1、本科生專業(yè)課程本科生專業(yè)課程 第第1010章章納米技術(shù)納米技術(shù) 納米級納米級（0.1nm100nm） 納米技術(shù)納米技術(shù)包括包括材料、設(shè)計、制造、測量和控制材料、設(shè)計、制造、測量和控制技術(shù)，技術(shù)，涉及涉及機械、電子、材料、物理、化學、生物、醫(yī)學機械、電子、材料、物理、化學、生物、醫(yī)學等等多個領(lǐng)域。多個領(lǐng)域。在達到納米層次后，決非幾何上的在達到納米層次后，決非幾何上的“相似縮小相似縮小”，而出現(xiàn)一系列新現(xiàn)象和規(guī)律。而出現(xiàn)一系列新現(xiàn)象和規(guī)律。量子效應(yīng)、界面效應(yīng)、量子效應(yīng)、界面效應(yīng)、尺寸效應(yīng)尺寸效應(yīng)等不可忽略，甚至成為主導因素。等不可忽略，甚至成為主導因素。 1納米納米=10-9m，大大約約等等于于十

2、十個氫個氫原子原子并并列一列一直直線線的的長長度。度。 形象地講，形象地講，一納米的物體放到乒乓球上，一納米的物體放到乒乓球上，就像一個乒乓球放在地球上一般，這就是就像一個乒乓球放在地球上一般，這就是納米長度的概念納米長度的概念。 人人類頭發(fā)類頭發(fā)的直的直徑徑大大約約有有6萬萬至至8萬納萬納米米。 納米及納米技術(shù)納米及納米技術(shù) 納米技術(shù)：納米技術(shù)：是是20世紀世紀80年代末期興起的新技術(shù)，其年代末期興起的新技術(shù)，其基本含意是在基本含意是在納米尺寸范圍納米尺寸范圍內(nèi)認識和改造自然，通內(nèi)認識和改造自然，通過直接操縱和安排過直接操縱和安排原子、分子原子、分子而達到創(chuàng)新的目的。而達到創(chuàng)新的目的。 主要

3、是主要是在在納米尺度納米尺度(0.1-100nm)上研究物質(zhì)上研究物質(zhì)(包括原子、包括原子、分子的操縱分子的操縱)的特性和相互作用，以及如何利用這些的特性和相互作用，以及如何利用這些特性和相互作用的具有多科交叉性質(zhì)的科學和技術(shù)。特性和相互作用的具有多科交叉性質(zhì)的科學和技術(shù)。納米科技研究內(nèi)容納米科技研究內(nèi)容 納米科技的研究內(nèi)容：納米科技的研究內(nèi)容：納米納米物理學、納米化學、納米材物理學、納米化學、納米材料學、納米生物學、納米電料學、納米生物學、納米電子學、子學、納米加工學納米加工學、納米力、納米力學學等學科。等學科。 納米技術(shù)納米技術(shù)涉及涉及機械、電子、機械、電子、材料、物理、化學、生物、材料、

4、物理、化學、生物、醫(yī)學醫(yī)學等多個領(lǐng)域。等多個領(lǐng)域。 納米科技大廈納米科技大廈納米技術(shù)研究的主要內(nèi)容納米技術(shù)研究的主要內(nèi)容 納米材料；納米材料； 納米級傳感與控制技術(shù)；納米級傳感與控制技術(shù)； 納米級測量技術(shù)；納米級測量技術(shù)； 納米級加工技術(shù)；納米級加工技術(shù)； 納米機械的設(shè)計與制造技術(shù)納米機械的設(shè)計與制造技術(shù) 。在達到納米層次后，決非幾何上的在達到納米層次后，決非幾何上的“相似縮小相似縮小”，而出現(xiàn)一系列新現(xiàn)象，而出現(xiàn)一系列新現(xiàn)象和規(guī)律。和規(guī)律。量子效應(yīng)、界面效應(yīng)、尺寸量子效應(yīng)、界面效應(yīng)、尺寸效應(yīng)效應(yīng)等不可忽略，甚至成為主導因素。等不可忽略，甚至成為主導因素。人們發(fā)現(xiàn)，在人們發(fā)現(xiàn)，在0.l一一10

5、0nm的空間尺度的空間尺度內(nèi)，物質(zhì)存在許多奇異的性質(zhì)。內(nèi)，物質(zhì)存在許多奇異的性質(zhì)。任何物質(zhì)到了納米量級，其物理、化學性質(zhì)都會發(fā)生巨大任何物質(zhì)到了納米量級，其物理、化學性質(zhì)都會發(fā)生巨大的變化，也會因此而具有一些新的特性。例如，納米鐵粉的變化，也會因此而具有一些新的特性。例如，納米鐵粉一改一改“不怕火燒不怕火燒”的的“英雄本性英雄本性”，而變成一旦遇到空氣，而變成一旦遇到空氣，就能馬上燃燒起來，生成氧化鐵。就能馬上燃燒起來，生成氧化鐵。納米感覺納米感覺納米材料的基本效應(yīng)納米材料的基本效應(yīng) 小尺寸效應(yīng)小尺寸效應(yīng)：當微粒分割到達一定程度時，其性質(zhì)將會發(fā)生根本性當微粒分割到達一定程度時，其性質(zhì)將會發(fā)生根

