西南科技大學
告報告人：理學院光資訊1102班楊星
時間：2012.4.9
早在2023年，美國著名的物理學家，諾貝爾獎金獲得者費曼就設想：「如果有朝一日人們能把百科全書儲存在乙個針尖大小的空間內並能移動原子，那麼這將給科學帶來什麼！」這正是對奈米科技的預言，也就是人們常說的小尺寸大世界。
奈米科技是研究尺寸在0.1～100nm之間的物質組成的體系的運動規律和相互作用以及可能的實際應用中的技術問題的科學技術。
奈米材料和技術是奈米科技領域最富有活力、研究內涵十分豐富的學科分支。「奈米」是乙個尺度的度量，最早把這個術語用到技術上的是日本在2023年底，但是以「奈米」來命名的材料是在20世紀80年代，它作為一種材料的定義把奈米顆粒限制到1～100nm範圍。
可以說奈米技術是前沿科學，有很大的探索空間和發展領域，比如：醫療藥物、環境能源、宇航交通等等。而今奈米時代正走向我們，從古文明到工業革命，從蒸汽機到微電子技術的應用，奈米時代的到來將不會很遠。
這門課程我最深刻的內容是：第二講掃瞄隧道顯微鏡及其應用
引言： 在物理學、化學、材料學和生物研究中，物質真實表面狀態的研究具有重要意義。常用的手段有：
1. 光學顯微鏡：由於可見光波長所限，光學顯微鏡的分別率非常有限（一般1000nm，解析度高的可到250nm，理論極限為200nm）。
2. 掃瞄電鏡：雖然給表面觀察及分析提供了有力的工具，但由於高能電子束對樣品有一定穿透深度，所得的資訊也不能反映「真實」表面狀態，解析度3nm。
3. 透射電鏡：雖有很高的解析度，但它所獲得的影象實際上是很薄樣品的內部資訊，用於表面微觀觀察及分析幾乎是不可能的。解析度0.1nm。
4. 針對這一問題，賓尼與羅雷爾於2023年發明了掃瞄隧道顯微鏡。在不到5年的時間內，解析度就達到了原子水平。解析度0.01nm。
掃瞄隧道顯微鏡的基本原理：
2023年，國際商業機器公司（ibm）蘇黎世研究所的 gerd binnig和 heindch rohrer及其同事們成功地研製出世界上第一台新型的表面分析儀器，即掃瞄隧道顯微鏡（scanning tunneling microscope，stm）。它使人類第一次能夠直接觀察到物質表面上的單個原子及其排列狀態，並能夠研究其相關的物理和化學特性。因此，它對表面物理和化學、材料科學、生命科學以及微電子技術等研究領域有著十分重大的意義和廣闊的應用前景。
stm的發明被國際科學界公認為20世紀80年代世界十大科技成就之一。由於這一傑出成就，binnig和rohrer獲得了2023年諾貝爾物理獎。
stm的基本原理：
stm的基本原理是量子的隧道效應。它利用金屬針尖在樣品的表面上進行掃瞄，並根據量子隧道效應來獲得樣品表面的影象。通常掃瞄隧道顯微鏡的針尖與樣品表面的距離非常接近（一般為 0.
5~l.0nm），所以它們之間的電子雲互相重疊，其間的勢壘變得很薄，。當在它們之間施加一偏置電壓vb時，電子就可以因量子隧道效應由針尖（或樣品）轉移到樣品（或針尖），在針尖與樣品表面之間形成隧道電流。
由於隧道電流i與針尖和樣品表面之間的距離s成指數關係，所以，電流i對針尖和樣品表面之間的距離s變化非常敏感。如果此距離減小僅僅0.lnm，隧道電流 i將會增加 10倍；反之，如果距離增加 0.
