1、1.納米技術內(nèi)容 納米技術（nanotechnology）是用單個原子、分子制造物質(zhì)的科學技術，研究結構尺寸在0.1至100納米范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應用。納米科學技術是以許多現(xiàn)代先進科學技術為基礎的科學技術，它是現(xiàn)代科學（混沌物理、量子力學、介觀物理、分子生物學）和現(xiàn)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(chǎn)物，納米科學技術又將引發(fā)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。 納米技術(nanotechnology），也稱毫微技術，是研究結構尺寸在0.1至100納米范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應用的一種技術。納米技術是一門交

2、叉性很強的綜合學科，研究的內(nèi)容涉及現(xiàn)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(nèi)容。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(chuàng)造的機器一書中提出的分子納米技術。根據(jù)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

3、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?，F(xiàn)有技術即使發(fā)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(fā)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(fā)而提出的。本來，生物在細胞和生物膜內(nèi)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(fā)，成為納米生物技術的重要內(nèi)容。2.納米技

4、術的發(fā)展史1993年，第一屆國際納米技術大會(INTC)在美國召開，將納米技術劃分為6大分支：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，促進了納米技術的發(fā)展。由于該技術的特殊性，神奇性和廣泛性，吸引了世界各國的許多優(yōu)秀科學家紛紛為之努力研究。 納米技術一般指納米級(0.1一100nm)的材料、設計、制造，測量、控制和產(chǎn)品的技術。納米技術主要包括：納米級測量技術：納米級表層物理力學性能的檢測技術：納米級加工技術；納米粒子的制備技術；納米材料；納米生物學技術；納米組裝技術等。靈感來源納米技術的靈感，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

5、還有很大空間的演講。這位當時在加州理工大學任教的教授向同事們提出了一個新的想法。從石器時代開始，人類從磨尖箭頭到光刻芯片的所有技術，都與一次性地削去或者融合數(shù)以億計的原子以便把物質(zhì)做成有用的形態(tài)有關。費曼質(zhì)問道，為什么我們不可以從另外一個角度出發(fā)，從單個的分子甚至原子開始進行組裝，以達到我們的要求？他說：“至少依我看來，物理學的規(guī)律不排除一個原子一個原子地制造物品的可能性。”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，二個

6、字母加起來還沒有3個納米長。不久，科學家不僅能夠操縱單個的原子，而且還能夠“噴涂原子”。使用分子束外延長生長技術，科學家們學會了制造極薄的特殊晶體薄膜的方法，每次只造出一層分子。目前，制造計算機硬盤讀寫頭使用的就是這項技術。 著名物理學家、諾貝爾獎獲得者理查德· 費曼預言，人類可以用小的機器制作更小的機器，最后將變成根據(jù)人類意愿，逐個地排列原子，制造產(chǎn)品，這是關于納米技術最早的夢想。技術編年史70年代，科學家開始從不同角度提出有關納米科技的構想，1974年，科學家唐尼古奇最早使用納米技術一詞描述精密機械加工；1982年，科學家發(fā)明研究納米的重要工具掃描隧道顯微鏡，為我們揭示一個可見的

7、原子、分子世界，對納米科技發(fā)展產(chǎn)生了積極促進作用；1990年7月，第一屆國際納米科學技術會議在美國巴爾的摩舉辦，標志著納米科學技術的正式誕生；1991年，碳納米管被人類發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量是相同體積鋼的六分之一，強度卻是鋼的10倍，成為納米技術研究的熱點，諾貝爾化學獎得主斯莫利教授認為，納米碳管將是未來最佳纖維的首選材料，也將被廣泛用于超微導線、超微開關以及納米級電子線路等；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

8、際納米科技領域占有一席之地；1997年，美國科學家首次成功地用單電子移動單電子，利用這種技術可望在20年后研制成功速度和存貯容量比現(xiàn)在提高成千上萬倍的量子計算機；1999年，巴西和美國科學家在進行納米碳管實驗時發(fā)明了世界上最小的“秤”，它能夠稱量十億分之一克的物體，即相當于一個病毒的重量；此后不久，德國科學家研制出能稱量單個原子重量的秤，打破了美國和巴西科學家聯(lián)合創(chuàng)造的紀錄；到1999年，納米技術逐步走向市場，全年基于納米產(chǎn)品的營業(yè)額達到500億美元；近年來，一些國家紛紛制定相關戰(zhàn)略或者計劃，投入巨資搶占納米技術戰(zhàn)略高地。日本設立納米材料研究中心，把納米技術列入新5年科技基本計劃的研發(fā)重點；德

9、國專門建立納米技術研究網(wǎng)；美國將納米計劃視為下一次工業(yè)革命的核心，美國政府部門將納米科技基礎研究方面的投資從1997年的1.16億美元增加到2001年的4.97億美元。中國也將納米科技列為中國的“973計劃”，其間涌出了像“安然納米”等一系列以納米科技為代表的高科技企業(yè)。我國的納米先鋒1993年，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，標志著我國開始在國際納米科技領域占有一席之地，并居于國際科技前沿；      1996年底，舟山普陀升興公司與中科院固體物理研究所合作，成功開發(fā)了納米家庭的重要一員-納米SiO2，使我國成

