1. 绪 论
1962年，日本科学家久保（Kubo）及其合作者通过对金属
超微粒子的研究，提出了著名的久保理论 。 1963年，Uyeda及其合作者用气体冷凝法，在高纯惰性气 体中蒸发和冷凝获得清洁表面的超微颗粒，对单个金属超微 颗粒的形貌和晶体结构进行了透射电镜研究。 1970年，江崎和朱兆祥考虑到量子相干区域的尺度，提出 了半导体超微晶格的概念。 1981年，发明了扫描隧道显微镜（STM）。 1984年，德国的Gleiter教授等人首次用惰性气体凝聚法及 原位加压制成纳米固体，并提出了纳米材料界面结构模型。
1959年，美国著名物理学家，诺贝尔奖得 主费曼提出设想：“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！”
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本章要点与作业
1. 什么是纳米？什么是纳米科学与 技术？ 2. 纳米技术有哪些特点和应用前景？
第一章 绪 论
1. 绪 论
国内外的纳米战略
纳米技术在日本
• 1962年，久保(Kubo): 久保理论 • 国会：21世纪前20年的立国之本 • 著名大企业：纳米实用化技术的计划
– 三菱化工建立了（富勒烯）纳米碳管生产线
– 自洁净玻璃、光催化净化水或空气
1. 绪 论
国内外的纳米战略
纳米技术在中国
• “863计划”、“九五”、“十五”规划，成立了国家纳米技 术研究指导委员会 • 1993年，中科院可以操纵原子写字
纳米技术及其应用
任课教师：赵丽丽
西北大学信息科学与技术学院
信息技术发展的趋势
• 当前信息技术的不断进步主要 归功于低价格、高速度、高密 度和高可靠的信息表述和处理 方式的进步 • 计算机技术取得成功的关键是 固体电子器件小型化和集成度 的持续不断提高
• 先进的多媒体技术和社会对信 息处理的需求都要求进一步减 小芯片的器件尺寸
① 下一代微电子学和光电子学朝什么方向发展？ ② 计算机的发展趋势如何？ ③ 新的加工方式、新的制造技术、新的集成技术将 发生什么变化？
Intel Co-Founder
Gordon E. Moore
微处理器的发展历程
存储器的发展历程
2010年 25nm
漏 电
如何处理这 一问题？
1. 绪 论 如果说人们的认识从米（m ）到毫米（mm），甚至到 微米（μm）都还可以用传统的科学技术的话，那么从微米 （μm）到纳米（nm）的研究就需要人们重新认识和研究新 效应、新概念和新技术。
一领域持保留和怀疑态度的还大有人在。我们应当记住，微 米技术曾同样地被认为对使用牛耕地的农民无关紧要。的确，
微米与牛和耕梨毫无关系，但它却改变了耕作的方式，带来
了拖拉机。”
1. 绪 论——纳米科学与技术的应用前景 纳米技术的三大关键:
纳米材料 超精度的纳米加工方法
纳米机电系统
纳米材料的发展会使人类的生产方式更新换代！
纳米是一个长度单位，符号为：nm
1nm=10-3μm=10-6mm=10-9m
2、感受纳米尺度的大小
一根头发丝的直径 人体感觉细胞、大多数植物细胞 最小的红血球 细菌 约70000nm 几万纳米以上
约5000nm
约1000nm
病毒
ห้องสมุดไป่ตู้
几百纳米
Table
1. 绪 论
名
称
尺度数量级
50—100μm
名
称
尺度数量级
1. 绪 论
1985年，Kroto等采用激光加热石墨并在甲苯中形成碳的
团簇，通过分析发现了C60和Ｃ70。 ……
风起云涌！
1. 绪 论
国内外的纳米战略
纳米技术在美国
• 是本世纪前10年几个关键领域之一
• “星球大战计划”、“政府关键技术”、“2005年战略 技术”。
• 2010年: 80万纳米科技人才， GDP 1万亿美元， 200万个 就业机会
• 能源部的8项优先研究中，6项有关纳米材料 • 制定了“国家纳米技术倡议”：纳米材料；纳米电子学 、光电子学和磁学；纳米医学和生物学 • 美国基础研究负责人威廉姆斯说，纳米技术未来的应用 将超过计算机。
1. 绪 论
国内外的纳米战略
纳米技术在美国
• 军工: 隐形飞机表面涂料、舰船表面纳米涂料 • 美国总统布什2003.12.3日签署了《21世纪纳米 技术研究开发法案》，批准联邦政府在从2005 财政年度开始的4年中共投入约37亿美元，用 于促进纳米技术的研究开发。
1. 绪 论
纳米材料的基本单元可分为三类：
零维 一维 二维 如纳米尺度颗粒、原子团簇等 如纳米丝、纳米棒、纳米管等 如超薄膜、多层膜、超晶格等 量子点 量子线 量子阱
