1、College of EngineeringApril 18, 2004材料化學(xué)材料化學(xué) 納米材料納米材料 李李 齊齊 方方 材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering2 材料科學(xué)與工程學(xué)院q我想操作與控制微小物體是可以做到的。q物理原理並不違反操作原子的可能性。在原子的世界里將有新的力量、新的可能性、新的影響，但問題是如何制造原子尺度的材料與重復(fù)的生產(chǎn)，因為原子世界的事物與普通世界不同。q有一天，我將可以將能夠把整個圖書館的藏書儲存到針尖上。費(fèi)曼的幻想：我們可以用普通大小的儀器來

2、制造較小的儀器，而較小的儀器又可以制造更小的儀器，就這樣一步步縮小尺度，最后人類終將可以依照自己的意志來排列、重組原子。UC Davis College of Engineering3q一個納米的長度大約是十個氫原子排在一起的長度。q納米(nanometer)指的就是0.000000001m，也就是十億分之一公尺；由此可知納米跟米、毫米、微米一樣都是長度的單位。q納米科技就是納米尺度下的科學(xué)技術(shù)。人類現(xiàn)在正從微米(m)的世界進(jìn)入納米(nm)的王國。需要注意：納米尺度的世界事物大不同于一般尺度的世界，了解這個不同處正是我們現(xiàn)今最大的挑戰(zhàn)！

3、 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering4 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering5Size relationship of chemistry, nanoparticles, and solid-state physics 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering6用掃描隧道顯微鏡用掃描隧道顯微鏡的

4、針尖在銅表面上的針尖在銅表面上搬運(yùn)和操縱搬運(yùn)和操縱48個個 原子，使排成圓形原子，使排成圓形圓形上原子的某些電子向外傳播，逐漸減圓形上原子的某些電子向外傳播，逐漸減小，同時與向內(nèi)傳播的電子相互干涉形成小，同時與向內(nèi)傳播的電子相互干涉形成干涉波干涉波 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering7納米科技可以分為四個領(lǐng)域納米材料納米動力學(xué)納米電子學(xué)納米微生物和納米藥物學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineeringhttp:/engineering.ucdavis.e

5、du8廣義上，是指在廣義上，是指在 三維空間中至少有一維處于三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍納米尺度范圍 或由它們作為基本單元構(gòu)成的或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。材料。 納米材料是指納米顆粒和由它構(gòu)成的納米薄膜納米材料是指納米顆粒和由它構(gòu)成的納米薄膜和固體。和固體。1100nm范圍范圍一克的黃金一克的黃金約約值值15美元，但一克的美元，但一克的POSS納米材納米材料值料值100美元，一克納米美元，一克納米碳管卻要碳管卻要值值1000美元！美元！ 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering9 主

6、要指微機(jī)械和微機(jī)電，或總稱為微型電動機(jī)械系統(tǒng)（minisize electromotion mechanism system，MEMS）。 類似于集成電路設(shè)計和制造的新工藝。 特點(diǎn)是部件小，刻蝕的深度目前要求數(shù)百微米，寬度誤差萬分之一，正向納米尺度進(jìn)軍，有很大的潛在科學(xué)價值。 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering10 研究生物分子間的相互作用和DNA等精細(xì)分子結(jié)構(gòu)。 用自組裝的方法在細(xì)胞內(nèi)放入零件或組件構(gòu)成新的材料和藥物 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Enginee

7、ring11 基于量子效應(yīng)的納米電子器件、納米結(jié)構(gòu)的光性質(zhì)與電性質(zhì)、納米電子材料的表征以及原子操縱和原子組裝 納米電子元件代替微電子器件，巨型計算機(jī)能裝入口袋。 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering12蓮花效應(yīng)(Lotus EffectLotus Effect) )主要是指蓮葉表面具有超疏水超疏水( (superhydrophobicitysuperhydrophobicity) )以及自自潔潔( (self-self-cleaning

8、)cleaning)的特性。 水珠會夾帶灰塵顆粒離開葉面在表面張力作用下，水與超疏水表面會有一接觸角。 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering13在電鏡下觀察水銀與葉面接觸的狀況 一般光滑表面水珠滑動納米結(jié)構(gòu)細(xì)微表面水珠滾動 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering14鴨毛與鵝毛的排列非常整齊，且毛與毛間的縫隙極小，小到納米尺寸，所以水分子無法穿透層層的鴨毛與鵝毛：故水中的鴨與鵝可以保持身體的干燥。

