1、纳 米 技 术 与 应 用顾 宁 付德刚 张海黔 等 编著人 民 邮 电 出 版 社图书在版编目（CIP）数据纳 米 技 术 与 应 用 /顾 宁 ， 付 德 刚 ， 张 海 黔 等 编 著 .北 京 ： 人 民 邮 电 出 版 社 ， 2002.3 ISBN 7-115-10037-3I.纳 II. 顾 付 张 III.纳 米 材 料 一 应 用 IV.TB383中国版本图书馆 CIP 数 据 核 字 （ 2002） 第 004443 号内 容 提 要本 书 用 简 练 的 语 言 介 绍 了 纳 米 科 技 的 产 生 、 纳 米 材 料 与 结 构 、 纳 米 加 工 制 造 技 术 及
2、 分 子 纳 米 技 术 ， 在 此 基 础 上 ， 着 重 介 绍 了 微 /纳 米 机 械 学 、 纳 米 电 子 学 、 纳 米 生 物 医 学 及 纳 米 技 术 在 建 筑 行 业 、 纺 织 行 业 、 化 工 行 业 、 汽 车 工 业 及 环 境 保 护 等 方 面 的 最 新 进 展 和 相 关 应 用 。 书 中 各 章 均 给 出 了 一 些 主 要 的 参 考 书 、 期 刊 杂 志和国内外相关网站，为读者进一步的学习提供线索。本 书 资 料 丰 富 ， 突 出 创 新 ， 是 从 事 纳 米 科 技 的 研 发 人 员 、 大 学 生 及 广 大 的 纳 米 科 技
3、爱 好 者 的 有 益 参 考书。纳 米 技 术 与 应 用。 编 著 顾 宁 付德刚 张海黔 等 责任编辑 富 军 赵桂珍。 人民邮电出版社出版发行 北 京 市 崇 文 区 夕 照 寺 街 14 号 邮编 100061 电子函件 网址 http:/读 者 热 线 ： 010-67180876北京汉魂图文设计有限公司制作印刷厂印刷 新华书店总店北京发行所经销。 开 本 ： 7871092 1/16印 张 ： 10.25字 数 ： 246 千字 印 数 ： 1 0 000 册2002 年 4 月 第 1 版2002 年 4 月 北 京 第 1 次 印 刷ISBN 7-115-10037-3/TN
4、1830定价：14.00 元本书 如有印 装质量 问题， 请与 本社联 系 电 话 ： （ 010） 67129223前 言Nano-来 源 于 拉 丁 语 中 的 一 个 词 头 ， 是 非 常 小 、 渺 小 的 意 思 ： 在 国 际 单 位 制 中 通 常 表 示 为 10-9 量 级 。 纳 米 （ nanometer， nm） 则 是 一 个 长 度 单 位 ， 1nm=10-9m。 这 个 长 度 单 位 己 被 采 用了很长的时间，科技工作者对其并不陌生。但绝大多数人没有想到，在今天，这个单位名 词会被如此广泛地使用，会成为老百姓茶余饭后津津乐道的话题。美国物理学家理查德费曼教
5、授是纳米科技最早的倡导者。他在 1959 年 就 为 我 们 描 绘 出了一幅纳米科技的美妙画卷。随后，陆续地有许多科技工作者在自己的研究领域中，或多 或少地涉及到一些对具有纳米尺度结构的加工制造、纳米微粒材料的制备以及特性的研究， 等等。 特别是 1982 年扫 描隧道显微镜的发明， 使得人类可以在室温、 大气或液相条件下看到 一个一个的原子， 这如同 为我们配了一付更加清晰的眼镜， 让 人类的视力获得了大大的延伸， 能很容易地达到纳米尺度的观察要求，可使人们能够在自己的意愿下，进行搬迁原子的操作 和测量在纳米尺度微区域内的性质。总之，这些显微技术为我们人类提供了一种功能非常强 大的工具，使
6、得我们能使利地进入到纳米尺度的微观世界。在 纳 米 尺 度 的 世 界 里 ， 我 们 的 确 己 经 领 略 到 了 非 常 奇 妙 的 景 象 。 当 材 料 的 特 征 尺 度 降 低 到纳米尺度时，会因为小尺寸效应、量子效应、界面或表面效应等而出现明显不同于我们在 宏观世界中常规材料的新性质。由于传统陶瓷材料质地较脆，韧性、强度较差，因而其应用 受到了较大的限制。随着对纳米材料的制备与表征手段的深入研究和广泛应用，纳米陶瓷应 运而生，希望以此来克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性。纳 米科技对电子学、光子学以及信息科技发展的推动，在于立足于最新的物理理论和最先进的
