光电子技术入门(纳米技术的背景).pptx

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1、第一章第一章 纳米科技基础纳米科技基础1.1科学革命1.2纳米科技分类和纳米机器1.3元素周期表1.4原子结构1.5分子和物质的相态1.6能量1.7分子和原子尺寸1.8表面和三维空间1.9“自上而下”和“自下而上”2021/9/1211.1科技革命几百万年以前，人类发展到石器时代，这时我们的祖先开始利用石头作为工具，石头也就成为人类最早的工具。工匠可以利用这些岩石制造出不同用途的工具来，这些工具的使用促进了社会的进步。石器的使用可能是人类改造世界和掌握自身命运的第一步，并推动了如表1.1所示的其他方面的发展。发明类型名称时代起始时间工业工具石器公元前2 200 000年工业冶金青铜器公元前35

2、00年 工业蒸汽机工业1764自动化大规模生产1906自动化计算机信息1946健康基因工程基因1953工业纳米技术纳米时代？1991自动化分子组装组装时代？2020？所有三类生命组装生命时代？2050？表1.1科学的发展史2021/9/122火是一种有价值的工具。大约在五六千年以前，有人将一块含铜矿石放入篝火中，铜被熔化提炼出来。不久像青铜这种由两种金属熔融而成的合金被发现了。利用铁矿石提炼出金属铁，从铁进一步中提炼得到钢。现在人们通过新的冶金学方法，可以制备出自然界中没有的新物质。随着食物的不断丰富，越来越多的人能够离开土地，开始从事商贸活动。18世纪之前，所有的生产活动都依赖人力和畜力或者

3、自然界的能源（比如水力和风力）。蒸汽机的发明很可能与铜的发现一样意义重大，因为蒸汽机使用了完全不同的能源。有了蒸汽机，就随之出现了火车和铁路，接着石油、汽车、喷气式飞机和宇宙飞船等也相继问世。是什么导致了蒸汽机的发明呢？是要得到更好的马车？还是对蒸汽作为一种能源感兴趣？投资者也许对制造更好的马车更感兴趣，但是利用蒸气这种能源才是发明蒸汽机的真正动力。2021/9/123大规模生产与计算机是两种不同的发现和发明。电的使用使快速的大规模产品生产成为可能。建立在微晶体管基础上的计算机，代替人脑进行计算和信息处理，加快了速度，提高了精度。DNA是脱氧核糖核酸的缩写，它是称为基因的生物体遗传信息的载体。

4、RNA，也就是核糖核酸，将这些信息以不同方式在细胞内传输。在第六章将详细讲述DNA和RNA。基因工程能够表达和修饰DNA中的基因特性，这是一项正在发生的重大革命。人类第一次能够把握自己和动植物的进化过程而不是完全依靠自然的繁殖过程。因此可以用一种不同的方法来延长寿命。基因工程使得人类不仅仅是通过减少意外事故或预防疾病的方法，而是借助基因工程通过改变物种的方法从根本上延长其寿命。2021/9/124什么是纳米技术？为什么它能带来巨大财富？为什么它会比以前所有其它的科学进程更重要呢？纳米技术是一种按照人们的意志在原子水平上廉价地操纵物质结构的制造技术，它是低成本和无污染的制造技术，能生产出纳米机器

5、和纳米器件。因此纳米技术与第一件石器工具的发现同等重要。除了制造自然界已有的东西以外，我们还可以依照我们意愿通过纳米技术创造事物。冶金技术将自然界的矿物作为原料，而纳米技术则是将原子作为加工的对象。虽然在我们的先辈们创造财富过程中，过时的科学知识并没有起到重要作用。但是汽车、和电灯、晶体管和电子管以及药物等让福特、盖茨、诺贝尔等获得了巨额财富。遗传工程和基因治疗的发展，也会使得许多人一夜暴富。将来人们将依靠什么致富？答案就是纳米技术。2021/9/125纳米技术时代已经开始了吗？回答是肯定的。1959年12月，在美国物理学年会上，著名的物理学家、诺贝尔奖获得者Richard Feynman首先

6、提出纳米技术的概念。Feynman指出：“我认为，物理学原理并不排斥通过操纵单个原子来制造物质。这样做并不违反任何定理，而且原则上是可以实现的”。如果说Feynman是哲学家，那么Drexler则是一位预言家。在创造的动力纳米时代的来临一书中，Drexler用即兴和交叉的思考方法，对Feynman提出的纳米技术概念进行了拓展，该书值得一读。1990年Drexler指出：“纳米技术的基本思想是在分子水平上，通过操纵原子来控制物质的结构。它使我们可以利用单个原子组建分子系统，制备不同类型的纳米器件。”2021/9/126Binning和Rohrer印证了Drexler的想法。1981年，IBM公司