从几何角度来分析，纳米材料科学的研究还包括粗糙度小 于100nm的表面，纳米微粒与多孔介质的组装体系；纳米 微粒与常规材料的复合等等。
的事情，而没有什么实际意义。但我确信纳米科技现在已具
有与150年前，微米科技所具有的希望和重要意义。150年前， 微米成为新的精度标准，并成为工业革命的技术基础，最早 和最好学会并使用微米技术的国家在工业发展中占据了巨大 的优势。同样，未来的技术将属于那些明智地接受纳米作为
新标准、并首先学习和使用它的国家。不幸的是，目前对这
1. 绪 论
在超高精度纳米结构材料的制备技术方面，目前 重点集中在以下几个方面：
（1）球磨和机械合金化工艺和技术 （2）化学合成工艺和技术 （3）等离子电弧合成技术 （4）燃烧合成技术 （5）电火花制备技术
（6）激光合成技术
（7）生物学制备技术 （8）磁控溅射技术 （9）喷雾合成技术
1. 绪 论
5、应用
纳米材料的应用 纳米结构及纳米电子器件
第1章
绪 论
了解学习本课程的目的与意义
了解纳米技术的发展现状和应用前景
1. 绪 论
三个问题：
一、什么是纳米？什么是纳米科学与技术？ 二、纳米科技发展的机遇 三、纳米科学与技术的应用前景
1. 绪 论——什么是纳米？什么是纳米科学与技术？
1、纳米的概念
1μm
人体感觉细胞
细菌
人卵细胞
大多数植物细胞 人体红细胞 最小的人体红血球
100μm
25—50μm 27μm 5μm
病毒
蛋白质分子 DNA分子 分子、原子
数百nm
数十nm 20nm (螺距3.4nm) 纳米级或埃级
1. 绪 论 组成自然界最小单位就是原子，量级为Å，1Å＝0.1nm
纳米尺度范围：0.1－100nm。
② 催化剂
③ 飞机隐身——纳米吸波材料 ④ 用于人类日常生活：衣物的抗菌、除臭，抗紫外线化妆品 及其他防晒产品，服装免洗技术、饮用水的深度处理、废水
处理、室内空气净化、汽车的节能减排、汽车燃料等等。
1. 绪 论
A dream
也许有一天，你的生活和周围的世界会是这样的：当你 早晨一觉醒来，由纳米传感器和纳米变色材料组成的纱窗会 根据你的需要调节室内的亮度和自动送入新鲜空气；你不小 心把纳米陶瓷材料制成的杯子掉在地上，杯子却象有弹性一 样蹦了起来；又重又厚的电视已经不存在了，代替它们的是
至最后直接按意愿排列原子，制造产品。
《在底部还有大量余地》
1. 绪 论
3、纳米材料发展历史
自然材料 人工材料 不 自 觉 地 利 用 纳 米 材 料 1000多年前：中国古代利用燃烧蜡烛来收集的碳 黑作为墨的原料以及用于着色的染料，这就是最早
的纳米材料。
中国古代铜镜表面的防锈层，经检验是一层纳米 氧化锡颗粒薄膜。
1. 绪 论
多年前，在纳米技术刚刚开始发展的时候， 美国某一研究结构就明确指出： 任何一个经营基础材料的美国企业，如果现 在还不采取积极措施投入超细粉末（纳米级）
材料研究开发应用，则在今后5年内必处于竞
争劣势地位。
1. 绪 论
对纳米技术的前途和地位问题，美国政府
的结论是：
“众所周知，集成电路的发现创造了硅时代
1. 绪 论
国内外的纳米战略
中国纳米技术应用
• 中科院系统
–“七五攻关”: 纳米碳化硅 –“八五863”: 纳米阻燃剂 – 纳米领带
–
–
超双疏性界面材料
防水、防油、防污、防褪色
–
纳米聚丙烯管材（高强度、抑菌功能）
1. 绪 论
国内外的纳米战略
中国纳米技术应用
• 全国范围
–各个高等院校和研究所的大范围研究和专利 –形成三百多家纳米企业 –以“纳米”注册的企业近百家 –数十条纳米材料生产线 –资金约百亿元
如何解决以上各种问题？
纳米技术基础理论！
内 容 安 排
1、绪论 2、基础部分
纳米结构单元 纳米微粒的基础理论 纳米微粒的特性 介观系统中的量子干涉现象
4、纳米测量学
纳米测量技术
3、制备与评估
量子点、量子线、量子阱简介 纳米微粒的制备 碳纳米管 纳米阵列的制备 纳米固体的制备与性能 纳米尺寸的评估
目前，纳米电子学还处于初级研究阶段。尽管如此，
以纳米电子学为指导的新的器件问世的速度之快出乎人们的
预料。新的器件如单电子晶体管、超导相干器件以及微小磁
场探测器很可能成为纳米电子技术的核心。
1. 绪 论 诺贝尔奖得主罗雷尔博士在给江泽民主席的一封信中 说：“……许多人认为纳米科技仅仅是遥远的未来基础科学
和信息时代，而纳米技术在总体上对社会的冲
击将远胜于硅集成电路，因为它不仅应用在电
子学方面，还可以应用到其他很多方面。产品
性能的改进和制造业方面的发展，将在21世纪
引起许多产业革命。”
1. 绪 论
纳米技术为什么能得 到世界各国的重视？
1. 绪 论——纳米科技发展的机遇
世界各国都十分关注以下几个问题：