纳米科学技术概论

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1、纳 米 科 技 的 内 涵 和 发 展 历 程 ： 彭 练 矛1.205科 学 家 关 于 纳 米 科 技 研 究 论 文 超 过 3万 篇 ， 标 志 着 纳 米 时 代 的 到 来2.事 物 的 尺 度 ： 蚂 蚁 5m， 灰 尘 10um， 红 细 胞 2.5um， DNA直 径 1nm， 原 子 0.1nm3.纳 米 领 域 鼻 祖 ： 费 曼 （ theres plenty of rom at the botom),自 上 而 下 的 从 原 子 尺 度 搭 建 机 械4.什 么 事 纳 米 科 技 ： 解 释 一 ： 纳 米 科 技 对 于 不 同 的 人 有 不 同 的 含 义

2、， 它 必 须 能 够 让 我 们 1.实 现 对 每 个 原 子 的 操 控 ； 2.从 原 子 尺度 构 成 任 意 不 违 背 物 理 和 化 学 规 律 的 结 构 ； 3.造 价 不 能 严 重 超 过 所 用 的 原 材 料 和 能 量 的 代 价 。 解 释 二 ： 1.在 纳 米 尺 度 上 （ 1-10纳 米 ） ， 材 料 的 物 理 ， 化 学 或 生 物 性 质 与 单 原 子 和 块 体 材 料 都 有 着 显 著不 同 ； 2.具 有 在 原 子 尺 度 观 测 ， 操 控 物 质 的 能 力5.读 写 单 个 原 子 分 辨 ： AFM， STM6.为 什 么 纳

3、 米 科 技 重 要 ： 1.随 着 微 电 子 技 术 的 进 一 步 发 展 ， 通 过 自 上 而 下 实 现 器 件 即 将 走 到 尽 头 ； 2.借 助 于纳 米 技 术 ， 我 们 能 够 解 决 很 多 过 去 不 能 解 决 的 生 物 化 学 问 题微 电 子 发 展 现 状 与 趋 势 ： 彭 练 矛1.微 电 子 成 熟 的 FET和 CMOS技 术 ， 原 理2.提 高 传 统 CMOS性 能 的 方 法 ： 1.新 器 件 结 构 （ FinFET和 Tri-GATE） ， 2.新 材 料 （ 用 厚 高 K材 料 氧 化 铪 替 代 薄 低K值 SiO2做 绝 缘

4、 栅 减 小 漏 电 流 ， 兼 容 金 属 栅 ； 提 高 电 子 迁 移 率 用 张 力 硅 ； II-V材 料 替 代 硅 ， 生 长 ？ 空 穴 迁 移率 ？ 成 本 ？ ）3.2020年 硅 基 CMOS极 限4.半 导 体 路 线 图 委 员 会 ： 碳 基 纳 米 电 子 学 ： 构 成 FET， 高 空 穴 迁 移 率 ， 高 开 关 速 度 ， 高 频 响 应纳 米 材 料 I： 一 般 介 绍 ： 彭 练 矛1.什 么 事 纳 米 材 料 ： 1.没 有 通 用 的 定 义 ； 2.特 征 尺 寸 咋 1-10纳 米 ； 3.具 有 大 表 体 面 积 比 ； 4.有 显

5、著 的 量 子 限域 效 应2.块 体 材 料 ， 量 子 井 ， 纳 米 线 ， 量 子 点 态 密 度3.量 子 限 域 效 应 ： 碳 纳 米 管 带 隙 受 纳 米 管 直 径 调 控 ； 减 小 纳 米 结 构 的 大 小 会 增 加 允 许 的 能 级 之 间 的 能 量 差 ，而 大 的 能 量 差 在 电 子 由 高 能 级 向 低 能 级 跃 迁 时 放 出 光 子 波 长 更 短 。 颗 粒 增 大 时 吸 收 峰 红 移 （ 颜 色 变 化 决 定于 原 来 吸 收 峰 范 围 ）4.什 么 是 量 子 点 ？ 任 何 直 径 与 电 子 波 长 可 比 拟 的 固 体

6、颗 粒 材 料 ， 叫 做 量 子 点 。 什 么 是 纳 米 线 ？ 任 何 直 径 小 于 10nm的 线 形 固 体 材 料 ， 叫 做 纳 米 线 。 什 么 是 纳 米 管 ？ 纳 米 管 是 一 种 中 空 的 纳 米 线 ， 一 般 管 壁 厚 度 在 分 子 尺 度 。 最 小 的 纳 米 管 事 单 壁 碳 管 。为 什 么 纳 米 材 料 引 起 广 泛 的 兴 趣 ？ 因 为 它 具 有 许 多 具 有 应 用 前 景 的 ， 块 体 材 料 所 没 有 的 性 质 ： 1.电 子 学 和光 学 性 质 （ 对 电 子 和 光 子 传 导 的 限 域 作 用 ， 无 缺