6、本性的變化。的變化。量子效應(yīng)量子效應(yīng)：電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象。：電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象。界面效應(yīng)界面效應(yīng)：納米材料由于大量的原子存在于晶界和局部的原子結(jié)構(gòu)：納米材料由于大量的原子存在于晶界和局部的原子結(jié)構(gòu)不同于大塊晶體材料，使納米材料的自由能增加，納米材料處于不不同于大塊晶體材料，使納米材料的自由能增加，納米材料處于不穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定狀態(tài)。表面效應(yīng)：表面效應(yīng)：納米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子或分子所納米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子或分子所占的比例非常大。占的比例非常大。特點特點：尺寸小、比表面積大、表面能高、表面原子比例大尺寸小、比表面積大、表面能高、表面

7、原子比例大四四個個方面方面應(yīng)應(yīng)用用: (1) 納納米米電電子子學學(2) 納米納米材料科材料科學學(3) 納納米生物米生物學學(4) 納納米米醫(yī)學醫(yī)學: 發(fā)明發(fā)明、設(shè)計設(shè)計及生及生產(chǎn)納產(chǎn)納米米級級的新的新藥物藥物 特點及應(yīng)用特點及應(yīng)用觀察和研究固體表面的微觀結(jié)構(gòu)觀察和研究固體表面的微觀結(jié)構(gòu)改造微觀世界的手段改造微觀世界的手段 操縱原子不是夢操縱原子不是夢進行納米級微加工進行納米級微加工表面刻蝕表面刻蝕進行納米級微加工進行納米級微加工表面刻蝕表面刻蝕進行納米級微加工進行納米級微加工表面刻蝕表面刻蝕600nm石墨表面上刻蝕石墨表面上刻蝕 1981年：科學家發(fā)明研究納米的重要工具年：科學家發(fā)明研究納

8、米的重要工具掃描隧道顯掃描隧道顯微鏡微鏡，原子、分子世界從此可見。，原子、分子世界從此可見。 1990年：首屆國際納米科技會議在美國巴爾的摩舉辦，年：首屆國際納米科技會議在美國巴爾的摩舉辦，納米技術(shù)納米技術(shù)形式誕生。形式誕生。 1991年：碳納米管被人類發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量是相同體積鋼年：碳納米管被人類發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量是相同體積鋼的六分之一，強度卻是鐵的的六分之一，強度卻是鐵的10倍，倍，成為納米技術(shù)研究的成為納米技術(shù)研究的熱點熱點。 國外納米技術(shù)進展國外納米技術(shù)進展國外納米技術(shù)進展國外納米技術(shù)進展移動原子移動原子世界上最小的廣告世界上最小的廣告 p 1990年，年，IBM公司的科學家展示了一項令世人

9、瞠目結(jié)舌的成果，他公司的科學家展示了一項令世人瞠目結(jié)舌的成果，他們們在金屬鎳表面用在金屬鎳表面用35個惰性氣體氙原子組成個惰性氣體氙原子組成“IBM”三個英文字母三個英文字母。p 科學家在試驗中發(fā)現(xiàn)科學家在試驗中發(fā)現(xiàn)STM的探針不僅能得到原子圖象，而且可以將的探針不僅能得到原子圖象，而且可以將原子在一個位置吸住，再搬運到另一個地方放下。原子在一個位置吸住，再搬運到另一個地方放下。這意味著人類從此這意味著人類從此可以對原子進行操縱！這在過去只能從科幻小說上看到的情節(jié)現(xiàn)在已可以對原子進行操縱！這在過去只能從科幻小說上看到的情節(jié)現(xiàn)在已經(jīng)成為現(xiàn)實經(jīng)成為現(xiàn)實。 移動原子移動原子世界上最小的廣告世界上最小

10、的廣告 用STM移動分子組成的IBM字樣 納米組裝體系是以納米組裝體系是以納米顆粒、納米絲或納米顆粒、納米絲或納米管納米管為基本單元在一維、二維和三維為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系，空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系，如如人造超原子體系、有序陣列人造超原子體系、有序陣列等。等。人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)的體系人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)的體系納米齒輪納米齒輪納米納米軌道狀軌道狀C納米索線納米索線納米多層管納米多層管C納米管納米管和和C60球球C納米管納米管多層多層C納米管納米管C腳手架腳手架C60晶體管晶體管國外納米技術(shù)進展國外納米技術(shù)進展 實心的納米棒、納米線、量子線實心的

