纳米技术-课件-13_molecular-electronics
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纳米技术课件
根据纳米结构体系构筑过程中的驱动力是 靠外因还是靠内因来划分，大致可分为两类， 一是人工纳米结构组装体系，二是纳米结构 自组装体系。所谓人工纳米结构组装体系 , 是 按人类的意志 , 利用物理和化学的方法人工地 将纳米尺度的物质单元组装在一起或利用物 理和化学的办法生长各种各样的超晶格和量 子线，人工纳米结构包括纳米有序阵列体系 和介孔复合体系等。人的设计和参与制造起 到决定性的作用 , 就好像人们造飞机，盖房子
1984年，德国Gleiter等人采用惰性气体 蒸发冷凝法制备了纳米Fe，Cu，Pd等金属粉 末。随后发现纳米TiO2陶瓷在室温下呈良好 的韧性。在180经受弯曲并不产生裂纹。这一 突破使为陶瓷增韧奋斗了一个世纪的材料科 学家们看到了希望。英国著名材料科学家卡 恩在nature 杂志上撰文说纳米陶瓷是解决陶 瓷脆性的战略途径。
三、纳米结构 所谓纳米结构就是将纳米结构单元按照 一定的规律规则地排列成二维和三维的结构 。由于该结构奇特的物理现象及与下一代量 子结构器件的联系，成为人们十分感兴趣的 研究热点。纳米结构单元是至小一维处于纳 米尺度的结构单元，包括纳米晶，纳米颗粒 ，纳米管，纳米棒或纳米单层膜等。
纳米结构组装体系是以纳米颗粒或纳米 丝，纳米管为基本单元在一维，二维和三维 空间组装排列成具有纳米结构的体系，其中 包括纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌 镶体系。纳米组装体系不仅在包含纳米结构 基本单元还要包括支撑它们的具有纳米尺度 的空间的基体。
美国NNI（国家纳米创新中心）称其会引导 下一次工业革命。（National nanotechnology initiative leading towards the next industrial revolution）。这个短语印在比头发丝还细下 的一个平面上，字母大小是0.3 um。头发丝 的直径一般在20-50um。不借助任何仪器， 人类的眼睛可看到的最小的东西其断面尺寸 为10 um。2002年，商用微芯片上刻蚀的最 小器件的尺寸为0.13um。形象的比喻是1纳 米和一个人的尺寸差别与1个人和月球轨道的 差别相同，再就是一纳米的物体放到乒乓球 上，就像一个乒乓球放在地球上一般。
纳米技术..课件
纳米技术的应用
• 贴近生活的例子
纳米技术的应用
• 目前美国对纳米技术的兴趣甚广，并且一般散布到小团体中。最受重视的研 究课题有：具有工程性能的金属与陶瓷纳米结构材料；聚合物大分子的分子 操纵；软纳米结构的化学自组装技术；纳米结构涂料的热喷工艺和以化学为 基础的技术；电子产品和传感器的纳米制作；用于与能量相关工艺的纳米结 构材料，如催化剂、软磁体；纳米机加工；航天器系统的小型化。 另外，正在进行用于生化的神经通信与芯片技术研究；开发了计量学在纳米 结构的热力学性能、磁性、微磁模拟以及热动力学方面的应用；原子级的模 拟已被确立为一种计算工具；建造了纳米探针，用于以纳米级精度和皮秒时 间分辨率研究材料结构和器件。尽管在受控条件下由原子和分子构建纳米结 构是最有希望的方法，但是材料结构重组和尺寸缩减法仍将继续存在。探索 性的研究包括量子操纵和原子控制手段，等级结构材料的计算机设计、人造 结构分子，有机与无机纳米结构的结合、生物拟态、纳米级机器人学、生物 结构对信息的编码与应用、DNA计算、相互作用的组织以及化学与生物试剂 探测器。 在商业上可行的技术在美国已被应用于陶瓷、金属和聚合物的纳米粒子、纳 米结构合金、着色剂和化妆品、电子元件等。从科学发现到技术应用的时间 间隔长短悬殊。目前纳米技术在其它方面的应用有硬涂料、化学和生物探测 器、通过纳米粒子进行的药物传送系统、起的作用。 电子工业中利用纳米粒子浆进行的化学-机械抛光以及先进的激光技术。有几 种纳米粒子合成工艺几十年前就奠定了其科学基础，但大部分工艺的科学基 础还正在研究。大部分纳米粒子研究的技术基础开发工作还处于初级阶段， 单靠产业界不能支撑建立科技基础设施而需进行的研究工作。这是政府和私 立机构支持基础研究所
纳米技术
Look , this is 纳米技术！！
