奈米科技與奈米材料
緒論
一、奈米科技的誕生
二、奈米技術與納米材料的概念 三、奈米材料的特性
四、幾種典型的奈米材料
一、奈米科技誕生
1959年，著名物理學家、諾貝爾獎獲得者理查·費 曼預言，人類可以用小的機器製作更小的機器，
最後將變成根據人類意願，逐個地排列原子，製 造“產品”，這是關於奈米技術最早的夢想。
七十年代，科學家開始從不同角度提出有關奈米 科技的構想。
一、奈米科技誕生
1974年，科學家唐尼古奇最早使用奈米技術一詞 描述精密機械加工。 1982年，科學家發明研究奈 米的重要工具－－掃描隧道顯微鏡，使人類首次 在大氣和常溫下看見原子，為我們揭示一個可見 的原子、分子世界，對奈米科技發展產生了積極 促進作用。 1990年7月，第一屆國際奈米科學技 術會議在美國巴爾的摩舉辦，標誌著奈米科學技 術的正式誕生
一、奈米科技誕生
1991年，碳奈米管被人類發現，它的品質是相同 體積鋼的六分之一，強度卻是鋼的10成為奈米技 術研究的熱點。諾貝爾化學獎得主斯莫利教授認 為，奈米碳管將是未來最佳纖維的首選材料，也 將被廣泛用於超微導線、超微開關以及奈米級電 子線路等。
一、奈米科技誕生
整齊排列的具有良好柔韌性的聚丙烯氯化 銨/聚乙烯磺酸鹽奈米管SEM與TEM圖
一、奈米科技誕生
1993年，1989年美國史丹福大學搬走原子團“寫”
下史丹福大學英文名字、 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” 。
一、奈米科技誕生
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年後研製成功速度 和存貯容量比現在提高成千上萬倍的量子電腦。
1999年，巴西和美國科學家在進行奈米碳管實驗 時發明了世界上最小的 “秤”，它能夠稱量十 億分之一克的物體，即相當於—個病毒的重量；
此後不久，德國科學家研製出能稱量單個原子重 量的秤，打破了美國和巴西科學家聯合創造的紀 錄。
一、奈米科技誕生
到1999年，奈米技術逐步走向市場，全年奈米產 品的營業額達到500億美元。 近年來，一些國家 紛紛制定相關戰略或者計畫，投入鉅資搶佔奈米 技術戰略高地。日本設立奈米材料研究中心，把 奈米技術列入新5年科技基本計畫的研發重點；
德國專門建立奈米技術研究網；美國將奈米計畫 視為下一次工業革命的核心，美國政府部門將奈 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。
掃描隧道顯微鏡介紹
掃描隧道顯微鏡是80年代初期發展起來的新 型顯微儀器，能達到原子級的超高解析度。掃描 隧道顯微鏡不僅作為觀察物質表面結構的重要手 段，而且可以作為在極其細微的尺度─即奈米尺 度（1 nm=10-9 m）上實現對物質表面精細加工 的新奇工具。目前科學家已經可以隨心所欲地操 縱某些原子。一門新興的學科─奈米科學技術已 經應運而生。
掃描隧道顯微鏡介紹
20世紀80年代初期，IBM公司蘇黎世實驗室的 兩位科學家G．Binnig和H．Roher發明了掃描隧 道顯微鏡。
這種新型顯微儀器的誕生，使人類能夠即時地 觀測到原子在物質表面的排列狀態和與表面電子 行為有關的物理化學性質，對表面科學、材料科 學、生命科學以及微電子技術的研究有著重大意 義和重要應用價值。為此這兩位科學家與電子顯 微鏡的創制者ERrska教授一起榮獲1986年諾貝爾 物理獎。
掃描隧道顯微鏡介紹
STM具有空間的高解析度(橫向可達0.1nm，縱向可優於
0.01nm)，能直接觀察到物質表面的原子結構，把人們帶 到了微觀世界。它的基本原理是基於量子隧道效應和掃 描。它是用一個極細的針尖(針尖頭部為單個原子)去接近 樣品表面，當針尖和表面靠得很近時(＜1nm)，針尖頭部 原子和樣品表面原子的電子雲發生重疊，若在針尖和樣 品之間加上一個偏壓、電子便會通過針尖和樣品構成的 電動勢而形成隧道電流。通過控制針尖與樣品表面間距 的恒定並使針尖沿表面進行精確的三維移動，就可把表 面的資訊；(表面形貌和表面電子態)記錄下來。由於STM 具有原子級的空間解析度和廣泛的適用性，國際上掀起 了研製和應用STM的熱潮，推動了奈米科技的發展。