10、為繼美、英、日、法國后，國際上第五個能批量生產(chǎn)此產(chǎn)品的國家；      1997年9月北京大學成立了納米科技研究中心，目前該中心已取得多項高水平的研究成果，有些方面已達到國際先進水平。其中，由該中心與北京真空物理開放實驗室合作完成的利用STM在有機復合薄膜上進行的超高密度信息存儲研究，得到了1.3nm的信息點，比國際最小存儲點徑小了近一個量級，該成果被兩院院士評為1997年中國十大科技進展的第4名。1991年，科學家發(fā)現(xiàn)了一種典型的人造納米材料-碳納米管，但它的結構具有多層壁、單壁等多種形態(tài)。北京大學化學院顧鎮(zhèn)南教授領導的研究組用簡單的電弧法大

11、量合成了單壁納米管，經(jīng)純化含量大于90，并按要求化學剪切和修飾成長度為15至20納米，直徑約1.4納米的短管。電子學系薛增泉教授領導的研究組采用真空加工技術，使單壁碳納米短管組裝牢固豎立在黃金薄膜表面上，并用單壁碳納米管做出了世界上最細的、性能最好的掃描探針，獲得了精美的熱解石墨的原子形貌像；用掃描隧道顯微探針測得了單壁短管的導電特性和大氣中室溫下的量子臺階和動態(tài)負阻特性的I-V曲線；利用單壁短管作為場電子顯微鏡（FEM）的電子發(fā)射源，拍攝到過去認為不可能看到的原子像。      1997年12月，青島化工學院納米材料研究所崔作林、張志琨教授主

12、持發(fā)明的“高熔點納米金屬催化劑的制備方法”榮獲國家技術發(fā)明獎二等獎，這是迄今我國納米科技領域獲得的最高等級的國家級獎勵；      1998年，清華大學范守善小組成功地制備出直徑為350納米、長度達微米量級的氮化鎵半導體一維納米棒，使我國在國際上首次把氮化鎵制備成一維納米晶體；      1998年，美國科學雜志上刊登了我國科學家的論文。我國科學家用非水熱合成法，制備出金剛石納米粉，被國際刊物譽為“稻草變黃金-從四氯化碳制成金剛石；”      

13、1999年，中國科學院物理研究所解思深研究員率領的科研小組，不僅合成了世界上最長的“超級纖維”碳納米管，創(chuàng)造了一項“3毫米的世界之最”，而且合成出世界上最細的碳納米管；      1999年上半年，北京大學納米技術研究取得重大突破，電子學系教授薛增泉領導的研究組在世界上首次將單壁碳納米管組裝豎立在金屬表面，并組裝出世界上最細且性能良好的掃描隧道顯微鏡用探針。      1999年，中科院金屬研究所成會明博士合成出高質(zhì)量的碳納米材料，使我國新型儲氫材料研究一舉躍上世界先進水平。 

14、0;    1999年12月，中國科技促進經(jīng)濟投資公司與安康地區(qū)薯蕷產(chǎn)業(yè)開發(fā)有限公司、旬陽縣農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司聯(lián)合興辦的陜西中科（旬陽）精細化工有限責任公司的年產(chǎn)3000噸納米級超細活性氧化鋅生產(chǎn)線在陜西旬陽縣建成投產(chǎn)。中科院在江蘇順利進行了300噸中試之后，又移師旬陽，用中科院化工冶金研究所的“八五”成果NPP法新技術、新工藝，建成首期年產(chǎn)3000噸納米級超細活性氧化鋅和副產(chǎn)品4500噸硫酸銨鋅的工廠，產(chǎn)品性能、指標達到國外同類先進產(chǎn)品的水平，不僅能生產(chǎn)球型氧化鋅，還可制備針狀納米級氧化鋅，價格也較外國產(chǎn)品低廉。中科院利用高新技術開發(fā)西部資源的這一創(chuàng)新項目，使我國

15、納米材料的研發(fā)水平躋身世界先進行列。     2000年1月，華東理工大學技術化學物理研究所在引進的俄羅斯15KW微波等離子體納米顆粒制備裝置上成功地開發(fā)了納米顆粒制備核心技術通過了上海市科委主持的鑒定。微波等離子體化學氣相合成是制備納米粒子的一類重要的方法，俄羅斯在微波等離子體化學氣相合成研究方面處于國際領先地位，他們率先建立了國際上功率最高的微波等離子體化學氣相合成裝備。為了縮短我國與國外的差距，上海市科委和上海市新興技術和新興工業(yè)辦公室聯(lián)合立項，由華東理工大學技物所承擔該套裝置的引進任務。經(jīng)過3年的艱苦努力，華東理工大學的專家們成功地完成

16、了裝置的引進，并消化掌握了該套設備及納米顆粒制備核心技術，開發(fā)了快速冷凝控制粒子生長和凝并技術，制取了包括Mo、TiN、TiO2和ZrO2在內(nèi)的多種金屬、氮化物和氧化物納米粒子，并提出納米顆粒的形態(tài)控制方法。通過兩年來的正常運行表明，該裝置功率大，可適應多種等離子氣氛，可用氣、液、固形態(tài)進料，特別適合于制備納米金屬及非氧化物顆粒。 3.納米材料納米材料：當物質(zhì)到納米尺度以后，大約是在0.1100納米這個范圍空間，物質(zhì)的性能就會發(fā)生突變，出現(xiàn)特殊性能。 這種既具不同于原來組成的原子、分子，也不同于宏觀的物質(zhì)的特殊性能構成的材料，即為納米材料。如果僅僅是尺度達到納米，而沒有特殊性能的材料