7、苏黎世研究实验室的Binning和Rohrer发明了扫描隧道显微镜，使得人类首次在大气及常温下观察到了原子，这为纳米技术的发展奠定了基础。尔后不久，科学家们便可以通过移动原子来构筑纳米结构。在纳米技术提出的早期阶段，纳米技术仅仅停留在实验室阶段，并没有在实际生产中获得应用。随着人们对纳米技术的重要性的认识的深入，建立在纳米尺度上的“纳米技术”这一术语被广泛地接受了。“nano”一词最早来自于希腊语，其含义为“侏儒”，但是在科学术语中“nano”是指10-9，即1nm就是10-9m，大概相当于10个氢原子肩并肩排列在一起的长度。所谓技术，是指按照科学规律来构造有用的物质。因此，“纳米技术”就是指

8、在10-9米的尺度上构造物质。那么，纳米技术和普通化学合成之间的差别何在呢？2021/9/127纳米技术特别注重通过观察原子和分子，在纳米尺度上操纵分子和原子，因此它和普通化学是不同的。但是，纳米技术却基本涵盖了所有的化学、大部分物理学和分子生物学的知识。Feynman 和 Drexler 提出的纳米技术概念现在看来应归于分子纳米技术，有时叫分子加工技术。分子加工技术的描述并不十分贴切，因为它和合成化学的定义非常相似。有时我们也采用分子工程等术语，但是这些术语涵盖了对于大于原子实体或基团的操作加工，即属于设计操作几十个或几百个原子大小的物质和设备等范畴。本书将涵盖这些领域。2021/9/128

9、纳米技术给予我们更为广阔的思路，使我们可以在纳米尺度上设计全新的器件，比如可以利用小块晶体或生物材料进行加工，而不一定要将物质拆分到单个原子。由原子构筑的分子纳米技术的发展和应用进程将是缓慢的，因为我们需要时间来确定物质的临界点，在这一临界点我们只需要改变物质中为数不多的几个原子就会得到不同的材料。在第7章和第8章中，我们将讨论单电子晶体管，这是分子纳米技术快速商品化的实例之一。相对于自上而下（Topdown）的加工过程，用单个原子组建纳米器件会更有效，研究者可以达到在原子水平上控制物质结构和性能的最终目的2021/9/129分子纳米技术的最大问题是利用它虽然可以得到一、两种分子纳米结构，但是

10、却难于生产出众多的产品。我们需要能够大量制备纳米结构材料的机器，这种机器曾被称之为“装配器”。当我们能够生产这种装配器的时候，分子纳米技术将掀起一场前所未有的工业革命，其影响将超过以前所有的工业革命。Drexler把装配器描述为一种在计算机控制下的纳米机器人。一个装配器就是一台纳米机器，但是非常特殊的是，装配器不但可以制造新的纳米机器，而且还可以在同一过程中实现自我复制。装配器能够有效控制和固定反应原子和分子，使这些分子和原子在精确区域内发生反应。通过一系列精确控制的化学反应以及分子自组装，将可以建造在原子尺度上十分精确的大型物体。如果需要的话，装配器可以实现自我复制。装配器可以大规模的廉价地

11、生产产品。在确保每一个原子能够被精确地安置的前提下，我们就可以生产高质量和性能可靠的产品。因为在制造过程中多余的分子可以再利用，所以是一种清洁制造过程。在类似方式的生产线上，一个组装器可以遵循一系列的指令组装任意的分子结构。通过对分子单元三维位置的定向控制，可以合成复杂的分子结构。同时，组装器可以形成各种不同类型的化学键。2021/9/1210这当然不是科幻小说。这些结构在生物体中已经存在，被称为核糖体。正是核糖体这一纳米器件制造了所有生物所需要的蛋白质。一典型核糖体只有几千立方纳米，但它能精确控制蛋白质基本构成单元氨基酸的序列，进而合成蛋白质。核糖体通过一种RNA按序将特定的酶和氨基酸用化学

12、键连接起来,也能控制氨基酸与多肽的反应，使氨基酸键联在多肽的末端。就象核糖体依照信息载体RNA的指令而动作一样，装配器也需要一系列详细的控制信号。当然，这些控制信号不一定是RNA或者DNA，许多其它的信号编码也可以用来合成蛋白质以外的物质。在非生物纳米器件中，这些详细的控制信号可以由计算机提供，但是它必须是分子计算机，或者是与RNA相似的某种物质。对于分子计算机领域，如果不改变目前的思维方式，我们将无法进一步减小电子芯片的特征尺寸。自然界中的一些现象为我们认识未来的纳米器件提供线索。细菌是一个典型的由生物计算机控制的具有自我复制功能的装配器。人类制造的纳米器件不会比细菌大，也许和病毒一样小，甚