7、 加工制造工艺手段，按照全新的理念来构造光、电子等信息传输与处理系统，由此开发物质 潜在的储存和处理信息的能力，实现信息技术的踌越式的革命性发展，为纳米计算系统的实 现带来了希望的曙光。纳米生物医学可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功 能的关系，获取生命信息。在不久的将来，被视为当今疑难重症的艾滋病、高血压及癌症等 问题都将迎刃而解！我们完全有理由对纳米科技的发展以及将为我们带来的美好未来充满信心、欢欣鼓舞。 同时，我们也需要冷静、客观地分析和看待不同阶段对纳米科技发展的限制因素，最重要的 是我们要始终保持对发展纳米科技应有的信心，并愿为此作出不懈的努力。对从事纳米科技 研究与发展
8、的科研人员来说， 都有一 个共同的心愿， 这就是尽 量减少对纳米科技发展浮躁的、 不切实际的与不分阶段的过高期望，而应该更多地加强纳米科技知识的普及与宣传，唯有这 样，纳米科技才可能健康正常地发展。这也是我们编著本书的初衷。这 是 一 本 集 体 编 写 的 书 。 顾 宁 与 王 怡 红 合 写 了 第 1 章 ： 张 宇 、 徐 丽 娜 、 马 明 、 周 凯 常 合写了第 2 章 ： 徐 丽 娜 、 马 全 红 、 郭 志 睿 、 廖 建 辉 编 写 了 第 3 章 ： 顾 宁 编 写 了 第 4 章 ： 付 德 刚 、徐 春 祥 、 廖 建 辉 、 王 伟 、 黄 岚 编 写 了 第
9、5 章 ： 张 海 黔 最 初 参 加 了 全 书 的 计 划 安 排 、 组 稿 工 作 ，2 并参与第 6 章的写作，后因中途去美国进修，第 6 章 基 本 由 虞 伟 完 成 ： 葛 存 旺 、 张 宇 编 写 了 第 7 章 ： 郭 全 忠 、 段 磊 、 丁 余 心 等 人 为 本 书 的 有 关 部 分 进 行 了 配 图 ， 校 订 重 要 的 符 号 、 数 据 、 参考文献及其他编务工作等：最后由顾宁、付德刚对全书进行了统稿。书 中 引 用 了 许 多 己 发 表 的 结 果 和 文 献 ， 除 主 要 部 分 作 为 引 用 文 献 指 出 外 ， 还 有 一 些 因 为
10、篇幅的原因无法一一列举，在此特向被引用文献的作者致以我们衷心的谢意！由 于 该 书 涉 及 的 知 识 面 宽 ， 而 且 很 多 方 面 还 处 于 研 发 阶 段 ， 因 此 书 中 难 免 有 不 妥 甚 至 错 误之处，恳请同行专家和广大读者批评指正。5目 录第 1 章 纳米科技的诞生及发展概况 .11.1 从扫描隧道显微镜的发明说起 11.2 纳米与纳米科技的基本概念 31.3 纳米科技发展的重要事件 41.4 纳米科技发展的主要特征 81.5 纳米科技发展的重要意义 9参考文献13第 2 章 纳米材料与纳米结构 .142.1 纳米材料与纳米结构的定义 142.2 纳米材料的特性 1
11、61量子尺寸效应162小尺寸效应173表面效应174宏观量子隧道效应182.3 纳米材料的分类 181纳米粉末182纳米纤维233纳米薄膜274纳米块体材料312.4 纳米材料的制备 331纳米材料的物理制备方法332纳米材料的化学制备方法37参考文献45第 3 章 分子纳米技术 .473.1 分子组装技术 471 LB 膜技术及其应用 472分子自组装技术503 分 子 束 外 延 （ MBE） .583.2 分子导线 601分子导电性602分子导线的种类603.3 分子开关器件 671量子效应分子电子器件672 2机电分子电子器件68参考文献71第 4 章 纳米机械及其应用 .754.1
12、纳 米 机 械 的 出 现 是 微 机 电 系 统 （ MEMS） 发 展 的 趋 势 754.2 纳米机械学（nano mechanics） 原 理 与 技 术 研 究 771纳米机械学的定义和任务772纳米机械学的特点784.3 微 /纳 米 机 器 的 制 造 与 应 用 前 景 .784.4 纳 米 摩 擦 学 （ nanotribology） 原 理 与 应 用 821纳米摩擦学的产生822纳米摩擦学研究的进展概要833纳米摩擦学的主要研究内容84参考文献85第 5 章 纳米光、电子器件及其应用 .875.1 纳米器件的制造技术 871传统的加工技术882新兴的加工技术895.2 固
