁化強度量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效應稱為宏觀的量子隧道效應。特性：納米材料呈現如下的宏觀物理性能：(1)高強度和高韌性；特殊的力學性能，氧化鋁陶瓷材料中加入碳化硅，抗彎強度從原來的300400MPA變為1.01.5GPA。 (2)高熱膨脹系數,高比熱容和低熔點；例如2nm的金顆粒熔點為600K隨著粒徑增加熔點迅速上升塊狀金為1337k 。 (3)異常的導電率和磁化率；。小尺寸材料可成超順磁性，蜜蜂，蝴蝶，鴿子運用超微的磁性顆粒，進行辨別方向(4)極強的吸波性；例如：納米鐵粉，因為強烈的吸光性，呈黑色。且易與空氣燃燒 ，隱身材料(5)高擴散性。 基本納米材料有哪些基本的效應？試舉例說明 答：納米材料的基本效應有：一、尺寸效應，納米微粒的尺寸相當或小于光波波長、傳導電子的德布羅意波長、超導態的相干長度或投射深度等特征尺寸時，周期性的邊界條件將被破壞，聲、光、電、磁、熱力學等特征性即呈現新的小尺寸效應。出現光吸收顯著增加并產生吸收峰的等離子共振頻移；磁有序態轉為無序態；超導相轉變為正常相；聲子譜發生改變等。例如，納米微粒的熔點遠低于塊狀金屬；納米強磁性顆粒尺寸為單疇臨界尺寸時，具有很高的矯頑力；庫侖阻塞效應等。二、量子效應，當能級間距大于熱能、磁能、靜磁能、靜電能、光子能量或超導態的凝聚能時，必須考慮量子效應，隨著金屬微粒尺寸的減小，金屬費米能級附近的電子能級由準連續變為離散能級的現象 和半導體微粒存在不連續的最高被占據分子軌道和最低未被占據分子軌道，能隙變寬的現象均稱為量子效應。例如，顆粒的磁化率、比熱容與所含電子的奇、偶有關，相應會產生光譜線的頻移，介電常數變化等。三、界面效應，納米材料由于表面原子數增多，晶界上的原子占有相當高的比例，而表面原子配位數不足和高的表面自由能，使這些原子易與其它原子相結合而穩定下來，從而具有很高的化學活性。引起表面電子自旋構象和電子能譜的變化；納米微粒表面原子運輸和構型的變化。四、體積效應，由于納米粒子體積很小，包含原子數很少，許多現象不能用有無限個原子的塊狀物質的性質加以說明，即稱體積效應。久保理論對此做了些解釋。（3） 納米材料的制備分類及其特點1，按原理分類：物理，化學1）物理方法物理方法是指制備過程在不經化學反應的條件下，通過蒸發、冷凝、攪拌、球磨、熱塑變形等制備納米粒子的方法。物理方法主要分為蒸發冷凝法、物理粉碎法、機械球磨法以及新型電解法等。 這些制備方法的特點：制品粒子表面清潔、無雜質、粒度可控、活性高等優點。但大多數是生產率較低，設備復雜且成本。2）化學方法化學方法是指在一定條件下，借助化學反應制備納米材料的方法。根據反應體系相態不同可將化學方法分為氣相化學法和液相化學法。化學法主要有氣相沉積法（使用最廣）、化學沉積法、水熱合成法、膠體化學法、微乳液法等。特點：1粒度可控、純度高、粒度分布窄且均勻、無粘結，可對整個基體進行沉積等優點。其缺點是襯底溫度高。；2簡單易行，但所得產品純度低，粒徑較大，適合制備氧化物。；3：純度高、分散性好、晶形好且粒度可控；：4反應物種多、粒度均一、過程易控；5粒子的單分散和界面性好，族半導體納米粒子多采用此法制備.（與上五種方法一一對應）2，納米材料制備過程的物態分類 ：氣相法、液相法、固相法1） 氣相法 氣相法是將高溫的蒸汽在冷阱中冷凝或在襯底上沉積和生長低維納米材料的方法。氣相法主要包括物理氣相沉積PVD和化學氣相沉積CVD在某些情況下使用其他熱源獲得氣源如電阻加熱法高頻感應電流加熱法混合等離子加熱法通電加熱蒸發法。特點：這種方法制備的納米材料均勻、細度可控借助一定的技術手段可得到表面修飾的穩定性好的納米材料2） 液相法 液相法是以均勻的溶液相為出發點通過各種途徑是溶液和溶劑分離溶質形成一定形狀和大小的顆粒或所需材料的前驅體再通過干燥或熱分解后得到納米顆粒該法主要用于氧化物納米材料的制備。常用的液相法包括沉淀法水熱法微乳液法噴霧法和溶膠-凝膠法。特點：這種方法是目前主要的迅速發展的納米材料的合成方法能夠合成多種多樣的納米材料或者是復合納米材料但其不足之處是合成的納米材料帶有雜質這對納米材料的性質會產生不良影響3） 固相法 固相法合成與制備納米材料是固體材料在不發生熔化、氣化的情況下使原始晶體細化或反應生成納米晶體的過程。