7、陷 材 料 可 以 实 现 弹 道 输 运 ， 量 子 限 域 效 应 -可 调 光 学 性质 ） ； 2.机 械 性 质 （ 无 缺 陷 材 料 -表 现 出 理 想 强 度 ， 如 碳 管 机 械 强 度 ） ； 3.热 学 性 质 （ 可 以 设 计 成 理 想 的 热良 /差 导 体 ） ； 化 学 性 质 （ 大 表 体 面 积 比 ）5.纳 米 材 料 的 应 用 :1.量 子 点 作 为 荧 光 产 生 物 ； 2.纳 米 管 作 为 结 构 增 强 成 分 ； 3.一 维 材 料 作 为 传 导 通 道 ； 4.纳米 线 做 laser与 LED； 5.高 精 度 探 测 器6

8、.纳 米 结 构 的 合 成 ： 自 上 而 下 （ 10um吉 他 ） ； 自 下 而 上 （ 催 化 ， 自 组 装 ）纳 米 材 料 I： 碳 纳 米 管 ： 彭 练 矛1.碳 元 素 和 轨 道 杂 化 ： 1S2与 2P2能 量 间 隔 较 小 ， sp1一 维 ； sp2二 维 ； sp3三 维2.碳 纳 米 管 性 质 ： 1.0.6-1.8nm， 密 度 小 ， 强 度 大 ， 可 大 角 度 无 损 弯 曲 ， 最 高 承 受 电 流 大 ， 导 热 性 好 ， 价 格 昂贵 。3.单 壁 碳 管 分 类 ： (2n+m)/3=I； 即 n， m除 3余 数 相 同 ， 则

9、为 金 属 性 。 反 之 ， 为 半导 体 性 。Nano technology review201年 6月 1日13:36分 区 新 分 区 1 的 第 1 页 纳 米 材 料 的 表 征 -电 镜 ： 陈 清1.物 质 的 性 质 取 决 于 材 料 的 组 成 和 结 构 。对 材 料 组 成 的 分 析 手 段 包 括 化 学 分 析 （ 光 谱 分 析 ， X射 线 能 谱 EDX， 俄 歇 谱 ， XPS） ， 纳 米 尺 度 化 学 分 析 （ 结合 电 镜 的 EDX， ELS）对 材 料 结 构 的 分 析 方 法 包 括 放 大 成 像 （ 人 眼 ， 光 学 显 微 镜

10、 ， TEM， SEM） ， 衍 射 （ X射 线 、 电 子 、 中 子 衍射 ） ， 表 面 结 构 分 析 （ SPM）2.只 有 电 子 显 微 镜 既 可 以 成 像 又 可 以 衍 射 ， 还 可 以 做 成 分 分 析 （ EDX， ELS）3.衍 射 条 纹 间 距 总 是 反 比 于 衍 射 物 质 间 距 ， 衍 射 图 样 是 晶 格 的 傅 里 叶 变 换 （ 倒 空 间 ） 。4.布 拉 格 衍 射 条 件 2dsin(theta)=n*lamada5.相 比 XRD、 中 子 衍 射 ， 电 子 衍 射 优 势 ： 1.和 物 质 相 互 作 用 强 ； 2.容 易

11、 得 到 强 射 线 源 ； 3.小 散 射 角 度 对 电 子 态非 常 敏 锐 ； 4.大 散 射 角 对 原 子 核 敏 锐 ； 5.探 测 范 围 小6.电 子 显 微 镜 相 对 于 光 学 显 微 镜 优 势 ： 1.高 分 辨 率 （ TEM:0.1nm&SEM:1nm v.s 0.61*lamada/N.A.） ； 2.更 大焦 深7.工 作 原 理 对 比 ： 传 统 光 学 显 微 镜 利 用 一 系 列 透 镜 弯 曲 光 线 来 获 得 放 大 的 像 ； TEM通 过 一 系 列 磁 透 镜 来 弯 曲 电 子 束 来 获 得 放大 的 像 ； SPM利 用 探 针

