童国平
纳米物理学简介
纳米科技的基本概念和内涵 纳米材料和技术领域研究的对象和发展历 史 纳米材料的奇特性质 纳米结构单元 纳米微粒的基本理论
●纳米科技的基本概念和内涵
◆纳米体系尺寸 1~100nm （非宏观，非微观） ◆纳米科学技术的基本涵义 （1）在1~100nm范围内认识和改造自然，通过直 接操作和安排原子、分子创造新的物质。 （2）研究0.1~100nm之间的物质组成的体系的运 动规律，相互作用以及可能的应用
1970年，法国奥林大学Endo用气相生长技术 制成直径7nm的碳纤维，但没有进行评估与 表征。 1991年，美国海军实验室，预言了碳纳米管 的电子结构，文章未发表。 1991年，莫斯科物理研究所人员几乎与饭岛 同时发现碳纳米管和纳米管束。 1996年，中科院物理所解思深等人实现碳纳 米管的定向生长，制成超长碳纳米管（mm 级） 纳米管直径：零点几纳米到几十纳米； 管间距：0.34nm
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●纳米材料的奇特性质
1. 纳米材料与其他学科的交叉 原子物理、凝聚态物理、胶体化学、固体 化学、配位化学、化学反应动力学、表面和 界面。 2. 特性 （1）电子平均自由程很短，电子的局域性和相 干性增强 （2）尺度下降，电子准连续能谱消失，表现为 分立能级。量子尺度效应十分显著。
（3）金属纳米材料电阻随尺寸下降而增大， 温度系数的下降甚至变为负值。 （4）原为绝缘体的氧化物，尺寸为纳米级， 电阻反而下降。 （5）10~25nm的铁磁金属微粒矫顽力比相 同的宏观材料大1000倍，当颗粒尺寸小 于10nm，矫顽力变为零，表现为超顺磁 性。 （6）纳米氧化物和氮化物在低频下，介电 常数极大增强。 （7）对红外，微波有良好的吸收作用（纳 米氧 化物）。
◆纳米科技的诞生及取得的进展
20世纪80年代末诞生 1990年7月，美国巴尔的摩，召开首届 国际纳米科技会议 1996年第四届国际会议在中国召开 至目前已召开7次 （1）IBM公司利用扫描隧道电子显微 镜（STM）直接操作原子，在Ni基板上安 排原子，组成“IBM”字样。日本科学家将 硅原子堆成“金字塔”。1993年中科院 北京真空物理实验室把原子排成“中国”。
微型机器人的设计是基于分子水平 的生物学原理，细胞本身就是一个活 生生的纳米机器，细胞中的每一个酶 分子也就是一个活生生的纳米机器人。
另据美国《商业周刊》报道，美国 加利福尼亚州帕萨迪纳市的喷气式飞机 推进器实验室目前正在研制一种被称为 “纳米麦克风”的微型扩音器。利用这 种新产品，科学家将可以对其他星球上 是否存在生命进行探测，因为这种仪器 非常灵敏，甚至可以探测到生物体内单 个细胞的生长发育时所发出的声音。
纳米机器人
据报道，瑞典已经开始制造微型医用机器 人。这种机器人由多层聚合物和黄金制成，外 形类似人的手臂，其肘部和腕部都很灵活，有2 到4个手指，实验已进入能让机器人捡起和移动 肉眼看不见的玻璃珠的阶段。科学家希望这种 微型医用机器人能在血液、尿液和细胞介质中 工作，捕捉和移动单个细胞，成为微型手术器 械
STM 技术在Si(111)面 上形成的“中国”字样。
最邻近硅原子间的距离 为0.4nm。
我国SPM系统在Au-Pd 合金膜表面上机械刻画出的 最小线宽为25nm。
用AFM机械刻蚀原理刻 写的亚微米尺寸的唐诗
0 2 4 6 8 10mm
（2）纳米陶瓷氟化钙研制成功 （德国萨尔大学—格莱德）；纳 米二氧化钛（美国阿贡国家实验 室—席格），在室温下有良好的 韧性，180℃经受弯曲并不产生 裂纹。纳米陶瓷是解决陶瓷脆性 的战略途径—英国《Nature》杂 志
（8）观察到常规材料根本看不到的发光现象。 如：纳米氧化铝、氧化钛、氧化硅、氧化锆。 （9）表面效应：尺寸减少，比表面积大大增加。 直径5nm颗粒：表面占50％；直径2nm颗粒： 表面占80％。 （10）粒径30nm的镍可把有机化学加氢和脱氢 反应速度提高15倍。 （11）纳米氧化铝粒子放入橡胶中可提高介电 性和耐磨性。 （12）氧化铝弥散到玻璃中，能提高高温冲击 性。 （13）纳米磁性氧化物粒子与高聚物复合，有 良好的微波吸收性。
从几何学的角度分析，纳米材料 科学研究对象包括以下几个方面：
横向结构尺寸小于100nm的物体 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
超高精度纳米材料制备技术有：
球磨和机械合金化工艺和技术 化学合成工艺和技术 等离子电弧合成技术 电火花制备技术 激光合成技术 生物学制备技术 磁控溅射技术 燃烧合成技术 喷雾合成技术
（2）纳米棒 纵横比（长度与直径比）纳米棒（<10-6m）， 纳米丝（> 10-6m） 1997年，清华大学，韩伟强等，制成SiC纳米 丝（直径3~40nm） （3）同轴纳米电缆 指芯部为半导体或导体的纳米丝 1997年，法国Colliex等发现C-BN-C管 1998年，日本NEC公司张跃刚制成长50微米， 直径几十纳米的同轴电缆。 1998年，日本，法国，制成超导TaC丝为芯外 包非晶SiO2的同轴电缆，长度几十微米至几 百微米。纳米物理学简介