掃描隧道顯微鏡介紹
奈米探針
掃描隧道顯微鏡介紹
矽表面
奈米算盤C60每10個一組，在銅表面 形成世界上最小的算盤。
掃描隧道顯微鏡介紹
奈米皇冠
掃描隧道顯微鏡介紹
伴隨著STM的發明以及其在表面高解析度觀察研 究中的各種應用的日漸增多，有人發現利用探針 針尖與表面之間的各種相互作用，可以用來分析 高解析度成像。1986年賓尼戈等人發明了利用鐳 射檢測針尖與表面相互作用進行表面成像的分析 儀器。該儀器稱為原子力顯微鏡（ATM）。
STM 與ATM共同構成了現今稱之為掃描探針顯 微鏡（SPM）的兩大主體技術。
掃描隧道顯微鏡介紹
目前除了隧道顯微鏡（STM）、原子力顯微鏡
（AFM）以外，還有近場光學顯微鏡
（NSOM）、側面力顯微鏡（IFM）、磁力顯微 鏡（MFM）、極化力顯微鏡（SPFM）……已有 二十多個品種。但大量還處在實驗室的產品研發 階段。由於它們都是用探針通過掃描系統來獲取 圖像，因此這類顯微鏡統稱為掃描探針顯微鏡
（SPM）。
二、奈米技術與奈米材料的概念
1.奈米技術
奈米科技是90年代初迅速發展起來的新的前 沿科研領域。它是指在1-100nm尺度內，研究電
子、原子和分子運動規律、特性的高新技術學科。
其最終目標是人類按照自己的意志直接操縱單個 原子、分子，製造出具有特定功能的產品。
二、奈米技術與奈米材料的概念
2.奈米材料
奈米材料又稱為超微顆粒材料，由奈米粒子組成。奈米 粒子也叫超微顆粒，一般是指尺寸在1～100nm間的粒子，
是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區域，從通常的關 於微觀和宏觀的觀點看，這樣的系統既非典型的微觀系 統亦非典型的宏觀系統，是一種典型人介觀系統，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（奈米級）後，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和大塊固體時相比將會有顯著的 不同。
三、奈米材料的特性
1.表面效應
2.小尺寸效應
3.量子尺寸效應
4.宏觀量子隧道效應
三、奈米材料的特性
1.表面效應
100 80 60 40 20 0 比
例
（%
） 表
面 原 子 数 相 对 总 原 子
数 0 10 20 30 40 50
三、奈米材料的特性
2.小尺寸效應
隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質 的質變。由於顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質的變 化稱為小尺寸效應。對超微顆粒而言，尺寸變小，同時 其比表面積亦顯著增加，從而產生如下一系列新奇的性 質。
（1） 特殊的光學性質
（2） 特殊的熱學性質
（3） 特殊的磁學性質
（4）特殊的力學性質
超微顆粒的小尺寸效應還表現在超導電性、介電性能、
聲學特性以及化學性能等方面。
三、奈米材料的特性
3.量子尺寸效應
微粒尺寸下降到一定值時，費米能階附近的電子 能級由準連續能階變為分立能階，吸收光譜闕值 向短波方向移動，這種現象稱為量子尺寸效應。
四、奈米顆粒型材料
奈米顆粒型材料也稱奈米粉末，一般指粒度在 100nm以下的粉末或顆粒。由於尺寸小，比表面 大和量子尺寸效應等原因，它具有不同於常規固 體的新特性。
用途
高密度磁記錄材料、吸波隱身材料、磁流體 材料、防輻射材料、單晶矽和精密光學器件拋光 材料、微晶片導熱基與佈線材料、微電子封裝材 料、光電子材料、電池電極材料、太陽能電池材 料、高效催化劑、高效助燃劑、敏感元件、高韌 性陶瓷材料、人體修復材料和抗癌製劑等。