11、納米棒、納米線、量子線材料世界中的大力士材料世界中的大力士- -納米金屬塊體納米金屬塊體金屬納米顆粒粉體制成塊狀金屬納米顆粒粉體制成塊狀金屬材料，它會變得十分結(jié)金屬材料，它會變得十分結(jié)實，強度比一般金屬高十幾實，強度比一般金屬高十幾倍，同時又可以像橡膠一樣倍，同時又可以像橡膠一樣富于彈性。富于彈性。納米金屬銅的超延展性納米金屬銅的超延展性納米陶瓷粉制成的陶納米陶瓷粉制成的陶瓷有一定的塑性，高瓷有一定的塑性，高硬度和耐高溫，使發(fā)硬度和耐高溫，使發(fā)動機工作在更高的溫動機工作在更高的溫度下，汽車會跑得更度下，汽車會跑得更快，飛機會飛得更高。快，飛機會飛得更高。納米陶瓷剛?cè)岵〖{米陶瓷剛?cè)岵〖{米

12、陶瓷納米陶瓷p 如果有一種超微型鑷子，能如果有一種超微型鑷子，能夠鉗起分子或原子并對它們隨夠鉗起分子或原子并對它們隨意組合，制造納米機械就容易意組合，制造納米機械就容易多了。多了。p 科學家用科學家用DNA制造出了一種制造出了一種納米級的鑷子納米級的鑷子。利用它將可以利用它將可以制造出分子大小的電子電路，制造出分子大小的電子電路，使未來的計算機體積更小，運使未來的計算機體積更小，運算速度更快。算速度更快。匪夷所思的匪夷所思的DNA鑷子鑷子納米存儲器，存儲密度可達每平納米存儲器，存儲密度可達每平方厘米方厘米10萬億字節(jié)。萬億字節(jié)。國外納米技術(shù)進展國外納米技術(shù)進展 朗訊公司和牛津大學朗訊公司和牛津

13、大學: 納米鑷子納米鑷子 碳納米管碳納米管“秤秤”，稱量一個病毒的重量，稱量一個病毒的重量 稱量單個原子重量的稱量單個原子重量的“納米秤納米秤”機器人配備納米機器人配備納米“大腦大腦”美國軍方日前公布了取名為美國軍方日前公布了取名為“毫微科技戰(zhàn)士毫微科技戰(zhàn)士”研發(fā)計劃，希望十年內(nèi)打造出目前只能在電研發(fā)計劃，希望十年內(nèi)打造出目前只能在電子游戲中才能看到的刀槍不入的子游戲中才能看到的刀槍不入的“超級戰(zhàn)超級戰(zhàn)士士”。美國未來。美國未來“超級戰(zhàn)士超級戰(zhàn)士”可能配備的裝可能配備的裝備有：埋有傳感器的頭盔，使士兵多只后眼備有：埋有傳感器的頭盔，使士兵多只后眼不至于被打悶棍；藏有微處理器和藥包的軍不至于被打

14、悶棍；藏有微處理器和藥包的軍服，自動感知士兵身體情況并敷藥；有微涂服，自動感知士兵身體情況并敷藥；有微涂層的軍服可以抵抗生化武器襲擊；由層的軍服可以抵抗生化武器襲擊；由“鉸合鉸合分子分子”制造的比人體肌肉強壯制造的比人體肌肉強壯10倍的倍的“肌肌肉肉”，這種人造肌肉一旦裝到手套、制服和，這種人造肌肉一旦裝到手套、制服和軍靴里，跳過高墻不在話下。軍靴里，跳過高墻不在話下。“納米科技戰(zhàn)士納米科技戰(zhàn)士”這種人手模型上的聚這種人手模型上的聚合體遇電會收縮彎曲，合體遇電會收縮彎曲，可裝備在作戰(zhàn)服上作可裝備在作戰(zhàn)服上作為為“輔助肌肉輔助肌肉”增強增強士兵跳躍、搬運的能士兵跳躍、搬運的能力，同時也可用于戰(zhàn)力

15、，同時也可用于戰(zhàn)場急救。場急救。 用納米技術(shù)制造出防水布料。用納米技術(shù)制造出防水布料。用這種超薄布料制成的作戰(zhàn)服用這種超薄布料制成的作戰(zhàn)服幾乎感覺不到重量，而現(xiàn)在一幾乎感覺不到重量，而現(xiàn)在一名全副武裝的美軍士兵負重介名全副武裝的美軍士兵負重介于于9090到到120120磅之間。另外根據(jù)磁磅之間。另外根據(jù)磁場變化的原理，科學家們正在場變化的原理，科學家們正在研制通常狀態(tài)下柔軟舒適，一研制通常狀態(tài)下柔軟舒適，一旦偵測到彈道威脅時立刻強化旦偵測到彈道威脅時立刻強化僵硬的裝甲系統(tǒng)。僵硬的裝甲系統(tǒng)。 未來的美軍作戰(zhàn)服可能就是這個樣子未來的美軍作戰(zhàn)服可能就是這個樣子納米科技的戰(zhàn)略地位納米科技的戰(zhàn)略地位 2