《纳米技术》PPT课件
纳米技术
h
1
纳米
“纳米”是长度单位，1nm=10-9m
即1纳米等于十亿分之一米，大约等于10个氢原子并排起 来的长度，相当于万分之一头发的粗细。纳米正好处于原 子、分子为代表的微观世界和以人类活动空间为代表的宏 观世界的中间地带，被称为介观世界。
h
2
纳米技术
纳米科学技术是研究在千万分之一米(10-8m)到亿分之一米 (10-9m)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学 问；同时在这一尺度范围内对原子、分子或原子团、分子 团进行操纵和加工使其形成所需要的物质称为纳米技术。
费曼对纳米技术的最早梦想，成为一个光 辉的起点，人类开始了对纳米世界的探求。
h
6
科学家发现，在纳米的世界里，物质发生了质的飞 跃。比如硅晶体是不发光的，但纳米硅却会发光；陶瓷 在通常情况下是很硬、很脆的，如果采用纳米粉体制成 纳米陶瓷，它也可以具有韧性；纳米材料还具有超塑性， 室温下的纳米铜丝经过轧制，其长度可以从1cm延伸到 100cm，其厚度可以从1mm减小到0.01mm。
h
14
虽然纳米陶瓷还有许多关键技术需要解决，但其
优良的室温和高温力学性能、抗弯强度、断裂韧
性，使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等
诸多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强
腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作
用，具有广阔的应用前景。
返回
h
15
纳米级微电子元件
日本日立中心实验室利用半导体材料砷化镍， 率先开发新一代微电子元件。这些电子元件呈细长 的鬃状结晶形，粗仅20纳米，可使计算机的计算速 度、通讯用发光元件的效率数十、数百倍地提高。
h
16
超微型计算机
随着微电子技术的不断发展，集成度越来越 高，计算机信息存储芯片越来越小，而存储量却 越来越大，信息容量比现有光盘高100万倍，整个 美国国会图书馆的图书都能存储在一个糖块大小 的芯片中。
h
1
纳米
“纳米”是长度单位，1nm=10-9m
即1纳米等于十亿分之一米，大约等于10个氢原子并排起 来的长度，相当于万分之一头发的粗细。纳米正好处于原 子、分子为代表的微观世界和以人类活动空间为代表的宏 观世界的中间地带，被称为介观世界。
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2
纳米技术
纳米科学技术是研究在千万分之一米(10-8m)到亿分之一米 (10-9m)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学 问；同时在这一尺度范围内对原子、分子或原子团、分子 团进行操纵和加工使其形成所需要的物质称为纳米技术。
费曼对纳米技术的最早梦想，成为一个光 辉的起点，人类开始了对纳米世界的探求。
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科学家发现，在纳米的世界里，物质发生了质的飞 跃。比如硅晶体是不发光的，但纳米硅却会发光；陶瓷 在通常情况下是很硬、很脆的，如果采用纳米粉体制成 纳米陶瓷，它也可以具有韧性；纳米材料还具有超塑性， 室温下的纳米铜丝经过轧制，其长度可以从1cm延伸到 100cm，其厚度可以从1mm减小到0.01mm。
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虽然纳米陶瓷还有许多关键技术需要解决，但其
优良的室温和高温力学性能、抗弯强度、断裂韧
性，使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等
诸多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强
腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作
用，具有广阔的应用前景。
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纳米级微电子元件
