納米技術及應用第1頁/共38頁一、納米與納米技術第2頁/共38頁1．納米納米（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

1nm=1×10-9

m第3頁/共38頁2.納米技術(Nanotechnology)納米結構：是指尺寸在100納米以下的微小結構。納米技術是指在納米尺度的范圍內，通過直接操縱和安排原子、分子來創造新物質材料的技術。第4頁/共38頁3.納米技術的提出提出納米技術

概念的科學家

費曼

（1918~1988）

R.P.Feynman第5頁/共38頁4.納米技術的實現與發展直到放大倍率達千萬倍的掃描隧道顯微鏡（STM）發明后，納米技術才真正成為一門科技技術。從20世紀90年代初起，納米科技得到迅速發展，新名詞、新概念不斷涌現，像納米電子學、納米材料學、納米機械學、納米生物學等等。第6頁/共38頁5．掃描隧道顯微鏡(STM)1981年，美國IBM公司設在瑞士蘇黎世的實驗室里，物理學家葛·賓尼(G.Binnig)和羅·海雷爾(H.Rohrer)發明了一種前所未有的新式顯微鏡，他們稱其為“掃描隧道顯微鏡

(ScanningTunnelingMicroscope)”簡稱STM

。

第7頁/共38頁賓尼希博士于1978年加入了IBM公司蘇黎士研究實驗室的一個物理研究小組。1987年時，賓尼希博士被提名為IBM公司的杰出研究人員（IBMFellow）。第8頁/共38頁羅雷爾博士（HeinrichRohrer）羅雷爾博士于1960年完成博士后研究之后，隨即加入IBM新成立的蘇黎士研究實驗室，從事Kondo材料、反鐵磁體（antiferromagnets）以及其它方面的研究工作，接著便把研究重心轉向掃瞄式穿隧顯微鏡。1986年時，羅雷爾博士被提名為IBM公司的杰出研究人員（IBMFellow），并且在1986～1988年間擔任IBM公司蘇黎士研究實驗室的物理科學部門經理，羅雷爾博士于1997年7月從IBM公司退休。第9頁/共38頁我國的納米先鋒為期十年的“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。已投入經費約數千萬元人民幣。中科院納米科技項目

首席科學家白春禮院士第10頁/共38頁（1）勢壘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：第11頁/共38頁（2）隧道效應假如這層勢壘的厚度很窄只有幾個納米時，電子將穿過而不是越過這層勢壘，從而形成電流。第12頁/共38頁（3）STM的工作原理將針尖和樣品表面作為兩個電極，當兩者之間的距離足夠小時，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”，這種效應就是隧道效應。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。第13頁/共38頁（4）STM的結構STM主要由STM主體、電子反饋系統、計算機控制系統及高分辨圖象顯示終端組成。CSTM-9000第14頁/共38頁二、納米操縱技術第15頁/共38頁1、納米級微加工后的表面應用隧道效應，用STM可以人為操作表面中國科學院化學所用自己研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，并刻寫出“中國”兩個字。兩幅圖像和文字的線條寬度只有10納米。第16頁/共38頁第17頁/共38頁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第18頁/共38頁2、移動氙原子1990年4月，美國IBM公司的兩位科學家在用STM觀測金屬鎳表面的氙原子時，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。第19頁/共38頁3、移動硫原子1991年6月初，日本日立中心研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律的轟擊出來，留下的空位則組成了英文“PEACE91”的字樣，并附有日立中心實驗室的字頭縮寫。PEACE’91HCRL第20頁/共38頁4、移動鐵原子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，并且直接觀察到了電子駐波的圖形而后，他們又成功地移動鐵原子寫成了兩個漢字“原子”。第21頁/共38頁5、移動一氧化碳分子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。第22頁/共38頁應用原子力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，終于“寫”出“DNA”三個字母第23頁/共38頁三、納米材料的奇異特性第24頁/共38頁各種納米材料的特性蓮花葉子表面

的自我潔凈第25頁/共38頁鵝毛和鴨毛的排列非常整齊，且毛與毛之間的隙縫極小，小到納米尺寸，所以水分子無法穿透層層的鵝毛和鴨毛。第26頁/共38頁不用洗滌劑的納米服裝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相繼出現。第27頁/共38頁具有易潔納米涂層的陶瓷第28頁/共38頁摔不碎的納米陶瓷納米陶瓷第29頁/共38頁強度比常規銅高5倍納米銅納米銅第30頁/共38頁納米材料的應用與展望電子和通訊 全媒體存儲器；平板顯示器；納米醫療 納米結構藥物；微型機器人；化學和材料 納米催化劑；納米陶瓷；能源 新型電池；氫燃料安全存儲；制造工業 微細加工；微型機器；飛機和汽車 無須洗滌的油漆；不燃塑料；航天 輕型航天器；環境保護 納米膜；納米存儲器；開關；第31頁/共38頁未來的理想超級纖維

──碳納米管第32頁/共38頁碳60和巴基球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，意外地發現了C60。第33頁/共38頁碳納米管碳納米管，是指用納米技術將碳做成的細管C60C60C70金剛石石墨第34頁/共38頁納米技術發展的五個階段第35頁/共38頁以研究分子機械而著稱的美國風險企業宰貝克斯公司的一項預測認為，納米技術的發展可能會經歷以下五個階段：第一階段準確地控制原子數量在100個以下的納米結構物質。第二階段生產納米結構物質。第三階段大量制造復雜的納米結構物質。第四階段納米計算機的實現。第五階段科學家們將研制出