13、态量子效应纳米电子器件 931 量 子 点 （ QD） 932谐振隧穿器件943单电子器件945.3 纳米晶太阳能电池 981纳米晶光电化学电池992纳米晶固体半导体光伏电池1033纳米晶有机光伏电池1065.4 纳米发光材料及其应用 1061硅基半导体纳米发光材料1072纳米粉末发光材料1083碳纳米管在发光显示技术中的应用1085.5 纳米电子学的应用 1091传统集成电路的极限与纳米集成电路的应用 1102纳米电子学在生物学中的应用 1113纳米电子学在军事领域中的应用 1124纳米电子学在其他方面的应用 113参考文献 114第 6 章 纳米生物医学的研究与发展 1186.1 纳米生物
14、医学的诞生与发展 .1181纳米技术与生物医学的结合 1182 纳 米 生 物 学 （ nanobiology） 研 究 11973在细胞分离与细胞内部染色中采用纳米技术1214纳米级的仿生机器1225开创纳米医学新纪元1236.2 纳米药物技术 1241纳米药学的研究内容与特点1242纳米抗菌药物1263纳米微粒药物1264表面进行分子包敷的磁性纳米粒子药物1265纳米中药1276.3 纳米技术在临床诊疗中的应用 1281临床诊断与监测1282临床治疗1316.4 纳米技术在保健与康复医学中的应用 1331纳米医学保健1332康复医学与治疗1343纳米材料在康复医学中占有重要的位置135参考
15、文献135第 7 章 纳米材料的应用1377.1 引言 1377.2 纳米材料在建筑行业中的应用 1381陶瓷领域中的应用1382涂料中的应用1387.3 纳米材料在化工行业中的应用 1401催化1402纳米塑料与橡胶1413材料表面防腐中的应用1427.4 纳米材料在纺织品中的应用 1421抗紫外线型化纤1432反射红外线（含抗红外线）型化纤1443抗菌、抑菌、除臭型化纤1454导电型化纤用超细粉体材料1475应用超细粉体材料的多种功能化纤1476智能型面料与纳米技术1487.5 纳米材料在汽车工业中的应用 1491汽油微乳化剂1492纳米润滑技术1493纳米材料电池1494汽车用纳米工程塑
16、料1507.6 纳米材料在环境保护中的应用 1501简述1502半导体光催化氧化1512 3电磁波辐射防护1524白色污染1525污水处理1537.7 纳米材料在其他领域中的应用 1531纳米技术在体育方面的应用1532纳米技术在农业中的应用1543纳米材料在应用中存在的问题154参考文献1551 第 l 章 纳米科技的诞生及发展概况1.1 从扫描隧道显微镜的发明说起20 世纪 70 年代末期， 在位于瑞士苏黎世附近的一个叫做瑞峙林空 （RUs chlikon） 的 美丽 小 城 ， 国 际 商 用 机 器 公 司 （ IBM） 苏 黎 世 研 究 实 验 室 的 研 究 员 瑞 士 人 海
17、因 里 希 罗 瑞 尔（Heinrich Rohrer） 博 士 与 德 国 人 盖 尔 德 宾 尼 戈 （ Gerd Karl Binnig） 博 士 在 共 同 研 究 超 导 以及反铁磁材料等方面的问题。他们用一根缝衣针大小的金属针的针尖靠近一个具有导电性 的表面，比如一种金属的表面，当针尖距表面非常近（通常小于十亿分之一米）的时候，在 针尖与表面间加上一个较小的电压 （ 几个伏特） ， 电子就可以穿过针尖与样品表面的间隙而形 成连续的电流。这种现象叫做隧道效应，穿过针尖与导电表面间隙的电流叫做隧道电流。他 们发现当外加电压保持不变时，隧道电流强度对针尖与样品表面之间的距离非常敏感。当距
18、 离减小到一百亿分之一米，隧道电流将增加一个数量级。由此，他们利用电子线路反馈控制 隧道电流的恒定，并用压电陶瓷器件控制针尖在表面进行二维的扫描，于是探针在垂直于样 品表面方向上的高低变化就反映出样品表面的起伏情况，如图 1-1 所示。这非常像盲人凭借 指尖阅读盲文。不同的是真正起作用的探针针尖通常只有一个或几个原子的大小，所以它可 以用来探察表面的原子尺度的起伏，获得可分辨原子尺度的图像。这种完全新型的表面分析 仪器称为扫描隧道显微镜（s canning tunneling microscope，简称为 STM） 。XYZ图 1-1 STM 的原理示意图STM 的发明使人类能够在大气、 常温