13、至可能就是一种病毒。2021/9/12111.21.2纳米技术分类和纳米机器纳米技术分类和纳米机器什么是纳米机器呢？正如前面所讨论过的，4万年前居住在洞穴中的人使用燧石作为工具，将合适的材料做成罐状和盘状来烧水。在那个时代，工具和机器的概念是很模糊的。单个工具组合起来就有新的用途，如刀和棍棒用绳子绑在一起就做成了矛，它是种武器，但同时亦是种工具。这些技术经过不断的发展进步，到现在我们能够作到这样：将物体分解开，然后把它们中的一部分进行再组合，造出极其复杂的机器。硅晶片和一些铜线连接在一起可以构成微型电路，再和其它一些元件组合就可以组成一台计算机。这些就是微型机器。2021/9/1212生物体可

14、以认为是许多微型机器的集合体。如:除核糖体外，人体内还存在数目巨大的微型机器，把碳水化合物转变为二氧化碳，利用转变过程中产生能量来维持人的生命活动。此过程和在火力发电厂中进行的过程没有太大差别，不同的只是电厂利用煤而不是碳水化合物，且体积更为庞大而已。虽然人体内这些赋有生命的设备很小，但是它们却可以实现自我复制，所以它们比起燃煤发电设备更为复杂。生命活动的单元，如隔膜，由多种化学物质组成，可以作为探测微量物质的机器。然而，许多宏观的有机体都是由成千上万种不同的纳米机器组合而成。例如，当光线照射到人的眼睛时，人就会产生脑电波。这是有机体将光能转变为电能，使大脑做出的反应。当然，与电子光栅相联系的

15、眼组织也会自行复原。生物组织能够自我生长，自我复制，而且不受外界干扰。2021/9/1213随着科技的进步，许多机器和器件都微型化了。原来几米大的设备，现在已经缩小到几个厘米，甚至更小。表1.2列举了一些描述物体尺度的前缀。现在使用的许多机器，比如微电子器件，都是在微米尺寸上进行操作。实际上，毛细血管就具有和集成电路元件相类似的尺度。我们在纳米尺度上构筑微型机器是完全可能的。因为纳米是几个原子的尺度，因此我们必须利用原子、原子簇、分子来开展工作。事实上，轮盘状分子以及球状、链状和链轮状分子已经存在，这些形状在目前的机器设备中经常使用，但是在纳米技术领域里，这些形状将是在原子尺度上使用，而不是工

16、厂车间规模上使用。制造由众多分子构成的复杂的分子机器是完全可能的，比如类似于拥有火车站、随时可以停止和启动火车的纳米铁路线。可以用作开关和晶体管类电子器件的分子是非常重要的。2021/9/1214表1.2描述物体尺度的前缀前缀符号指数形式名称ExaE1018千兆兆PetaP1015兆兆TeraT1012万亿GigaG109十亿MegaM106百万KiloK103千UnityU100个CntiC10-2百分之一MilliM10-3千分之一MicroM10-6百万分之一NanoN10-9十亿分之一PicoP10-12万亿分之一FemtoF10-15兆兆分之一AttoA10-18千兆兆分一2021/

17、9/12151.3元素周期表元素周期表化学家已经对具有纳米结构的分子研究了150多年。与纳米技术学家不同，过去，化学家不能看到原子，只能通过推测去了解分子的行为。原子理论指出物质都是由109种原子组成的，但过去这仅仅是一个理论。现在我们认识到这已不只是抽象的理论，因为我们可以通过透射电子显微镜（TEM）确确实实地观察到原子。我们非常希望能了解这些元素的几百万种结合方法，以及如何将其应用于纳米技术。很幸运，元素周期表使我们能够这样去做。因为在元素周期表里，按照元素的原子量排列时，揭示了同一族元素性质有规则的变化趋势和规律。2021/9/12162021/9/1217元素周期表是根据元素之间相似的

18、性质分类并按照一定的规律把1号到109号的元素排列得到的。分子纳米技术学家认为，元素只是用来构成物质的不同基本结构单元的集合体。你也许觉得奇怪，原子的数目看上去好像是一个随机数字。为什么元素的数目只是109，不是更多或者更少？这有点类似于HitchHiker星系理论里的数字42一样，看上去似乎难以解释。宇宙中存在的很多数字都十分特殊，比如，虚数()等。那么为什么偏偏是这个数字呢？这些并非真的很神秘，从26号铁元素以后，随着原子量的增大，原子核的稳定性开始下降。按照这种思维，我们可以推知，可以制备出2050号元素。但它一定是极不稳定的。所谓元素趋于不稳定，也只是对它们存在的时间长短的一种度量而已

