神奇的纳米世界

一、纳米的概念：纳米（nanometer）一词中的“纳”（nano)源出于希腊文,意指“侏儒”,现在纳米作为微观世界里的长度单位,一纳米等于十亿分之一米,大约是10个氢原子紧密排列的长度，或人的一根头发粗度的10万分之一.即1nm=10-9m.纳米尺度的图片概念二.纳米科技重大事件：1959年，著名物理学家理查德·费曼（RichardPhillipsFeynman）设想：有一天如果能按自己的愿望任意摆布原子的排列，人类就将成为真正意义上的“造物主”。这是关于纳米技术最早的梦想。1982年，国际商业机器公司（IBM)苏黎世实验室的葛·宾尼（GerdBinnig）博士和海·罗雷尔（HeinrichRohrer）博士共同研制成功了世界第一台新型的表面分析仪器——扫描隧道显微镜（Scanningtunnelingmicroscope，简称STM）。1990年美国国际商业机器公司（IBM）的艾格勒在镍金属（110）表面用35个氙原子排出“IBM”字样。1993年中国科学院北京真空物理实验室操纵原子写出“中国”二字。1991年，日本科学家饭岛澄男发现碳纳米管，它的质量只有同体积钢的1／6，强度却是钢的100倍。用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球上挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。三.神奇的纳米世界单根碳纳米弹簧靓丽的纳米世界酷似大力神杯的硅纳米结构扫描隧道显微镜下的纳米团簇四.纳米材料：Ⅰ、纳米材料的定义：纳米材料，指的是具有纳米量级（1~100nm）的晶态或非晶态超微粒构成的固体物质。纳米材料真正纳入材料科学殿堂是德国科学家Gleiter等于1984年首用惰性气体凝聚法成功地制备了铁纳米微粒，并以它作为结构单元制成纳米块体材料。多孔纳米线Ⅱ.纳米材料的性能及制备方法：ⅰ.表面效应ⅱ.体积效应ⅲ.量子尺寸效应ⅳ.宏观隧道效应ⅰ.物理的蒸发冷凝法ⅱ.分子束外延法ⅲ.机械球磨法ⅳ.化学的气相沉淀法ⅴ.液相沉淀法ⅵ.溶胶-凝胶法ⅶ.水热法五.纳米材料的若干结构表征方法：ⅰ.扫描隧道显微镜（ScanningTunnelingMicroscopy简称STM）：一种基于电子隧道原理的显微镜，在2个距离非常小(典型的只有几Å)的导体间并在外加电场作用下，电子可以穿过2个导体间势垒而流动的现象称为隧道效应。扫描隧道显微镜工作原理示意图经典理论和量子理论的差别扫描隧道显微镜48个铁原子在铜表面排列成直径为14.2纳米的圆形量子栅栏用扫描隧道显微镜的针尖将原子一个个地排列成汉字，汉字的大小只有几个纳米1991年，IBM公司的“拼字”科研小组用STM针尖移动吸附在金属表面的一氧化碳分子，拼成了一个大脑袋小人的形象。图中每个白团是单个一氧化碳分子竖在铂表面上的图象，顶端为氧分子，各个分子的间距约0.5nm。这个分子人从头到脚只有5nm高，堪称世界上最小的人形图案。纳米神算子——分子算盘科学家把碳60分子每十个一组放在铜的表面组成了世界上最小的算盘。与普通算盘不同的是，算珠不是用细杆穿起来，而是沿着铜表面的原子台阶排列的。StructureofSodiumChlorideImagesofNaClobtainedusingScanningTunnelingMicroscopeⅱ.原子力显微镜（atomicforcemicroscope简称AFM)：利用针尖与样品表面原子间的微弱作用力来作为反馈信号，维持针尖——样品间作用力恒定，同时针尖在样品表面扫描，从而得知样品表面的高低起伏。原子间作用力的检测主要由光杠杆技术来实现。如果探针和样品间有力的作用，悬臂将会弯曲。为检测悬臂的微小弯曲量（位移），采用激光照射悬臂的尖端，四象限探测器就可检测出悬臂的偏转。通过电子学反馈系统使弯曲量保持一定，即控制扫描管Z轴使作用于针尖——样品间的力保持一定。在扫描的同时，通过记录反馈信号就可以得到样品表面的形貌。德国JPKInstruments公司生产的原子力显微镜原子力显微镜“分选”和“搬运”分子原子力顯微鏡(AtomicForceMicroscope)結構示意圖ContactModeAFMTappingModeTMAFMMFM:EFM:AFM的應用每種材料功函數(Workfunction)不同,利用此特性量測某(複合)材料表面不同組成的區塊,通常會先以AFM掃過一遍,以扣除凡得瓦爾力作用的影響探針上鍍上一層磁性物質,利用磁性相斥相吸的特性,量測某材料表面不同磁性的區塊,通常會先以AFM掃過一遍,以扣除凡得瓦爾力作用的影響AFM的基本操作方式ComputerControllerNon-contactModeAFM探針以接觸表面的方式,掃過整塊材料,以分析其表面結構Cantilever以一定頻率上下震動,並使探針掃過整塊材料,以分析其表面結構可應用於相變化光碟的分析國立交通大學光電工程研究所光資訊儲存實驗室DigitalSignalProcessorElectronicsInterfaceGraphicsGraphicsControlMonitorDisplayMonitorLaserLaserreflectionwindowMirroradjustmentscrewsAdjustabledetectormirrorRemovablecantileverholderSamplePrimarylensPiezotubescannerTrakScanTMtrackinglensLaseraimingscrewsLaserAFMCantileverAFMTipPiezoelectricheadssamplemovementsLaserLightDetector