19、 等条件下， 实 时地观察并研究单个原子在物质表面 的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质。它具有十分深远的意义，仿佛人类的2 视力被大大地延伸了， 一直延伸到可以较容易地观察原子、 分子的状态与行为。 但在 STM 发 明之初，并没有受到应有的重视。一方面，这一发明的重要性没有被认识到；另一方面，很 多人担心其实际可以观察图像的分辨率究竟能有多高。 无怪乎罗瑞尔与宾尼戈最初关于 STM 的论文被拒绝发表，理由是“他们的工作并不那么的有意义” 。尽 管如此，S TM 的发明（198 2 年发 表了第一篇相关论文） 以及其在表面原子、 分子结构研究方面的重要作用无可 争 辩的被广泛地承认
20、了，并由此使得罗瑞尔与宾尼戈共同荣获了 1986 年 的 物 理 学 诺 贝 尔 奖 。伴随着 STM 的发明以及其在表面高分辨率观察研究中的各种应用的日渐增多，有人发 现 利 用 探 针 针 尖 与 表 面 之 间 的 各 种 相 互 作 用 ， 可 以 用 来 分 析 高 分 辨 率 成 像 。 1986 年 ， 宾 尼 戈 等人发明了利用激光检测针尖与表面相互作用进行表面成像的分析仪器。该仪器称为原子力 显微镜（atom ic force microscope，简称为 AFM） 。S TM 与 AFM 共同构成了现今称之为扫描 探 针 显 微 镜 （ SPM） 的 两 大 主 体 技 术
21、 ， 如 图 1-2 所示。图 1-2 扫 描 探 针 显 微 镜 （ SPM） 中 的 两 种 主 要 显 微 技 术1990 年 ， IBM 的 艾 格 勒 （ D. M. Eigler） 等 人 最 早 报 道 了 成 功 地 利 用 STM 操纵原子拼写 字母的结果。具体方法是利用 STM 探针的针尖通过静电力吸附上侃原子，再在液氮的低温 条 件 下 一 个 一 个 地 将 它 们 排 放 在 保 （ 110） 单 晶 表 面 ， 形 成 一 个 “IBM”的 字 样 ， 一 共 用 了 35 个 侃 原 子 ， 如 图 1-3 所 示 。 这 应 该 说 是 目 前 世 界 上 最
22、小 的 原 子 商 标 ， 它 表 明 人 类 不 仅 可 以 采用 SPM 观察 、 测量这些表面上原子、 分子的结构， 而且还可以根据人的意志来随意加工制 造出最小的人工结构。 因 为 SPM 不仅可用于显微以及进行相关谱学的测量 ， 更可以用 来操纵 原 子 ， 所 以 SPM 也 叫 作 扫 描 探 针 显 微 术 。 相 应 地 ， STM 叫 作 扫 描 隧 道 显 微 术 ， AFM 叫作原 子力显微术。随后发展起来的 SPM 还包括电化学显微 术 （ECM） 、 磁力显微术 （MFM） 、 电容力显微 术 （ CFM） 、 电 场 力 显 微 术 （ EFM） 及 扫 描 近
23、场 显 微 术 （ SNOM） 等 ， 形 成 为 微 结 构 观 测 技3 术中强有力的工具。特别是，这些显微术不仅可进行微结构或形貌的观察测量，而且基于不 同的成像原理可同时研究有关结构的性质，进行原子、分子的搬迁、操纵等。如 果 将 光 学 显 微 镜 叫 做 第 一 代 显 微 镜 ， 电 子 显 微 镜 叫 做 第 二 代 显 微 镜 ， 那 么 扫 描 探 针 显 微镜则可以称之为第三代显微镜，其优势己如上述。特别是显微镜的飞速发展，为纳米科学 与技术的发展奠定了必不可少的坚实基础。图 1-3 世界上最小的原子商标一一由 35 个 侃 原 子 在 保 （ 110） 单 晶 表 面
24、组 成 （ 液 氮 温 度 下 ）1.2 纳米与纳米科技的基本概念纳 米 （ nm） 是 一 个 长 度 单 位 ， 1nm 等 于 十 亿 分 之 一 （ 10-9） 米 ， 即 等 于 10。 可 设 想 一 下，1nm 的长度约相当于 3 5 个原子紧密地排列在一起所具有的长度。区区一个如此小的 长度单位，如何又称之为科技呢？SPM 的 发 明 及 一 些 先 进 的 加 工 制 备 技 术 的 产 生 ， 使 人 们 可 以 越 来 越 多 地 观 察 、 测 量 ， 并 进而分析、了解纳米尺度的材料或具有纳米尺度的结构所具有的不同寻常的特性，且将它们 投入应用。所谓纳米科技是以 11
25、00nm 尺度的物质或结构为研究对象的学科，就是指通过 一定的微细加工方式，直接操纵原子、分子或原子团、分子团，使其重新排列组合，形成新 的具有纳米尺度的物质或结构，研究其特性，并由此制造具有新功能的器件、机器以及其他 各个方面应用的科学与技术。可 见 ， 纳 米 科 技 的 首 要 任 务 就 是 要 通 过 各 种 手 段 ， 如 微 细 加 工 技 术 和 扫 描 探 针 技 术 等 来 制备纳米材料或具有纳米尺度的结构；其次借助许多先进的观察测量技术与仪器来研究所制 备纳米材料或纳米尺度结构的各种特性，最后根据其特殊的性质来进行有关的应用。所以， 从一定程度上讲，纳米材料、纳米加工制造