19、。正象我们可以获得更多的知识，但永远不能获得所有的知识一样。2021/9/1218元素在元素周期表中的位置是其性质的反映，所以当我们要初步了解某个元素的时候，最好的方法是弄清它在元素周期表中的位置。周期表中的列称为族，行称为周期。每一个族里的元素，其性质都在逐渐发生变化。比如在第一族里的钠元素，其性质就是第一族里其他元素性质代表。这一族里的元素还有：锂Li、钾K、铷Rb、铯Cs、钫Fr，这些元素被称为碱金属。它们都是有银色光泽的、低温下就能熔融的软金属。在纳米技术中，这些原子的重要性就在于它们很容易失去一个电子。紧挨着第一族元素的是碱土金属，它们很容易失去两个电子。周期表中最右边的元素族是惰性

20、气体，由稀有元素构成，性质非常不活泼。在纳米技术中，这些元素常作为保护性工具来应用，尤其是最大的元素氡Rn和氙Xe。与惰性气体相邻的是卤族元素，它们是一些活泼的气体或固体。我们应该知道在周期表同一族中元素活性随原子量的增加而降低。周期表中第3族到第12族是过渡金属元素，包括铁Fe、铜Cu、银Ag和金Au，具有优良的导电性等有用的电性能，是用于纳米技术的重要元素区。第14族元素包括碳和硅，这两种元素是制造纳米碳管和导电纳米器件的重要元素。当我们知道元素属于哪一族、与哪些元素相邻后，就可以预测该元素的性质。2021/9/12191.4 原子结构原子结构原子理论的雏型至少可以追溯到古希腊时代，他们提

21、出了元素的概念，并且认为构成物质基本元素是土、火、空气和水，如果这些元素按适当的顺序组合就可以得到各种各样的物质。这一观点和我们今天的认知基本一致，不同的是现在人们认为是不同的元素构成了地球上的物质，其中包括一些自然界中根本不存在而只能在实验室中才能合成得到的元素。什么是元素？每个元素由一种原子构成。古希腊人认为物质可以无限分割，但这个假说没有科学实验结果作为依据。1807年，在实验事实的基础上，英国教师道尔顿（17661844），阐述了原子概念并提出了原子理论。该理论的提出基于以下几点假设：1.元素由不可分割的粒子构成，这些不可分割的粒子称为原子。2.构成特定元素的所有原子是相同的（现在被认

22、为是不正确的）；而不同元素由不同的原子构成。3.原子结合在一起形成化合物，同一种化合物由相同数量和种类的原子组成。4.化学反应时，原子从一种结合状况变成另一种结合状况，原子本身不发生变化。2021/9/1220道尔顿原子理论是化学发展史上的一个里程碑。这个理论的主要假设至今还在沿用，当然理论也在不断完善，以解释新的现象。道尔顿认为原子不能再分，这一点是不正确的。“不能再分”意味着在不改变元素自身化学性质情况下，原子不能进一步分裂。例如，当一个碳原子被分解成更小的粒子时（称作亚原子）就失去了原来的化学性质。人们常把原子与原子弹、原子分裂联系在一起。原子弹和核反应器都依靠自身核裂变链反应，它能释放

23、巨大的能量。在核裂变过程中，一个重核子分裂成几个不稳定的较轻的粒子，释放的能量可以完成物质的合成或分解。1939年德国科学家Otto Hahn和Fritz Strassmann第一次报道了核裂变反应，1945年原子弹第一次在日本广岛和长崎爆炸。三种主要的基本亚原子粒子是电子、质子和中子，质子和中子构成原子核。除此之外还存在许多其它的亚原子粒子，包括正电子、介子和中微子，对于它们的讨论已经超出了本书的范围。电子是小而轻的粒子，带负电荷。质子比电子大而且重，带正电荷。中子的大小和质量与质子相似，但不带电荷。由于原子是电中性的，所以应该拥有相同数量的质子和电子。与道尔顿的最初假设相反，同种元素中的所

24、有原子并不是都具有相同的质量。我们把质子数相同而原子量不同的原子称为同位素，同位素之间中子数的不同导致了原子量的不同。例如，碳12和碳13都有6个质子（原子序数6），但中子数分别为6和7。2021/9/1221为了区分不同类型的原子核，我们把质子数（原子序数）写在元素符号的左下角，质子数和中子数之和（质量数）写在元素符号的左上角。、表示质子数为1、中子数分别为0、1、2的氢元素。同样，、分别为含有不同质子数的不同元素。表1.3给出了不同亚原子粒子的性质。原子核既有自旋又带正电的粒子，因此可把一个原子核看作一个小的磁铁，在磁场中原子沿着磁场或逆磁场排列，原子核的磁性称为核磁矩。只有自旋不为零的原