1nm，隧道電流 i就會減少 10倍。
由於stm具有極高的空間分辨能力（平行方向的解析度為 0.04nm，垂直方向的解析度達到 0.01nm），它的出現標誌著奈米技術研究的乙個最重大的轉折甚至可以說標誌著奈米技術研究的正式起步。
因為，在此之前人類無法直接觀察物質表面上的原子和分子結構，使奈米技術的研究無法深入地進行。
恆電流模式:
恆電流模式是在stm影象掃瞄時始終保持隧道電流恆定，它可以利用反饋迴路控制針尖和樣品之間距離的不斷變化來實現。當壓電陶瓷px和py控制針尖在樣品表面上掃瞄時，從反饋迴路中取出針尖在樣品表面掃瞄的過程中它們之間距離變化的資訊（該資訊反映樣品表面的起伏），就可以得到樣品表面的原子影象。
恆高度模式:
恆高度模式則是始終控制針尖的高度不變，並取出掃瞄過程中針尖和樣品之間電流變化的資訊（該資訊也反映樣品表面的起伏），來繪製樣品表面的原子影象。由於在恆高度模式的掃瞄過程中，針尖的高度恆定不變，當表面形貌起伏較大時，針尖就很容易碰撞到樣品。所以恆高度模式只能用於觀察表面形貌起伏不大的樣品。
以上便是記得最深的部分，主要歸功於老師布置的作業，我在網上查了好多關於stm的相關資料，因此也讓我記憶尤新。（以下便是那次作業的部分圖）
通過對奈米科技與奈米材料課程的學習，我的感觸頗深。
人類對客觀世界的認識是不斷深入的。認識從直接用肉眼能看到的事物開始，然後不斷深入，逐漸發展為兩個層次：一是巨集觀領域，二是微觀領域。
這裡的巨集觀領域是指以人的肉眼可見的物體為最小物體開始為下限，上至無限大的宇宙天體；這裡的微觀領域是以分子原子為最大起點，下限是無限小的領域。
近年來剛剛發展起來的奈米材料出現許多傳統材料不具備的奇異特性，已引起科學家的極大興趣。德國薩爾大學格萊德和美國阿貢國家實驗室席格先後研究成功奈米陶瓷氟化鈣和二氧化鈦，在室溫下顯示良好的韌性，在180℃經受彎曲並不產生裂紋，這一突破性進展，使那些為陶瓷增韌奮鬥將近乙個世紀的材料科學家們看到了希望。
作為奈米科學技術的另乙個重要分支，即奈米生物學在90年代初露頭角，面向21世紀，它的發展前途方興未艾。奈米生物學在奈米尺度上認識生物大分子的精細結構及其與功能的聯絡，並在此基礎上按自己的意願進行裁剪和嫁接，製造具有特殊功能的生物大分子，這使生命科學的研究上了乙個新的台階，勢必在解決人類發展的一系列重大問題上起著十分重要的作用。
奈米微機械和機械人是十分引人注目的研究方向，奈米生物機器和奈米生物部件零件的研製，用原子和分子直接組裝成奈米機器不但其速度、效率比現有機器大大提高，而且應用範圍之廣，功能之特殊、汙染程度之低是現有機械人無法比擬的。
因此奈米時代的到來已經不是空口話了，面臨的是奈米的世界。
奈米的應用非常廣泛，下面舉出我所了解的例子
奈米服裝：
一種據說能遮蔽電腦和微波爐等家電磁輻射的「奈米服裝」在南京亮相。由於擔心消費者對這種「高科技」面料不信任，經銷商的**手段也很獨特：當場燒給你看。
中國消費者協會發布了家電、手機輻射消費警示後，防磁服裝開始趨熱，並進入一些商場、超市。商家向顧客推銷時，通常使用一種輕巧的小型磁輻射探測器做演示，而在一家禮品店，一位**小姐當場燒「奈米面料」，給顧客看燒過後遺留下的「奈米金屬絲」。據介紹，目前南京市場上防磁服裝魚龍混雜，有的所謂防磁面料只是在表面塗了一層防磁膠，洗幾次就不再有效果了，而據說由「奈米」面料製成的防磁服裝，無論洗多少次效果都不會打折扣。
奈米豆漿一年不變質：
一袋普通的豆漿，其顆粒直徑為數十微公尺（１厘公尺＝１０００微公尺），而如果將其破碎成奈米級（１微公尺＝１０００奈米），便可以增加人體吸收效率，置放於冰箱內還使
保質期延長到一年。
現在醫學上奈米手術已經達到比較成熟的狀態，科學家運用奈米為單位的手術刀，可以最小的精確手術傷口的切割，保證血液的最少流動！可見，奈米在我們的生活中每乙個角落，只要善於發現，奈米離我們並不遙遠，奈米還涉及醫學、農業、等等方面。
贊同奈米技術在光通訊中的應用及推動作用
奈米雷射器：
美國桑迪亞國家實驗室的 paul 等發現: 奈米雷射器的微小尺寸可以使光子被限制在少數幾個狀態上,而低音廊效應則使光子受到約束, 直到所產生的光波累積起足夠多的能量後透過此結構。其結果是雷射器達到極高的工作效率, 而能量閾則很低。
奈米雷射器實際上是一根彎曲成極薄麵包圈的形狀的光子導線,實驗發現, 奈米雷射器的大小和形狀能夠有效控制它發射出的光子的量子行為, 從而影響雷射器的工作。研究還發現, 奈米雷射器工作時只需約 100μa 的電流。最近科學家們把光子導線縮小到只有五分之一立方微公尺體積內。