17、，也不能叫納米材料。過去，人們只注意原子、分子或者宇宙空間，常常忽略這個中間領域，而這個領域?qū)嶋H上大量存在于自然界，只是以前沒有認識到這個尺度范圍的性能。第一個真正認識到它的性能并引用納米概念的是日本科學家，他們在20世紀70年代用蒸發(fā)法制備超微離子，并通過研究它的性能發(fā)現(xiàn)：一個導電、導熱的銅、銀導體做成納米尺度以后，它就失去原來的性質(zhì)，表現(xiàn)出既不導電、也不導熱。磁性材料也是如此，像鐵鈷合金，把它做成大約2030納米大小，磁疇就變成單磁疇，它的磁性要比原來高1000倍。80年代中期，人們就正式把這類材料命名為納米材料。從尺寸大小來說，通常產(chǎn)生物理化學性質(zhì)顯著變化的細小微粒的尺寸在0.1微米以下

18、（注1米=100厘米，1厘米=10000微米，1微米=1000納米，1納米=10埃），即100納米以下。因此，顆粒尺寸在1100納米的微粒稱為超微粒材料，也是一種納米材料。納米金屬材料是20世紀80年代中期研制成功的，后來相繼問世的有納米半導體薄膜、納米陶瓷、納米瓷性材料和納米生物醫(yī)學材料等。納米級結構材料簡稱為納米材料(nanometer material)，是指其結構單元的尺寸介于1納米100納米范圍之間。由于它的尺寸已經(jīng)接近電子的相干長度，它的性質(zhì)因為強相干所帶來的自組織使得性質(zhì)發(fā)生很大變化。并且，其尺度已接近光的波長，加上其具有大表面的特殊效應，因此其所表現(xiàn)的特性，例如熔點、磁性、光學

19、、導熱、導電特性等等，往往不同于該物質(zhì)在整體狀態(tài)時所表現(xiàn)的性質(zhì)。納米顆粒材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子(nano particle)組成。納米粒子也叫超微顆粒，一般是指尺寸在1100nm間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域，從通常的關于微觀和宏觀的觀點看，這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型的介觀系統(tǒng)，它具有表面效應、小尺寸效應和宏觀量子隧道效應。當人們將宏觀物體細分成超微顆粒（納米級）后，它將顯示出許多奇異的特性，即它的光學、熱學、電學、磁學、力學以及化學方面的性質(zhì)和大塊固體時相比將會有顯著的不同。納米技術的廣義范圍可包括納米材料技術及納米加工技術、納米測

20、量技術、納米應用技術等方面。其中納米材料技術著重于納米功能性材料的生產(chǎn)（超微粉、鍍膜、納米改性材料等），性能檢測技術（化學組成、微結構、表面形態(tài)、物、化、電、磁、熱及光學等性能）。納米加工技術包含精密加工技術（能量束加工等）及掃描探針技術。納米材料具有一定的獨特性，當物質(zhì)尺度小到一定程度時，則必須改用量子力學取代傳統(tǒng)力學的觀點來描述它的行為，當粉末粒子尺寸由10微米降至10納米時，其粒徑雖改變?yōu)?000倍，但換算成體積時則將有10的9次方倍之巨，所以二者行為上將產(chǎn)生明顯的差異。納米粒子異于大塊物質(zhì)的理由是在其表面積相對增大，也就是超微粒子的表面布滿了階梯狀結構，此結構代表具有高表面能的不安定原

21、子。這類原子極易與外來原子吸附鍵結，同時因粒徑縮小而提供了大表面的活性原子。就熔點來說，納米粉末中由于每一粒子組成原子少，表面原子處于不安定狀態(tài)，使其表面晶格震動的振幅較大，所以具有較高的表面能量，造成超微粒子特有的熱性質(zhì)，也就是造成熔點下降，同時納米粉末將比傳統(tǒng)粉末容易在較低溫度燒結，而成為良好的燒結促進材料。一般常見的磁性物質(zhì)均屬多磁區(qū)之集合體，當粒子尺寸小至無法區(qū)分出其磁區(qū)時，即形成單磁區(qū)之磁性物質(zhì)。因此磁性材料制作成超微粒子或薄膜時，將成為優(yōu)異的磁性材料。納米粒子的粒徑（10納米100納米）小于光波的長，因此將與入射光產(chǎn)生復雜的交互作用。金屬在適當?shù)恼舭l(fā)沉積條件下，可得到易吸收光的黑色

22、金屬超微粒子，稱為金屬黑，這與金屬在真空鍍膜形成高反射率光澤面成強烈對比。納米材料因其光吸收率大的特色，可應用于紅外線感測器材料。納米技術在世界各國尚處于萌芽階段，美、日、德等少數(shù)國家，雖然已經(jīng)初具基礎，但是尚在研究之中，新理論和技術的出現(xiàn)仍然方興未艾。我國已努力趕上先進國家水平，研究隊伍也在日漸壯大。納米材料的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展1861年，隨著膠體化學的建立，科學家們開始了對直徑為1100nm的粒子體系的研究工作。真正有意識的研究納米粒子可追溯到20世紀30年代的日本的為了軍事需要而開展的“沉煙試驗”，但受到當時試驗水平和條件限制，雖用真空蒸發(fā)法制成了世界第一批超微鉛粉，但光吸收性能很不穩(wěn)定。到了2