25、子核才具有核磁矩，是否具有核磁矩取决于质子和中子的比例。如（1个质子，0个中子）和（6个质子，7个中子）的核自旋不为零，有磁矩，但（6个质子，6个中子）中的质子数和中子数均为偶数，核自旋为零，没有磁矩。利用原子核的磁矩来探测原子核的性质，这一现象就是核磁共振现象。表1.3 部分亚原子微观粒子的性质亚原子粒子符号电荷数相对质量(amu)实际质量(g)质子p+111.67310-24电子e-15.4510-49.11010-28中子n011.67510-242021/9/1222原子非常小，单个原子的直径在0.1到0.5nm之间，元素不同原子直径也存在差别。例如，一个碳原子直径大约为0.15nm，

26、670万个碳原子线形排列的长度为1mm（1106nm）。正如前文所提到的，电子围绕原子核运动，电子云密度在距离原子核的一定距离时并不会突然降为零。那么原子的直径究竟有多大？一种观点认为在非常紧凑的结构中，原子的半径相当于相邻原子间距的一半，但这种定义方式仍然存在一些问题。因为原子通过化学键结合在一起时，其原子间距小于没有化学键连接时的距离，比如惰性气体。然而在原子间为相同种类的化学键连接时，元素的原子半径是可以比较的。一般的趋势是在元素周期表中同一主族原子半径由上到下逐渐增加，同一周期中原子半径由左向右逐渐减少。这将在1.7节中详细介绍。2021/9/12231.5 分子与物质的相态分子与物质

27、的相态物质具有三种状态，即液态、气态和固态。这些相态中存在的分子即是由原子互相结合起来形成的聚集体。氧气是由两个氧原子组成的分子，写作O2；水（H2O）分子是由两个氢原子和一个氧原子组成。原子组成分子有两种方式：一种是共用电子，称为共价键结合；另一种通过原子间的电子转移组成分子，失去电子的原子带正电，而得到电子的原子带负电，分别用“+”与“-”来表示，称为离子键结合。当电子在两原子间转移时，称作电离。如氯化钠（NaCl）中钠原子带正电，写作Na+；氯原子带负电，写作Cl-。带正电的称为阳离子，带负电的称为阴离子。共价键用一直线表示，如氯气（Cl2）分子可写成Cl-Cl，直线表示两原子共用电子。

28、在共价键型固体中，分子是独立的，并能相互区分开。在氯化钠这样的离子键型固体中，如图1.1所示，原子有规则地排列在点阵中，没有单个独立的分子。点阵有许多不同的类型，取决于原子堆积方式，与电荷和原子的尺寸也有关。2021/9/1224图1.1氯化钠晶格结构如图1.2所示，金属中存在一种特殊的价键，金属中所有的电子同时被所有的原子共享。这样金属就很容易导电，因为额外的电子很容易被移入与迁出，而从单个原子中迁移电子是困难的。这里不进一步讨论金属键，然而了解金属的不同的导电能力是很重要的。图1.2金属键2021/9/1225在纳米技术中还涉及到其它一些很重要的价键。分子和原子也能通过相对弱的范德华力吸引

29、在一起。范德华在研究气体时提出了这种吸引力，因而将这种形式的力命名为范德华力。这些吸引力有三种形式：伦敦力（图1.3a），也叫色散力；极化力（图1.3b）；以及氢键。我们将简要地逐一说明这些形式的作用力。图1.3a)分子或原子间London力；b)两个分子间的偶极相互作用2021/9/1226电子绕原子核运动状态,有点类似于海面上的波浪。在任何时候，波浪中心水的密度显然都要比波浪顶点处高，而且这将随着波浪的移动而变化。在原子中，电子像波浪一样“漂浮”在原子核周围，在一定的空间位置上，电子密度总是大一些。这就导致了电荷在空分布上的差异，见1.3a，这种电荷的分离是偶极矩作用。在所有原子和分子之间

30、都存在色散力，而且影响其它原子和分子的带电性。在纳米技术中，可以借助于色散力获取和移动原子。2021/9/1227在化学键中，并不是所有的原子都能均等地共享其电子，一些原子核可能比其它原子核“贪婪”些。当化学键中的电子被不均等地共享时，就会出现微小的电荷差异，表现为化学键具有极性，并且这种偶极作用会长期存在。当具有偶极作用的分子彼此接近时，便会产生相互作用。因为一个分子上的正电荷会和另外一分子的负电荷相互作用，这种相互作用称作极化力（见图1.3b）。2021/9/1228第三种类型的范德华力称为氢键。它存在于水以及许多含氢化合物中，如H2Se、乙醇、DNA。当氢原子处于如氧、氟和氮等两个原子之