9、 但是狗狗的毛皮卻不行 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering15脫脫氧核醣核酸氧核醣核酸 DeoxyriboNucleic Acid所有的生物是由這(A、T、C、G)四種堿基自然排序、自動組裝而成！ 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering16 3 納米效應(yīng)納米效應(yīng)蜜蜂體內(nèi)因存在磁性的蜜蜂體內(nèi)因存在磁性的“納米納米”粒子而具有羅粒子而具有羅盤的作用，可以為蜜蜂的活動導(dǎo)航盤的作用，可以為蜜蜂的活動導(dǎo)

10、航 蓮花之出污泥而不染，水滴滴在蓮花葉片上，蓮花之出污泥而不染，水滴滴在蓮花葉片上，形成晶瑩剔透的圓形水珠，而不會攤平在葉片形成晶瑩剔透的圓形水珠，而不會攤平在葉片上的現(xiàn)象，是蓮花葉片表面的上的現(xiàn)象，是蓮花葉片表面的“納米納米”結(jié)構(gòu)造結(jié)構(gòu)造成，因表面不沾水滴，污垢自然隨著水滴從表成，因表面不沾水滴，污垢自然隨著水滴從表面滑落，此納米結(jié)構(gòu)所造成的蓮花效應(yīng)面滑落，此納米結(jié)構(gòu)所造成的蓮花效應(yīng)(Lotus Effect)已被開發(fā)并商品化為環(huán)保涂料。已被開發(fā)并商品化為環(huán)保涂料。 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineeringhttp:/engineering.ucdav

11、17(1) 小尺寸效應(yīng)小尺寸效應(yīng) 當(dāng)超微粒子的尺寸與光波波長、當(dāng)超微粒子的尺寸與光波波長、 德德布羅意波長以及超導(dǎo)態(tài)的相干長度或透布羅意波長以及超導(dǎo)態(tài)的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時，射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時，周期性的邊界條件將被破壞，聲、光、周期性的邊界條件將被破壞，聲、光、電磁、熱力學(xué)等特性均會呈現(xiàn)新的尺寸電磁、熱力學(xué)等特性均會呈現(xiàn)新的尺寸效應(yīng)。效應(yīng)。 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering18(2) 表面與界面效應(yīng)表面與界面效應(yīng) 納米微粒尺寸小，表面大，位

12、于表面的納米微粒尺寸小，表面大，位于表面的原子占相當(dāng)大的比例。隨著粒徑減小，表面原子占相當(dāng)大的比例。隨著粒徑減小，表面急劇變大，引起表面原子數(shù)迅速增加。急劇變大，引起表面原子數(shù)迅速增加。 表面粒子活性高的原因在于它缺少近鄰表面粒子活性高的原因在于它缺少近鄰配位的表面原子，極不穩(wěn)定，很容易與其他配位的表面原子，極不穩(wěn)定，很容易與其他原子結(jié)合。這種表面原子的活性不但引起納原子結(jié)合。這種表面原子的活性不但引起納米料子表面原子輸送和結(jié)構(gòu)的變化，同時也米料子表面原子輸送和結(jié)構(gòu)的變化，同時也引起表面電子自旋引起表面電子自旋 構(gòu)象和電子能譜的變化。構(gòu)象和電子能譜的變化。 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis

13、College of Engineering19 如如A原子缺少三個近鄰，原子缺少三個近鄰，B、C、D原子各缺少兩個原子各缺少兩個近鄰，近鄰，E原子缺少一個近鄰，原子缺少一個近鄰，它們均處于不穩(wěn)定狀態(tài)，它們均處于不穩(wěn)定狀態(tài)， 近鄰缺位越多越容易與其他近鄰缺位越多越容易與其他原子結(jié)合，說明處于表面的原子結(jié)合，說明處于表面的原子原子(A、B、C、D和和E)比比處于內(nèi)部的原子的配位明顯處于內(nèi)部的原子的配位明顯的減少的減少,活性高。活性高。 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineeringhttp:/engine