23、0世紀60年代人們開始對分立的納米粒子進行研究。1963年，Uyeda用氣體蒸發(fā)冷凝法制的了金屬納米微粒，并對其進行了電鏡和電子衍射研究。1984年德國薩爾蘭大學（Saarland University)的Gleiter以及美國阿貢實驗室的Siegal相繼成功地制得了純物質(zhì)的納米細粉。Gleiter在高真空的條件下將粒子直徑為6nm的鐵粒子原位加壓成形，燒結得到了納米微晶體塊，從而使得納米材料的研究進入了一個新階段。1990年7月在美國召開了第一屆國際納米科技技術會議（International Conference on Nanoscience&Technology)，正式宣布納米材

24、料科學為材料科學的一個新分支。自20世紀70年代納米顆粒材料問世以來，從研究內(nèi)涵和特點大致可劃分為三個階段：第一階段（1990年以前）：主要是在實驗室探索用各種方法制備各種材料的納米顆粒粉體或合成塊體，研究評估表征的方法，探索納米材料不同于普通材料的特殊性能；研究對象一般局限在單一材料和單相材料，國際上通常把這種材料稱為納米晶或納米相材料。第二階段（19901994年）：人們關注的熱點是如何利用納米材料已發(fā)掘的物理和化學特性，設計納米復合材料，復合材料的合成和物性探索一度成為納米材料研究的主導方向。第三階段（1994年至今）：納米組裝體系、人工組裝合成的納米結構材料體系正在成為納米材料研究的新

25、熱點。國際上把這類材料稱為納米組裝材料體系或者納米尺度的圖案材料。它的基本內(nèi)涵是以納米顆粒以及它們組成的納米絲、管為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結構的體系。納米材料的四大效應納米材料是指晶粒尺寸為納米級（）的超細材料，它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般為它包括體積分數(shù)近似相等的兩個部分一是直徑為幾個或幾十個納米的粒子二是粒子間的界面前者具有長程序的晶狀結構，后者是既沒有長程序也沒有短程序的無序結構納米材料由于其獨特的尺寸結構，使得納米材料有著傳統(tǒng)材料不具備的特征即四大效應， 表面效應納米材料的表面效應是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變化而急劇增大后引

26、起的性質(zhì)上的變化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變小比表面積將會顯著地增加，說明表面原子所占的原子數(shù)將會顯著地增加通常，對直徑大于的顆粒表面效應可忽略不計當尺寸小于nm時其表面原子數(shù)急劇增長，甚至克納米顆粒的表面積的總和可高達這時的表面效應將不容忽略納米顆粒的表面與大塊物體的表面，若用高倍率電子顯微鏡對金屬納米顆粒（直徑為）進行電視攝像，實時觀察，發(fā)現(xiàn)這些顆粒沒有固定的形態(tài)隨著時間的變化會自動形成多種形狀（如立方八面體、十面體、二十面體多孿晶等，它既不同于一般固體，又不同予液體是一種準固體。由于表面原子數(shù)增多，原子

27、配位不足及高的表面能，使這些原子易與其他原子相結合而穩(wěn)定下來，故具有很高的化學活性，例如金屬的納米粒子在空氣中會燃燒，無機的納米粒子在空氣中會引吸氣體，并與氣體進行反應 小尺寸效應由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應，當超細微粒的尺寸與光波波長、德布羅意波長，以及超導態(tài)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(tài)納米微粒的顆粒表面層附近原子密度減小，導致聲、光、電磁、熱力學等特性呈現(xiàn)新的小尺寸效應對納米顆粒而言，尺寸變小，同時其比表面積亦顯著增加，從而產(chǎn)生一系列新奇的性質(zhì)一是光學性質(zhì)，金屬納米顆粒對光的反射率很低通常低于，大約幾微米的

28、厚度就能完全消光所以所有的金屬在納米顆粒狀態(tài)下都呈現(xiàn)黑色；二是熱學性質(zhì)，固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時其熔點是固定的，納米顆粒的熔點卻會顯著降低例如，金的常規(guī)熔點是1064，10nm顆粒熔點降低了27，nm的熔點僅為327；三是磁學性質(zhì)，小尺寸的納米顆粒磁性與大塊材料顯著不同，大塊的純鐵矯頑力約為踟，而直徑小于20nm時，其矯頑力可以增加1000倍當直徑小于6nm時其矯頑力反而降低為零，呈顯出超順磁性可廣泛地應用于電聲器件、阻尼器件等利用等離子共振頻率隨顆粒尺寸變化的性質(zhì)可以改變顆粒尺寸來控制吸收邊的位移，制造具有一定頻寬的微渡吸收納米材料它們可用于電磁渡屏蔽和隱形飛機等 量子尺寸效應大塊材料的能

29、帶可以看作是準連續(xù)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聞的間距隨顆粒尺寸減小而增大當熱能、電場能或者磁場能比平均的能級間距還小時，就會呈顯出一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，這種現(xiàn)象稱為量子尺寸效應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(shù)還是偶數(shù)有關，比熱亦會反常變化 宏觀量子隧道效應微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應宏觀量子隧道效應的研究對基礎研究及實用都有著重要意義它限定了磁帶、磁盤進行信息貯存的時間極限量子尺寸效應、隧道效應將會是未來微電子器件的基礎，它確立了現(xiàn)存微電子器件進步微型化的極限當微電子器件進一步細微化時必須要考

