納米科技與納米材料課程總結(jié)

1、西南科技大學(xué)納米科技與納米材料課程總結(jié)報(bào)告 報(bào)告人：理學(xué)院光信息1102班 楊星早在1959年，美國著名的物理學(xué)家，諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者費(fèi)曼就設(shè)想：“如果有朝一日人們能把百科全書存儲(chǔ)在一個(gè)針尖大小的空間內(nèi)并能移動(dòng)原子，那么這將給科學(xué)帶來什么！”這正是對(duì)納米科技的預(yù)言，也就是人們常說的小尺寸大世界。納米科技是研究尺寸在0.1100nm之間的物質(zhì)組成的體系的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和相互作用以及可能的實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)問題的科學(xué)技術(shù)。納米材料和技術(shù)是納米科技領(lǐng)域最富有活力、研究?jī)?nèi)涵十分豐富的學(xué)科分支?！凹{米”是一個(gè)尺度的度量，最早把這個(gè)術(shù)語用到技術(shù)上的是日本在1974年底，但是以“納米”來命名的材料是在20世紀(jì)80年代

2、，它作為一種材料的定義把納米顆粒限制到1100nm范圍。可以說納米技術(shù)是前沿科學(xué)，有很大的探索空間和發(fā)展領(lǐng)域，比如：醫(yī)療藥物、環(huán)境能源、宇航交通等等。而今納米時(shí)代正走向我們，從古文明到工業(yè)革命，從蒸汽機(jī)到微電子技術(shù)的應(yīng)用，納米時(shí)代的到來將不會(huì)很遠(yuǎn)。這門課程我最深刻的內(nèi)容是：第二講 掃描隧道顯微鏡及其應(yīng)用引言：n 在物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)和生物研究中，物質(zhì)真實(shí)表面狀態(tài)的研究具有重要意義。常用的手段有：1. 光學(xué)顯微鏡：由于可見光波長(zhǎng)所限，光學(xué)顯微鏡的分別率非常有限（一般1000nm，分辨率高的可到250nm，理論極限為200nm）。2. 掃描電鏡：雖然給表面觀察及分析提供了有力的工具，但由于高能電

3、子束對(duì)樣品有一定穿透深度，所得的信息也不能反映“真實(shí)”表面狀態(tài)，分辨率3nm。3. 透射電鏡：雖有很高的分辨率，但它所獲得的圖像實(shí)際上是很薄樣品的內(nèi)部信息，用于表面微觀觀察及分析幾乎是不可能的。分辨率0.1nm。4. 針對(duì)這一問題，賓尼與羅雷爾于1982年發(fā)明了掃描隧道顯微鏡。在不到5年的時(shí)間內(nèi)，分辨率就達(dá)到了原子水平。分辨率0.01nm。掃描隧道顯微鏡的基本原理：1982年，國際商業(yè)機(jī)器公司（IBM）蘇黎世研究所的 Gerd Binnig和 Heindch Rohrer及其同事們成功地研制出世界上第一臺(tái)新型的表面分析儀器，即掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microsc

4、ope，STM）。它使人類第一次能夠直接觀察到物質(zhì)表面上的單個(gè)原子及其排列狀態(tài)，并能夠研究其相關(guān)的物理和化學(xué)特性。因此，它對(duì)表面物理和化學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)以及微電子技術(shù)等研究領(lǐng)域有著十分重大的意義和廣闊的應(yīng)用前景。STM的發(fā)明被國際科學(xué)界公認(rèn)為20世紀(jì)80年代世界十大科技成就之一。由于這一杰出成就，Binnig和Rohrer獲得了1986年諾貝爾物理獎(jiǎng)。STM的基本原理：STM的基本原理是量子的隧道效應(yīng)。它利用金屬針尖在樣品的表面上進(jìn)行掃描，并根據(jù)量子隧道效應(yīng)來獲得樣品表面的圖像。通常掃描隧道顯微鏡的針尖與樣品表面的距離非常接近（一般為 0.5l.0nm），所以它們之間的電子云互相重疊，其

