《常用于微、纳系统材料05--上课》由会员分享，可在线阅读，更多相关《常用于微、纳系统材料05--上课（54页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、常用于微、纳系统中 的基础材料与工艺 (三) 纳米材料 田丽 2014.03 Outline 纳米科学的内涵纳米科学的内涵 纳米材料的概念与分类纳米材料的概念与分类 纳米材料的特性纳米材料的特性 量子点量子点 纳米科学的内涵 制高点n-电子学n-加工n-生物 基 础n-材料n-材料 基 础纳米物理纳米化学纳米力学 纳米技术发展简史纳米技术发展简史 10001000多年前多年前，中国古代中国古代墨墨、染料染料； 中国古代中国古代铜镜铜镜表面的表面的防锈层防锈层，证实为纳米氧化锡颗粒证实为纳米氧化锡颗粒 构成的一层薄膜；构成的一层薄膜； 约约18611861年年，对直径为对直径为1 1100100
2、 nmnm的粒子系统即所谓胶的粒子系统即所谓胶 体的研究体的研究 19621962年年，久保及其合作者针对金属超微粒子的研究久保及其合作者针对金属超微粒子的研究， 提出了著名的提出了著名的久保理论久保理论 19701970年年，江崎与朱兆祥首先提出了江崎与朱兆祥首先提出了半导体超晶格的概半导体超晶格的概 念念，张立纲和江崎等在实验中实现了张立纲和江崎等在实验中实现了量子阱和超晶格量子阱和超晶格， 观察到了极其丰富的物理效应观察到了极其丰富的物理效应。 2020世纪世纪7070年代末到年代末到8080年代初年代初，对一些对一些纳米颗粒纳米颗粒 的结构的结构、形态和特性形态和特性进行了比较系统的研
3、究进行了比较系统的研究。 描述金属颗粒费米面附近电子能级状态的久保描述金属颗粒费米面附近电子能级状态的久保 理论日臻完善理论日臻完善，在用量子尺寸效应解释超微颗在用量子尺寸效应解释超微颗 粒的某些特性时获得成功粒的某些特性时获得成功。 19841984年年，德国萨尔大学的德国萨尔大学的G G1 1eitereiter教授等人首教授等人首 次次制备了纳米粒子制备了纳米粒子，加压成纳米固体加压成纳米固体，并提出并提出 了纳米材料界面结构模型了纳米材料界面结构模型。 19851985年年，KrotoKroto等采用激光加热石墨蒸发并在等采用激光加热石墨蒸发并在 甲苯中形成碳的团簇甲苯中形成碳的团簇C
4、 C60 60 一、纳米材料一、纳米材料 纳米材料又称为纳米材料又称为超微颗粒材料超微颗粒材料，由纳米粒子组成，由纳米粒子组成, 一一 般是指尺寸在般是指尺寸在1100nm间的粒子，是处在间的粒子，是处在原子簇原子簇和和 宏观物体宏观物体交界的过渡区域。交界的过渡区域。 纳米材料可分为两个层次：纳米材料可分为两个层次： 纳米超微粒子纳米超微粒子-指粒子尺寸为指粒子尺寸为1-100nm的超微粒子的超微粒子 纳米固体材料纳米固体材料-指由纳米超微粒子制成的固体材料指由纳米超微粒子制成的固体材料 人们习惯于把组成或晶粒结构控制在人们习惯于把组成或晶粒结构控制在100纳米以下的纳米以下的 长度尺寸称为
5、纳米材料。长度尺寸称为纳米材料。 纳米材料分类纳米材料分类 按维数按维数，纳米材料的基本单元可以分为：纳米材料的基本单元可以分为： (i)(i)0 0维维，指在空间三维尺度均在纳米尺度指在空间三维尺度均在纳米尺度， 如如量子点量子点、纳米尺度颗粒纳米尺度颗粒、原子团簇原子团簇等；等； (ii)(ii)1 1维维，指在空间有两维处于纳米尺度指在空间有两维处于纳米尺度， 如如量子线量子线、纳米丝纳米丝、纳米棒纳米棒、纳米管纳米管等；等； (iii)(iii)2 2维维，指在三维空间中有一维在纳米尺度指在三维空间中有一维在纳米尺度， 如如量子阱量子阱、超薄膜超薄膜，多层膜；超晶格多层膜；超晶格等；等
6、； （）三维三维纳米材料纳米材料（纳米固体材料纳米固体材料）：指由尺寸小：指由尺寸小 于于1515nmnm的超微颗粒在高压力下压制成型的超微颗粒在高压力下压制成型，或再经一或再经一 定热处理工序后所生成的致密性固体材料定热处理工序后所生成的致密性固体材料。 纳米材料分类纳米材料分类 按按化学组成化学组成，可分为：纳米金属、纳米陶瓷、，可分为：纳米金属、纳米陶瓷、 纳米高分子、纳米复合材料等。纳米高分子、纳米复合材料等。 按按物性物性：纳米半导体、纳米磁性材料、纳米：纳米半导体、纳米磁性材料、纳米 光学材料、纳米铁电材料等等。光学材料、纳米铁电材料等等。 多孔纳米线多孔纳米线 False-col
7、oured scanning electron microscopy image of hybrid protein inorganic nanoflowers. 来源：Ge, J., Lei, J. (B) A typical water-soluble nanocrystal sample in PBS 传统荧光素 量子点 激发光-虚线；发射光-实线；半峰高宽度：67nm vs. 32nm；10%峰高宽度：100nm vs. 67nm；量子点光谱优点： 无红外延伸，连续、宽激发谱 广激发谱，窄发射谱 发射光波长易调节 染色稳定性 量子点探针结构 CdSe：发光核心 Zns：包壳 它们是在有