在這一尺度上, 此結構的光子狀態數少於 10 個,接近了無能量執行所要求的條件, 但是光子的數目還沒有減少到這樣的極限上。最近, 麻省理工學院的研究人員把被激發的鋇原子乙個乙個地送入雷射器中, 每個原子發射乙個有用的光子, 其效率之高, 令人驚訝。除了能提高效率以外, 無能量閾奈米雷射器的執行還可以得出速度極快的雷射器。
由於只需要極少的能量就可以發射雷射, 這類裝置可以實現瞬時開關。已經有一些雷射器能夠以快於每秒鐘 200 億次的速度開關, 適合用於光纖通訊。
奈米光纖：
自科學界在 1991 年發現了碳奈米管物質以來,科學家們一直都在希望能製造出由碳奈米管組成的奈米光纖材料。由於碳原子之間的排列緊密性, 使得單個的碳奈米管已經成為世界上韌性最強的物質之一。但如何將單個的碳奈米管編織到已有的光纖材料之中去卻成為了困擾科學家們的乙個巨大難題。
3 年前, 法國的有關研究人員在這方面取得了一些進展。法國的科學家們將碳奈米管與聚乙烯醇(pva)材料及水相混合, 這樣就使得聚乙烯醇材料能夠將碳奈米管緊緊包裹住, 從而將無數的單個碳奈米管**在一起。但等到科學家將聚乙烯醇材料取走之後, 他們只得到了 20cm 長的奈米光纖材料。
但最近由美國德克薩斯州大學的化學家雷- 鮑曼(ray baughman)所領導的奈米光纖材料研究小組在奈米光纖材料的製造技術取得了重大突破。他們把法國研究人員所取得的技術成果向前推進了一大步。鮑曼研究小組採取了最後保留包裹在碳奈米管周圍的聚乙烯醇材料的做法,他們還改進了將碳奈米管編織進光纖材料的製造方法和工序。
他們將這種凝膠體性質的碳奈米管裝進乙個導管中, 這樣就能使將碳奈米管編織進光纖材料的工序變得更加簡單。最後的結果非常動人心弦: 他們得到了數百公尺長的奈米光纖材料。
這種最新材料的韌性比蛛絲高 4 倍, 比用於製造防彈衣的凱夫拉爾纖維韌性強度高出了 17 倍。與同樣重量的鐵絲相比, 新型奈米光纖材料的硬度是前者的 2倍, 韌性是前者的 20 倍。日前, 海門市江蘇通光集團與北京化工研究院聯手, 國內獨家開發生產出奈米光纜。
奈米光纜由於在光纖中加入了高科技奈米材料, 其抗腐蝕性、抗機械衝擊、使用壽命均大大優於普通光纜, 因而特別適用於惡劣環境中。近年來, 中美海底光纜兩次發生中斷事故, 更加呼喚奈米光纜的早日問世。通光集團主動與北京化工研究院"聯姻", 合作開發奈米光纖。
經過與該院的合作, 並特地引進了奧地利生產線, 通光集團終於成功開發出了奈米光纜。據測定, 其各項指標均優於普通光纜。採用了奈米材料的光纜:
近來, 一些廠商已開發出奈米光纖塗料、奈米光纖油膏、奈米護套用聚乙烯(pe)及光纖護套管用奈米 pbt 等材料。採用奈米材料的光纜, 利用了奈米材料所具有的許多優異效能, 對光纜的抗機械衝擊效能、阻水、阻氣性都有一定的改善, 並可延長光纜的使用壽命。目前此類材料尚處於試用階段在實驗上得到的奈米光學纖維對波長大於600nm 的光的傳輸損耗小於 10db/km, 此值比體材料的光傳輸損耗小許多倍。
利用高溫拉伸法獲得的直徑均勻、表面光滑、直徑小至 50nm 的奈米光纖, 損耗低至 0.01db/mm, 可以研製尺寸更小的光通訊器件。
奈米材料與奈米結構
一 課程基本資訊 課程編號 13103106 課程類別 專業核心課程 適應專業 材料物理 總學時 54學時 學分數 3學分 課程簡介 奈米技術和奈米材料科學是20世紀80年代末發展起來的新興學科。由於奈米材料具有許多傳統材料無法媲美的奇異特性和非凡的特殊功能，因此在各行各業中將有空前的應用前景，它將...
奈米技術與奈米材料簡介
奈米技術是20世紀80年代末延生並崛起的高科技,它的基本涵義是指在奈米尺寸範圍內研究物質的組成,通過直接操縱和安排原子 分子而創造新物質。奈米技術的出現標誌著人類的認知領域已拓展至原子 分子水平,標誌著人類科學技術的新時代 奈米科技時代的來臨。奈米技術是一門以許多現代先進科學技術為基礎的科學技術,是...
奈米材料與製備
第四章奈米材料的效能與應用 4.1 奈米材料的基本效應 4.2 奈米材料的物理特性 4.3 奈米材料的應用 4.1 奈米材料的基本效應 4.1.1 量子尺寸效應 庫堵與量子隧穿效應 4.1.3 表面效應 4.1.4 小尺寸效應 4.1.1 量子尺寸效應 1 固體能帶理論 奈米顆粒的能帶性質 3 量子...