纳米科技与纳米材料课程总结

西南科技大学

纳米科技与纳米材料课程

总

结

报

告

报告人：理学院光信息1102班杨星

时间：2012.4.9

早在1959年，美国著名的物理学家，诺贝尔奖金获得者费曼就设想：“如果有朝一日人们能把百科全书存储在一个针尖大小的空间内并能移动原子，那么这将给科学带来什么！”这正是对纳米科技的预言，也就是人们常说的小尺寸大世界。

纳米科技是研究尺寸在0.1～100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。

纳米材料和技术是纳米科技领域最富有活力、研究内涵十分丰富的学科分支。“纳米”是一个尺度的度量，最早把这个术语用到技术上的是日本在1974年底，但是以“纳米”来命名的材料是在20世纪80年代，它作为一种材料的定义把纳米颗粒限制到1～100nm范围。

可以说纳米技术是前沿科学，有很大的探索空间和发展领域，比如：医疗药物、环境能源、宇航交通等等。而今纳米时代正走向我们，从古文明到工业革命，从蒸汽机到微电子技术的应用，纳米时代的到来将不会很远。

这门课程我最深刻的内容是：第二讲扫描隧道显微镜及其应用

引言：

在物理学、化学、材料学和生物研究中，物质真实表面状态的研究具有重要意义。常用的手段有：

1.光学显微镜：由于可见光波长所限，光学显微镜的分别率非常

有限（一般1000nm，分辨率高的可到250nm，理论极限为200nm）。

2.扫描电镜：虽然给表面观察及分析提供了有力的工具，但由于

高能电子束对样品有一定穿透深度，所得的信息也不能反映

“真实”表面状态，分辨率3nm。

3.透射电镜：虽有很高的分辨率，但它所获得的图像实际上是很

薄样品的内部信息，用于表面微观观察及分析几乎是不可能的。

分辨率0.1nm。

4.针对这一问题，宾尼与罗雷尔于1982年发明了扫描隧道显微镜。

在不到5年的时间内，分辨率就达到了原子水平。分辨率0.01nm。

扫描隧道显微镜的基本原理：

1982年，国际商业机器公司（IBM）苏黎世研究所的 Gerd Binnig 和 Heindch Rohrer及其同事们成功地研制出世界上第一台新型的表面分析仪器，即扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）。它使人类第一次能够直接观察到物质表面上的单个原子及其排列状态，并能够研究其相关的物理和化学特性。因此，它对表面物理和化学、材料科学、生命科学以及微电子技术等研究领域有着十分重大的意义和广阔的应用前景。STM的发明被国际科学界公认为20世

纪80年代世界十大科技成就之一。由于这一杰出成就，Binnig和Rohrer获得了1986年诺贝尔物理奖。

STM的基本原理：

STM的基本原理是量子的隧道效应。它利用金属针尖在样品的表面上进行扫描，并根据量子隧道效应来获得样品表面的图像。通常扫描隧道显微镜的针尖与样品表面的距离非常接近（一般为

0.5~l.0nm），所以它们之间的电子云互相重叠，其间的势垒变得很薄，。当在它们之间施加一偏置电压V b时，电子就可以因量子隧道效应由针尖（或样品）转移到样品（或针尖），在针尖与样品表面之间形成隧道电流。

由于隧道电流I与针尖和样品表面之间的距离s成指数关系，所以，电流I对针尖和样品表面之间的距离s变化非常敏感。如果此距离减小仅仅0.lnm，隧道电流 I将会增加 10倍；反之，如果距离增加 0.1nm，隧道电流 I就会减少 10倍。

由于STM具有极高的空间分辨能力（平行方向的分辨率为

0.04nm，垂直方向的分辨率达到 0.01nm），它的出现标志着纳米技术研究的一个最重大的转折甚至可以说标志着纳米技术研究的正式起步。因为，在此之前人类无法直接观察物质表面上的原子和分子结构，使纳米技术的研究无法深入地进行。

恒电流模式:

恒电流模式是在STM图像扫描时始终保持隧道电流恒定，它可以利用反馈回路控制针尖和样品之间距离的不断变化来实现。当压电陶

瓷Px和Py控制针尖在样品表面上扫描时，从反馈回路中取出针尖在样品表面扫描的过程中它们之间距离变化的信息（该信息反映样品表面的起伏），就可以得到样品表面的原子图像。

恒高度模式:

恒高度模式则是始终控制针尖的高度不变，并取出扫描过程中针尖和样品之间电流变化的信息（该信息也反映样品表面的起伏），来绘制样品表面的原子图像。由于在恒高度模式的扫描过程中，针尖的高度恒定不变，当表面形貌起伏较大时，针尖就很容易碰撞到样品。所以恒高度模式只能用于观察表面形貌起伏不大的样品。

以上便是记得最深的部分，主要归功于老师布置的作业，我在网上查了好多关于STM的相关资料，因此也让我记忆尤新。（以下便是那次作业的部分图）

通过对纳米科技与纳米材料课程的学习，我的感触颇深。

人类对客观世界的认识是不断深入的。认识从直接用肉眼能看到的事物开始，然后不断深入，逐渐发展为两个层次：一是宏观领域，二是微观领域。这里的宏观领域是指以人的肉眼可见的物体为最小物体开始为下限，上至无限大的宇宙天体；这里的微观领域是以分子原子为最大起点，下限是无限小的领域。

近年来刚刚发展起来的纳米材料出现许多传统材料不具备的奇异特性，已引起科学家的极大兴趣。德国萨尔大学格莱德和美国阿贡国家实验室席格先后研究成功纳米陶瓷氟化钙和二氧化钛，在室温下显示良好的韧性，在180℃经受弯曲并不产生裂纹，这一突破性进展，使那些为陶瓷增韧奋斗将近一个世纪的材料科学家们看到了希望。

作为纳米科学技术的另一个重要分支，即纳米生物学在90年代初露头角，面向21世纪，它的发展前途方兴未艾。纳米生物学在纳米尺度上认识生物大分子的精细结构及其与功能的联系，并在此基础上按自己的意愿进行裁剪和嫁接，制造具有特殊功能的生物大分子，这使生命科学的研究上了一个新的台阶，势必在解决人类发展的一系列重大问题上起着十分重要的作用。

纳米微机械和机器人是十分引人注目的研究方向，纳米生物机器和纳米生物部件零件的研制，用原子和分子直接组装成纳米机器不但其速度、效率比现有机器大大提高，而且应用范围之广，功能之特殊、污染程度之低是现有机器人无法比拟的。

因此纳米时代的到来已经不是空口话了，面临的是纳米的世界。