26、技术以及纳米测量表征技术构成为纳米科技发展 的三个非常重要的支撑技术。如果将纳米科技比喻为一只鼎，它们就是这只鼎的三个足，奠 定整个纳米科技发展的基础，如图 1-4 所示。纳 米 科 技 的 核 心 思 想 是 制 备 纳 米 尺 度 的 材 料 或 结 构 ， 发 掘 其 不 同 凡 响 的 特 性 并 对 此 予 以 研究，以致最终能很好地为人们所应用。将这种思想和相关的方法引入到各个领域，便形成 形形色色的各类纳米科技研发领域，主要包括：纳米体系物理学、纳米体系化学、纳米材料 学、纳米生物学、纳米电子学、纳米光子学、纳米机械学、纳米加工制造学、纳米表征测量4 纳 米 材 料 纳 米 表
27、征 测 量 技 术三 束 微 细 加 工 技 术扫 描 探 针 加 工 技 术分 子 组 装 技 术其 他经 典 的 表 征 分 析 技 术扫 描 探 针 显 微 术单 分 子 检 测 技 术其 他学及纳米医学，等等。纳 米 科 技 在 各 个 领 域 中 的 应 用 技 术纳 米 材 料 或 纳 米 （ 器 件 ） 结 构 的 性 质纳 米 加 工 制 造 技 术无 机 纳 米 材 料有 机 纳 米 材 料复 合 纳 米 材 料其他图 1-4 纳米科技的主要基础与重要研究发展方向1.3 纳米科技发展的重要事件纵 观 纳 米 科 技 研 究 与 发 展 过 程 中 的 一 些 重 大 的 事
28、件 及 重 要 的 发 明 ， 可 以 使 我 们 在 以 后 介 绍或讨论一些具体的问题之前形成一些初步的认识。话题还得从几十年前的美国物理学会的 一次年会说起。1959 年 12 月 ， 在 美 国 物 理 学 会 年 会 上 ， 著 名 物 理 学 家 、 诺 贝 尔 物 理 奖 得 主 理 查 德 费 曼 教 授 作 了 一 次 非 常 著 名 的 讲 演 ， 题 目 叫 作 “自 底 层 构 造 的 丰 富 结 构 （ Theres plenty of room at the bottom） ”。 其 中 有 一 段 话 是 这 样 说 的 ： “我 认 为 ， 物 理 学 的 原
29、理 并 不 排 斥 用 一 个 一 个 地 安 排 原 子 来 制 造 东 西 。 这 样 做 ， 并 不 违 反 任 何 定 理 ， 因 而 在 原 则 上 是 可 以 实 现 的 。 它 在 实 践 中 迄 今 未 实 现 是 因 为 我 们 太 大 了 。 ”他 还 说 ： “如 果 我 们 能 按 照 自 己 的 愿 望 一 个 一 个 地 安 排 原 子 ， 将 会 出 现 什 么 这 些 物 质 将 有 什 么 性 质 ？ 这 是 十 分 有 趣 的 理 论 问 题 。 虽 然 我 不 能 精 确 回 答 它 ， 但 我 绝 不 怀 疑 当 我 们 能 在 如 此 小 的 尺 度
30、上 进 行 操 纵 时 ， 将 得 到 具 有 大 量 独 特 性 质 的 物 质 。 ”现 在 ，5 理查德 费曼的演讲己被看作是纳米科技基本概念的起源，有人甚至将纳米科技形象地称为 “费 曼 之 梦 ”。1974 年 ， 在 日 本 精 密 机 械 学 会 等 举 办 的 一 次 国 际 生 产 工 程 技 术 会 议 上 论 及 了 纳 米 技 术（ nanotechnology） 的 概 念 。 当 时 ， 己 有 许 多 关 于 超 精 密 加 工 的 论 述 ， 但 加 工 精 度 的 最 终 实 现 目 标 并 不 明 确 。 基 于 加 工 技 术 的 进 步 和 提 高 加
31、工 精 度 的 可 能 性 ， 以 及 固 体 物 质 结 构 的 最 小 特 征 尺 寸 等 因 素 ， 设 想 加 工 精 度 的 界 限 应 为 纳 米 级 。 若 要 求 加 工 精 度 为 1nm， 必 然 要 求 亚 纳 米 级 精 度 的 测 量 和 控 制 技 术 。 因 此 ， 归 纳 出 纳 米 技 术 至 少 是 包 括 材 料 、 加 工 、 测 量 以 及 控 制 技 术 的 统 一 体 。1982 年 ， IBM 公司苏黎世研究实验室的海因里希 罗瑞尔博士和盖尔德 宾尼戈博士共 同发明了扫描隧道显微镜，使得人类能首次在大气及常温下看见原子，也为相关的测量以及 搬迁原