31、间时，由于氧、氟和氮等原子中有多余的没参与成键的电子对，这时就会形成氢键。当氢原子被这些原子中的电子所吸引时，原来的价键被削弱。当一个水分子中氢原子被另一个水分子的氧原子的电子吸引时，就形成了氢键，并且这第二个水分子还会和其它的水分子形成氢键。2021/9/1229如上所述，化合物中的分子和元素中的原子都会在相态中反映出来。物质存在三种基本相态：气态、液态和固态，有时也会以混合态的形式存在。纳米技术涉及到的物质大部分是固态，因为在固态中分子和原子相对比较固定，也容易观察。在固相中，离子或原子有序排列就形成晶体。无序排列时称作无定形，即是非晶态。前面提到的价键对物质相态有很重要的影响。当成键很强

32、时，比如离子键，物质在相对较高的温度下仍能以固态的形式存在。当分子之间仅存在色散力时，物质仅能在低温下保持固态。随温度升高，分子间引力被破坏，弱的键首先被打开。假设没有氢键存在，水在室温下也会变成气态。2021/9/1230在物质的形态中，也会存在其它的变化形式。在晶体中存在三维点阵，并且分子取向一致。然而，在液体中也可能会存在相同的分子取向，它们称作液晶。在液晶中，分子有序地形成点阵，但仍能流动，呈液体形态。物质在不同的相态下其电子的运动规律有所不同。当物质处于气态时，原子和分子是相对孤立的，因此每个分子或原子有相对独立的电子特性。电子可以在不同的能级中围绕分子或原子运动，但它们不能在原子间

33、跃迁，除非它们被某种方式激发。然而，当固体中的原子结合在一起时，这种情况可能会发生变化。在每个能级只能有2个电子，这就需要许许多多的能级和电子对与之相对应，这时每个能级都非常接近以至于重叠在一起，这就表明电子分布在能带中，而不是在非连续的原子能级上。2021/9/12311.6 能量能量什么是温度？它是热能的一种表现形式。然而，除了热能之外还存在许多其它形式的能量。物质是宇宙的重要组成部分，它具有质量，同时也具有能量。我们可以利用能量转换因子，把不同种类的能量表达为同一种形式。对于质量为m物质而言，能量转换因子是光速的平方。我们可以利用爱因斯坦方程E=mc2计算物质的能量，其中c是光速，m是物

34、质的质量。分子形成过程中会聚集一定的能量，离子键的键能大约是4.2 10-20J，氢键的键能大约是3.3 10-20 J，色散力和极化力大约是氢键键能的十分之一。2021/9/1232光也是一种能量，我们称之为电磁辐射能。它既可以被描述为一种波，也可以认为是由光子组成的物质。然而，光通常被描述成波而非物质。德国物理学家普朗克首先创造性地提出了“量子”的观点，即电磁波在同物质相互作用时，所交换的能量不是连续的，而只能一份一份地交换。在湖面或者海面上，风会产生波浪，它的波峰和波谷在水面上传播。在垂直于风的方向上，随着波峰的传播，水上下运动。两个波峰之间的距离称为波长（），波也有振幅和频率。2021

35、/9/1233可以用吉他弦来描述驻波。通过触动琴弦上的某一点，就会产生一定的声波，即声音，因为琴弦的振动结果取决于被触动点的位置。在这种类型的波中，波峰或者振幅最大点被称为节点，它们的位置是固定的。驻波是波峰和节点都固定的波。当空气随着吉他弦振动时，我们就能听到反应振动波长的音符。将手指弹奏在不同位置，就可以演奏很多的音符。举个例子来说，如果在拨弄琴弦的同时，按一定的时间间隔拨动它的中点，将会形成一系列的波长和音符，我们必须在不连续的位置拨弄琴弦，才能得到悦耳的声音。因为琴弦的两端是固定的，因此我们不能得到所有的波长，在这种情况下，波长就是量子化的。2021/9/1234量子化的概念存在于我们

36、日常生活中。例如，我们在给汽车加油时，所加油的总价是83.568美分，你能按这个数值付钱吗？肯定不能，因为我们货币的最小单位是1美分。钱不是量子化的，但是在货币制度上，钱却是量子化的，最小的量子就是价格最小的硬币。2021/9/1235电磁波在太空中的传播速度是3108m/s，大约6亿7千万英里小时。光的性质决定于它的波长和它在某一个方向上的频率。光的波长对应于我们所看到的颜色，然而我们的眼睛只能检测到某一波段的光，也就是可见光。除了可见光之外，宇宙中还有许多其它频率的电磁波，例如无线电波具有非常宽的频率，宇宙射线和射线却只有非常窄的频率。2021/9/1236图1.4 给出了不同种类电磁波的