30、慮上述的量子效應4納米材料的檢測掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡 scanning tunneling microscope 縮寫為STM。它作為一種掃描探針顯微術工具，掃描隧道顯微鏡可以讓科學家觀察和定位單個原子，它具有比它的同類原子力顯微鏡更加高的分辨率。此外，掃描隧道顯微鏡在低溫下（4K）可以利用探針尖端精確操縱原子，因此它在納米科技既是重要的測量工具又是加工工具。1. 工作原理掃描隧道顯微鏡是根據(jù)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。根據(jù)量子力學原理，由于電子的隧道效應，金屬中的電子并不完全局限于金屬表面之內(nèi)，電子云密度并不是在表面

31、邊界處突變?yōu)榱?。在金屬表面以外，電子云密度呈指?shù)衰減，衰減長度約為1nm。用一個極細的、只有原子線度的金屬針尖作為探針，將它與被研究物質(zhì)(稱為樣品)的表面作為兩個電極，當樣品表面與針尖非常靠近(距離1nm)時，兩者的電子云略有重疊，如圖1所示。若在兩極間加上電壓U，在電場作用下，電子就會穿過兩個電極之間的勢壘，通過電子云的狹窄通道流動，從一極流向另一極，形成隧道電流 I 。隧道電流 I 的大小與針尖和樣品間的距離 s 以及樣品表面平均勢壘的高度 有關，其關系為 ，式中A為常量。 如果s以 nm為單位， 以eV為單位，則在真空條件下，A 1， 。由此可見，隧道電流 I 對針尖與樣品表面之間的距離

32、 s 極為敏感，如果 s 減小0.1nm，隧道電流就會增加一個數(shù)量級。當針尖在樣品表面上方掃描時，即使其表面只有原子尺度的起伏，也將通過其隧道電流顯示出來。借助于電子儀器和計算機，在屏幕上即顯示出樣品的表面形貌。2. 工作方式恒電流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(tǒng)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

33、微圖象質(zhì)量高，應用廣泛。恒高度模式 對樣品進行掃描過程中保持針尖的絕對高度不變；于是針尖與樣品表面的局域距離將發(fā)生變化，隧道電流I的大小也隨著發(fā)生變化；通過計算機記錄隧道電流的變化，并轉(zhuǎn)換成圖像信號顯示出來，即得到了STM顯微圖像。這種工作方式僅適用于樣品表面較平坦、且組成成分單一(如由同一種原子組成)的情形。 從STM的工作原理可以看到：STM工作的特點是利用針尖掃描樣品表面，通過隧道電流獲取顯微圖像，而不需要光源和透鏡。這正是得名“掃描隧道顯微鏡”的原因原子力顯微鏡它主要由帶針尖的微懸臂、微懸臂運動檢測裝置、監(jiān)控其運動的反饋回路、使樣品進行掃描的壓電陶瓷掃描器件、計算機控制的圖像采集、顯示

34、及處理系統(tǒng)組成。微懸臂運動可用如隧道電流檢測等電學方法或光束偏轉(zhuǎn)法、干涉法等光學方法檢測，當針尖與樣品充分接近相互之間存在短程相互斥力時，檢測該斥力可獲得表面原子級分辨圖像，一般情況下分辨率也在納米級水平。AFM測量對樣品無特殊要求，可測量固體表面、吸附體系等。1. 工作原理原子力顯微鏡（atomic force microscope，簡稱AFM）利用微懸臂感受和放大懸臂上尖細探針與受測樣品原子之間的作用力，從而達到檢測的目的，具有原子級的分辨率。由于原子力顯微鏡既可以觀察導體，也可以觀察非導體，從而彌補了掃描隧道顯微鏡的不足。原子力顯微鏡是由IBM公司蘇黎世研究中心的格爾德·賓寧與

35、斯坦福大學的Calvin Quate于一九八五年所發(fā)明的，其目的是為了使非導體也可以采用類似掃描探針顯微鏡（SPM）的觀測方法。原子力顯微鏡（AFM）與掃描隧道顯微鏡（STM）最大的差別在于并非利用電子隧穿效應，而是檢測原子之間的接觸，原子鍵合，范德瓦耳斯力或卡西米爾效應等來呈現(xiàn)樣品的表面特性。詳細  圖1. 激光檢測原子力顯微鏡探針工作示意圖原子力顯微鏡的基本原理是：將一個對微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸，由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力，通過在掃描時控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將對應于針尖與樣品表面原子

36、間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向起伏運動。利用光學檢測法或隧道電流檢測法，可測得微懸臂對應于掃描各點的位置變化，從而可以獲得樣品表面形貌的信息。下面，我們以激光檢測原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope Employing Laser Beam Deflection for Force Detection,Laser-AFM）掃描探針顯微鏡家族中最常用的一種為例，來詳細說明其工作原理。如圖1所示，二極管激光器（Laser Diode）發(fā)出的激光束經(jīng)過光學系統(tǒng)聚焦在微懸臂（Cantilever）背面，并從微懸臂背面反射到由光電二極管構成的光斑位置檢測器（Detect

37、or）。在樣品掃描時，由于樣品表面的原子與微懸臂探針尖端的原子間的相互作用力，微懸臂將隨樣品表面形貌而彎曲起伏，反射光束也將隨之偏移，因而，通過光電二極管檢測光斑位置的變化，就能獲得被測樣品表面形貌的信息。  子力顯微鏡原理圖在系統(tǒng)檢測成像全過程中，探針和被測樣品間的距離始終保持在納米（10e-9米）量級，距離太大不能獲得樣品表面的信息，距離太小會損傷探針和被測樣品，反饋回路(Feedback）的作用就是在工作過程中，由探針得到探針-樣品相互作用的強度，來改變加在樣品掃描器垂直方向的電壓，從而使樣品伸縮，調(diào)節(jié)探針和被測樣品間的距離，反過來控制探針-樣品相互作用的強度，實現(xiàn)反