5、間的勢(shì)壘變得很薄，。當(dāng)在它們之間施加一偏置電壓Vb時(shí)，電子就可以因量子隧道效應(yīng)由針尖（或樣品）轉(zhuǎn)移到樣品（或針尖），在針尖與樣品表面之間形成隧道電流。由于隧道電流I與針尖和樣品表面之間的距離s成指數(shù)關(guān)系，所以，電流I對(duì)針尖和樣品表面之間的距離s變化非常敏感。如果此距離減小僅僅0.lnm，隧道電流 I將會(huì)增加 10倍；反之，如果距離增加 0.1nm，隧道電流 I就會(huì)減少 10倍。由于STM具有極高的空間分辨能力（平行方向的分辨率為 0.04nm，垂直方向的分辨率達(dá)到 0.01nm），它的出現(xiàn)標(biāo)志著納米技術(shù)研究的一個(gè)最重大的轉(zhuǎn)折甚至可以說標(biāo)志著納米技術(shù)研究的正式起步。因?yàn)?，在此之前人類無法直接觀察

6、物質(zhì)表面上的原子和分子結(jié)構(gòu)，使納米技術(shù)的研究無法深入地進(jìn)行。恒電流模式:恒電流模式是在STM圖像掃描時(shí)始終保持隧道電流恒定，它可以利用反饋回路控制針尖和樣品之間距離的不斷變化來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)壓電陶瓷Px和Py控制針尖在樣品表面上掃描時(shí)，從反饋回路中取出針尖在樣品表面掃描的過程中它們之間距離變化的信息（該信息反映樣品表面的起伏），就可以得到樣品表面的原子圖像。恒高度模式:恒高度模式則是始終控制針尖的高度不變，并取出掃描過程中針尖和樣品之間電流變化的信息（該信息也反映樣品表面的起伏），來繪制樣品表面的原子圖像。由于在恒高度模式的掃描過程中，針尖的高度恒定不變，當(dāng)表面形貌起伏較大時(shí)，針尖就很容易碰撞到樣品

7、。所以恒高度模式只能用于觀察表面形貌起伏不大的樣品。以上便是記得最深的部分，主要?dú)w功于老師布置的作業(yè)，我在網(wǎng)上查了好多關(guān)于STM的相關(guān)資料，因此也讓我記憶尤新。（以下便是那次作業(yè)的部分圖）通過對(duì)納米科技與納米材料課程的學(xué)習(xí)，我的感觸頗深。人類對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)是不斷深入的。認(rèn)識(shí)從直接用肉眼能看到的事物開始，然后不斷深入，逐漸發(fā)展為兩個(gè)層次：一是宏觀領(lǐng)域，二是微觀領(lǐng)域。這里的宏觀領(lǐng)域是指以人的肉眼可見的物體為最小物體開始為下限，上至無限大的宇宙天體；這里的微觀領(lǐng)域是以分子原子為最大起點(diǎn)，下限是無限小的領(lǐng)域。近年來剛剛發(fā)展起來的納米材料出現(xiàn)許多傳統(tǒng)材料不具備的奇異特性，已引起科學(xué)家的極大興趣。德國薩

8、爾大學(xué)格萊德和美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室席格先后研究成功納米陶瓷氟化鈣和二氧化鈦，在室溫下顯示良好的韌性，在180經(jīng)受彎曲并不產(chǎn)生裂紋，這一突破性進(jìn)展，使那些為陶瓷增韌奮斗將近一個(gè)世紀(jì)的材料科學(xué)家們看到了希望。作為納米科學(xué)技術(shù)的另一個(gè)重要分支，即納米生物學(xué)在90年代初露頭角，面向21世紀(jì)，它的發(fā)展前途方興未艾。納米生物學(xué)在納米尺度上認(rèn)識(shí)生物大分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其與功能的聯(lián)系，并在此基礎(chǔ)上按自己的意愿進(jìn)行裁剪和嫁接，制造具有特殊功能的生物大分子，這使生命科學(xué)的研究上了一個(gè)新的臺(tái)階，勢(shì)必在解決人類發(fā)展的一系列重大問題上起著十分重要的作用。納米微機(jī)械和機(jī)器人是十分引人注目的研究方向，納米生物機(jī)器和納米生物部件

