(3.1.2)--5.3-5.4 纳米科技的发展及应用（上）.ppt

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1、 专题五专题五 纳米科技纳米科技 Nanotechnology智能制造技术Intelligent Manufacturing Technology主要内容主要内容：纳米科技概念的提出与发展纳米科技概念的提出与发展3主要内容主要内容：纳米科技概念的提出与发展纳米科技概念的提出与发展3纳米技术的提出纳米技术的提出 19591959年年，诺诺贝贝尔尔物物理理奖奖得得主主、量量子子物物理理学学家家费费曼曼在在美美国国加加州州理理工工学学院院作作过过一一次次题题为为底底部部还还有有很很大大空空间间的的演演讲讲，他他预预言言：如如果果我我们们对对物物体体微微小小规规模模上上的的排排列列加加以以某某种种控控

2、制制的的话话，就就能能使使物物体体得得到到大大量量的的异异乎乎寻寻常常的的特特性性，就会看到材料的性能产生丰富的变化。就会看到材料的性能产生丰富的变化。费曼（费曼（R.P.Feynman）（1918 1988）There is Plenty of Room at the Bottom.I can hardly doubt that when we have some control of the arrangement of things on a small scale,we will get an enormously great range of possible properties

3、that substances can have.He was talking about nanotechnology before the word existed!费曼的这些想法即使在当时的科学界费曼的这些想法即使在当时的科学界都认为是科学幻想，可谁能知道在都认为是科学幻想，可谁能知道在30年后，他这次历史性的演讲，不仅预年后，他这次历史性的演讲，不仅预测了纳米技术将会崛起测了纳米技术将会崛起,而且变成了现而且变成了现实。实。纳米科技研究的重要仪器纳米科技研究的重要仪器-扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜(STM)STM ：横向分辨率达横向分辨率达0.1nm0.1nm，纵向分辨率达，纵向分辨率

4、达0.01nm0.01nm。G.Binning&H.Rohrer 发发明扫描隧道显微镜明扫描隧道显微镜 （Scanning Tunneling Microscope STM）共同）共同获得获得1986年年Nobel物理学物理学奖奖。实现了人类的两个梦想：实现了人类的两个梦想：直接看到原子；按意愿去直接看到原子；按意愿去安排原子、分子。安排原子、分子。在两块导电物体之间夹一层绝缘体，若在两个导体之间在两块导电物体之间夹一层绝缘体，若在两个导体之间加上一定的电压，通常是不会有电流从一个导体穿过绝缘层加上一定的电压，通常是不会有电流从一个导体穿过绝缘层流向另一导体的，即：流向另一导体的，即：两个导体

5、之间存在着势垒，像隔着一座山一样两个导体之间存在着势垒，像隔着一座山一样运用专业知识分析以下现象：运用专业知识分析以下现象：假如这层势垒的厚度很窄只有几个纳米，由于电子在空间的运动呈现假如这层势垒的厚度很窄只有几个纳米，由于电子在空间的运动呈现波动性，根据量子力学的计算，电子将穿过而不是越过这层势垒，从波动性，根据量子力学的计算，电子将穿过而不是越过这层势垒，从而形成电流。如同在山腰部打通了一条隧道而火车通过隧道那样，这而形成电流。如同在山腰部打通了一条隧道而火车通过隧道那样，这种现象称为种现象称为隧道效应隧道效应。运用专业知识分析以下现象：运用专业知识分析以下现象：隧道电流与针尖样品表面距离

6、呈指数关系隧道电流与针尖样品表面距离呈指数关系导体间的电子隧道效应导体间的电子隧道效应故事发生在瑞士苏黎世的故事发生在瑞士苏黎世的IBMIBM实验室内，实验室内，德国博士生比尼格（德国博士生比尼格（BinnigBinnig）在罗勒尔）在罗勒尔(Rohrer)(Rohrer)教授的指导下，正在做博士论教授的指导下，正在做博士论文研究导体间的电子隧道效应问题。文研究导体间的电子隧道效应问题。扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜(STM)它主要是利用一根非常细的钨金属探针，针尖电子会跳到待测物体表面上形成穿它主要是利用一根非常细的钨金属探针，针尖电子会跳到待测物体表面上形成穿隧电流，同时，物体表面的高低会影