14、20納米微粒尺寸 包含總原子數(shù) 表面原子所占比例，% nm10 30000 204 4000 401 30 99 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering21(3) 量子尺寸效應(yīng)量子尺寸效應(yīng) 日本科學(xué)家日本科學(xué)家KUbo給量子尺寸效應(yīng)下定義：給量子尺寸效應(yīng)下定義：當(dāng)粒子尺寸下降到最低值時，費(fèi)米能級附近的當(dāng)粒子尺寸下降到最低值時，費(fèi)米能級附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級現(xiàn)象。電子能級由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級現(xiàn)象。 =1/3 （ Ef/N）為能級間距，Ef為費(fèi)米能級，N

15、為總電子數(shù) 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering22 塊狀金屬的電子能譜為準(zhǔn)連續(xù)能帶，而塊狀金屬的電子能譜為準(zhǔn)連續(xù)能帶，而當(dāng)能級間距大于熱能、磁能、靜磁能、靜電能、當(dāng)能級間距大于熱能、磁能、靜磁能、靜電能、光子能量或超導(dǎo)的凝聚態(tài)能時，必須考慮量子光子能量或超導(dǎo)的凝聚態(tài)能時，必須考慮量子效應(yīng)，這就導(dǎo)致納米微粒磁、光、聲、熱、電效應(yīng)，這就導(dǎo)致納米微粒磁、光、聲、熱、電以及超導(dǎo)電性與宏觀特性的顯著不同，稱為量以及超導(dǎo)電性與宏觀特性的顯著不同，稱為量子尺寸效應(yīng)。子尺寸效應(yīng)。 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC D

16、avis College of Engineering23(4) 宏觀量子隧道效應(yīng)宏觀量子隧道效應(yīng) 隧道效應(yīng)是量子力學(xué)中的微觀離子所有的隧道效應(yīng)是量子力學(xué)中的微觀離子所有的特性，即在電子能量低于它要穿過的勢壘高度特性，即在電子能量低于它要穿過的勢壘高度的時候，由于電子具有波動性而具有穿過勢壘的時候，由于電子具有波動性而具有穿過勢壘的幾率。的幾率。宏觀物理量，例如微顆粒的磁化強(qiáng)度，宏觀物理量，例如微顆粒的磁化強(qiáng)度，量子相干器件中的磁通量等也顯示隧道量子相干器件中的磁通量等也顯示隧道效應(yīng)。效應(yīng)。 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis Coll

17、ege of Engineering24 4 納米材料的發(fā)展納米材料的發(fā)展 第一階段（第一階段（1990年以前）年以前） 在實(shí)驗室探索用各種手段制備各種材料的納米顆粒在實(shí)驗室探索用各種手段制備各種材料的納米顆粒 粉體，合成塊體（包括薄膜），研究評估表征的粉體，合成塊體（包括薄膜），研究評估表征的 方法，探索納米材料不同于常規(guī)材料的性能。方法，探索納米材料不同于常規(guī)材料的性能。 第二階段（第二階段（1994年以前）年以前） 如何利用納米材料已挖掘出來的奇特物理、化學(xué)和如何利用納米材料已挖掘出來的奇特物理、化學(xué)和 力學(xué)性能，設(shè)計納米復(fù)合材料

18、。力學(xué)性能，設(shè)計納米復(fù)合材料。 第三階段（第三階段（1994至現(xiàn)在）至現(xiàn)在） 納米組裝體系。納米組裝體系。 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering25 5 納米材料的分類納米材料的分類 納米微粒納米固體納米組裝體 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering26SiOOSiOSiOSiOOSiOSiOOOOSiOSiRRRRRRRCH=CHFeaabbcdeeffg納米微粒納米微粒的形態(tài)有球形、板狀、棒

19、狀、角狀、海綿狀 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering27 由納米微粒集聚而成的凝聚體。與普通材料相比其界面體積顯著提高。 按幾何形狀：納米塊狀材料、納米膜材料、納米纖維材料。 按組成顆粒的結(jié)構(gòu)狀態(tài)：晶體、非晶體、準(zhǔn)晶 按組成相數(shù)分類：納米相材料、納米復(fù)合材料 按導(dǎo)電性能：納米絕緣體、納米半導(dǎo)體、納米導(dǎo)體 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering28 20世紀(jì)80年代，法國Lehn教授提出材料化學(xué)