16、1世紀前世紀前20年，是發(fā)展納米技術(shù)的關(guān)鍵時期，納米技術(shù)將成年，是發(fā)展納米技術(shù)的關(guān)鍵時期，納米技術(shù)將成為推動社會經(jīng)濟各領(lǐng)域快速發(fā)展的主導技術(shù)。目前，納米技為推動社會經(jīng)濟各領(lǐng)域快速發(fā)展的主導技術(shù)。目前，納米技術(shù)已經(jīng)成為全世界非常關(guān)注的技術(shù)，術(shù)已經(jīng)成為全世界非常關(guān)注的技術(shù)，納電子代替微電子，納納電子代替微電子，納加工代替微加工，納米材料代替微米材料，納米生物技術(shù)代加工代替微加工，納米材料代替微米材料，納米生物技術(shù)代替微米尺度的生物技術(shù)替微米尺度的生物技術(shù)。只有認識它、發(fā)展它，才有可能在。只有認識它、發(fā)展它，才有可能在未來經(jīng)濟競爭的格局中占據(jù)主動。未來經(jīng)濟競爭的格局中占據(jù)主動。p 計算機技術(shù)從計算機

17、技術(shù)從20世紀世紀70年代開始，每年代開始，每57年都有一個大變化。年都有一個大變化。一是每一是每18個月個月單位面積存儲信息量要增加一倍單位面積存儲信息量要增加一倍，而且價格更便宜；，而且價格更便宜；二是計算機每隔二是計算機每隔57年年尺寸要縮小尺寸要縮小10倍倍，價格便宜，價格便宜10倍，同時計倍，同時計算的速度提高算的速度提高10倍。倍。p 1998年，美國明尼蘇達大學率先研制出年，美國明尼蘇達大學率先研制出量子磁盤量子磁盤。一個量子。一個量子磁盤只有磁盤只有100納米大小，完全是納米陣列，它的存儲密度是納米大小，完全是納米陣列，它的存儲密度是465G，一個量子磁盤相當于我們現(xiàn)在的磁盤一

18、個量子磁盤相當于我們現(xiàn)在的磁盤10萬個到萬個到100萬個。這樣一萬個。這樣一個器件，就要用納米材料，在納米尺度內(nèi)加工。個器件，就要用納米材料，在納米尺度內(nèi)加工。納米技術(shù)將成為納米技術(shù)將成為2121世紀的主導技術(shù)世紀的主導技術(shù)節(jié)約資源、節(jié)約能源、凈化環(huán)境是下一次節(jié)約資源、節(jié)約能源、凈化環(huán)境是下一次工業(yè)革命的必然趨勢。在下一次工業(yè)革命工業(yè)革命的必然趨勢。在下一次工業(yè)革命中要想節(jié)約資源、能源，就要用納米尺度中要想節(jié)約資源、能源，就要用納米尺度的材料做成器件，它的特點是工具小、節(jié)的材料做成器件，它的特點是工具小、節(jié)省材料、能耗低。納米技術(shù)在新的工業(yè)革省材料、能耗低。納米技術(shù)在新的工業(yè)革命當中將發(fā)揮重要

19、的作用。命當中將發(fā)揮重要的作用。從納米產(chǎn)業(yè)未來的市場發(fā)展從納米產(chǎn)業(yè)未來的市場發(fā)展來看，世界各國正在紛紛搶來看，世界各國正在紛紛搶占納米產(chǎn)業(yè)這個巨大的市場。占納米產(chǎn)業(yè)這個巨大的市場。全球納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)的年產(chǎn)值已經(jīng)全球納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)的年產(chǎn)值已經(jīng)接近接近1000億美元億美元，據(jù)估計，據(jù)估計，到，到2010年美國要培養(yǎng)年美國要培養(yǎng)80萬真正懂納米科技的人才，納米科萬真正懂納米科技的人才，納米科技對美國國民生產(chǎn)總值（技對美國國民生產(chǎn)總值（GDP）的貢獻要達到）的貢獻要達到1萬億美元，萬億美元，并提供并提供200萬個就業(yè)機會。萬個就業(yè)機會。科技革命帶來的必然結(jié)果是引起新的產(chǎn)業(yè)革命，而產(chǎn)業(yè)革科技革命帶來的必然結(jié)

20、果是引起新的產(chǎn)業(yè)革命，而產(chǎn)業(yè)革命又必然帶來經(jīng)濟的巨大變化和迅速發(fā)展。隨著納米科技的命又必然帶來經(jīng)濟的巨大變化和迅速發(fā)展。隨著納米科技的產(chǎn)生和發(fā)展，一場新的工業(yè)革命即將發(fā)生。產(chǎn)生和發(fā)展，一場新的工業(yè)革命即將發(fā)生。納米科技在納米科技在21世紀的經(jīng)濟舞臺上將扮演舉足輕重的角色世紀的經(jīng)濟舞臺上將扮演舉足輕重的角色 。“納米經(jīng)濟納米經(jīng)濟”“”“錢錢”途廣途廣納米科技對經(jīng)濟發(fā)展的影納米科技對經(jīng)濟發(fā)展的影響響納米技術(shù)在美國納米技術(shù)在美國 2010年年: 80萬納米科技人才萬納米科技人才,GDP1萬億美元萬億美元, 200萬個就萬個就業(yè)機會業(yè)機會 能源部的能源部的8項優(yōu)先研究中，項優(yōu)先研究中，6項有關(guān)納米材料