32、子等奠定了基础，并因此获得了 1986 年 诺 贝 尔 物 理 学 奖 。1984 年 ， 德 国 萨 尔 大 学 的 葛 莱 特 （ Gleiter） 教 授 等 人 首 次 采 用 惰 性 气 体 凝 聚 法 制 备 了 具 有清洁表面的纳米微粒，然后在真空室中原位加压制作成纳米相固体，并提出纳米材料界面 结构模型。 随 后发现氟化钙纳米离子晶体和二氧化铁纳米陶瓷在室温下出现良好韧性 ， 在 180经受弯曲并不产生裂纹，使人们看到了陶瓷增韧的新曙光。 同 年 ， 为 了 模 拟 星 际 空 间 及 恒 星 附 近 链 状 碳 原 子 的 形 成 过 程 ， 罗 尔 芬 等 人 用 质 谱
33、仪 研 究在超声氮气流中被激光汽化的石墨凝聚物时， 发现了一族全新的碳原子团簇 C30 C100， 团 簇 中碳原子数目均为偶数。1985 年， 英 国苏塞克斯大学的克劳托 （K roto） 与美国赖斯大学的克尔、 斯莫利 （Richard E. Smalley） 教授合作， 进行宇宙尘埃的模拟研究， 采用激 光加热石墨蒸发并通过甲苯收集获 得碳的团簇，质谱分析发现以 C60、 C70 为 主 的 新 谱 线 。 C60 具 有 高 稳 定 的 新 奇 结 构 ， 即 由 60个碳原子组成了一个封闭的 32 面体 结构， 其中 有 20 个六边 形以及 12 个 五边形。 这种 类似于足球的
34、32 面 体结构的提出， 受到美国 建筑设计师富勒设计的圆形穹顶结构的启发， 于 是将这 一种笼状原子簇命名为富勒烯，也常被人戏称为足球烯。由于碳的这种结构与常规的碳的两 种同素异构体，即金刚石与石墨完全不同，特别是理化性质也十分独特，具有非常好的应用 前景，使得其一出现就引起了巨大的反响，在物理、化学领域中引发了大量的研究。因为这 些原因，C 60 的发现使克劳托、克尔、斯莫利教授获得了 1996 年诺贝尔化学奖。同 年 ， 莫 斯 科 国 立 大 学 的 一 位 年 轻 的 物 理 学 教 授 康 斯 坦 丁 利 哈 廖 夫 、 博 士 后 亚 历 山大 佐 林 以 及 本 科 学 生 德
35、 林 特 里 问 韦 林 共 同 提 出 ， 可 以 通 过 控 制 单 个 电 子 进 入 或 离 开 所 谓 的库仑岛，即与纳米线路通过一定的间隔相联系的，具有纳米尺度的导体或半导体，来实现 一些目前需要一定规模电路才能实现的功能，如电荷计量等。这就是单电子器件的基础。1986 年 ， 麻 省 理 工 学 院 的 德 瑞 克 斯 勒 （ K. Eric Drexler） 博 士 在 其 著 作 创 造 的 工 程 中 描绘了一幅即将到来的纳米技术时代的乌托邦景象：通过分子的自发相互作用可进行具有纳 米尺度的器件或系统的制造。 当 “自组装” 缩小到可以在原子大小的自组装流水线上应用时， 可
36、以获得从最底层组装成的任何可以想象到的实物，比如小汽车、地毯甚至是一块烤牛排。 德瑞克斯勒博士作为目前世界上非常有影响的前瞻研究所（foresight Insitute）的理论家和主 席，为分子纳米技术的发展，从材料到分子剪裁、组装乃至应用等许多方面都提出了许多非 常有创建性的想法，研究所的工作也获得了广泛的称道。1987 年 秋 天 ， 荷 兰 的 戴 尔 夫 特 理 工 大 学 的 巴 尔 特 威 斯 和 飞 利 普 研 究 所 的 亨 克 豪 特 等 人在研究电流流过现在被称作量子点接触的纳米结构时，获得了明显的具有台阶特征的伏安6 特性，这是电导量子化的有力证据。1989 年， 美 国
37、加州大学洛伦兹一伯克力实验室的研究人员首次用扫描隧道显微镜清晰 地 观察到小牛胸腺 DNA 的右手双螺旋结构。这一工作开辟了纳米生物学研究的新领域，被评 为当年全美十大科技新闻之一。1990 年 ， 美 国 IBM 公 司 的 科 学 家 艾 格 勒 （ D. M. Eigler） 博 士 在 液 氮 温 度 （ 4K） 下 ， 用 超高真空 STM 首 次 实 现 了 单 原 子 操 纵 。 其 具 体 作 法 是 ： 在 4K 的 低 温 下 ， 首 先 将 侃 原 子 吸 附 在 保 （ 110） 表 面 ， 用 STM 得到该表面的高分辨率图像；接着，用 STM 的针尖对准并逼近 一个