20、合成可以借鑒自組裝的辦法。若干分子能夠在合時條件下自組裝成納米團(tuán)簇，或在模板約束下組裝成特定的納米微結(jié)構(gòu)；納米結(jié)構(gòu)亦可通過超分子作用組裝成宏觀物質(zhì)。 以納米顆粒、納米絲、納米管為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成納米陣列體系、介孔組裝體系、薄膜鑲嵌體系等 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering29 材料科學(xué)與工程學(xué)院1. 納米超導(dǎo)材料2. 納米陶瓷3. 納米金屬4. 納米塑膠5. 太空生長晶體6. 微孔玻璃7. 納米金鋼石8. 納米復(fù)合材料9. 納米磁性材料10. 超高純硅單晶 材料科學(xué)與

21、工程學(xué)院UC Davis College of Engineering30 材料科學(xué)與工程學(xué)院納米材料的制造方法主要有兩種 由上而下由上而下( (Top down)Top down) 由上而下的將大結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，雕刻成小結(jié)構(gòu)的物質(zhì)；再將小結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，雕刻成更小結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，直到成為納米尺度的物質(zhì)為止。 由下而上由下而上( (Bottom up)Bottom up) 操控分子、原子來形成所需的材料與結(jié)構(gòu)。UC Davis College of Engineering317 納米材料的特

22、性納米材料的特性力力 學(xué)學(xué) 熱熱 學(xué)學(xué) 磁磁 學(xué)學(xué) 光光 學(xué)學(xué) 電電 學(xué)學(xué) 化學(xué)活性化學(xué)活性 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering32特殊的力學(xué)性質(zhì)特殊的力學(xué)性質(zhì) 由于納米材料具有很大的界面，而界面的由于納米材料具有很大的界面，而界面的原子序列是相當(dāng)混亂的，這就導(dǎo)致了原子原子序列是相當(dāng)混亂的，這就導(dǎo)致了原子在在外力作用下容易遷移，從而使其表現(xiàn)出外力作用下容易遷移，從而使其表現(xiàn)出很強(qiáng)的韌性及延展性。很強(qiáng)的韌性及延展性。 在在Al2O3陶瓷材料中加入少量的納米陶瓷材料中加入少量的納米SiC，性能有

23、顯著的提高，抗彎強(qiáng)度由原來的性能有顯著的提高，抗彎強(qiáng)度由原來的(300 400)MPa提高到提高到(1.0 1.5)GPa，斷斷裂韌性也提高了裂韌性也提高了40%。 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering33納米金屬銅的超延展性納米金屬銅的超延展性 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering34特殊的熱學(xué)性質(zhì)特殊的熱學(xué)性質(zhì) 熔點(diǎn)熔點(diǎn)下降下降 金：常規(guī)熔點(diǎn)金：常規(guī)熔點(diǎn)1064 10nm的金粒熔點(diǎn)的金粒熔

24、點(diǎn)1037 2nm的金粒熔點(diǎn)的金粒熔點(diǎn)327 銀的常規(guī)熔點(diǎn)銀的常規(guī)熔點(diǎn)670 納米銀熔點(diǎn)納米銀熔點(diǎn)100 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering35納米微粒的熔點(diǎn)、開始燒結(jié)溫度和晶化納米微粒的熔點(diǎn)、開始燒結(jié)溫度和晶化 溫度均比常規(guī)粉體低得多。溫度均比常規(guī)粉體低得多。 由于顆粒小，納米微粒表面能高、比表面由于顆粒小，納米微粒表面能高、比表面原子數(shù)多，這些表面原子近鄰配位不全，原子數(shù)多，這些表面原子近鄰配位不全，活性大以及納米微粒體積遠(yuǎn)小于大塊材料，活性大以及納米微粒體積遠(yuǎn)小于大塊材料，因此納米粒子

