纳米级加工技术

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1、本科生专业课程本科生专业课程 第第1010章章纳米技术纳米技术 纳米级纳米级（0.1nm100nm） 纳米技术纳米技术包括包括材料、设计、制造、测量和控制材料、设计、制造、测量和控制技术，技术，涉及涉及机械、电子、材料、物理、化学、生物、医学机械、电子、材料、物理、化学、生物、医学等等多个领域。多个领域。在达到纳米层次后，决非几何上的在达到纳米层次后，决非几何上的“相似缩小相似缩小”，而出现一系列新现象和规律。而出现一系列新现象和规律。量子效应、界面效应、量子效应、界面效应、尺寸效应尺寸效应等不可忽略，甚至成为主导因素。等不可忽略，甚至成为主导因素。 1纳米纳米=10-9m，大大约约等等于于十

2、十个氢个氢原子原子并并列一列一直直线线的的长长度。度。 形象地讲，形象地讲，一纳米的物体放到乒乓球上，一纳米的物体放到乒乓球上，就像一个乒乓球放在地球上一般，这就是就像一个乒乓球放在地球上一般，这就是纳米长度的概念纳米长度的概念。 人人类头发类头发的直的直径径大大约约有有6万万至至8万纳万纳米米。 纳米及纳米技术纳米及纳米技术 纳米技术：纳米技术：是是20世纪世纪80年代末期兴起的新技术，其年代末期兴起的新技术，其基本含意是在基本含意是在纳米尺寸范围纳米尺寸范围内认识和改造自然，通内认识和改造自然，通过直接操纵和安排过直接操纵和安排原子、分子原子、分子而达到创新的目的。而达到创新的目的。 主要

3、是主要是在在纳米尺度纳米尺度(0.1-100nm)上研究物质上研究物质(包括原子、包括原子、分子的操纵分子的操纵)的特性和相互作用，以及如何利用这些的特性和相互作用，以及如何利用这些特性和相互作用的具有多科交叉性质的科学和技术。特性和相互作用的具有多科交叉性质的科学和技术。纳米科技研究内容纳米科技研究内容 纳米科技的研究内容：纳米科技的研究内容：纳米纳米物理学、纳米化学、纳米材物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电料学、纳米生物学、纳米电子学、子学、纳米加工学纳米加工学、纳米力、纳米力学学等学科。等学科。 纳米技术纳米技术涉及涉及机械、电子、机械、电子、材料、物理、化学、生物、材料、

4、物理、化学、生物、医学医学等多个领域。等多个领域。 纳米科技大厦纳米科技大厦纳米技术研究的主要内容纳米技术研究的主要内容 纳米材料；纳米材料； 纳米级传感与控制技术；纳米级传感与控制技术； 纳米级测量技术；纳米级测量技术； 纳米级加工技术；纳米级加工技术； 纳米机械的设计与制造技术纳米机械的设计与制造技术 。在达到纳米层次后，决非几何上的在达到纳米层次后，决非几何上的“相似缩小相似缩小”，而出现一系列新现象，而出现一系列新现象和规律。和规律。量子效应、界面效应、尺寸量子效应、界面效应、尺寸效应效应等不可忽略，甚至成为主导因素。等不可忽略，甚至成为主导因素。人们发现，在人们发现，在0.l一一10

5、0nm的空间尺度的空间尺度内，物质存在许多奇异的性质。内，物质存在许多奇异的性质。任何物质到了纳米量级，其物理、化学性质都会发生巨大任何物质到了纳米量级，其物理、化学性质都会发生巨大的变化，也会因此而具有一些新的特性。例如，纳米铁粉的变化，也会因此而具有一些新的特性。例如，纳米铁粉一改一改“不怕火烧不怕火烧”的的“英雄本性英雄本性”，而变成一旦遇到空气，而变成一旦遇到空气，就能马上燃烧起来，生成氧化铁。就能马上燃烧起来，生成氧化铁。纳米感觉纳米感觉纳米材料的基本效应纳米材料的基本效应 小尺寸效应小尺寸效应：当微粒分割到达一定程度时，其性质将会发生根本性当微粒分割到达一定程度时，其性质将会发生根

