纳米科技研究现状及发展趋势

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1、纳米科技研究现状及发展趋势人在实验室中成功地制备了超晶格和量子阱，并观察到了许多全新的物理效应，使超晶格和量子阱这一人工低维物理体系在以后的二十多年中成为半导体物理和理论物理中最热门的研宄领域在该领域持续不断的研宄导致了0维量子点或人工原子观念的出现及其各种理论和实验处理法。在将来对纳米粒子物理特性作深入的理论研究时，有些对量子点的理论处理方法必定可以移植使用。1981年3月G.Binnig和H.Rohier在瑞士苏黎世IBM研究实验室中研制成了扫描隧道电子显微镜,开辟了一条在原子水平研究物质表面原子和分子结构以及和电子行为相关

2、的物理、化学性质的全新途径。STM以前所未有的“超能力”延长了人类的“手”和“眼”，使人类能直接按自己的意愿操纵和观察原子。1990年在美国加州IBM公司的实验室中Eiger等科学家采用STM成功地在长和宽不超过一个病毒（~100nm)的范围内按自己的意志写出了当时世界上最小的公司名称“mM”3个字母(见图1)首次实现了R.P.Feynman所预言的人类对原子的直接的任意操纵。这些发展导致在科学研究领域中诞生了一门名为纳米科技的以0.1~100nm长度范围中的物质的结构、特性、现象和应用为研究对象的分支学科,纳米科技的最终目标是

3、直接以原子、分子、原子簇等为基本构件设计和制造具有特定性质的产品。1993年M.F.Crommie等人用STM,在温度为4K和超高真空条件下，对在清洁的Cu(111)面上由48个Fe原子围成的半径为7.13nm的量子围栏中的电子态进行了直接测量。实现了对原来停留在概念上的量子力学中定态波函数的观测，从实验上证实了量子力学中重要的物理量一波函数一是物理实在而不是理论假设。由此可见，量子隧道效应支持了STM,STM反过来又证实了量子力学中波函数的物理实在性。基础理论和先进技术间的密不可分的关系在此可见一斑。最近几年作为材料物理研究的

4、热点，纳米材料研究的内涵不断扩大，纳米科技属于多学科交叉和综合的研究领域。其研究领域主要包括纳米材料、纳米电子学与器件、纳米生物与医药、纳米检测与表征等方面。目前世界各发达国家对具有重要战略意义的纳米科技都给以足够的重视，从战略高度部署纳米材料及其相关研究。归纳而言，目前各国纳米科技研究人员感兴趣的纳米研究领域大致有下面五方面：1)科学家试图在不改变材料化学成分的前提下，利用在纳米层次上电子和原子间的相互作用受到变化因素的影响，在纳米层次上重新组织物质的结构以控制物质的基本特性，如光学、电学、磁学特性和催化能力等。2)由于在纳米

5、层次上生物系统具有整套系统的组织，科学家尝试把人造组件和装配系统放入细胞中，以制造出结构经过组织后的新材料，使人类有可能模拟自然界自行组装的特性。3)纳米组件具有很大的比表面，利用这一点M佣纳米组件做理想的催化剂和吸收剂，并尝试着在释放电能和向人体细胞施药方面的应用。4)利用纳米科技制造出的材料与一般材料相比，在成分不变的情况下体积大大地缩小而强度和韧性却会有很大的提高这一特性以制造强度大的复合材料。5)与微电子结构相比，纳米结构在空间上的数量级很小，因而互动作用发生更快，利用这一特性人们尝试着研究效率更高、性能更好的微系统。2

6、纳米材料及其特性纳米材料体系是纳米领域中的一个重要的分支学科，由于该体系奇特的物理现象及与下一代量子结构器件的联系，从而成为现在科学研究热点。纳米材料是以纳米尺度的物质为基础按一定规律构成的全新体系，它包括零维、一维、二维和三维体系。这些物质单元包括纳米微粒、稳定的原子团簇或人工原子(artificialatom)、纳米管、纳米棒、纳米丝以及纳米尺寸的多孔物质。意大利科学家M.Rontani等人指出当少数粒子局限于nm数量级时，其载流子状态取决于它们的动能和Coulomb关联能间的平衡。在耦合人工原子中，通过改变人工原子间的隧道

7、效应效果和相互作用可调整两者间的平衡，并且该系统的特性由依赖于人工原子间耦合的不同自旋组态决定[18。正如人们所知，原子有序排列可形成有自身特点相对独立的分支。纳米材料体系大致可分为两种:①人工纳米结构组装体系:按人类的意愿，利用物理和化学方法人工地将纳米尺度的物质单元组装、排列构成零维、一维、二维和三维的纳米体系，包括纳米有序阵列和多孔复合体系等。②纳米结构自组装体系:通过弱的和较小方向性的非共价键和弱离子键协同作用把原子、离子或分子连接在一起构成纳米材料。在认识纳米材料和纳米结构时，应持打破常规看事物的态度，从结构和物性关联

8、这一物理直觉出发，纳米材料与常规材料的不同是由于纳米材料和重组纳米结构的特性所决定的。在纳米材料和结构中有以下一些基本物理效应，而正是它们造就了纳米材料和结构的一系列不同于大块物质的物理和化学特性。2.1表面效应球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的