21、項有關(guān)納米材料 本世紀前本世紀前10年幾個關(guān)鍵領(lǐng)域之一，制定了年幾個關(guān)鍵領(lǐng)域之一，制定了“國家納米國家納米技術(shù)倡議技術(shù)倡議”: 納米材料納米材料 納米電子學、光電子學和磁學納米電子學、光電子學和磁學 納米醫(yī)學和生物學納米醫(yī)學和生物學 軍工軍工: 隱形飛機表面涂料、艦船表面納米涂料隱形飛機表面涂料、艦船表面納米涂料 美國總統(tǒng)布什美國總統(tǒng)布什2003.12.3日簽署了日簽署了21世紀納米技術(shù)研世紀納米技術(shù)研究開發(fā)法案究開發(fā)法案，批準聯(lián)邦政府在從，批準聯(lián)邦政府在從2005財政年度開始財政年度開始的的4年中共投入約年中共投入約37億美元，用于促進納米技術(shù)的研究億美元，用于促進納米技術(shù)的研究開發(fā)開發(fā)納米

22、技術(shù)在日本納米技術(shù)在日本 國會國會: 21世紀前世紀前20年的立國之本，年的立國之本，日本政府日本政府總總共投共投資資了多了多于于38億億美元美元在在研究上研究上 著名大企業(yè)著名大企業(yè): 納米實用化技術(shù)的計劃納米實用化技術(shù)的計劃 三菱化工建立了三菱化工建立了(富勒烯富勒烯)納米碳管生產(chǎn)線納米碳管生產(chǎn)線 自潔凈玻璃、光催化凈化水或空氣自潔凈玻璃、光催化凈化水或空氣納米技術(shù)在歐洲納米技術(shù)在歐洲 第一個第一個五年五年納米納米科技研究科技研究(99-03)已已結(jié)束結(jié)束 第二個第二個五年五年納米納米科技研究科技研究(04-09)正在進行中，正在進行中，共計投入了幾十億歐元共計投入了幾十億歐元納米技術(shù)與當

23、代中國納米技術(shù)與當代中國 1993年，中科院操縱原子寫字年，中科院操縱原子寫字 國家納米科技發(fā)展綱要國家納米科技發(fā)展綱要2001-2010和和國家納米科技發(fā)展國家納米科技發(fā)展指南框架指南框架 納米繪畫藝術(shù)納米繪畫藝術(shù) 納米中國納米中國 p 中國科學院化學所的科技人員利用納米加工技術(shù)在中國科學院化學所的科技人員利用納米加工技術(shù)在石墨表面通過搬遷碳原子而石墨表面通過搬遷碳原子而繪制出的世界上最小的中繪制出的世界上最小的中國地圖。國地圖。p 這幅地圖到底有多小呢？打個比方吧，如果把這幅這幅地圖到底有多小呢？打個比方吧，如果把這幅圖放大到一張一米見方的中國地圖大小的尺寸，就相圖放大到一張一米見方的中國

24、地圖大小的尺寸，就相當于把該幅地圖放大到中國遼闊的領(lǐng)土的面積當于把該幅地圖放大到中國遼闊的領(lǐng)土的面積。納米繪畫藝術(shù)納米繪畫藝術(shù) 納米中國納米中國 納米技術(shù)對競爭力的提升納米技術(shù)對競爭力的提升 能源領(lǐng)域能源領(lǐng)域：石油、煤等不可再生資源。石油、煤等不可再生資源。 環(huán)保領(lǐng)域：環(huán)保領(lǐng)域：解決水污染的問題、解決空氣污染的問解決水污染的問題、解決空氣污染的問題。題。 微電子微電子：納米電子器件、納米線、納米電子器件、納米線、納米傳感器。納米傳感器。 信息領(lǐng)域信息領(lǐng)域：光纖、發(fā)光器件。光纖、發(fā)光器件。納米技術(shù)對競爭力的提升納米技術(shù)對競爭力的提升 功能性涂料功能性涂料、薄膜：、薄膜：防靜電涂料、特殊視覺涂料、

25、防靜電涂料、特殊視覺涂料、紫外線吸收涂層、耐磨紫外線吸收涂層、耐磨、防腐、耐高溫、耐沖刷、防腐、耐高溫、耐沖刷涂層。涂層。 機械：機械：納米結(jié)構(gòu)單元和納米機械納米結(jié)構(gòu)單元和納米機械 結(jié)構(gòu)陶瓷：結(jié)構(gòu)陶瓷：增強、增韌、助燒結(jié)增強、增韌、助燒結(jié)納米技術(shù)對競爭力的提升納米技術(shù)對競爭力的提升 化學化工：化學化工：催化劑、助催化劑、阻燃劑等。催化劑、助催化劑、阻燃劑等。 塑料和橡膠塑料和橡膠：制品成型劑、補強劑、抗老化劑。：制品成型劑、補強劑、抗老化劑。 辦公領(lǐng)域辦公領(lǐng)域：復印機和激光打印機的墨粉，噴墨打：復印機和激光打印機的墨粉，噴墨打印機墨水、高級墨水。印機墨水、高級墨水。納米技術(shù)對競爭力的提升納米技

