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新春好 ！

新春好 ！. Nature, 2010, 463: 640-643. 自然界的纳米技术 —— 奇妙的蜘蛛丝. 11. 纳 米 是一个什么样的尺度概念？. 10 35.  宇宙直径 ＝ nm. Google ? 百度？. 古戈儿( Gogul) ＝ 10 100.  成人身高 ＝ 10～25 亿 nm. 4/34. Understanding Size. 1 meter. Understanding Size. 10 centimeters. 10/66. Understanding Size.

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新春好 ！

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Presentation Transcript

  1. 新春好！

  2. Nature, 2010, 463: 640-643 自然界的纳米技术——奇妙的蜘蛛丝 11

  3. 纳 米 是一个什么样的尺度概念？

  4. 10 35 宇宙直径 ＝ nm Google ? 百度？ 古戈儿(Gogul)＝ 10 100

  5. 成人身高 ＝ 10～25 亿nm 4/34

  6. Understanding Size • 1 meter

  7. Understanding Size • 10 centimeters 10/66

  8. Understanding Size • 1 centimeter

  9. Understanding Size • 100 micrometers

  10. Understanding Size • 10 micrometers

  11. Understanding Size • 1 micrometer

  12. Understanding Size • 100 nanometers

  13. Understanding Size • 10 nanometers

  14. Understanding Size • 1 nanometer

  15. 换算成纳米尺度  头发丝直径 ＝ 70,000 nm 血红细胞直径 ＝ 8,000 nm 可见光波长 ＝ nm  集成电路线宽 ＝ 100 nm  氢原子直径 ＝ 0.10 nm  380～780 纳米技术 0.1 ~ 100 nm ?  5/34

  16. 纳米技术与系统 章海军 张冬仙 浙江大学 光电信息及检测技术研究所 2012年 2月

  17. 本课程主要章节与内容 第一章 绪论 第二章 纳米技术及其分支学科 第三章 扫描电子显微镜（SEM）与透射电子显微镜（TEM） 第四章 隧道效应理论与扫描隧道显微镜（STM）原理 第五章 STM仪器及其在微纳测试中的应用 第六章 单原子操纵与纳米加工技术 第七章 原子力显微镜（AFM）技术与系统 第八章 新型AFM仪器及其广泛应用 第九章 基于STM和AFM的纳米计量技术 第十章 扫描探针显微镜（SPM）技术及应用 第十一章 微/纳米测试技术与系统的新发展 第十二章 微/纳米加工制造技术与系统 第十三章 微/纳米驱动技术及系统 第十四章 纳米材料制备技术 第十五章 纳米技术的广泛应用和巨大潜力 第十六章 纳米技术与微纳测试技术大事记

  18. 参考课程 童利民教授《纳米光子学》 白剑教授《微光学技术及微系统》 杨甬英教授《现代光电干涉测试技术》 王晓萍教授《智能测试仪器与系统》 & 其他课程

  19. 参考书目

  20.  一纳米等于十亿分之一米（1 nm ＝ 10－9 m） 1 nanometer ＝ 1 billionth of a meter 在 1 nm的长度之内，大约可排列 氢原子。 第一章 绪论 1.1走进纳米世界  纳米，最早又称之为毫微米，曾经记为m； 英文 —— Nanometer（国际通用缩写为nm）； 台湾 —— 称之为“奈米”，以示与大陆之别； 日本 —— 称之为“ナノメートル”，英文的发音。 10 个 6/34 25/66

  21. 把一纳米放在指甲上 如同一只足球放在上 中国领土

  22. 纳米技术的定义 在0.1nm到100nm的尺度范围内，对原子、分子、纳米结构等进行研究、观 察、操纵、加工、制造和应用的技术。

  23. Nanotechnology — The application of nanoscience in order to control processes on the nanometer scale, i.e., between 0.1nm and 100nm. —The ability to do things—measure, see, predict and make—on the scale of atoms and molecules, i.e., between 0.1nm and 100nm. —The manipulation, precision placement, measurement, modeling, and creation of sub-100 nanometer scale matter.

  24.  奇妙的纳米及纳米现象 纳米陶瓷 —— 耐高温、高硬度，兼有弹性 和可塑性！ 纳米碳管—— 密度为钢的十几分之一，强 度是钢的数十倍！ 纳米相铜 —— 强度是普通铜的 5 倍，但是 导电性可能急剧降低！ 纳米颗粒 —— 特异的性能，如强烈吸收电 磁波和红外线（隐形飞机）。 30/66

  25. B2隐形轰炸机

  26. F22猛禽战斗机

  27. J20隐形战斗机

  28. 1918年，出生 1935年，麻省理工大学 1942年，普林斯顿大学 1943年，洛斯.阿拉莫斯 1946年，康奈尔大学 1959年，加州理工学院 1965年，诺贝尔奖，量 子电动力学 1988年， 1.2纳米技术的发展史 1959年，美国著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼（Richard P. Feynman，1918－1988）曾预言，人类总有一天可以用小的机器制作更小的机器，最终可根据 自己的意愿，逐个排列原子、分子，并由此制造产品。 20/54

  29. There is Plenty of Room at the Bottom Richard Feynman, 29/12/1959 I am not afraid to consider the final question as to whether, ultimately，in the great future，we can arrange the atoms in the way we want ! The principles of physics do not speak against the possibility of maneuvering things atom by atom. A development which I think cannot be avoided.