日本日立中心实验室利用半导体材料砷化镍， 率先开发新一代微电子元件。这些电子元件呈细长 的鬃状结晶形，粗仅20纳米，可使计算机的计算速 度、通讯用发光元件的效率数十、数百倍地提高。
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超微型计算机
随着微电子技术的不断发展，集成度越来越 高，计算机信息存储芯片越来越小，而存储量却 越来越大，信息容量比现有光盘高100万倍，整个 美国国会图书馆的图书都能存储在一个糖块大小 的芯片中。
《纳米技术》课件
2 纳米技术的历史
纳米技术起源于理论物理学家理查德·费曼在1959年提出的思想，随着技术的发展，纳米 技术逐渐成为研究的热点。
3 纳米技术的应用领域
纳米技术的应用涵盖医学、能源、材料制备和计算机科学等领域，为我们的生活和科学 技术带来了巨大的影响。
纳米材料
纳米颗粒
纳米颗粒是指具有纳 米级尺寸的固体颗粒， 具有特殊的物理、化 学和光学性质，广泛 应用于电子、光催化 和生物医学等领域。
纳米技术在计算机科学领域有着独特的应用，如 纳米电子器件和量子计算。
纳米技术的风险
1
环境风险
纳米材料的释放和排放可能对环境产生影响，需要注意管理这些风险以保护生态 系统。
2
生物风险
纳米材料对生物体的毒性和生物相容性需要进行评估，确保安全使用纳米技术。
3
社会风险
纳米技术可能带来一定的社会和伦理问题，需要谨慎考虑与管理，确保科技发展 的可持续性。
发展趋势
未来的纳米技术
纳米技术的发展将进一步拓展应用领域，如量子纳 米技术和纳米机器人等，开启更加神奇的科技时代。
可持续发展的纳米技术
纳米技术的可持续发展将关注环境友好性、资源高 效利用和社会公平性，推动科技与可持续发展的融 合。
结论
纳米技术拥有巨大的潜力，同时也带来一定的风险。为了实现纳米技术的可 持续发展，需要政府、企业和公众的共同参与和监管。
《纳米技术》PPT课件
欢迎来到《纳米技术》PPT课件！通过本次讲解，您将深入了解纳米技术的简 介、纳米材料、纳米制备方法、应用领域、风险以及发展趋势。准备好开启 科技的奇妙之旅了吗？
纳米技术简介
1 什么是纳米技术
纳米技术是研究和应用材料、装置和系统的科学、工程和技术的一门学科，其尺度位于 纳米米级尺度范围内。
纳米技术起源于理论物理学家理查德·费曼在1959年提出的思想，随着技术的发展，纳米 技术逐渐成为研究的热点。
3 纳米技术的应用领域
纳米技术的应用涵盖医学、能源、材料制备和计算机科学等领域，为我们的生活和科学 技术带来了巨大的影响。
纳米材料
纳米颗粒
纳米颗粒是指具有纳 米级尺寸的固体颗粒， 具有特殊的物理、化 学和光学性质，广泛 应用于电子、光催化 和生物医学等领域。
纳米技术在计算机科学领域有着独特的应用，如 纳米电子器件和量子计算。
纳米技术的风险
1
环境风险
纳米材料的释放和排放可能对环境产生影响，需要注意管理这些风险以保护生态 系统。
2
生物风险
纳米材料对生物体的毒性和生物相容性需要进行评估，确保安全使用纳米技术。
3
社会风险
纳米技术可能带来一定的社会和伦理问题，需要谨慎考虑与管理，确保科技发展 的可持续性。
发展趋势
未来的纳米技术
纳米技术的发展将进一步拓展应用领域，如量子纳 米技术和纳米机器人等，开启更加神奇的科技时代。
可持续发展的纳米技术
纳米技术的可持续发展将关注环境友好性、资源高 效利用和社会公平性，推动科技与可持续发展的融 合。
结论
纳米技术拥有巨大的潜力，同时也带来一定的风险。为了实现纳米技术的可 持续发展，需要政府、企业和公众的共同参与和监管。
《纳米技术》PPT课件
欢迎来到《纳米技术》PPT课件！通过本次讲解，您将深入了解纳米技术的简 介、纳米材料、纳米制备方法、应用领域、风险以及发展趋势。准备好开启 科技的奇妙之旅了吗？
纳米技术简介
1 什么是纳米技术
纳米技术是研究和应用材料、装置和系统的科学、工程和技术的一门学科，其尺度位于 纳米米级尺度范围内。
纳米技术资料PPT课件
纳米科技
磁控溅射法
为了克服成
膜速度低的缺点，
人们设计了磁控
溅射镀膜，在溅
射靶与基片之间
引入了正交电磁
场，使气体分子
被电离的速率提
高了10倍，达到
了真空蒸发法的
成膜速率。
返回
纳米科技
分子束外延镀膜法
分子束外延（MBE）是一种特殊的真空镀膜工艺。