12、（ 电 子 束 ， 微 悬 臂 等 ） 扫 描 样 品 ， 逐 点 拼 接 图 像 ， 分 辨 率 决 定 于 探 针 大 小 （ 电 子 束作 用 范 围 ）8.电 子 物 质 相 互 作 用 ：9.TEM局 限 性 ： 探 测 面 积 小 ， 对 TEM像 的 解 释 ， 电 子 束 对 样 品 的 损 坏 ， 安 全 性 ， 样 品 制 备10.电 子 源 ： 热 发 射 电 子 源 ， 场 发 射 电 子 源 ， 肖 特 基 发 射 电 子 源1.SEM中 SE成 像 其 他 因 素 的 影 响 ： 1.加 速 电 压 （ 大 加 速 电 压 形 成 小 电 子 束 ， 增 大 分 辨

13、 率 。 但 对 样 品 破 坏 ， 边缘 效 应 明 显 ， 穿 透 深 度 加 大 ， 表 面 信 息 丢 失 ， 充 电 现 象 ） ； 2.工 作 距 离 （ 工 作 距 离 增 加 ， 场 深 加 大 ， 分 辨 率减 小 ） ； 3.孔 径 大 小 （ 小 孔 径 对 应 小 电 子 束 ， 场 深 增 大 ， 分 辨 率 提 高 ）12.SEM中 BSE成 像 ： 与 原 子 序 数 有 关13.TEM成 像 与 电 子 衍 射 装 置 原 理 ， TEM其 他 内 容 ： 1.明 场 像 和 暗 场 像 获 得 ； 2.衬 质 厚 度 的 倒 置 ； 3.EDX原 理 4.EL

14、S原 理 与 装 置纳 米 材 料 的 表 征 -原 位 测 量 ： 许 胜 勇1.什 么 是 原 位 测 量 ？ 运 用 无 损 （ 或 致 微 小 损 伤 ） 的 技 术 手 段 ， 获 取 有 关 样 品 的 各 类 参 数 。 原 位 生 长 、 修 饰 、调 制 （ 分 子 束 外 延 薄 膜 原 位 测 量 与 生 长 原 理 ， RHED）2.纳 米 材 料 原 位 测 量 方 法 ： 1.环 境 扫 描 电 子 显 微 镜 ； 2.原 位 操 纵 下 材 料 电 学 、 力 学 性 质 测 量 ； 3.原 位 热 偶 阵列 测 量 系 统纳 米 材 料 的 表 征 -扫 描 探

15、 针 显 微 镜 ： 申 自 勇1.什 么 是 扫 描 探 针 显 微 ？ 扫 描 探 针 显 微 镜 是 以 STM与 AFM为 代 表 的 采 用 扫 描 探 针 技 术 的 表 面 分 析 设 备 的 总 称 。特 征 X射 线 ， 电 致 荧 光 ， 二 次 电 子 ， 俄 歇 电子 ， 背 散 射 电 子 ， 吸 收 ， 弹 性 散 射 ， 非 弹性 散 射 ， 直 穿 电 子2.成 像 原 理 ： 加 偏 压 下 的 隧 穿 效 应 ， 隧 穿 电 流 正 比 于在 小 偏 压 下 ， 隧 穿 电 流 正 比 于 费 米 面 附 近 的 电 子 态 密 度分 区 新 分 区 1 的

16、 第 2 页 3.SPM特 点 ： 高 分 辨 率 （ 横 向 1A， 纵 向 0.1A） ， 可 工 作 在 多 种 环 境 下 ， 局 域 探 测 ， 原 子 纳 米 级 操 控 等4.SPM应 用 举 例 ： Si的 7*7顶 戴 曾 错 重 构 模 型 ； Ag吸 附 的 Si的 3*3重 构 ； IBM单 原 子 操 纵 ； 纳 米 平 板 印 刷 ； 能 量分 辨 成 像 。5.SPM基 本 结 构 ： 探 针 （ SPM针 尖 ： 金 属 针 尖 ， 与 针 尖 表 面 电 子 态 有 关 ， 针 尖 形 貌 影 响 不 大 ； AFM探 针 （ 微悬 臂 +光 学 控 制 系 统 ） 、 机 械 控 制 部 分 （ 压 电 扫 描 器 ， 粗 调 定 位 装 置 ： 惯 性 步 进 机 ， 振 动 隔 离 ） 、 电 子 学 控制 部 分6.利 用 STM研 究 表 面 微 观 局 域 电 子 态 变 化 ， 利 用 偏 压 实 现 对 成 像 电 子 态 的 控 制 （ 占 据 态 、 非 占 据 态 ）7.AFM对