37、波长。当频率非常高时，电磁波变成连续，这时它们不再波，而更应归人连续的物质，能量最好用质量来描述。然而，一些能量同时具有波和物质的特性，能量这一特性在纳米科技中具有重要的作用。在原子尺度上，物质之间相互作用，呈现出物质和波的两种特性。德布罗依（De Broglie）方程表达了波长和质量m之间的关系：=h/mv式中h是 Planck 常数，v是质点运动速率。根据这个方程，可以发现低速运动的大质量粒子和一个快速运动的小质量粒子会具有相同的波长。2021/9/1237电磁波的其它能量形式也可能具有波粒二相性。在海中，水撞击你时的感觉是波浪在撞击。这里一个波浪相当于一个能量包。对于电磁辐射能，这个能量

38、包称为光子。当黄光照射你的时侯，每秒大约有1020个光子照到你。电子是一种具有波粒二相性的特殊的能量形式。当我们把原子中的电子激发到高能级，然后观察原子的能量损失，我们会发现能量的损失是不连续的，在原子吸收能量时也存在同样的现象，这种现象也称之为量子化。能量是量子化的，电子也是量子化的。当电子被描述为波时，则有特定的波长。2021/9/1238在热力学上，能量可以用焓和熵等自由能来描述。在十九世纪中叶，人们发现化学反应会吸收或者放出热量。一些反应能自发进行，就像水能自发地从高处流向低处。另外一些反应则需要能量推动它们才能进行，就像我们需要能量才能将水输送到山顶。化学反应过程中有自由能的变化，因

39、为反应过程有能量损失，因此自由能G带有负号。自由能G的变化取决于化学反应前后物质的焓变H。在低温下，分子运动缓慢且较为有序；在高温下，热能导致平移、旋转和振动，其运动状态更接近于自然的无序状态。2021/9/1239GHTS （1.1）式中，S表示反应前后物质熵（S）的变化，T表示温度。澳大利亚物理学家玻尔兹曼建立了原子行为与S之间的关系。虽然他毕生研究成果可信度不高，但是他却为我们留下了一个以他的名字命名的非常重要常数，即玻尔兹曼常数。玻尔兹曼提出了熵（S）的概念，熵的大小反映了某些过程自发进行的可能性（用W表达）。S和W之间存在对数关系：S=KlnW （1.2）式中：K是玻尔兹曼常数。20

40、21/9/1240从分子的角度理解熵的概念，要比实验室反应过程容易的多。设想我们研究某物体表面上的二十个分子，该分子有两种不同的原子构成，因为分子内的二个原子不同，我们可以将其描述为头和尾。如果这些分子的排列方向完全一致，即所有分子的头指向同一个方向排成一列，这时W1，由（1.2）计算出S0。当这二十个分子被加热而获得能量时，它们可以在所有可能的方向上取向，这时W220，因为k1.3810-23J.K-1，则S=1.3810-23J.K-1ln2201.910-22J.K-1。在受热情况下，分子取向趋于混乱，S值从0增大到了1.910-22J.K-1。从20个原子来看，熵的增加很小。但是对于大

41、量的原子来说，熵的增加将是非常大的。对于实验室中的一小撮粉末（大约1021个原子）来说，熵的增加量已经相当大了。从第八章中我们可以看到，分子取向的计算对量子计算和纳米计算机都是十分重要的，并且玻尔兹曼常数非常关键和重要。2021/9/12411.7 1.7 分子和原子尺寸分子和原子尺寸前文我们已经指出纳米技术是在纳米尺度上工作，而纳米相当于几个原子排列在一起的长度。然而，单个原子的尺寸并不是一个简单的问题，因为原子内部大部分是空的。原子核就好像是足球运动场中的一个足球，电子在该足球场中运动。原子是没有刚性的球形界面，它可以被设想成一个带有正电荷的实心的原子核，被一层带有负电的电子云所包围。而且

42、，电子云通常会表现出波粒二相性，电子也不是围绕原子核做固定的圆周运动，因此我们认为原子尺寸就是原子核外的电子绕原子核运行所占据的空间。当原子失去电子变成离子后，其尺寸会有很大的变化。这不仅仅是因为原子将失去原来电子所占有的空间，而且会由于原子核对其它电子的引力增大而导致原子尺寸收缩。2021/9/1242尽管原子的绝对大小难于确定，但在纳米技术中我们仍需要了解原子的相对尺寸。图1.5列出了各种原子的相对尺寸大小。在不同的环境下和不同的化学键中，原子尺寸会存在很大的差异，因此我们必须针对某些情况做出一些定义。我们可以非常精确地测定原子之间和离子之间的距离，因此把该距离作为原子或离子半径的量度。原