6、本性的变化。的变化。量子效应量子效应：电子能级由准连续变为离散能级的现象。：电子能级由准连续变为离散能级的现象。界面效应界面效应：纳米材料由于大量的原子存在于晶界和局部的原子结构：纳米材料由于大量的原子存在于晶界和局部的原子结构不同于大块晶体材料，使纳米材料的自由能增加，纳米材料处于不不同于大块晶体材料，使纳米材料的自由能增加，纳米材料处于不稳定状态。稳定状态。表面效应：表面效应：纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子或分子所纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子或分子所占的比例非常大。占的比例非常大。特点特点：尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大尺寸小、比表面积大、表面能高、表面

7、原子比例大四四个个方面方面应应用用: (1) 纳纳米米电电子子学学(2) 纳米纳米材料科材料科学学(3) 纳纳米生物米生物学学(4) 纳纳米米医学医学: 发明发明、设计设计及生及生产纳产纳米米级级的新的新药物药物 特点及应用特点及应用观察和研究固体表面的微观结构观察和研究固体表面的微观结构改造微观世界的手段改造微观世界的手段 操纵原子不是梦操纵原子不是梦进行纳米级微加工进行纳米级微加工表面刻蚀表面刻蚀进行纳米级微加工进行纳米级微加工表面刻蚀表面刻蚀进行纳米级微加工进行纳米级微加工表面刻蚀表面刻蚀600nm石墨表面上刻蚀石墨表面上刻蚀 1981年：科学家发明研究纳米的重要工具年：科学家发明研究纳

8、米的重要工具扫描隧道显扫描隧道显微镜微镜，原子、分子世界从此可见。，原子、分子世界从此可见。 1990年：首届国际纳米科技会议在美国巴尔的摩举办，年：首届国际纳米科技会议在美国巴尔的摩举办，纳米技术纳米技术形式诞生。形式诞生。 1991年：碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢年：碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是铁的的六分之一，强度却是铁的10倍，倍，成为纳米技术研究的成为纳米技术研究的热点热点。 国外纳米技术进展国外纳米技术进展国外纳米技术进展国外纳米技术进展移动原子移动原子世界上最小的广告世界上最小的广告 p 1990年，年，IBM公司的科学家展示了一项令世人

9、瞠目结舌的成果，他公司的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他们们在金属镍表面用在金属镍表面用35个惰性气体氙原子组成个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母三个英文字母。p 科学家在试验中发现科学家在试验中发现STM的探针不仅能得到原子图象，而且可以将的探针不仅能得到原子图象，而且可以将原子在一个位置吸住，再搬运到另一个地方放下。原子在一个位置吸住，再搬运到另一个地方放下。这意味着人类从此这意味着人类从此可以对原子进行操纵！这在过去只能从科幻小说上看到的情节现在已可以对原子进行操纵！这在过去只能从科幻小说上看到的情节现在已经成为现实经成为现实。 移动原子移动原子世界上最小的广告世界上最小

10、的广告 用STM移动分子组成的IBM字样 纳米组装体系是以纳米组装体系是以纳米颗粒、纳米丝或纳米颗粒、纳米丝或纳米管纳米管为基本单元在一维、二维和三维为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系，空间组装排列成具有纳米结构的体系，如如人造超原子体系、有序阵列人造超原子体系、有序阵列等。等。人工组装合成的纳米结构的体系人工组装合成的纳米结构的体系纳米齿轮纳米齿轮纳米纳米轨道状轨道状C纳米索线纳米索线纳米多层管纳米多层管C纳米管纳米管和和C60球球C纳米管纳米管多层多层C纳米管纳米管C脚手架脚手架C60晶体管晶体管国外纳米技术进展国外纳米技术进展 实心的纳米棒、纳米线、量子线实心的

11、纳米棒、纳米线、量子线材料世界中的大力士材料世界中的大力士- -纳米金属块体纳米金属块体金属纳米颗粒粉体制成块状金属纳米颗粒粉体制成块状金属材料，它会变得十分结金属材料，它会变得十分结实，强度比一般金属高十几实，强度比一般金属高十几倍，同时又可以像橡胶一样倍，同时又可以像橡胶一样富于弹性。富于弹性。纳米金属铜的超延展性纳米金属铜的超延展性纳米陶瓷粉制成的陶纳米陶瓷粉制成的陶瓷有一定的塑性，高瓷有一定的塑性，高硬度和耐高温，使发硬度和耐高温，使发动机工作在更高的温动机工作在更高的温度下，汽车会跑得更度下，汽车会跑得更快，飞机会飞得更高。快，飞机会飞得更高。纳米陶瓷刚柔并济！纳米陶瓷刚柔并济！纳米