它是在超Байду номын сангаас真空条件下， 将薄膜的诸组分元素的 分子束流，直接喷到衬 底（半导体材料的单晶 片）表面上，沿着单晶 片的结晶轴方向生长成 一层结晶结构完整的新 的单晶层薄膜。
纳米科技
LB膜的制备
将一个亲水性（或 亲油性）固体表面垂 直而缓慢地插入浮有 单分子层的水中，将 该固体表面垂直上提 时，浮着的单分子膜 就会附着在表面上， 随沉积过程不同，所 形成的膜的结构分X、 Y、Z三型。
纳米科技
LB膜的制备
如果这个固 体基片反复进 出水面，可形 成多层膜（最 多 可 达 到 500 层），一个分 子的纵向长度 为 2-3nm ， 因 此 单分子层的厚 度亦为2-3nm。
返回
纳米科技
纳米薄膜的应用——磁性薄膜
纳米磁性薄膜可以削弱传统磁记录介质中信息 存储密度受到其自退磁效应的限制，并具有巨磁 电阻效应，在信息存储领域有巨大的应用前景。
巨磁阻效应：所谓磁电阻是指在一定磁场下电阻改 变的现象，巨磁阻就是指在一定磁场下电阻急剧变 化的现象。磁场导致电阻增加，称之为正磁致电阻； 若导致电阻降低，称之为负磁致电阻。
❖ SAMS的稳定性好，在各种含氧，不含氧的环境 条件下，热稳定温度能达到400℃。
返回
纳米科技
LB膜技术及其应用
LB膜是Langmuir-Blodgett（朗谬尔—布罗杰 特）在20世纪二、三十年代首先研究的，但在纳 米科技发展中，LB膜因其特有的性能受到人们的 重视。
磁控溅射法
为了克服成
膜速度低的缺点，
人们设计了磁控
溅射镀膜，在溅
射靶与基片之间
引入了正交电磁
场，使气体分子
被电离的速率提
高了10倍，达到
了真空蒸发法的
成膜速率。
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纳米科技
分子束外延镀膜法
分子束外延（MBE）是一种特殊的真空镀膜工艺。
它是在超Байду номын сангаас真空条件下， 将薄膜的诸组分元素的 分子束流，直接喷到衬 底（半导体材料的单晶 片）表面上，沿着单晶 片的结晶轴方向生长成 一层结晶结构完整的新 的单晶层薄膜。
纳米科技
LB膜的制备
将一个亲水性（或 亲油性）固体表面垂 直而缓慢地插入浮有 单分子层的水中，将 该固体表面垂直上提 时，浮着的单分子膜 就会附着在表面上， 随沉积过程不同，所 形成的膜的结构分X、 Y、Z三型。
纳米科技
LB膜的制备
如果这个固 体基片反复进 出水面，可形 成多层膜（最 多 可 达 到 500 层），一个分 子的纵向长度 为 2-3nm ， 因 此 单分子层的厚 度亦为2-3nm。
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纳米科技
纳米薄膜的应用——磁性薄膜
纳米磁性薄膜可以削弱传统磁记录介质中信息 存储密度受到其自退磁效应的限制，并具有巨磁 电阻效应，在信息存储领域有巨大的应用前景。
巨磁阻效应：所谓磁电阻是指在一定磁场下电阻改 变的现象，巨磁阻就是指在一定磁场下电阻急剧变 化的现象。磁场导致电阻增加，称之为正磁致电阻； 若导致电阻降低，称之为负磁致电阻。
❖ SAMS的稳定性好，在各种含氧，不含氧的环境 条件下，热稳定温度能达到400℃。
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纳米科技
LB膜技术及其应用
LB膜是Langmuir-Blodgett（朗谬尔—布罗杰 特）在20世纪二、三十年代首先研究的，但在纳 米科技发展中，LB膜因其特有的性能受到人们的 重视。
纳米科学概论PPT(完整版)
神奇的纳米世界
靓丽的纳米世界
单根碳纳米弹簧
扫描隧道显微镜下的纳米团簇 酷似大力神杯的硅纳米结构
NANOGEAR
“麻雀卫星”
质量不足10千克，各种部件全 部用纳米材料制造，一枚小型 火箭一次就可以发射数百颗。 若在太阳同步轨道上等间隔地 部署648颗功能不同的“麻雀卫 星”，就可以保证在任何时刻对 地球上任何一点进行连续监视， 即使少数失灵，整个卫星网络 的工作也不会受影响。
假如您掌握了纳米技术，您将应用在哪些方面？并简述理由。
科学的商品化
将“知识”转化为“经济”
NANOSCIENCE: Thinking about small to do big things
碳纳米管仿生壁虎脚打造蜘蛛人
Science, , 322, 238 -242.