38、侃原子，在针尖和样品之间加上一定的电场，使该侃原子与针尖产生相互作用而将侃原 子吸住；最后将针尖沿样品表面移动来拖动侃原子到特定的位置上，去掉电场（或使电场极 性反转） 使针尖与侃原子分离， 针尖退回到正常高度。 重复上述过程， 结果用 35 个侃原子 在 保表面上组成了一个“IBM”图案，开创了单原子操纵研究的先河。一年之后，他们用一氧 化碳分子在铀表面上构造了一个大头娃娃的分子人，分子人从头到脚仅有 5nm 高度。同 年 7 月 ， 在 美 国 巴 尔 的 摩 市 召 开 了 国 际 首 届 纳 米 科 学 技 术 会 议 （ Nano I） 。 会 上 ， 各 国 科 学 家 们 对 纳
39、 米 科 技 （ 主 要 包 括 纳 米 材 料 学 、 纳 米 电 子 学 、 纳 米 生 物 学 、 纳 米 机 械 学 、 纳 米 表 征 测 量 技 术 等 ） 的 前 沿 领 域 和 发 展 趋 势 进 行 了 探 讨 和 展 望 ， 并 决 定 出 版 三 种 杂 志 ： 纳 米 结 构 材 料（ nanostructured materials） 、 纳 生 物 学 （ nanobiology） 、 纳 米 技 术 （ nanotechnology） 。1991 年 ， 日 本 NEC 的 科 学 家 饭 岛 澄 男 （ Sumino Iijima） 等 人 采 用 电 弧 放
40、电 合 成 球 碳 微 粒 时 ， 在 负 极 一 端 的 沉 淀 物 中 分 离 获 得 一 种 具 有 纳 米 尺 度 直 径 的 碳 管 ， 亦 即 我 们 现 在 常 说 的 纳 米 碳 管 。 其 方 法 是 在 真 空 反 应 器 中 充 以 一 定 压 力 的 惰 性 气 体 （ 如 氧 气 ） 作 为 保 护 气 体 ， 对 碳 进 行 电 弧 放 电 气 化 ， 在 碳 负 极 上 即 可 收 集 分 离 获 得 纳 米 碳 管 。 由 于 纳 米 碳 管 的 特 殊 结 构 、 特 性 以 及 巨 大 的 应 用 前 景 ， 使 得 对 纳 米 碳 管 的 研 究 从 其
41、发 现 到 现 在 ， 始 终 得 到 超 乎 寻 常 的 重 视 。1992 年 ， 美 国 科 学 家 伯 库 威 兹 与 肖 等 人 分 别 发 现 纳 米 钻 微 粒 镶 嵌 在 铜 膜 中 的 颗 粒 膜 具 有 巨 磁 电 阻 效 应 ， 由 此 掀 起 了 研 究 纳 米 颗 粒 膜 巨 磁 电 阻 效 应 及 作 为 其 重 要 应 用 的 磁 电 子 学 的 热 潮 。 1993 年，IBM 的 克 莱 梅 （ Crommie） 等 人 采 用 原 子 搬 动 的 方 法 ， 在 铜 表 面 用 48 个铁原 子建起一座“铁原子固栏” ，固栏的 半径仅 7nm 左右，铜表面上
42、的电子就像关在栅栏里的羊 群一样逃不出去。同时，中国科学院真空物理实验室庞世谨研究组采用 STM 在 硅 单 晶 表 面 搬迁原子，形成 “中国”的汉字图案。也在这一年，日本日立制作所报道研制成功了可在室 温下工作的单电子存储器。这种存储器是在极微小的晶粒中封入一个电子，用此存储信息。 具体方法是在硅衬底上制作控制电流的栅极，然后再在其上生长一层氧化硅薄膜，并在薄膜 上制备宽度为 100nm、 厚 度 约 10nm 的多晶硅细线。这些细线成十字交叉状。细线本身是由 直径仅 10nm 的数目众多的硅晶粒一个挨一个地组成的。换句话说，细线是一条由微小的硅 晶粒“铺成 ”的通道。硅晶粒的大小及结构不
43、尽相同，电子选择容易通过的晶粒在细线中运 动。这时如果给栅极加一个较大的电压，则流动中的电子就会 “跳起”而被封入电子流外的 一个硅晶粒中。此时，规定封入一个电子的状态为“1” ，而没被封入电子的状态为 “0”。 由 此，信息就被存储在硅晶粒之中了，其存储状态可保持一个月以上。用这种单电子存储器制作成 16 千 兆 位 的 存 储 器 ， 容 量 相 当 于 当 时 存 储 器 的 1000 倍 。1994 年， 在 美国波士顿召开的材料研究学会 （M RS） 秋季会议上正式提出了纳米材料工 程的名称。它是纳米材料研究的新领域，是在纳米材料研究的基础上通过纳米合成、纳米添 加等发展新型的纳米材