25、熔化時所增加的內(nèi)能小得多，因此納米粒子熔化時所增加的內(nèi)能小得多，這就使得納米微粒熔點(diǎn)急劇下降。這就使得納米微粒熔點(diǎn)急劇下降。 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering36特殊的磁性質(zhì)特殊的磁性質(zhì) 納米物質(zhì)當(dāng)其顆粒達(dá)到足夠小時，納米物質(zhì)當(dāng)其顆粒達(dá)到足夠小時，則呈現(xiàn)出超順磁性。磁性超細(xì)微則呈現(xiàn)出超順磁性。磁性超細(xì)微 顆粒具有高的矯頑力。顆粒具有高的矯頑力。 如如Fe-Co合金，氧化鐵合金，氧化鐵 作為高貯存密度的磁記錄磁粉，作為高貯存密度的磁記錄磁粉， 大量應(yīng)用于磁帶、磁盤、大量應(yīng)用于磁帶、磁盤、磁卡

26、等。磁卡等。 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering37超順磁狀態(tài)的原因超順磁狀態(tài)的原因 由于在小尺寸下，當(dāng)各向異性能減小到由于在小尺寸下，當(dāng)各向異性能減小到 與熱運(yùn)動能可相比擬時，磁化方向就不與熱運(yùn)動能可相比擬時，磁化方向就不 再固定在再固定在個易磁化方向，磁化方向?qū)€易磁化方向，磁化方向?qū)?呈現(xiàn)超起伏，結(jié)果導(dǎo)致超順磁性的出現(xiàn)。呈現(xiàn)超起伏，結(jié)果導(dǎo)致超順磁性的出現(xiàn)。 不同種類的納米磁性微粒顯現(xiàn)超順磁的不同種類的納米磁性微粒顯現(xiàn)超順磁的 臨界尺寸是不相同的。臨界尺寸是不相同的。 材料科學(xué)與工程學(xué)院

27、UC Davis College of Engineering38特殊的光學(xué)性質(zhì)特殊的光學(xué)性質(zhì) 當(dāng)納米粒子的粒徑與超導(dǎo)相干波長、玻爾半當(dāng)納米粒子的粒徑與超導(dǎo)相干波長、玻爾半徑以及電子的德布羅意波長相當(dāng)時，小顆粒徑以及電子的德布羅意波長相當(dāng)時，小顆粒的量子尺寸效應(yīng)十分顯著。的量子尺寸效應(yīng)十分顯著。 與此同時，大的比表面使處于表面固態(tài)的原與此同時，大的比表面使處于表面固態(tài)的原子、電子與處于小顆粒內(nèi)部的原子、電子的子、電子與處于小顆粒內(nèi)部的原子、電子的行為有很大的差別，這種表面效應(yīng)和量尺寸行為有很大的差別，這種表面效應(yīng)和量尺寸效應(yīng)對納米微粒的

28、光學(xué)特性有很大的影響。效應(yīng)對納米微粒的光學(xué)特性有很大的影響。 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering39寬頻帶強(qiáng)吸收寬頻帶強(qiáng)吸收 藍(lán)移現(xiàn)象藍(lán)移現(xiàn)象 納米微粒出現(xiàn)了常規(guī)材料不出納米微粒出現(xiàn)了常規(guī)材料不出現(xiàn)的新的發(fā)光現(xiàn)象現(xiàn)的新的發(fā)光現(xiàn)象 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering40特殊的電學(xué)性質(zhì)特殊的電學(xué)性質(zhì)銀是優(yōu)良的良導(dǎo)體，銀是優(yōu)良的良導(dǎo)體， (1015)nm的銀微粒電阻突然升高，的銀微粒電阻突然升高

29、， 失去了金屬的特征，變成了非導(dǎo)體失去了金屬的特征，變成了非導(dǎo)體 典型的共價鍵結(jié)構(gòu)的氮化硅、二氧化硅等，典型的共價鍵結(jié)構(gòu)的氮化硅、二氧化硅等， 當(dāng)尺寸達(dá)到當(dāng)尺寸達(dá)到(1520)nm時電阻卻大大下降，時電阻卻大大下降， 用掃描隧道顯微鏡觀察時不需要在其表面鍍用掃描隧道顯微鏡觀察時不需要在其表面鍍 導(dǎo)電材料就能觀察到其表面的形貌。導(dǎo)電材料就能觀察到其表面的形貌。 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering41特殊的化學(xué)活性特殊的化學(xué)活性 隨著粒徑減小，表面原子數(shù)迅速隨著粒徑減小，表面原子數(shù)迅速 增加，表