43、子半径可以定义为相邻两个相同原子核间距离的一半，原子半径的大小取决于原子间的化学键（金属键、离子键或共价键）。当相邻原子的种类不同时，例如NaCl，我们把两原子间距离的一部分作为一个原子半径，而剩下的部分作为另一个原子的半径。2021/9/12432021/9/1244图1.5不同原子的相对大小金属钠中钠原子半径大于NaCl化合物中的钠原子半径。在NaCl中，每个钠原子都失去了一个电子，变成了带正电的钠离子；每一个氯原子都得到了一个电子，变成带负电的氯离子，氯离子的半径约是氯原子半径的两倍。氯气分子中两个原子之间的化学键和金刚石中碳原子之间的化学键都是共价键，原子半径就是共价键半径。同样我们也

44、可以得到范德华半径，也就是范德华力作用范围的半径，范德华半径在米技术是非常重要的。2021/9/12451.8 表面和三维空间表面和三维空间 空间是宇宙的一个非常重要的特征，没有空间宇宙就不再存在。如果宇宙是一维的，它将会是一条线或者无穷细小的点；如果它是二维的，则所有的物体都会是一个平面或者是无穷薄的物体；只有在三维空间中，我们才可以观察到象一个球、一个盒子或一个人等物体。当然，四维空间也是可能存在的。想象四维空间的最好的方法，是想想我们是怎样将三维物体描绘在纸这样一个二维平面上的。例如，我们可以通过透视作图法，在纸上表示一个方块。我们可以通过增加用以表达第三维的辅助线条，从而画出一个盒子。

45、如果要在纸上画出甲烷分子，那么就需要把其中一个键表现在纸平面的前方，而另一个键就出现在纸平面的后方。在三维空间里表达四维物体时，我们需要构筑一个三维结构，并通过透视方法反映出第四维的信息。这种做法是可行的，但会产生一些奇怪的形状，这也许会衍生出一种崭新的艺术形式。2021/9/1246想象一下，如果你是生活在二维空间中的二维物体，而事实上确有三维空间存在，那么当进入三维空间时，你有可能在不违背物理定律的情况下消失了。这些概念在纳米技术中非常重要，因为当物体变小时，它们的维数会越来越小。当将原子排列成长为1000km、宽和高都为0.05nm的一排时，这一结构应该是几维的？是一维吗？不，但一定是趋

46、近于一维。在纳米技术中，也许用一维、二维甚至四维能更好地表达物体。就象在有些情况下物质以波的形式能得到更好的诠释。事实上，为了解释空间中光速的变化，研究者们在三维的基础上增加了表达光的维数时间。在更深入地研究原子时，情形也是如此。2021/9/1247纳米技术经常涉及物体表面的单层原子。表面是三维物体的边界，表面本身实际上是二维的。如果原子肩并肩地在物体表面排成一排，这排原子的一端与物体表面接触，而另一端不与任何物质接触，这排原子的性质与物体内部原子的性质肯定不同。这一排原构成的结构种存在两种表面，一种是与物体接触的表面，另一种外端原子的表面。在传统的材料中，大多数原子处于材料内部而不是表面，

47、它们构成了块体材料。有时它们是规则排列的完整结晶，有时却是充满了缺陷和杂质，这些缺陷常常会破坏材料的机器强度。在纳米材料中，这样的大块结构是不存在的。纳米材料和传统材料的本质差异在于纳米材料中表面原子数占材料中总原子数的比例非常高。2021/9/12481.9 “自上而下自上而下”和和“自下而上自下而上”当我们制备非常小的机器和器件时，基本上采用两种方法：第一种方法是日趋精确的“自上而下”的方法，这种方法的本质是对块体材料进行切割处理，得到所需的材料和结构，这与青铜时代人们加工木材和石头的方法没有本质区别。这种方法能达到的最小特征尺度取决于所使用的工具。第二种方法是所谓的“自下而上”，就是按照需要将单个原子和分子安置在特定的位置或通过自组装结合在一起。当这些分子和原子按照人们意志组装在一起构成基本单元时，可以产生较大的器件。为了能制造分子晶体管，科学家们已经制造出了由数个分子组成的分子开关和分子电线。同时，生物学家正加快认识自然界生物的某些机理，如水中的细菌是如何通过水靠分子马达繁殖的，生物电信号是怎样在生物膜中产生的（生物传感器）。这些工作结合了已经掌握的生物自组装技术、新的分子结构以及纳米加工的新方法。2021/9/12492021/9/1250