26、術(shù)對競爭力的提升 納米藥物納米藥物：磁性納米粒子藥物：磁性納米粒子藥物 衛(wèi)生保健品衛(wèi)生保健品：防曬霜：防曬霜 紡織品紡織品：反射紅外線型化纖、：反射紅外線型化纖、殺菌滅菌除臭型化纖殺菌滅菌除臭型化纖提升國防科技提升國防科技 納米探測系統(tǒng)納米探測系統(tǒng) 納米材料提高武器打擊納米材料提高武器打擊 納米材料提高防護能力納米材料提高防護能力 納米機械系統(tǒng)制造的小型機器人納米機械系統(tǒng)制造的小型機器人 雷達隱身技術(shù)雷達隱身技術(shù) 納米衛(wèi)星納米衛(wèi)星我國我國“十一五十一五”納米科技發(fā)展重點納米科技發(fā)展重點 納米電子、納米光電子材料與微納器件納米電子、納米光電子材料與微納器件 納米加工與表征技術(shù)納米加工與表征技術(shù)

27、納米生物醫(yī)用材料：納米生物醫(yī)用材料：納米傳感器、重大疾病早期診斷納米傳感器、重大疾病早期診斷與治療用納米材料與器件。與治療用納米材料與器件。 納米環(huán)境與能源材料：納米環(huán)境與能源材料：環(huán)境友好與資源節(jié)約型納米材環(huán)境友好與資源節(jié)約型納米材料與技術(shù)，新型能源納米材料與器件。料與技術(shù)，新型能源納米材料與器件。 提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的納米材料與技術(shù)提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的納米材料與技術(shù) 納米級加工納米級加工p 納米級加工的含義納米級加工的含義 納米級加工的含意是達到納米級加工精度納米級加工的含意是達到納米級加工精度，包含：納米級尺寸精度，納米級幾何形狀精，包含：納米級尺寸精度，納米級幾何形狀精度、納米級表面質(zhì)量。度、納米

28、級表面質(zhì)量。納米級加工的特點納米級加工的特點 p 欲得到欲得到l nm的加工精度，加工的最小單位必然在亞納的加工精度，加工的最小單位必然在亞納米級。由于原子間的距離為米級。由于原子間的距離為0.1-0.3nm，納米級加工實納米級加工實際上已到加工精度的極限際上已到加工精度的極限。p 納米級加工中試件表面的一個個納米級加工中試件表面的一個個原于或分子原于或分子將成為直將成為直接的加工對象，因此納米級加工的物理實質(zhì)就是接的加工對象，因此納米級加工的物理實質(zhì)就是要切要切斷原子間的結(jié)合斷原子間的結(jié)合，實現(xiàn)，實現(xiàn)原子或分子的去除原子或分子的去除。納米級加工方法納米級加工方法p 納米級加工的主要方法納米級

29、加工的主要方法：直接利用光子、電子、離子直接利用光子、電子、離子等基本能子的加工。等基本能子的加工。p 近年來納米級加工有很大的突破，例如：用近年來納米級加工有很大的突破，例如：用電子束光電子束光刻和離子刻蝕，刻和離子刻蝕，己實現(xiàn)己實現(xiàn)0.1 m線寬的加工；掃描隧道線寬的加工；掃描隧道顯微技術(shù)已實現(xiàn)單個顯微技術(shù)已實現(xiàn)單個原子的去除、搬遷、增添和原子原子的去除、搬遷、增添和原子的重組。的重組。微米與納米加工技術(shù)可達的水平微米與納米加工技術(shù)可達的水平目前主要目前主要納米級加工方法納米級加工方法： 納米級機械加工納米級機械加工 電子束和離子束加工電子束和離子束加工 掃描隧道顯微加工技術(shù)等掃描隧道顯微

30、加工技術(shù)等一、納米級機械加工一、納米級機械加工p 金剛石刀具超精密切削加工有色金屬和非金屬金剛石刀具超精密切削加工有色金屬和非金屬可能獲得可能獲得Ra(0.02-0.002) m的鏡面，刀具仔細研磨的鏡面，刀具仔細研磨時可切時可切 l nm切削厚度的切屑。主要用切削厚度的切屑。主要用平面、圓柱面平面、圓柱面和非球曲面的鏡面加工。和非球曲面的鏡面加工。 p 最近新發(fā)展的金屬結(jié)合最近新發(fā)展的金屬結(jié)合劑砂輪的劑砂輪的在線電解修整砂在線電解修整砂輪的輪的ELID鏡面磨削技術(shù)鏡面磨削技術(shù)可以加工出可以加工出Ra(0.02-0.002) m的鏡面。的鏡面。p 精密研磨拋光可以加工出精密研磨拋光可以加工出R