9、零件的研制，用原子和分子直接組裝成納米機(jī)器不但其速度、效率比現(xiàn)有機(jī)器大大提高，而且應(yīng)用范圍之廣，功能之特殊、污染程度之低是現(xiàn)有機(jī)器人無法比擬的。因此納米時(shí)代的到來已經(jīng)不是空口話了，面臨的是納米的世界。納米的應(yīng)用非常廣泛，下面舉出我所了解的例子納米服裝：一種據(jù)說能屏蔽電腦和微波爐等家電磁輻射的“納米服裝”在南京亮相。由于擔(dān)心消費(fèi)者對(duì)這種“高科技”面料不信任，經(jīng)銷商的促銷手段也很獨(dú)特：當(dāng)場(chǎng)燒給你看。中國消費(fèi)者協(xié)會(huì)發(fā)布了家電、手機(jī)輻射消費(fèi)警示后，防磁服裝開始趨熱，并進(jìn)入一些商場(chǎng)、超市。商家向顧客推銷時(shí)，通常使用一種輕巧的小型磁輻射探測(cè)器做演示，而在一家禮品店，一位促銷小姐當(dāng)場(chǎng)燒“納米面料”，給顧客看

10、燒過后遺留下的“納米金屬絲”。據(jù)介紹，目前南京市場(chǎng)上防磁服裝魚龍混雜，有的所謂防磁面料只是在表面涂了一層防磁膠，洗幾次就不再有效果了，而據(jù)說由“納米”面料制成的防磁服裝，無論洗多少次效果都不會(huì)打折扣。納米豆?jié){一年不變質(zhì)：一袋普通的豆?jié){，其顆粒直徑為數(shù)十微米（厘米微米），而如果將其破碎成納米級(jí)（微米納米），便可以增加人體吸收效率，置放于冰箱內(nèi)還使保質(zhì)期延長(zhǎng)到一年?，F(xiàn)在醫(yī)學(xué)上納米手術(shù)已經(jīng)達(dá)到比較成熟的狀態(tài)，科學(xué)家運(yùn)用納米為單位的手術(shù)刀，可以最小的精確手術(shù)傷口的切割，保證血液的最少流動(dòng)！可見，納米在我們的生活中每一個(gè)角落，只要善于發(fā)現(xiàn)，納米離我們并不遙遠(yuǎn)，納米還涉及醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、等等方面。贊同納米技術(shù)

11、在光通信中的應(yīng)用及推動(dòng)作用納米激光器：美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的 Paul 等發(fā)現(xiàn): 納米激光器的微小尺寸可以使光子被限制在少數(shù)幾個(gè)狀態(tài)上,而低音廊效應(yīng)則使光子受到約束, 直到所產(chǎn)生的光波累積起足夠多的能量后透過此結(jié)構(gòu)。其結(jié)果是激光器達(dá)到極高的工作效率, 而能量閾則很低。納米激光器實(shí)際上是一根彎曲成極薄面包圈的形狀的光子導(dǎo)線,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 納米激光器的大小和形狀能夠有效控制它發(fā)射出的光子的量子行為, 從而影響激光器的工作。研究還發(fā)現(xiàn), 納米激光器工作時(shí)只需約 100A 的電流。最近科學(xué)家們把光子導(dǎo)線縮小到只有五分之一立方微米體積內(nèi)。在這一尺度上, 此結(jié)構(gòu)的光子狀態(tài)數(shù)少于 10 個(gè),接近了無能量運(yùn)行所