（3）人造原子电子间强交互作用比实际原子复杂。 电子轨道间距减少，研究多电子系统的最好对象。 （4）实际原子电子受核吸引作轨道运动，人造原 子中电子部分处于势阱上部，弱的束缚使之具 有自由电子特征。 （5）人造原子放入一个电子或拿出一个电子很容 易引起电荷涨落，放入电子相当于充电。 4. 纳米管、纳米棒、纳米丝和同轴纳米电缆 （1）纳米管 1991年，日本NEC公司Iijima(饭岛）：制成多层同 轴碳纳米管
●纳米微粒的基本理论
1. 电子能级的不连续性 久保理论：（1）简并费米液体假设；（） 费米面附近的电子态视为受尺寸限制的简并 电子气；（3）靠近费米面的电子能级分布 为泊松分布。 2. 量子尺寸效应 当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能 级附近的电子能级间隙（能隙）变宽现象均 称量子尺寸效应。
3. 小尺寸效应 当超细颗粒的尺寸与光波长、德波罗意 波长以及超导相干长度或穿透深 度等物理 物征尺寸相当或更小时，晶体周期性边界条 件被破坏，出现新的小尺寸效应。 （１）光吸收明显增加 （２）磁有序向无序转变，超导相向正常相转 变 （３）矫顽力增加 16nm Fe:矫顽力（Ｔ＝5.5K)1.27×105A/m and （室温）7.9× 104A/m; 块状： 79.62A/m
1991年，IBM科学家制成超快 氙原子开关，专家预言，美国国会 图书馆全部藏书可存储到0.3cm的硅 片上。 英国《科学与共同政策》报道， 最近制成尺寸只有4nm的复杂分子， 有“开”和“关”之特性。
美国IBM公司首席科学家 Armstrong说：“正像20世 纪70年代微电子技术产生了信 息革命一样，纳米科学技术将 成为21世纪信息时代的核心”。 钱学森预言：“纳米和纳米以 下结构是下一阶段科技发展的 一个重点，会是一次技术革命， 从而将是非曲直世纪又一次产 业革命”。
碳纳米管电机
世界上第一台用纳米管和蚀刻硅建造的 最小的静电电机诞生（2003年7月24日《自 然》），这种电机横断面为500nm，只有头 发丝直径的三百分之一。转子长度在100至 300nm之间，碳纳米管转轴的横断面只有5至 10nm。导线绕在其上。（美国伯克利加州大 学亚历克斯.泽特尔和他的学生共同完成）
2. 发展历史 1974年，日本最早把“纳米”这一术语用 于技术 80年代：用纳米来命名材料。 自然界：（1）天体陨石碎块，人体和兽类 的牙齿由纳米微粒构成。 （2）海洋中胶体粒子（<120nm）浓度很高。 （3）磁性纳米粒子：蜜蜂体内存在，导航用； 海龟头部有，导航用。 人工制备：中国古代，利用燃烧蜡烛来收 集碳黑作为墨的原料；古代铜镜表面的防 锈层——纳米氧化锡颗粒。
（3）纳米生物学在90年代 初斩露头角。在纳米尺度上认 识生物大分子的精细结构及其 功能的联系，在此基础上按照 自己的意愿进行裁剪和嫁接， 制造特殊功能的生物大分子。 纳米生物产品、纳米食品、控 制人口增长可能提供新途径。
（4）纳米微机械和机器人是 十分引人注目的研究方向。纳 米机器人（尺寸比人体红血球 小），用原子和分子直接组装。 速度、效率高、应用范围广、 功能特殊、污染程度低。
（4）声子谱发生改变 （5）纳米颗粒的熔点远低于块的情况 2nm金颗粒：熔点600K，块状1337K 纳米银粉熔点：373K，块1173K 20nm Pb: 288K，块600K 常规Al2O3烧结：2073~2173K，纳米： 1423~1773K。
4. 表面效应 （1）纳米微粒尺寸与表面原子数的关系 d (nm) 总原子数 表面原子所占比例 10 3×104 20 4 4×103 40 2 2.5×102 80 1 30 99 （2）粒径与比表面积的关系 粒径 比表面积 10nm 90m2/g 5nm 180m2/g 2nm 450m2/g
●纳米结构单元
3. 人造原子 指由一定数量的实际原子组成的聚集 体（有时称量点）<100nm 1996年，Ashoori正式提出人造原子概念 1997年，McEuen在Science上指出了人造 原子的意义。100nm左右的量子器件也被 称作“人造原子”。 人造原子与真正原子的主要差别为： （1）人造原子含有一定数量的真正原子 （2）人造原子的对称性和形状是样的
●纳米材料和技术领域研究的 对象和发展历史
1. 纳米材料的基本单元 （1）零维：指空间三维尺度均在纳米尺度 e.g. 纳米尺度颗粒，原子团簇—量子点 （2）一维：有两维处于纳米尺度—量子线 e.g.纳米丝、纳米棒、纳米管（nanotube) （3）二维：有一维处于纳米尺度—量子阱 e.g.超薄膜、多层膜、超晶格等。
1959年，费曼预言：“毫 无疑问，当我们得以对细微尺 度的事物加以操纵的话，将大 大扩充我们可能获得物性的范 围”。他还设想：“如果有朝 一日人们能把百科全书存于一 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！”