44、料，并可能通过纳米添加来对传统材料进行改性，扩大纳米材料的应7 用范固。这一年，美国亚利桑那大学材料科学与工程系的研究人员首次用碳纳米管作为先驱 体， 在流动氧气保护下让其与氧化硅气体在接近 2000的 条件下反应， 合成出长度和直径 均 比碳纳米管相应尺度大一个数量级的实心一一“针状”碳化硅晶须。1996 年， 美 国赖斯大学的斯莫利教授等人合成了成行排列的单壁碳纳米管束， 每一束 中 含有许多碳纳米管，并且这些碳纳米管的直径分布很窄。几乎同时，中国科学院物理研究所 解思深教授等人实现了碳纳米管的定向生长，并成功地合成了超长至毫米量级的纳米碳管。 与纳米碳管材料制备技术进步相比拟的另一个重要
45、进展，是中科院真空物理开放实验室、中 科院化学所、 北京大学电子学系以及化学学院有关科研人员组成的联合研究组采用自行设计、 合成和制备的全有机复合薄膜作为电子学信息存储材料，并利用 STM 成功地得到了信息点 直径分别为 0.7nm 和 0.8nm 的信息存 储点阵， 两个信息点的最小间距分别为 1.2nm 和 0.6nm， 仅为当时最好信息存储密度的几十分之一且非常稳定， 在连续 2000 次的 读取过程中没有发生 可观察到的变化。信息点直径是现己实用化的光盘信息存储密度的千万倍以上，奠定了我国 在该领域中的国际领先地位。1997 年 ， 美 国 康 奈 尔 大 学 纳 米 技 术 研 究
46、人 员 利 用 极 细 的 高 能 电 子 束 作 为 “麦 刀 ”， 在 计 算机 辅 助 下 ， 在 硅 晶 体 上 成 功 地 麦 蚀 一 把 吉 他 ， 长 约 10m， 与 一 个 细 胞 的 大 小 相 当 。 吉 他 有 6 根 弦 ， 每 根 弦 的 直 径 仅 50nm， 相 当 于 100 个 原 子 紧 密 排 列 在 一 起 的 长 度 。 如 果 用 原 子 量 级 上 的 极 微 小 的 力 量 拨 动 这 些 弦 ， 它 们 还 可 产 生 振 动 。 不 过 ， 振 动 所 产 生 的 声 音 人 耳 无 法 听 到 。1998 年 ， 美 国 的 罗 伯 特
47、福 雷 塔 斯 （ Robert A. Freitas Jr.） 博 士 出 版 的 其 三 卷 本 的 纳 米 医学 （nanom edicine） 中 的第一卷， 标志着纳米材料、 纳米表征测量技术以及纳米器件的 研 发己关系到直接应用于医学的临床检测诊断与治疗的许多方面。由此可见，纳米技术应用于 为人类健康服务的医疗事业是必然的，同时进展也十分迅速。1999 年 ， 巴 西 达 尼 埃 尔 乌 加 尔 特 教 授 与 美 国 敖 特 席 尔 教 授 在 合 作 进 行 纳 米 碳 管 的 强 度和柔韧性实验时，将纳米碳管放在电流中，使之出现频率固定的振动。研究人员通过高分 辨率显微镜记录
48、下振动的频率，由此计算出碳管的强度和韧性。实验结束后，乌加尔特突发 灵感，将一个微粒放在纳米碳管的顶端，继续用电流进行激励。由于重量发生了改变，纳米 碳管的振动频率随之出现变化。实验人员将这种振动频率和原先的进行比较，从而测算出微 粒的重量。世界上当时最小的“秤”由此诞生了，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当 于 一 个 病 毒 的 重 量 。 也 在 这 一 年 ， 哈 佛 大 学 的 菲 力 浦 基 姆 （ Philip Kim） 博 士 和 查 尔 斯 理 伯 （Charles M. Lieber） 教授将两根碳管固定于一根斜劈形， 且两侧制 作了电极层的玻璃微管 的相应电极上，通过电
49、驱动产生两根碳管的相向合拢与背向分开的动作，从而实现慑子的功 能，被称为纳米管纳米慑子。2000 年 ， 西 班 牙 巴 塞 罗 那 大 学 克 塞 罗 斯 磁 性 材 料 实 验 室 的 荣 周 力 （ Ron Zioli） 博 士 及 其 所领导的小组发明了一种新型磁性材料， 即采用一种直径仅 8nm 的纳米微 粒嵌入固态基质中 形成了纳米复合材料。制备这种材料，首先是用氧化铁纳米微粒加入到一种甲醇基的液体聚 合物中， 然后将这种溶液冷却到 4.2K 的极低温度， 使其成为固体。 固态基体就是甲醇基聚合 物，基体中的氧化铁纳米微粒就均匀地嵌入其中，形成类似泡沫塑料的结构。其中的纳米微 粒起初无法运动，被牢牢地固定于基体之中。当在基体上加上小的磁场时，纳米微粒能脱离 基体，并在它所占据的空腔中旋转。正是由于这些纳米微粒像一个个小罗盘旋