12、要求的條件, 但是光子的數(shù)目還沒有減少到這樣的極限上。最近, 麻省理工學(xué)院的研究人員把被激發(fā)的鋇原子一個(gè)一個(gè)地送入激光器中, 每個(gè)原子發(fā)射一個(gè)有用的光子, 其效率之高, 令人驚訝。除了能提高效率以外, 無能量閾納米激光器的運(yùn)行還可以得出速度極快的激光器。由于只需要極少的能量就可以發(fā)射激光, 這類裝置可以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)開關(guān)。已經(jīng)有一些激光器能夠以快于每秒鐘 200 億次的速度開關(guān), 適合用于光纖通信。納米光纖：自科學(xué)界在 1991 年發(fā)現(xiàn)了碳納米管物質(zhì)以來,科學(xué)家們一直都在希望能制造出由碳納米管組成的納米光纖材料。由于碳原子之間的排列緊密性, 使得單個(gè)的碳納米管已經(jīng)成為世界上韌性最強(qiáng)的物質(zhì)之一。但如何

13、將單個(gè)的碳納米管編織到已有的光纖材料之中去卻成為了困擾科學(xué)家們的一個(gè)巨大難題。3 年前, 法國的有關(guān)研究人員在這方面取得了一些進(jìn)展。法國的科學(xué)家們將碳納米管與聚乙烯醇(PVA)材料及水相混合, 這樣就使得聚乙烯醇材料能夠?qū)⑻技{米管緊緊包裹住, 從而將無數(shù)的單個(gè)碳納米管捆綁在一起。但等到科學(xué)家將聚乙烯醇材料取走之后, 他們只得到了 20cm 長(zhǎng)的納米光纖材料。但最近由美國德克薩斯州大學(xué)的化學(xué)家雷- 鮑曼(Ray Baughman)所領(lǐng)導(dǎo)的納米光纖材料研究小組在納米光纖材料的制造技術(shù)取得了重大突破。他們把法國研究人員所取得的技術(shù)成果向前推進(jìn)了一大步。鮑曼研究小組采取了最后保留包裹在碳納米管周圍的聚

14、乙烯醇材料的做法,他們還改進(jìn)了將碳納米管編織進(jìn)光纖材料的制造方法和工序。他們將這種凝膠體性質(zhì)的碳納米管裝進(jìn)一個(gè)導(dǎo)管中, 這樣就能使將碳納米管編織進(jìn)光纖材料的工序變得更加簡(jiǎn)單。最后的結(jié)果非常動(dòng)人心弦: 他們得到了數(shù)百米長(zhǎng)的納米光纖材料。這種最新材料的韌性比蛛絲高 4 倍, 比用于制造防彈衣的凱夫拉爾纖維韌性強(qiáng)度高出了 17 倍。與同樣重量的鐵絲相比, 新型納米光纖材料的硬度是前者的 2倍, 韌性是前者的 20 倍。日前, 海門市江蘇通光集團(tuán)與北京化工研究院聯(lián)手, 國內(nèi)獨(dú)家開發(fā)生產(chǎn)出納米光纜。納米光纜由于在光纖中加入了高科技納米材料, 其抗腐蝕性、抗機(jī)械沖擊、使用壽命均大大優(yōu)于普通光纜, 因而特別

15、適用于惡劣環(huán)境中。近年來, 中美海底光纜兩次發(fā)生中斷事故, 更加呼喚納米光纜的早日問世。通光集團(tuán)主動(dòng)與北京化工研究院"聯(lián)姻", 合作開發(fā)納米光纖。經(jīng)過與該院的合作, 并特地引進(jìn)了奧地利生產(chǎn)線, 通光集團(tuán)終于成功開發(fā)出了納米光纜。據(jù)測(cè)定, 其各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于普通光纜。采用了納米材料的光纜: 近來, 一些廠商已開發(fā)出納米光纖涂料、納米光纖油膏、納米護(hù)套用聚乙烯(PE)及光纖護(hù)套管用納米 PBT 等材料。采用納米材料的光纜, 利用了納米材料所具有的許多優(yōu)異性能, 對(duì)光纜的抗機(jī)械沖擊性能、阻水、阻氣性都有一定的改善, 并可延長(zhǎng)光纜的使用壽命。目前此類材料尚處于試用階段在 實(shí) 驗(yàn) 上 得 到 的 納 米 光 學(xué) 纖