38、饋控制。因此，反饋控制是本系統(tǒng)的核心工作機制。本系統(tǒng)采用數(shù)字反饋控制回路，用戶在控制軟件的參數(shù)工具欄通過以參考電流、積分增益和比例增益幾個參數(shù)的設置來對該反饋回路的特性進行控制。2. 工作方式原子力顯微鏡的工作模式是以針尖與樣品之間的作用力的形式來分類的。主要有以下3種操作模式：接觸模式（contact mode) ，非接觸模式（ non - contact mode) 和敲擊模式( tapping mode）。接觸模式從概念上來理解，接觸模式是AFM最直接的成像模式。正如名字所描述的那樣，AFM 在整個掃描成像過程之中，探針針尖始終與樣品表面保持緊密的接觸，而相互作用力是排斥力。掃描時，懸臂

39、施加在針尖上的力有可能破壞試樣的表面結構，因此力的大小范圍在10 - 1010 - 6 N。若樣品表面柔嫩而不能承受這樣的力，便不宜選用接觸模式對樣品表面進行成像。非接觸模式非接觸模式探測試樣表面時懸臂在距離試樣表面上方510 nm 的距離處振蕩。這時，樣品與針尖之間的相互作用由范德華力控制，通常為10 - 12 N ，樣品不會被破壞，而且針尖也不會被污染，特別適合于研究柔嫩物體的表面。這種操作模式的不利之處在于要在室溫大氣環(huán)境下實現(xiàn)這種模式十分困難。因為樣品表面不可避免地會積聚薄薄的一層水，它會在樣品與針尖之間搭起一小小的毛細橋，將針尖與表面吸在一起，從而增加尖端對表面的壓力。敲擊模式敲擊模

40、式介于接觸模式和非接觸模式之間，是一個雜化的概念。懸臂在試樣表面上方以其共振頻率振蕩，針尖僅僅是周期性地短暫地接觸/ 敲擊樣品表面。這就意味著針尖接觸樣品時所產(chǎn)生的側(cè)向力被明顯地減小了。因此當檢測柔嫩的樣品時，AFM的敲擊模式是最好的選擇之一。一旦AFM開始對樣品進行成像掃描，裝置隨即將有關數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，如表面粗糙度、平均高度、峰谷峰頂之間的最大距離等，用于物體表面分析。同時，AFM 還可以完成力的測量工作，測量懸臂的彎曲程度來確定針尖與樣品之間的作用力大小。5.納米生物醫(yī)學納米生物技術通過對細胞內(nèi)信號傳導與基因調(diào)控網(wǎng)絡的人工設計與工程操作，從而產(chǎn)生了新的一類在體（in vivo）納米生物技術

41、，開發(fā)納米生物計算機、細胞機器人、生物細胞制藥廠等新技術。定義：生物納米技術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(lián)系，并在此基礎上岸研究者的意愿組合，裝配，創(chuàng)造出滿足人們意愿并行使特定功能的生物納米機器。納米生物學定義，內(nèi)容，內(nèi)含，特點不同于宏觀生物學，納米生物學是從微觀的角度來觀察生命現(xiàn)象、并以對分子的操縱和改性為目標的。納米生物學發(fā)展時間不長就已經(jīng)取得了可喜的成績。生物科學家在納米生物學領域提出了許多富有挑戰(zhàn)性的新觀念。 納米生物學的加工技術可以向生物細胞學習。納米科技在基礎醫(yī)學中的應用1子力顯微鏡(AFM)的應用AFM是納米生物技術中的一項十分重要的研究工具,在生物醫(yī)學中應

42、用得非常廣泛。與其他生物技術相比,具有如下特點:分辨率高(可達分子水平);可在生理條件下觀察;樣品制備簡單;圖像可以三維形式直接顯示;可以進行動態(tài)觀察;可以對樣品的納米性質(zhì)進行定量分析。1.1.1觀察高精度的表面三維形態(tài)圖像已用AFM觀測過的生物樣品包括蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、DNA和RNA等生物大分子以及人血小板、病毒、活細胞等。目前開展最多也最成熟的是觀察生物樣品的表面結構,如細胞和細胞器的表面形態(tài)DNA和蛋白質(zhì)大分子的二級結構,以及構成病毒衣殼的衣殼粒的表面排列方式等2 實時追蹤觀察生物樣品的生理變化由于能直接觀察活細胞,因此可以利用AFM實時追蹤觀察細胞和細胞器的生理變化,如細胞活動周期的變化。

43、在實時觀察生物分子的活動中,AFM也是一種理想的手段,如可以觀察DNA和蛋白質(zhì)等生物大分子的構象變化,大分子晶體的晶核形成和結晶化過程,以及某些生物分子的工作過程等。利用AFM還可以實時觀察病毒的毒粒消退過程4和細菌S-層的形成。3 測量生物樣品間相互作用力將單個分子連接在AFM的針尖上,與固定在云母等基底上的特異分子相互作用,根據(jù)探針懸臂的變化可以測得這對特異分子的相互作用力,其精度可達10-11N。如果這種力具有更高的特異性,可以根據(jù)所測得的力定性地測知被測樣品是什么。目前這方面的研究很多,包括細胞-細胞、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)、酶-底物5,6、抗原-抗體、受體-配體、藥物-靶標以及其他許多生物復