金纳米颗粒由102个金 原子和44个硫醇分子 组成，其中，金原子排 列成球状。
Nature 1991, 354, 56
纳米管做成的“纳米秤”
令人惊奇的是，最近 、中 国、法国和巴西科学家用精 密的电子显微镜测量纳米管 在电流中出现的摆频率时， 发现可以测出纳米管上极小 微粒引起的变化，从而发明 了能称量亿亿分之二百克的 单个病毒的“纳米秤”。这 种世界上最小的秤，为科学 家区分病毒种类，发现新病 毒作出了贡献。
特殊的光学性质
当 （Au）被细分到小于光波波长的尺寸时，即失 去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属 在纳米颗粒状态都呈为黑色。尺越小，颜色愈黑，银 白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。
特殊的电学性质
介电和压电特性是材料的基本物性之一。纳米半导 体的介电行为（介电常数、介电损耗）及压电特性同 常规的半导体材料有和很大的不同。
纳米技术ppt课件
在第四个阶段中纳米计算机将得以实现。这个阶段的市场规模将 达到2000亿至1万亿美元。
在第五阶段里，科学家们将研制出能够制造动力源与程序自律化 的元件和装置，市场规模将高达6万亿美元。
.
5. 纳米技术的主要研究项目
主要有超细薄膜、碳纳米管、纳米陶瓷、金属纳米晶体和 量子点线等。
1) 超细薄膜
超细薄膜的厚度通常只有1纳米-5纳米，甚至会做成1个分 子或1个原子的厚度。超细薄膜可以是有机物也可以是无机物， 具有广泛的用途。如沉淀在半导体上的纳米单层，可用来制 造太阳能电池，对开发新型清洁能源有重要意义；将几层薄 膜沉淀在不同材料上，可形成具有特殊磁特性的多层薄膜， 是制造高密度磁盘的基本材料。
.
3) 陶瓷材料 陶瓷材料在通常情况下具有坚硬、易碎的特点，但
由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的 韧性，有的可大幅度弯曲而不断裂，表现出金属般的 柔韧性和可加工性。
.
纳米技术的内容
纳米技术包含下列四个主要方面： 1、纳米材料：
当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1—100纳米这个范围空间，物质的性 能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子， 也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺 度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。
.
2) 碳纳米管
碳纳米管是由碳60分子经加工形成的一种直径只有几纳米 的微型管，是纳米材料研究的重点之一。与其它材料相比， 碳纳米管具有特殊的机械、电子和化学性能，可制成具有导 体、半导体或绝缘体特性的高强度纤维，在传感器、锂离子 电池、场发射显示、增强复合材料等领域有广泛应用前景， 因而受到工业界的普遍重视。目前，碳纳米管虽仍处于研究 阶段，但许多研究成果已显示出良好的应用前景。
在第五阶段里，科学家们将研制出能够制造动力源与程序自律化 的元件和装置，市场规模将高达6万亿美元。
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5. 纳米技术的主要研究项目
主要有超细薄膜、碳纳米管、纳米陶瓷、金属纳米晶体和 量子点线等。
1) 超细薄膜
超细薄膜的厚度通常只有1纳米-5纳米，甚至会做成1个分 子或1个原子的厚度。超细薄膜可以是有机物也可以是无机物， 具有广泛的用途。如沉淀在半导体上的纳米单层，可用来制 造太阳能电池，对开发新型清洁能源有重要意义；将几层薄 膜沉淀在不同材料上，可形成具有特殊磁特性的多层薄膜， 是制造高密度磁盘的基本材料。
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3) 陶瓷材料 陶瓷材料在通常情况下具有坚硬、易碎的特点，但
由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的 韧性，有的可大幅度弯曲而不断裂，表现出金属般的 柔韧性和可加工性。
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纳米技术的内容
纳米技术包含下列四个主要方面： 1、纳米材料：
当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1—100纳米这个范围空间，物质的性 能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子， 也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺 度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。
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2) 碳纳米管
碳纳米管是由碳60分子经加工形成的一种直径只有几纳米 的微型管，是纳米材料研究的重点之一。与其它材料相比， 碳纳米管具有特殊的机械、电子和化学性能，可制成具有导 体、半导体或绝缘体特性的高强度纤维，在传感器、锂离子 电池、场发射显示、增强复合材料等领域有广泛应用前景， 因而受到工业界的普遍重视。目前，碳纳米管虽仍处于研究 阶段，但许多研究成果已显示出良好的应用前景。
纳米技术及材料PPT课件
• 1999年，巴西和美国科学家在进行碳纳米管
实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量 十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量； 此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重 量的“秤”，打破了美国和巴西科学家联合创造 的纪录。同年，美国科学家在单个分子上实现有 机开关，证实在分子水平上可以发展电子和计算 装置。