目前發展出的固相法主要有高能球磨法、固相反應法、大塑性變形法、非晶晶化法及表面納米化等方法。特點：一般限于機械合金化技術制造技術在一定條件下常規的固體材料經粉碎可得到納米材料。固相制備方法對比前兩種方法來說能夠制備的納米材料是有限的其制備納米粒子的粒度還是相對比較大的同時納米材料的細度分布無法有效控制。（4） 納米的檢測和表征。1） 掃描隧道顯微鏡的原理：根據量子力學中的隧道效應原理，通過探測固體表面原子中電子的隧道電流來分辨固體表面形貌的新型顯微裝置。 經典力學中，當一個粒子的能量E低于前方勢壘的高度U0時，粒子將完全被彈回，它便不可能越過此勢壘，即透射系數等于零。而在量子力學中，對于被觀察的微觀粒子在一般情況下，粒子能夠穿透能量比粒子能量更高的勢壘，其透射系數不等于零，這一象被稱為隧道效應。STM的主要種工作模式：恒流模式、恒高模式和掃描隧道譜。STM的基本原理就是量子隧道效應。將原子線度的極細針尖和被研究物質的表面作為兩個電極，在兩電極間加一個偏壓V，當極細針尖接近樣品表面（通常小于1nm）時，在針尖和樣品表面之間就會產生克服間隙勢壘的隧道電流。恒流模式所謂恒流模式，是在掃描過程中，保持隧道電流不變的工作模式。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。 恒高模式所謂恒高模式，是在掃描過程中，保持針尖高度不變的工作模式。在掃描過程中，保持針尖的高度不變，通過記錄隧道電流的變化來得到樣品的表面形貌信息。這種模式通常用來測量表面形貌起伏不大的樣品2）原子力顯微鏡的原理：原子力顯微鏡的工作原理就是將探針裝在一彈性微懸臂的一端，微懸臂的另一端固定，當探針在樣品表面掃描時，探針與樣品表面原子間的排斥力會使得微懸臂輕微變形。這樣，微懸臂的輕微變形就可以作為探針和樣品間排斥力的直接量度。一束激光經微懸臂的背面反射到光電檢測器，可以精確測量微懸臂的微小變形，這樣就實現了通過檢測樣品與探針之間的原子排斥力來反映樣品表面形貌和其他表面結構。在原子力顯微鏡Atomic Force MicroscopyAFM的系統中可分成三個部分力檢 測部分、位置檢測部分、反饋系統 見圖1。AFM的工作方式：1） 接觸模式（Contact Mode）： 優點：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這力很大橫向力與粘著力的合力導致圖像空間分辨率降低，而且針尖掛擦樣品會損壞軟質樣品（如生物樣品，聚合體等）。 2） 非接觸模式（Non-Contact Mode）： 優點：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，刮擦樣品。由于上述缺點，on-contact Mode的使用受到限制。 3） 輕敲模式（Tapping Mode）： 優點：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。（5） 納米生物技術1）納米生物技術：（內容）是指在納米尺度上認識生物分子的精細結構和功能之間的聯系，并在此基礎上按研究者的意愿組合、裝配創造出滿足人們意愿并行使特定功能的生物納米機器。眾多的生物大分子是天然的納米機器，受自然選擇限制，只有在生理條件合適的情況下才能保持活性：無機納米材料本身具有獨特的性質，但又缺乏生物活性，功能受限。因此，將兩者有機的結合起來所產生的生物納米復合機器將會成為未來生物納米技術發展的主流。 另外，納米生物技術（領域）在生物醫學、藥學、人類健康等領域已經有重大應用。納米生物醫用材料將解決臨床對高性能組織修復、器官替換和診療的迫切需求，在人類康復工程中發揮重要作用。預期在未來30年內，與醫學和健康領域相關的納米技術的研究將影響產值達4800億美元的生物醫藥制造業。納米生物醫用材料和醫藥技術研究既有現實的迫切需求，又有廣闊的應用前景和巨大的社會效益。 其實，生物納米技術也是一項通過觀察，思考，假設，實驗，再不斷的修正假設和不斷的進行實驗，最終使得假設上升為理論的科學，與其他科學不同的是，它代表了21世紀科學發展的方向。