纳米科学与纳米技术

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1、纳米科学与纳米技术纳米科学和纳米技术的对象就是在纳米尺度上的物质世界。纳米科学和纳米技术在21世纪将改变几乎每一件人造物体的特性，材料性能的重大改善和制造模式的改变将引发一场工业革命。纳米技术将会发展到何种程度？纳米技术是否能变得经济实用？纳米技术如何让世界变得更加美好？（第一周——第十周教学内容）提示：从第十一周起有作业，附在每周教学内容后。第一章纳米科技1.1纳米的概念纳米(nm)是长度的单位：1nm=10-9m。纳米科学与纳米技术的尺度范围是1–100nm。1031.1纳米微粒的基本特性介观体系1.2.1量子尺寸效应当粒子尺寸下降到

2、某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能隙变宽现象均称为是量子尺寸效应。1.2.2小尺寸效应当微粒尺寸与光波的波长、传导电子的德布罗意波长以及超导态的相干长度或穿透深度等物理特征尺寸103相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，导致声、光、电、磁、热、力学等特性均会呈现新的小尺寸效应。1.2.3表面和界面效应1.2.4宏观量子隧道效应微观粒子具有贯穿势垒的能力，称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量子如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中

3、的磁通量等也具有隧道效应，称之为宏观量子隧道效应。1.1纳米微粒的物理与化学特性⑴热学特性103⑵表面活性球型模型：ρ=S/V=3/r⑶催化活性⑷烧结特性烧结速度；烧结温度⑸力学性质硬度；强度；超朔性103⑹电学性质导电性；介电性质103⑺磁学性质铁磁性；顺磁性；巨磁阻（GMR）效应103⑻光学性质发光；吸波；蓝移⑼其它性质1.3纳米科技的研究领域1.1.1纳米材料材料是人类赖以生存和发展的物质基础。材料成为人类文明发达程度的一个重要标志。金属材料、无机非金属材料（包括陶瓷、玻璃、水泥、人工晶体等）和有机高分子材料是材料的三大分支。材料又

4、可分为结构材料和功能材料，前者以力学性能（如强度、韧性等）为主，后者以物理、化学特性（如电、磁、光、热等）为主。纳米材料是指材料的特征尺寸均小于100nm(微粒尺寸、晶粒尺寸。晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸等)，并且具有某些特殊性能的材料。纳米材料的主要类型有：纳米粉末、纳米涂层、纳米薄膜、纳米丝、纳米棒、纳米管和纳米固体。对于纳米材料的研究包括两个方面：103①系统地研究纳米材料的性能、微结构和谱学特征，找出纳米材料特殊的规律，建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论。②发展新型纳米材料。21世纪材料科学技术的发展重点将向具有功

5、能化、智能化、复合化、微型化及与环境协调化等特征的方向发展。最活跃的材料领域将是信息功能材料、纳米材料、生物材料、新能源（如太阳能等）及节能（如超导、燃料电池等）材料以及高比强度、高比刚度、耐高温、耐磨、耐蚀和其他在极端条件下具有优良性能的结构材料。纳米金属材料；纳米陶瓷材料；高分子材料(纳米)自然界的纳米材料：如蜜蜂的腹部存在纳米磁性微粒，这种磁性微粒具有指南针的作用；人体和兽类的牙齿是由羟基磷灰石组成的，它具有纳米结构，晶界有接近生物体的薄层，因而具有较好的韧性。新领域——仿生合成。1.3.2纳米器件纳米科技的最终目标是以原子、分子为

6、起点，从纳米材料出发或者利用纳米加工技术，制造出具有特殊功能的产品，即纳米器件。在纳米尺度下，会出现种种新现象和新效应，如量子效应。利用量子效应而工作的器件称为量子器件，如共振隧道二级管、量子阱激光器和量子干涉部件等。与电子器件相比，量子器件具有高速（速度可提高1000倍）、低耗（能耗降为千分之一）、高效、高集成度、经济可靠等优点。通过对纳米生物学103的研究，在纳米尺度上制造生物分子器件。目前，科学家在纳米生物传感器、生物分子计算机、纳米分子马达等方面都做了重要的尝试。未来所有的纳米电子器件都将具有更小、更快、更冷的特点。“更小”是指器

7、件和电路的尺寸更小，对集成电路来说就是集成度更高。“更快”是指响应速度更快。“更冷”是指单个器件的功率更小，否则很多器件堆积在一起时，既耗能源，又造成升温。但是，“更小”并没有限度。以硅集成电路而言，目前国际上做出的最小线宽是130nm（据报道，最近已在实验室做到100nm的精度）。如果线宽小于100urn，则量子效应就要出来，常用的电路设计方法就不再适用，常用技术也可能很快达到它们的极限，因此需要迅速更新。可能的早期突破是在超高密度存储器（如量子磁盘）。超灵敏传感器、医疗诊断用元件、数码信息的高速输入和输出、平板显示器用的微小电子源阵列

8、等方面。中期目标则是1012位存储器及1012次/s运算器；共振隧道器件等。第一章纳米科技发展史2.120世纪80年代末、90年代初纳米科技正式诞生最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是著名物理