44、合物之間的相互作用。4 測量生物樣品表面的理化性質(zhì)利用AFM還可以測量生物樣品表面的某些理化性質(zhì),如黏性、彈性、硬度等。在用AFM測量豚鼠外毛細胞(outerhaircells,OHCs)的力學性質(zhì)(mechanicalproperties)時發(fā)現(xiàn),在細胞頂點處的力學性質(zhì)最大,比基底部和中部區(qū)域要大3倍,另外發(fā)現(xiàn)隨著細胞的長度增加,其表面楊氏模量減小7納米技術在診療上的應用最近,國外科學家Kim等最近研制出了一種多聚復合納米顆粒(NPs),可用于癌細胞的檢測：以一種可降解生物多聚物(PLGA)作為基質(zhì),將化學治療藥物(阿霉素)以納米顆粒的形式納入到了聚合納米顆?；|(zhì)當中；將CdSe/ZnS半導

45、體量子點(QDs)或超順磁性的納米晶體四氧化三鐵嵌入該基質(zhì)中；通過聚乙二醇基團將對癌細胞有靶向作用的葉酸連接到被修飾的PLAG上,構成了一個完整的NPs；在癌細胞上有過量表達的葉酸受體,連有葉酸的NPs通過抗原抗體結合反應偵查到癌細胞并進行光學成像,可以通過核磁共振和熒光成像來觀察抗原抗體的結合進而對癌細胞進行監(jiān)測。同時,通過四氧化三鐵的磁導作用將阿霉素運輸?shù)桨┘毎浇?殺死癌細胞。標示，治療6.納米材料的制備按制備原理分為：物理和化學按生成介質(zhì)分為：固 液 氣物理方法應用納米技術制成的服裝真空冷授法：用真空蒸發(fā)、加熱、高頻感應等方法使原料氣化或形成等粒子體，然后驟冷。其特點純度高、結晶組織好

46、、位度可控，但技術設備要求高。物理粉碎法：透過機械粉碎、電火花爆炸等方法得到納米粒子。其特點操作簡單、成本低，但產(chǎn)晶純度低，順粒分布不均勻。機械球磨法：采用球磨方法，控制適當?shù)臈l件得到純元素、合金或復合材料的納米粒子。其特點操作簡單、成本低，但產(chǎn)品純度低，顆粒分布不均勻?；瘜W方法氣相沉積法：利用金屬化合物蒸汽的化學反應合成納米材料。其特點產(chǎn)品純度高，粒度分布窄。沉淀法：把沉淀劑加人到鹽溶液中反應后，將沉淀熱處理得到納米材料.其特點簡單易行，但純度低，顆粒半徑大，適合制備載化物。水熱合成法：高溫高壓下在水溶液或蒸汽等流體中合成，再經(jīng)分離和熱處理得納米粒子。其特點純度高，分散性好、拉度易控制。溶膠

47、凝膠法：金屬化合物經(jīng)溶液、溶膠、凝膠而固化，再經(jīng)低沮熱處理而生成納米粒子。其特點反應物種多，產(chǎn)物顆粒均一，過程易控制，適于氧化物和11一VI族化合物的制備。徽乳液法：兩：互不相溶的溶劑在表面活性劑的作用下形成乳液，在徽泡中經(jīng)成核，聚結、團聚、熱處理后得納米粒子。其特點粒子的單分散和接口性好，11一VI族半導體納米粒子多用此法制備。液相法是目前實驗室和工業(yè)上應用最廣泛的合成超微粉體材料的方法.與氣相法比較有如下優(yōu)點:在反應過程中利用多種精制手段;通過得到的超細沉淀物, 可很容易制取高反應活性的納米粉體主要特征:可精確控制化學組成;容易添加微量有效成分,制成多種成分均一的納米粉體;納米粉體材料表面

48、活性高;容易控制顆粒的尺寸和形狀;工業(yè)化生產(chǎn)成本低.步驟多，容易產(chǎn)生團聚現(xiàn)象固相法突出優(yōu)點是操作方便,合成工藝簡單,粒徑均勻,且力度可控,污染少,同時又可以避免或減少液相中易出現(xiàn)的硬團聚現(xiàn)象,成本低.，適合規(guī)模生產(chǎn)缺點是組成不易均勻,微粒易團聚,微粒直徑分布寬.，不適宜于納米線，納米棒，納米膜制備可以利用該方法制備納米SI3N4 SIC ZNO SNO NIO等金屬氧化物氣相法制備的材料顆粒都比較小，這是優(yōu)勢，而缺點就是能耗大7 納米電子，納米加工的發(fā)展史納米電子 包括基于量子效應的納米電子器件、納米結構的光/電性質(zhì)、納米電子材料的表征，以及原子操縱和原子組裝等。當前電子技術的趨勢要求器件和系

49、統(tǒng)更小、更快、更冷，更小，是指響應速度要快。更冷是指單個器件的功耗要小。但是更小并非沒有限度。 納米技術是建設者的最后疆界，它的影響將是巨大的。從歷史發(fā)展的角度來看，任何一個新興學科和 技術的發(fā)展，都具有鮮明的時代特征，并植根于當時科學發(fā)展的肥沃土壤。如量子力學的出現(xiàn)導致了 固體能帶理論的形成和固態(tài)電子器件的誕生，使微電子技術獲得了迅速發(fā)展，就是明顯例證。本世紀初興起的納米電子學研究，也同樣具有深刻的社會與科技發(fā)展背景。一般認為納米電子的由來與 發(fā)展有兩條路徑：一條是以無機材料的固態(tài)電子 器件尺寸和維度不斷變小的自上而下的發(fā)展路徑； 另一條則是基于化學有機高分子和生物分子的自 組裝功能器件尺度