纳米技术及纳米材料
化工三
所谓纳米技术，是指在0.1~100纳米 的尺度里，研究电子、原子和分子内 的运动规律和特性的一项崭新技术。 科学家们在研究物质构成的过程中， 发现在纳米尺度下隔离出来的几个、 几十个可数原子或分子，显著地表现 出许多新的特性，而利用这些特性制 造具有特定功能设备的技术，就称为 纳米技术。
纳米技术的发展历程：
• 1981年，科学家发明研究纳米的重要工
具———扫描隧道显微镜，原子、分子世界 从此可见。
• 1990年，首届国际纳米科技会议在美
国巴尔的摩举办，纳米技术形式诞生。
•
• 1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量
是相同体积钢的六分之一，强度却是铁的 10倍，成为纳米技术研究的热点。
简单的解释为：能操作细小到0.1～ 100nm物件的一类新发展的高技术。 生物芯片和生物传感器等都可归于 纳米技术范畴。
用纳米技术排列原子的到的字母
纳米技术下的原子
对纳米技术的认识:
纳米技术的内涵非常广泛，它包括纳米材料 的制造技术，纳米材料向各个领域应用的 技术(含高科技领域)，在纳米空间构筑一 个器件实现对原子、分子的翻切、操作以 及在纳米微区内对物质传输和能量传输新 规律的认识等等。
纳米技术的前景
• 纳米技术的发展，将给我们的生活带来极
大的变化。"纳米技术"就是通过物理或化学 方法，将物质粉碎成"纳米级"微粒。这种微 粒比头发丝的十万分之一还要细，要在20 万倍以上的电子显微镜下才能看得清楚。 自九十年代初开始兴起的纳米技术，可以 带来信息、能源、交通、医药、食品、纺 织、环保等诸多领域的新变革，大大提升 我们的生活质量。
实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量 十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量； 此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重 量的“秤”，打破了美国和巴西科学家联合创造 的纪录。同年，美国科学家在单个分子上实现有 机开关，证实在分子水平上可以发展电子和计算 装置。
纳米技术及纳米材料
化工三
所谓纳米技术，是指在0.1~100纳米 的尺度里，研究电子、原子和分子内 的运动规律和特性的一项崭新技术。 科学家们在研究物质构成的过程中， 发现在纳米尺度下隔离出来的几个、 几十个可数原子或分子，显著地表现 出许多新的特性，而利用这些特性制 造具有特定功能设备的技术，就称为 纳米技术。
纳米技术的发展历程：
• 1981年，科学家发明研究纳米的重要工
具———扫描隧道显微镜，原子、分子世界 从此可见。
• 1990年，首届国际纳米科技会议在美
国巴尔的摩举办，纳米技术形式诞生。
•
• 1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量
是相同体积钢的六分之一，强度却是铁的 10倍，成为纳米技术研究的热点。
简单的解释为：能操作细小到0.1～ 100nm物件的一类新发展的高技术。 生物芯片和生物传感器等都可归于 纳米技术范畴。
用纳米技术排列原子的到的字母
纳米技术下的原子
对纳米技术的认识:
纳米技术的内涵非常广泛，它包括纳米材料 的制造技术，纳米材料向各个领域应用的 技术(含高科技领域)，在纳米空间构筑一 个器件实现对原子、分子的翻切、操作以 及在纳米微区内对物质传输和能量传输新 规律的认识等等。
纳米技术的前景
• 纳米技术的发展，将给我们的生活带来极
大的变化。"纳米技术"就是通过物理或化学 方法，将物质粉碎成"纳米级"微粒。这种微 粒比头发丝的十万分之一还要细，要在20 万倍以上的电子显微镜下才能看得清楚。 自九十年代初开始兴起的纳米技术，可以 带来信息、能源、交通、医药、食品、纺 织、环保等诸多领域的新变革，大大提升 我们的生活质量。
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12.3 Molecular mimics
General introduction
How a human muscle works
TFYY87, Nanotechnology
16
12.3 Molecular mimics
Micromuscles
Working principle PPy doped with DBS- (dodecylbenzenesulfonate) anions (PPy(DBS)) is the base materials. and is operated as the microactuators in an aqueous salt solution, usually NaDBS, with different bias conditions
Wonking principle
TFYY87, Nanotechnology 7
12.2 Polymer electronics
Polymer solar cell
Hybrid nanorod-polymer solar cells —have been created using semiconductor nanorods (7 nm by 60 nm). The heart of a solar cell is a 200-nm-thick film (about a thousandth the thickness of a human hair), consisting of cadmium selenide (CdSe) crystals formed into nanorods and blended with P3HT, or poly(3-hexylthiophene), an organic polymer.