  30. 1986年，诺贝尔物理学奖获得者 E. Ruska G. Binnig H. Rohrer 1982年，国际商用机器公司（IBM）苏黎世实验室的葛.宾尼（G. Binnig）和海.罗雷尔（H. Rohrer）发明了一种探测能力无比强大的新型显微镜——扫描隧道显 微镜（STM）！

  31. 1990年，IBM公司的研究者在4.2K低温下用36个Xe原 子在镍表面排列出英文“IBM”字样，实现了原子操纵 ！ 1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩召开，标志着纳米技术正式诞生！

  32. 1991年，人们发现了碳纳米管(Carbon Nanotube)及其特异性能，很快成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电 子线路、纳电子器件等。

  33. 1993年，中国科学院北京真空物理实验室也用STM系统操纵原子，成功写出“中国”二字；台湾科学家则用在石墨表面挖去原子的方式，绘制出一张“台湾省地图”，标志 着中华民族开始在国际纳米科技领域占有一席之地。 2000年，全球纳米技术产值约500亿美元。就中国而言 主要是纳米材料、纳米测试仪器等的产值。 2010年，全球纳米技术产值约15000亿美元。其中将 主要包括纳电子产业，以及纳米材料、纳米生物和纳米测 试仪器等。 伪纳米技术？纳米技术泡沫？真正的纳米技术及产业！

  34. 真的吗？ 三星 纳米鞋垫 鄂尔多斯纳米内衣 小鸭冰箱 日常生活中的纳米？ –纳米化妆品（强烈吸收紫外线） –纳米服装（领带、衬衫、腰带、鞋袜等） –纳米防水玻璃、幕墙玻璃、防水涂料 等 –纳米空气净化器、水净化器 –纳米洗衣粉、洗衣机 –纳米冰箱 40/66

  35. 1.3从光学显微镜到扫描探针显微镜 1674年，荷兰人列文虎克(Leeuwenhoek，1632-1723) 发明了世界上第一台光学显微镜（Optical microscope或 Light microscope）。 1673～74年

  36. 100 m ~ 500m 针眼大小 —— 大约

  37. 0.5 毫 米 大 的 小 狗

  38. 头发丝 —— 平均直径约70 m

  39. 微生物 —— 大小约 10 ~ 100 m 45/66

  40. 红细胞 —— 直径约 5 ~ 8 m

  41. 光学显微镜之测试极限 分辨率约0.2 m 最大放大率约2000倍 用什么仪器看细菌和染色体？

  42. 1932年，德国科学家鲁斯卡(E. Ruska，1906－1988)和克诺尔(M. Knoll，1897－1969)等人利用电子透镜可以使电子束聚焦的原理和技术，在柏林制成了世界上第一 台电子显微镜（Electron microscope）。 1965年，英国工程师查尔斯奥特雷(Charles Oatley)发明了扫描电子显微镜(Scanning electron microscope, 即 SEM)。

  43. 扫描电子显微镜之极限 分辨率约1～10 nm 最大放大率约30万倍 用什么仪器看分子和原子？

  44. 分辨率：横向0.1 nm，纵向0.01 nm 最大放大率：约100万～1亿倍 1982年，世界上第一台扫描隧道显微镜STM诞生。 1986年，世界上第一台原子力显微镜AFM问世。 1990年，之后，扫描探针显微镜SPM家族蓬勃发展。 50/66

  45. 集成电路的AFM图像 ——线宽约 100 nm

  46. 原子的STM图像 —— 直径约 0.3 nm

  47. 纳米多孔氧化铝l光电系 Nano-World

  48. 1.4其他形式的显微镜技术 以电子探测或光子探测技术为基础的新型显微镜技 术与系统还有： 弹道电子发射显微镜（Ballistic electron emission microscope, BEEM）、激光扫描共焦显微镜（Laser scanning confocal microscope）、多光子荧光成像技术、双光子显微成像技术、光子扫描隧道显微镜（Photon scanning tunneling microscope，PSTM）、近场光学显微镜（Scanning near-field optical microscope，SNOM）、等。其中，在STM和AFM基础上发展起来的 新型显微镜称为扫描探针显微镜（SPM）。 55/66

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