纳米科学技术简介

第一节　纳米科学技术简介

人类对客观世界的认识分为两个层次：一是宏观领域，二是微观领域。宏观领域是指以人的肉眼可见的最小物体为下限，上至无限大的宇宙天体；微观领域是以分子原子为最大起点，下限是无限小的领域。

在宏观领域和微观领域之间，存在着一块近年来才引起人们极大兴趣和有待开拓的“处女地”。这个领域包括了从微米、亚微米，纳米到原子团簇尺寸（从几个到几百个原子以上尺寸）的范围。

纳米是一个长度单位，一纳米是十亿分之一米，或千分之一微米。直观上讲，人的头发直径一般为20～50微米，单个细菌用显微镜测出直径为5微米，1个氢原子的直径为0.1纳米，所以1纳米就等于10个氢原子排列起来的长度。当材料的颗粒缩小到只有几纳米到几十纳米时，人们发现材料的性质发生了意想不到的变化，具有许多与传统材料不同的物理、化学性质，这些性质不能被传统的模式和理论所解释。

纳米技术就是研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。它的本质是一种可以在分子水平上，一个原子、一个原子地来创造具有全新分子形态的结构的手段，使人类能在原子和分子水平上操纵物质。

1993年，国际纳米科技指导委员会将纳米技术划分为6个分支学科：纳米电子学、纳米物理学、纳米化学、纳米生物学、纳米加工学、纳米计量学。其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。目前，各个不同学科的科学家都在潜心研制和分析纳米结构，他们的工作奠定了纳米技术的基础，推动了纳米技术的发展。

纳米技术

一、纳米材料

把组成相或晶粒结构的尺寸控制在100纳米以下的具有特殊功能的材料称为纳米材料。即三维空间中至少有一维尺寸小于100纳米的材料或由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料。常规纳米材料中的基本颗粒直径不到100纳米，包含的原子不到几万个。一个直径为3纳米的原子团包含大约900个原子，几乎是英文里一个句点的百万分之一，这个比例相当于一条300多米长的帆船跟整个地球的比例。纳米材料按结构分为5类：

（1）零维材料尺寸为纳米级（100纳米）以下的颗粒状物质；

（2）一维材料——线径为1～100纳米的纤维（管）；

（3）二维材料——厚度为1～100纳米的薄膜；

（4）体相纳米材料（由纳米材料组装而成），包括金属纳米材料、半导体纳米材料、有机和高分子纳米材料、复合纳米材料……

（5）纳米孔材料（孔径为纳米级）。

纳米材料

当物质小到1～100纳米时，由于其巨大的表面及界面效应，很多性能发生质变，呈现出许多既不同于宏观物体，也不同于单个孤立原子的奇异现象。纳米材料和传统材料相比，主要有四种不同的特性：

（1）表面与界面效应。这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40％；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99％。如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空气中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体。

（2）小尺寸效应。当纳米微粒尺寸与光波波长、传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁、热力学等性能呈现出“新奇”的现象。例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电，绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电；高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。

（3）量子尺寸效应。当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。

（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。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种现象被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。

二、纳米科技的分类

纳米科技从研究内容上可以分为三个方面：纳米材料，纳米器件，纳米尺度的检测和表征。

纳米材料是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度，并且具有特殊性能的材料，是纳米科技发展的物质基础。纳米材料的研究包括两个方面，一是系统地研究纳米材料的微结构和谱学特征，通过和常规材料对比，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。二是发展新型纳米材料，例如纳米陶瓷。目前，纳米材料应用的关键技术问题是在大规模制备的质量控制中，如何做到均匀化、分散化、稳定化，根据性质设计出各种特殊功能的纳米材料。

纳米科技的最终目的是以原子、分子为起点，去制造具有特殊功能的产品。因此，纳米器件的研制和应用水平是进入纳米时代的重要标志。所谓纳米器件，就是指从纳米尺度上，设计和制造功能器件。

根据美国半导体协会的预计，半导体器件的尺度可以小到100纳米，此时量子效应就会起到很重要的作用。利用量子效应而工作的电子器件称为量子器件，这时就需要用全新的理论和方法来构建新的纳米器件。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1/1000）、高效、高集成度、经济可靠、信息存储量大（在一张不足巴掌大的5英寸光盘上，至少可以存储30个北京图书馆的全部藏书）等优点。

纳米尺度的检测与表征手段是指在纳米尺度上研究材料和器件的结构及性能，包括在纳米尺度上原位研究各种纳米结构的电、力、磁、热、光学特性，纳米空间的化学反应过程、物理传输过程，原子、分子的排列组装与奇异物性的关系。

三、扫描隧道电子显微镜

1981年，IBM公司的格尔德·宾宁和亨利希·罗勒根据电子的隧道效应发明了扫描隧道电子显微镜（STM），获1986年的诺贝尔物理奖。

1990年，IBM实验室的科学家利用STM针尖移动吸附在金属镍表面上的原子，将35个氙原子排布成最小的“IBM”字样。这几个字母高5纳米，每个氙原子间最短距离约为1纳米。这种原子搬迁的方法就是使扫描隧道显微镜探针针尖对准选中的氙原子，使针尖接近氙原子，使原子间作用力达到让氙原子跟随针尖移动到指定位置而不脱离镍的表面。这是首次公开证实在原子水平有可能以单个原子精确生产物质，该研究成果极大地促进了世界纳米科技的进步。

IBM纳米商标

在氙原子搬迁后，科学家又实现了分子的搬迁排列。在铂单晶的表面上，将吸附的一氧化碳分子用STM搬迁排列起来、构成一个身高仅5纳米的世界上最小的人的图样。用来构成这图样的一氧化碳分子间距离仅为0.5纳米，人们称它为“一氧化碳小人”。

之后，来自同一实验室的科学家又用48个铁原子排列在铜金属表面上组成了汉字“原子”两字，汉字的大小只有几个纳米。1991年，日本日立研究室实验了在室温下用扫描隧道显微镜移去二硫化钼晶体表面上的一些原子，进行单原子操纵，以原子空穴的形式写下了“Peace91”的字样，其每个字母的尺寸均小于1.5纳米。

1988年4月12日，白春礼院士研制成功中国第一台计算机控制的扫描隧道显微镜。1994年，中国科学院化学所和中国科学院北京真空物理室利用扫描隧道显微镜在单晶硅表面上通过提走硅原子的方法，获得了线宽2纳米的硅原子“毛泽东”字样；在石墨表面刻出线宽10纳米的“中国”字符，字符的大小只有几个纳米。这些技术的突破对于高密度信息储存、纳米电子器件、量子阱器件、新型材料的形成等方面具有非常重要和广泛的应用。

纳米围栏