8、机溶 剂中制备的，不 溶于水，无生物 亲和性。 巯基集团作用： S与ZnS包壳中Zn 原子结合，而有 机集团与蛋白质 结合，这样量子 点探针就溶于水， 且有生物亲和性 了。 单个波长可激发所有的量子点，而不同染料分子的 荧光探针需多个激发波长。 应用范围广：可用于多领域和多仪器 多种颜色：颜色取决于量子点的大小，在同一激发 波长下，可发出多种激发光，达到同时检测多种指标 的要求。 抗光致漂白性 安全：细胞毒性低，可用于活细胞及体内研究 荧光时间长：荧光时间较普通荧光分子长数千倍， 便于长期跟踪和保存结果 量子点在生物上的应用量子点在生物上的应用 QD可用于非同位素标记的生物分子的超灵敏检测 ，
9、如在QD表面连接上巯基乙酸（HS-CH2COOH),从 而使量子点既具有水溶性，还能与生物分子（如蛋 白质、多肽、核酸等）结合，通过光致发光检测出 QD，从而使生物分子识别一些特定的物质。 Schematic of a ZnS Capped CdSe QD that is covalently coupled to protein 量子点在生物上的应用量子点在生物上的应用 量子点在生物上的应用量子点在生物上的应用 将不同荧光特征的量子点将不同荧光特征的量子点 组合进内部镂空的高分子组合进内部镂空的高分子 小球小球, 从而形成具有不同从而形成具有不同 光谱特征和亮度特征的可光谱特征和亮度特征的可
10、 标记到生物大分子上的荧标记到生物大分子上的荧 光纳米球光纳米球。 Taylor等人用纳米球标记等人用纳米球标记 的蛋白质来测定拉直的单的蛋白质来测定拉直的单 个个DNA分子分子，EcoRI酶能酶能 与与20nm大小的荧光纳米大小的荧光纳米 球通过酰胺键结合球通过酰胺键结合，通过通过 12个氢键识别双螺旋个氢键识别双螺旋DNA 分子的特定顺序分子的特定顺序。 与蛋白质偶联，形成生物传感器，测定生物体内物质 的特性。 量子点在生物上的应用量子点在生物上的应用 幻彩量子点制防伪钞票幻彩量子点制防伪钞票 由于量子点的大小反射出不同颜色 的可见光（2nm的量子点可反射出 绿光，5nm则反射出红光），美
11、国 曼彻斯特大学化学教授奥布赖恩有 意用它来制造新的防伪钞票上的条 码。 探测探测DNADNA及蛋白质的性质及蛋白质的性质 研究人员已经能够把多种量子点的 混合物封装进百万分之一米直径的 橡胶球内，这些橡胶小球会放射出 不同颜色的光。 研究人员可以用这些橡胶小球分别 标记不同的基因序列或抗体，方便 研究人员辨认不同的DNA或抗体蛋 白,为进一步探测DNA或抗体蛋白 的性质提供了一种新的方法。 用疏水的改良聚丙烯酸包被量子点,使之与免疫球蛋 白G和链霉亲和素相结合,使其能准确的结合并标记在 细胞表面蛋白、细胞支架蛋白和细胞核内的蛋白质上， 利用其抗漂白的性能，通常对于定量检测荧光分子及 生物活细
12、胞的模拟具有很大的价值。 用量子点检测肿瘤细胞 Quantum dots modified with antibodies to human prostate specific membrane antigen light up murine tumors that developed from human prostate cells. 科学家们将转铁蛋白与量子点共价交联, 让宫颈癌 细胞“吞”进细胞内, 使连接了量子点的转铁蛋白 仍然具有生物活性，实现单色长期荧光标记观察。 他们采用两种大小不同的量子点标记 小鼠的成纤维细胞, 一种发射绿色荧 光, 一种发射红色荧光, 并且将发射 红色荧光
13、的量子点特异地标记在细胞 内肌动蛋白丝上, 而发射绿光的量子 点与尿素和乙酸结合, 这样的量子点 与细胞核具有高亲和力, 并且可以同 时在细胞中观察到红色和绿色的荧光， 从而实现双色荧光标记观察。 目前目前，已经利用纳米电子学研制成功各种纳米已经利用纳米电子学研制成功各种纳米 器件器件。 美国威斯康星大学已制造出可容纳单个电子的美国威斯康星大学已制造出可容纳单个电子的 量子点量子点。在一个针尖上可容纳这样的量子点几在一个针尖上可容纳这样的量子点几 十亿个十亿个。 利用量子点可制成体积小利用量子点可制成体积小、耗能少的耗能少的单电子器单电子器 件件，在微电子和光电子领域将获得广泛应用在微电子和光
14、电子领域将获得广泛应用。 此外此外，若能将几十亿个量子点连结起来若能将几十亿个量子点连结起来，每个每个 量子点的功能相当于大脑中的神经细胞量子点的功能相当于大脑中的神经细胞，再结再结 合微电子机械系统方法合微电子机械系统方法，它将为研制智能型微它将为研制智能型微 型电脑带来希望型电脑带来希望 。 小结小结 总的来说，由于量子点技术有其独特的标记特点,它 必将成为今后生物分子检测的尖端技术，为DNA 检 测(DNA 芯片) 、蛋白质检测(蛋白质芯片) 和探索蛋 白质蛋白质之间(抗原抗体、配体受体、酶 底物) 反应原理提供更先进的方法。同时也将极大的 推动生物显像技术和生物制药技术的迅猛发展，给 疾病的诊断和治疗带来巨大进步。