Molecular orbital theory
Double bonds of organic compounds
π−bonds and σ−bonds
The structure of ethene (C2H4)
A chain configuration of poly(actylene), (C2H4)n
Optoelectronic devices
OLEDs (organic light emitting diode)
Some advantages
- low operating voltage - fast and cost effective manufacturing technology - wide viewing angle - thinner and lower weight - high luminance
Microrobot (IFM/LiU)
Actions
Moving a 100 µm glass bead over PU tracks Robotarm (670 µm) moving fingers only
TFYY87, Nanotechnology 18
12.3 Molecular mimics
Manipulating conjugated polymers
Substituted polythiophenes: from low bandgap to high bandgap
Measured PL spectra
TFYY87, Nanotechnology
9
12.2 Polymer electronics
Simple device structure
A soft OLED
TFYY87, Nanotechnology 10
12.2 Polymer electronics
Optoelectronic devices
O - disply technology - wide viewing angle (170 degree) - thinner and lower weight - take less power, and high luminance (90lm/W efficiency) Kodak’s recent release (Sept 19, 2003)
TFYY87, Nanotechnology
12
12.2 Polymer electronics
O-FETs
Easy process Satisfactory function Towards for full processed O(P)-electronics
TFYY87, Nanotechnology
Ch. 13: Molecular electronics and mimics
Points of interests New “soft” electronics (organic/molecular material-based) Paper electronics Bridge to true bio-mimics and bio-electronics - Microfluidics, Biosensing, Micromuscles, Microrobots, …… Keys: Synthesis and manipulate various structures of conjugated polymers, …
A viable power source at 10 % efficiency
TFYY87, Nanotechnology
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12.2 Polymer electronics
Light emission - tunnig the bandgap of the conjugated polymers
13
12.2 Polymer electronics
Memory devices Intel's plastic ferric polymer memory. The world is waiting
Thin Film Electronics (TFE), a Linköping based company, sponsored by Opticom and Intel is working hard on it. http://www.thinfilm.se/ - high k polymer dielectric - Simple stacking device structure - 3-D architecture - easy manufacturing - Low bit cost - Low power consumption
TFYY87, Nanotechnology 14
12.2 Polymer electronics
Paper electrpnics
A revolutionary change Huge market value and interest
Roll-to-roll manufacturing
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TFYY87, Nanotechnology
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12.3 Molecular mimics
Light driven molecular ball and socket molecule
TFYY87, Nanotechnology
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TFYY87, Nanotechnology
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12.3 Molecular mimics
Micromuscles (IFM/LiU)
Actions
A miniature box opening and closing (300x300x300 µm) 1 Fingers (30x1000 µm)
Single bonds of organic compounds
The structure of poly(ethylene)
The structure of ethane (C2H6)
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3
12.1 Fundamentals of organic molecules
TFYY87, Nanotechnology
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12.2 Polymer electronics
Work towards an O - laser
Easy process for resonator cavity and mirrors, e.g., using soft-lithographic printing for distributed Bragg mirrors (DFB)
V= 0 V : PPy(DBS) is oxidized. The cations are excluded and the actuator is bent.
V= -1 V : PPy(DBS) is reduced. Cations are inserted to maintain charge neutrality and the actuator straightens
Molecular motions: Catenanes and rotaxanes
The structures of catenanes and rotaxanes
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12.3 Molecular mimics
Parts of molecular machines: Chemical rotors
TFYY87, Nanotechnology
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12.1 Fundamentals of organic molecules
Molecular orbital theory
Electronic configuration of carbon