50、逐漸變大的自下而上的發(fā)展過程?；诠虘B(tài)電子器件尺寸不斷變小的自上而下 發(fā)展路徑 年，美國科學家基爾比發(fā)明了集成電路， 開創(chuàng)了微電子技術發(fā)展的新時代。特別是年 以后，晶體管及其集成電路的出現(xiàn)，開始了 微電子工業(yè)蓬勃發(fā)展的歷史進程。年，英特 爾公司的創(chuàng)始人摩爾科學而及時地總結了集成電路 的發(fā)展規(guī)律，提出了著名的“摩爾定律”，即集成 電路的集成度每年增長倍。迄今為止， 集成電路一直嚴格遵循這一定律發(fā)展。從最初每個 芯片上僅有個晶體管的小規(guī)模集成電路，發(fā)展 到今天能集成上億個器件的甚大規(guī)模集成電路。預 計到年，器件特征尺寸為 的集成電路 將投入批量生產(chǎn)，此后將進人以納米晶體 管為主的納米電子學時代。

51、縱觀半導體集成電路的整個發(fā)展歷程可以看出，微電子器件特征尺寸的按比例縮小原理起了至 關重要的作用，也正是這種器件尺寸日漸小型化的 發(fā)展趨勢，促使人們所研究的對象由宏觀體系進入 到納米體系。從這個意義上說，納米電子學是微電 子學發(fā)展的必然結果“。 自上而下發(fā)展路徑的另一個分支是半導體結構 的低維化。年，日本著名物理學家江崎及其 合作者所提出的半導體超晶格概念，具有巨大的創(chuàng) 新意義和潛在的應用前景。從年到年， 是半導體超晶格與量子研究的黃金時期。在這 年中，不僅它們自身獲得了令世人矚目的進展。 尤其重要的是其開創(chuàng)了凝聚態(tài)物理學新進展中低維 物理研究的全新領域。世紀年代初期，納米科學技術在全世界 急

52、速興起，首當其沖的是納米材料的制備、表征與 物性研究。一時之間各種納米材料的形成技術應運 而生，其中，分子自組裝技術用于有機納米團簇與 超分子的制備引起了化學與材料學家的廣泛重視。 這是由于此類材料在光學、電學、磁學、機械以及 催化和環(huán)保等許多領域都有著潛在的應用價值。分子自組裝的最主要應用，則是利用該技術制 作具有特定功能的納米量子器件，無疑這是一條納 米電子學的自下而上的發(fā)展路徑。發(fā)展納米電子學 的另外一條重要途徑就是由無機材料構成的納米 微粒、納米薄膜和納米固體的研究。年，德 國的著名材料物理學家格萊特教授率先采用物理 方法制備了由納米晶粒和晶粒間兩種形成的納米固體材料，在世界范圍內(nèi)引起

53、了轟動。其 后，人們紛紛采用各種工藝，如分子束外延、激光 燒蝕沉積、磁控濺射、等離子體化學 汽相沉積、凝 膠-溶膠法和高能離子注入等沉積生長了各類納米 薄膜材料，并設計和制作了一系列低維量子結構器件。納米電子學的概念概括起來就是：它是一個采用納米結構 材料所具有的各種量子化效應，通過適宜的納米加 工技術，設計并制作具有實用化的納米量子器件及 其集成電路的學科分支。世紀下半葉，以 晶體管集成電路為基礎的微電子技術，對信息科學技術的發(fā)展產(chǎn)生了極大推動作用。那么世紀上 半葉，以納米量子器件及集成為基礎的納米電子技 術，將對信息、材料、生物以及環(huán)境技術等產(chǎn)生比微電子技術更加久遠和更加廣發(fā)的革命性影響。

54、但是，從整體發(fā)展而言，目前納米電子學尚處 于起步階段，它是一個綜合了多學科的匯合點。它 的發(fā)展不僅有重大的基礎理論意義，而且又有非常 誘人的應用前景，有可能為人類的文明與進步帶來 潛在的經(jīng)濟和社會效益。納米加工 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(nèi)容之一。納米加工技術擔負著支持最新科學技術步的重要使命。國防戰(zhàn)略發(fā)展的需要和納米級精度產(chǎn)品高利潤市場的吸引，促使了納米加工技術產(chǎn)生并迅速發(fā)展。例如，現(xiàn)代武器慣導儀表的精密陀螺、激光核聚變反射鏡、大型天體望遠鏡反射鏡和多面棱鏡、大規(guī)模集成電路硅片、計算機磁盤及復印機磁鼓等都需要進行納米級加工。納米加工技術的發(fā)展也促進了機械、電子、半導體、光學、傳感器和測量技術以及材料科學的發(fā)展。美國在開發(fā)納米加工技術方面，起著先導作用。由于電子技術、計算機技術、航空航天技術和激光技術等尖端技術發(fā)展的需要，美國于1962年研制出金剛石刀具超精細切削機床，解決了激光核聚變反射鏡及天體望遠鏡等光學零件和計算