30、面能增高。由于表面原增加，表面能增高。由于表面原子增多，原子配位不足及高的表子增多，原子配位不足及高的表面能，使表面原子有很高的化學(xué)面能，使表面原子有很高的化學(xué)活性，極不穩(wěn)定，很容易與其他活性，極不穩(wěn)定，很容易與其他原子結(jié)合。原子結(jié)合。化學(xué)惰性的化學(xué)惰性的Pt制成納米微粒制成納米微粒Pt后成后成為活性極好的催化劑為活性極好的催化劑; TiO2光催化劑。光催化劑。 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering42 1） X射線衍射，XRD： 利用Scherrer公式，用衍射峰的半高寬和位置可計算納米粒子

31、粒徑。 獲取有關(guān)單晶胞內(nèi)相關(guān)物質(zhì)的元素組成比、尺寸、原子間距與鍵長等精細(xì)結(jié)構(gòu)信息 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering432）透射電子顯微鏡）透射電子顯微鏡1932transmission electron microscopy,TEM觀察納米粒子形貌、分散、評估粒徑。分辨率0.1nm 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering443) 掃瞄式電子顯微鏡掃瞄式電子顯微鏡1938scanning el

32、ectron microscopy,SEM觀察納米粒子形貌、分散、測量粒徑。分辨率600nm，成像立體感強(qiáng)，視場大，可提供反映元素分布的x射線像 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering45掃描隧道電子顯微鏡，STM 原子力顯微鏡，AFM 掃描力顯微鏡，SFM 彈道電子發(fā)射顯微鏡，BEEM 掃描近場光學(xué)顯微鏡，SNOM 利用探針與樣品的不同相互作用，在納米級至原子級水平上研究物質(zhì)的表面原子和分子的幾何結(jié)構(gòu)及電子行為有關(guān)物理、化學(xué)性質(zhì)。 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of En

33、gineering46 材料科學(xué)與工程學(xué)院掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡1982scanning tunneling microscopy,STM利用量子理論的隧道效應(yīng)，用電子反饋線路控制隧道電流的恒定，并用針尖在樣品表面掃描，則探針在垂直于樣品方向上高低的變化就反映樣品表面的起伏。 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering47原子力顯微鏡原子力顯微鏡1985atomic force microscopy,AFM彌補(bǔ)了STM只能直接觀察導(dǎo)體和

34、半導(dǎo)體的不足，可以研究絕緣體表面，分辨率1-2nm。 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering48磁力顯微鏡磁力顯微鏡1987magnetic force microscopy,MFM 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering49掃瞄近場光學(xué)顯微鏡掃瞄近場光學(xué)顯微鏡1986scanning near-field optical microscopy,SNOM 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis Col

35、lege of Engineering50 根據(jù)非輻射場的探測與成像原理，能夠突破普通光學(xué)顯微鏡限制，在超高光學(xué)分辨率下進(jìn)行納米尺度光學(xué)成像和光譜研究。 鏡頭為細(xì)小的光學(xué)探針，其尖端孔徑遠(yuǎn)小于光的波長。當(dāng)其在距離物體表面一個波長以內(nèi)，即近場區(qū)域時，可以探測豐富的亞微米光學(xué)信息。 STM探測隧道電子，SNOM探測隧道光子。由于光子無質(zhì)量、電中性、波長長在多種介質(zhì)中傳播等特性，近場光學(xué)在納米尺度的光學(xué)觀察起到了其他方法不能取代的作用。 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineering519 9 納米技術(shù)實(shí)例納米技術(shù)實(shí)例 原子操縱術(shù)：利用原子操縱術(shù)：利用 STM 探針移動原子，探針移動原子，形成文字圖形。形成文字圖形。 納米推進(jìn)器：利用生物分子馬達(dá)與金屬納米推進(jìn)器：利用生物分子馬達(dá)與金屬螺旋槳，制造出每秒可旋轉(zhuǎn)八次的納米推進(jìn)螺旋槳，制造出每秒可旋轉(zhuǎn)八次的納米推進(jìn)器，這是人類首度結(jié)合人工材料及生物分子器，這是人類首度結(jié)合人工材料及生物分子制造出比病毒還小的組件。制造出比病毒還小的組件。 材料科學(xué)與工程學(xué)院UC Davis College of Engineeringhttp:/