31、a(0.01-0.002) m的鏡面。的鏡面。量塊、集成電路的硅基片等都是用精量塊、集成電路的硅基片等都是用精密研磨得到高質(zhì)量表面密研磨得到高質(zhì)量表面。 二、電子束、離子束和激光加工二、電子束、離子束和激光加工p 可用于刻蝕、打孔、切割、焊接、表面處理和表面改可用于刻蝕、打孔、切割、焊接、表面處理和表面改性等性等p 電子束加工時，被加速的電子將其能量轉(zhuǎn)化成熱能以電子束加工時，被加速的電子將其能量轉(zhuǎn)化成熱能以去除穿透層表面的原子，電子束可以聚焦成很小的束去除穿透層表面的原子，電子束可以聚焦成很小的束班班(中中0.1 m)，照射敏感材料，用，照射敏感材料，用電子刻蝕可加工出電子刻蝕可加工出0.1

32、m的線條寬度而在制造集成電路中實際應(yīng)用的線條寬度而在制造集成電路中實際應(yīng)用。電子束和離子束加工電子束和離子束加工p 離子束加工時，因離子直徑為離子束加工時，因離子直徑為0.1n m數(shù)量級數(shù)量級，故可以直接將工件表面原子碰撞出去達到，故可以直接將工件表面原子碰撞出去達到加工的目的。用聚焦的離子束進行刻蝕，加工的目的。用聚焦的離子束進行刻蝕，可可以得到精確的形狀和納米級的線條寬度以得到精確的形狀和納米級的線條寬度。電子束加工電子束加工p 電子束利用熱效應(yīng)加工電子束利用熱效應(yīng)加工 高速和高能量密度的電子束沖擊工件表面，在幾分之一秒內(nèi)與原字相互作用。 電子與原子碰撞，使原子振動產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象 幾乎所有的

33、能量都轉(zhuǎn)化為熱能。 由于電子束能量密度高，作用時間短，所產(chǎn)生的熱量來不及傳導、擴散就將工件被沖擊部分局部熔化、汽化、蒸發(fā)成霧狀粒子而飛散。電子束加工原理圖控制柵極加速陽極電子束斑點旁熱陰極聚焦系統(tǒng)工件工作臺電子束加工電子束加工p 電子束加工特點電子束加工特點 束徑小，能量密度高，能微細聚焦（0.01m），適合于加工深孔、細深孔、窄縫。 熱影響范圍小，適合于硬、脆、軟、韌金屬和非金屬材料、熱敏材料、半導體材料、易氧化材料等加工。原則上各種材料均能加工，特別適用于加工特硬、難熔金屬和非金屬材料。 加工速度快，效率高。非接觸加工，無工具損耗；無切削力，加工時間極短，控制性能好，易于實現(xiàn)自動化。 可用

34、于打孔、切槽、焊接、光刻、表面改性。 在真空中加工，無氧化，特別適于加工高純度半導體材料和易氧化的金屬及合金。加工設(shè)備較復雜，投資較大。多用于微細加工離子束加工離子束加工p 離子束利用力效應(yīng)加工離子束利用力效應(yīng)加工 離子質(zhì)量遠遠大于電子，加速較慢，但一旦加速后，具有遠遠高于電子的能量。 質(zhì)量大、動能高的離子沖擊工件表面，將產(chǎn)生彈性碰撞，將能量傳遞給工件的原子和分子，使原子和分子產(chǎn)生濺射，被拋出工件表面。 離子束穿透能力強，被加工表層幾乎不產(chǎn)生熱量，不引起機械應(yīng)力和損傷。 將被加速的離子聚焦成細束，射到被加工表面上。被加工表面受“轟擊”后，打出原子或分子，實現(xiàn)分子級去除加工。離子束濺射去除加工離

35、子束濺射去除加工惰性氣體入口陰極中間電極電磁線圈陽極控制電極絕緣子引出電極離子束聚焦裝置擺動裝置工件三坐標工作臺離子束去除加工裝置離子束濺射鍍膜加工離子束濺射鍍膜加工 用加速的離子從靶材上打出原子或分子，并將這些原子或分子附著到工件上，形成“鍍膜”。 濺射鍍膜可鍍金屬，也可鍍非金屬。 由于濺射出來的原子和分子有相當大的動能，故鍍膜附著力極強（與蒸鍍、電鍍相比）。 離子鍍氮化鈦，即美觀，又耐磨。應(yīng)用在刀具上可提高壽命1-2倍。離子束源靶濺射材料濺射粒子工件真空離子束濺射鍍膜加工離子束濺射鍍膜加工p 離子束加工特點離子束加工特點 是一種以原子、分子為加工單位的加工方法。 加工精度和表面質(zhì)量高，可達