7、响穿隧电流的大小。隧电流，同时，物体表面的高低会影响穿隧电流的大小。扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜(STM)如何利用隧道电流如何利用隧道电流I I与针尖与样品表面之间的距离与针尖与样品表面之间的距离Z Z的关的关系来观察纳米世界呢？系来观察纳米世界呢？隧道电流与针尖样品表面距离呈指数关系隧道电流与针尖样品表面距离呈指数关系隧道电流隧道电流 I I 对针尖与样品表面对针尖与样品表面之间的距离之间的距离Z Z极为敏感，如果极为敏感，如果Z Z减减小小0.1nm0.1nm，隧道电流就会增加一，隧道电流就会增加一个数量级。个数量级。当针尖在样品表面上方扫描时，当针尖在样品表面上方扫描时，即使其表面只有原

8、子尺度的起伏，即使其表面只有原子尺度的起伏，也将通过其隧道电流显示出来。也将通过其隧道电流显示出来。借助于借助于电子仪器和计算机电子仪器和计算机，在屏，在屏幕上即显示出样品的幕上即显示出样品的表面形貌表面形貌。扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜(STM)第一第一种称为恒电流模式，如种称为恒电流模式，如左左图所示。图所示。利用一套电子反馈线路控制隧道电流利用一套电子反馈线路控制隧道电流 I I，使其保持恒定。使其保持恒定。通过计算机系统控制针尖在样品表面扫通过计算机系统控制针尖在样品表面扫描描，由于要控制隧道电流由于要控制隧道电流 I I 不变，针尖与不变，针尖与样品表面之间的样品表面之间的局域高度也

9、会保持不变，局域高度也会保持不变，因因而针尖就会随着样品表面的高低起伏而作相而针尖就会随着样品表面的高低起伏而作相同的起伏运动，高度的信息也就由此反映出同的起伏运动，高度的信息也就由此反映出来。来。这就是说，这就是说，STMSTM得到了样品表面的信息。得到了样品表面的信息。这种工作方式获取图象信息全面，显微图象这种工作方式获取图象信息全面，显微图象质量高，应用广泛。质量高，应用广泛。扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜(STM)STMSTM有两种工作方式。有两种工作方式。另一种工作模式是恒高度工作，如右图所另一种工作模式是恒高度工作，如右图所示。示。在对样品进行扫描过程中保持针尖的在对样品进行扫描过程

10、中保持针尖的绝对高度不变；绝对高度不变；于是针尖与样品表面的局于是针尖与样品表面的局域距离域距离 s s 将发生变化，隧道电流将发生变化，隧道电流I I的大小的大小也随着发生变化；也随着发生变化；通过计算机记录隧道电流的变化，并转换通过计算机记录隧道电流的变化，并转换成图像信号显示出来，即得到了成图像信号显示出来，即得到了STMSTM显微图显微图像。像。这种工作方式仅适用于样品表面较平坦、这种工作方式仅适用于样品表面较平坦、且组成成分单一且组成成分单一(如由同一种原子组成如由同一种原子组成)的的情形。情形。扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜(STM)STMSTM有两种工作方式。有两种工作方式。“扫描

11、隧道显微镜扫描隧道显微镜”下拍摄的下拍摄的“血细胞血细胞”用扫描隧道显微镜拍摄到石墨三维图像用扫描隧道显微镜拍摄到石墨三维图像 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜(STM)1 1 世界上最小的世界上最小的IBMIBM商标商标19901990年，美国年，美国IBMIBM公司在公司在4K4K和超和超真空环境中，将真空环境中，将3535个氙（个氙（XeXe）原）原子在镍（子在镍（NiNi）表面上移动排列出）表面上移动排列出5 5个原子高的个原子高的“IBM”的构图。每的构图。每个字母高个字母高5nm5nm。XeXe原子间最短距原子间最短距离约为离约为1nm1nm。这张放大了的照片登在这张放大了的照片登在时

12、代时代周刊上，被称为当年最了不起周刊上，被称为当年最了不起的公司广告，轰动全球。从此开创了一个崭新的纳米世界。的公司广告，轰动全球。从此开创了一个崭新的纳米世界。19931993年美国科学家在低温下，用年美国科学家在低温下，用STM针尖将针尖将4848个铁原子排成一个铁原子排成一个圆环，并且直接观察到了电子个圆环，并且直接观察到了电子驻波的图形。驻波的图形。2 2 移动铁原子移动铁原子3 3 纳米中国纳米中国1993年，中国科学院在石墨年，中国科学院在石墨表面通过搬迁碳原子而绘制表面通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国地图。出的世界上最小的中国地图。标志着我国开始在国际纳米标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。科技领域占有一席之地。本节内容：5.3纳米科技概念的提出与发展下节内容：5.4纳米材料的应用期 待 大 家 的 积 极 参 与！