納米生物技術的飛速發展,將廣泛應用于醫學臨床。納米生物技術應用于惡性腫瘤的靶 向性治療將成為一種新的診療方法,可望在十五年內征服部分惡性腫瘤。納米基因載體將推 進基因治療的臨床應用進展。納米探針診斷技術和納米細胞分離技術將在臨床和生物技術 產品開發中廣泛應用,納米生物材料作為人體內植入物和應用于組織工程將解決傳統材料 在臨床應用的許多弊端。納米技術改造傳統中藥加工工藝將在很大程度上提高中醫藥的治 療效果。 2納米技術在診療上的應用：納米生物技術的飛速發展,將廣泛應用于醫學臨床。納米生物技術應用于惡性腫瘤的靶 向性治療將成為一種新的診療方法,可望在十五年內征服部分惡性腫瘤。納米基因載體將推 進基因治療的臨床應用進展。納米探針診斷技術和納米細胞分離技術將在臨床和生物技術 產品開發中廣泛應用,納米生物材料作為人體內植入物和應用于組織工程將解決傳統材料 在臨床應用的許多弊端。納米技術改造傳統中藥加工工藝將在很大程度上提高中醫藥的治 療效果。 （納米的靶向藥物、高效緩釋藥物，細胞內傳感器、生物芯片、納米生物探測技術）診斷：納米生物傳感器是由納米載體與能夠識別腫瘤細胞表面受體的特異性配位體組裝而成。納米生物傳感器與惡性腫瘤細胞特異性結合后，利用物理方法如測試傳感器中的磁訊號、光訊號等，可以發現早期惡性腫瘤并準確定位，將納米生物傳感器與生化檢測技術相結合*能夠對體內是否存在惡性腫瘤進行早期診斷。納米生物檢測技術具有高通量、超靈敏等特點。現階段，納米診斷技術有幾個研究熱點：生物芯片、納米診斷試劑及納米生物傳感器。治療： DNA納米技術和基因治療 DNA納米技術(DNA nanotechnology)是指以DNA的理化特性為原理設計的納米技術，主要應用于分子的組裝。DNA復制過程中所體現的堿基的單純性、互補法則的恒定性和專一性、遺傳信息的多樣性以及構象上的特殊性和拓撲靶向性，都是納米技術所需要的設計原理9。現在利用生物大分子已經可以實現納米顆粒的自組裝。將一段單鏈的DNA片斷連接在13 nm直徑的納米金顆粒A表面，再把序列互補的另一種單鏈DNA片斷連接在納米金顆粒B表面，將A和B混合，在DNA雜交條件下，A和B將自動連接在一起10。利用DNA雙鏈的互補特性，可以實現納米顆粒的自組裝。利用生物大分子進行自組裝，有一個顯著的優點：可以提供高度特異性結合，這在構造復雜體系的自組裝方面是必需。（6） 綜合納米電子學：如果說微電子學的理論基礎是固體能帶理論，那么納米電子學的理論基礎則是各種量子化效應。而在不同的納米結構與器件中，其量子化效應的物理體現也是多種多樣的。換言之，也正是各種量子化效應的出現，才導致了具有不同量子功能納米量子器件的誕生。納米電子學是納米技術的重要組成部分是傳統微電子學發展的必然結果是納米技術發展的主要動力。納米電子學在傳統的固態電子學基礎上借助最新的物理理論和最先進的工藝手段按照全新的概念來構造電子器件與系統。納米電子學在更深層次上開發物質潛在的信息和結構的能力使單位體積物質儲存和處理信息的能力提高百萬倍以上實現信息采集和處理能力的革命性突破。納米電子學與光電子學、生物學、機械學等學科結合可以制成光電器件、分子器件、微電子機械系統、微型機器人等將對人類的生產和生活方式產生變革性的影響納米電子學將成為21世紀信息時代的關鍵技術。隨著微電子技術的發展和應用市場的開發對IC的集成密度的要求越來越高電子器件的小型化以指數率持續變小特征尺寸從微米級到亞微米級再縮小至納米級。納米電子技術是傳統電子技術發展的必然結果。1納米級CMOS器件如絕緣層上硅MOSFET、2量子效應器件如量子干涉器件、量子點器件和諧振隧道器件等 3單電子器件如單電子箱、電容耦合和電阻耦合單電子晶體管、單電子結陣列、單電子泵、單電子陷阱等 4單分子器件如單電子開關、單原子點接觸器件、單分子開關、分子線、量子效應分子電子器件、電化學分子電子器件等 5納米傳感器如量子隧道傳感器等 6納米集成電路包括納米電子集成電路和納米光電集成電路 7納米存儲器如超高容量納米存儲器、隧道型靜態隨機存儲器、單電子硅基 存儲器、單電子存儲器、單電子量子存儲器等 8納米CMOS混合電路納米級精度的加工和納米級表層的加工，即原子和分子的去除、搬遷和重組是納米技術主要內容之一。納米加工技術擔負著支持最新科學技術