36、納米級。 可對各種材料進行加工。 控制性能好，易于實現(xiàn)自動化。 應(yīng)用廣泛，如：粒子束濺射去除加工、粒子束濺射鍍膜加工、離子束注入加工等。激光束加工激光束加工p 激光束利用熱效應(yīng)加工激光束利用熱效應(yīng)加工 激光光斑大小可聚焦到微米級。 激光束照射工件，光能被吸收，轉(zhuǎn)化為熱能，產(chǎn)生瞬時高溫、局部熔化、汽化。 激光束加工是非接觸加工，沒有力的作用，沒有工具，加工速度快。 與電子束和離子束加工比較，激光加工裝置簡單，無需真空系統(tǒng)。電源p 激光束加工特點激光束加工特點 加工精度高，激光光斑直徑可達1m一下。 加工材料范圍廣，可對各種材料進行加工。 速度快、效率高。 控制性能好，易于實現(xiàn)自動化。 應(yīng)用廣泛，

37、如：激光打孔、激光切割、激光微調(diào)、激光表面改型、激光存貯、激光測量、激光焊接、激光熱處理等。三、掃描隧道顯微加工技術(shù)三、掃描隧道顯微加工技術(shù)p 掃描隧道顯微掃描隧道顯微STM (Scanning Tunneling Microscope) 加工技術(shù)是納米加工技術(shù)中的最加工技術(shù)是納米加工技術(shù)中的最新發(fā)展，新發(fā)展，可實現(xiàn)原子、分子的搬遷、除、增可實現(xiàn)原子、分子的搬遷、除、增添和排列重組，可實現(xiàn)極限的精加工，原子添和排列重組，可實現(xiàn)極限的精加工，原子級的精加工級的精加工。掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡1981年由在年由在IBM瑞士蘇黎世實驗室瑞士蘇黎世實驗室工作的工作的G.Binning 和和 H.R

38、ohrer 發(fā)明。被列為發(fā)明。被列為20世世紀紀80年度世界十大科技成果之一，年度世界十大科技成果之一，1986年因此獲諾年因此獲諾貝爾物理學獎貝爾物理學獎。掃描隧道顯微掃描隧道顯微（STM）STM工作原理：工作原理：基于量子力學的隧道效應(yīng)。基于量子力學的隧道效應(yīng)。掃描隧道顯微加工原理掃描隧道顯微加工原理p當兩個電極之間的距離縮短到1nm時，由于量子力學中粒子的波動性，電流會在外加電場作用下，穿過絕緣勢壘，從一個電極流向另一個電極。用探針在試樣表面掃描時，可得到表面的納米級三維表面形貌。STM發(fā)明最初是用于測量試樣表面納米級形貌。p當掃描隧道顯微鏡的探針對準試件表面某個原子并非常接近時，由于原

39、子間的作用力，探針針尖可以帶動該原子隨針尖移動，而不脫離試件表面，實現(xiàn)試件表面原子搬遷。 掃描隧道顯微加工技術(shù)掃描隧道顯微加工技術(shù)p STM的加工精度要比傳統(tǒng)的光刻技術(shù)高的多的加工精度要比傳統(tǒng)的光刻技術(shù)高的多。在。在當今高科技產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的時代，由于各種器件當今高科技產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的時代，由于各種器件的集成度越來越高，傳統(tǒng)的毫微米加工技術(shù)已經(jīng)的集成度越來越高，傳統(tǒng)的毫微米加工技術(shù)已經(jīng)接近理論的極限，因此，納米加工技術(shù)的出現(xiàn)無接近理論的極限，因此，納米加工技術(shù)的出現(xiàn)無疑給人們帶來了希望。疑給人們帶來了希望。掃描隧道顯微鏡示意圖掃描隧道顯微鏡示意圖 圖 STM工作過程演示STM圖 STM實物照片 掃

40、描器檢測電路a）輸出試件運動軌跡關(guān)鍵技術(shù)：關(guān)鍵技術(shù)：（1）STM探針探針金屬絲金屬絲經(jīng)化學腐蝕，在腐蝕斷裂瞬經(jīng)化學腐蝕，在腐蝕斷裂瞬間切斷電流，獲得尖峰，曲間切斷電流，獲得尖峰，曲率半徑為率半徑為10 nm左右。左右。STM針尖 為解決非導體微觀表面形貌測量，借鑒STM原理，C.Binning 于1986年發(fā)明原子力顯微鏡。當兩原子間距離縮小到 級時，原子間作用力顯示出來，造成兩原子勢壘高度降低，兩者之間產(chǎn)生吸引力。而當兩原子間距離繼續(xù)縮小至原子直徑時，由于原子間電子云的不相容性，兩者之間又產(chǎn)生排斥力。AFM兩種測量模式：接觸式探針針尖與試件表面距離0.5nm，利用原子間的排斥力。由于分辨率高，目前采用較多。其工作原理是：保持探針與被測表面間的原子排斥力一定，探針掃描時的垂直位移即反映被測