納米尺度的電磁現(xiàn)象1

1、納米尺度的電磁現(xiàn)象納米尺度的電磁現(xiàn)象 自然自然雜志資深編緝菲爾雜志資深編緝菲爾- -斯祖羅米表示：斯祖羅米表示：“盡盡管真正意義的微型計(jì)算機(jī)還需幾年時(shí)間才能制成，但管真正意義的微型計(jì)算機(jī)還需幾年時(shí)間才能制成，但納米技術(shù)在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用意味著今后人們的日常納米技術(shù)在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用意味著今后人們的日常生活將發(fā)生巨大的變化，裝有納米計(jì)算機(jī)芯片的電燈生活將發(fā)生巨大的變化，裝有納米計(jì)算機(jī)芯片的電燈可以完全實(shí)現(xiàn)智能化，根據(jù)居室的自然照明情況自動可以完全實(shí)現(xiàn)智能化，根據(jù)居室的自然照明情況自動調(diào)節(jié)亮度，調(diào)節(jié)亮度，?！痹谘兄萍{米計(jì)算機(jī)方面做出很大貢獻(xiàn)的研究人員在研制納米計(jì)算機(jī)方面做出很大貢獻(xiàn)的研究人員包括美

2、國哈佛大學(xué)的包括美國哈佛大學(xué)的Yu HuangYu Huang及其同事，他們研制的及其同事，他們研制的微型電線是普通電線的千分之一，可以輕松地安裝到微型電線是普通電線的千分之一，可以輕松地安裝到硅芯片上硅芯片上. . 納米技術(shù)領(lǐng)域獲得多項(xiàng)重大成果納米技術(shù)領(lǐng)域獲得多項(xiàng)重大成果 繼在繼在2000年開發(fā)出一批納米級裝置后，年開發(fā)出一批納米級裝置后，科學(xué)家今年再進(jìn)一步將這些納米裝置連接成科學(xué)家今年再進(jìn)一步將這些納米裝置連接成為可以工作的電路，這包括納米導(dǎo)線、以納為可以工作的電路，這包括納米導(dǎo)線、以納米碳管和納米導(dǎo)線為基礎(chǔ)的邏輯電路、以及米碳管和納米導(dǎo)線為基礎(chǔ)的邏輯電路、以及只使用一個(gè)分子晶體管的可計(jì)算

3、電路。分子只使用一個(gè)分子晶體管的可計(jì)算電路。分子水平計(jì)算技術(shù)的飛躍水平計(jì)算技術(shù)的飛躍 有可能為未來誕生極有可能為未來誕生極微小但極快速的分子計(jì)算機(jī)鋪平道路。微小但極快速的分子計(jì)算機(jī)鋪平道路。納米材料納米材料納米尺度的電現(xiàn)象納米尺度的電現(xiàn)象納米尺度的磁現(xiàn)象納米尺度的磁現(xiàn)象納米材料納米材料發(fā)展歷史發(fā)展歷史納米結(jié)構(gòu)單元納米結(jié)構(gòu)單元納米材料的基本特性納米材料的基本特性 諾貝爾獎(jiǎng)獲得者諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Feynman在六在六十年代曾經(jīng)預(yù)言：如果我們對物體十年代曾經(jīng)預(yù)言：如果我們對物體微小規(guī)模上的排列加以某種控制的微小規(guī)模上的排列加以某種控制的話，我們就能使物體得到大量的異話，我們就能使物體得到大量的異乎尋常

4、的特性，就會看到材料的性乎尋常的特性，就會看到材料的性能產(chǎn)生豐富的變化。能產(chǎn)生豐富的變化。 1984年德國薩爾蘭大學(xué)的年德國薩爾蘭大學(xué)的Gleiter以及美國阿貢實(shí)驗(yàn)室的以及美國阿貢實(shí)驗(yàn)室的Siegel相繼成功地制得了純物質(zhì)的納米細(xì)相繼成功地制得了純物質(zhì)的納米細(xì)粉。粉。Gleiter在高真空的條件下將粒在高真空的條件下將粒徑為徑為6nm的的Fe粒子原位加壓成形，粒子原位加壓成形，燒結(jié)得到納米微晶塊體，從而使納燒結(jié)得到納米微晶塊體，從而使納米材料進(jìn)入了一個(gè)新的階段。米材料進(jìn)入了一個(gè)新的階段。 1985年，英國年，英國Kroto等采用激光加等采用激光加熱石墨蒸發(fā)并在甲苯中形成碳的團(tuán)簇，熱石墨蒸發(fā)并

5、在甲苯中形成碳的團(tuán)簇，質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn)質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn)C60和和C70的新的譜線的新的譜線. C60具有高穩(wěn)定性的新奇結(jié)構(gòu)，它是具有高穩(wěn)定性的新奇結(jié)構(gòu)，它是由由32面體構(gòu)成，其中有面體構(gòu)成，其中有20個(gè)六邊形和個(gè)六邊形和12個(gè)五邊形所構(gòu)成個(gè)五邊形所構(gòu)成 純純C60固體是絕緣體，用堿金屬摻雜固體是絕緣體，用堿金屬摻雜之后就成為具有金屬性的導(dǎo)體，適當(dāng)?shù)闹缶统蔀榫哂薪饘傩缘膶?dǎo)體，適當(dāng)?shù)膿诫s成分可以使摻雜成分可以使C60固體成為超導(dǎo)體。固體成為超導(dǎo)體。從此，對從此，對 C60的研究熱潮應(yīng)運(yùn)而來。的研究熱潮應(yīng)運(yùn)而來。 1990年年7月在美國召開的第一屆國際納月在美國召開的第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會議，正式宣布納

6、米材料科米科學(xué)技術(shù)會議，正式宣布納米材料科學(xué)為材料科學(xué)的一個(gè)新分支。學(xué)為材料科學(xué)的一個(gè)新分支。 會上正式提出納米材料學(xué)、納米生物學(xué)會上正式提出納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米電子學(xué)和納米機(jī)械學(xué)的概念，并、納米電子學(xué)和納米機(jī)械學(xué)的概念，并決定出版決定出版納米結(jié)構(gòu)材料納米結(jié)構(gòu)材料、納米生納米生物學(xué)物學(xué)和和納米技術(shù)納米技術(shù)的正式學(xué)術(shù)刊物的正式學(xué)術(shù)刊物。 1994年在美國波士頓召開的年在美國波士頓召開的MRS秋季會議上正式提出納米材秋季會議上正式提出納米材料工程料工程 納米材料研究的基礎(chǔ)上通過納米納米材料研究的基礎(chǔ)上通過納米合成、納米添加發(fā)展新型的納米材料合成、納米添加發(fā)展新型的納米材料. 現(xiàn)在，人們關(guān)注

7、納米尺度顆粒、現(xiàn)在，人們關(guān)注納米尺度顆粒、原子團(tuán)簇、納米絲、納米棒、納米原子團(tuán)簇、納米絲、納米棒、納米管、納米電纜和納米組裝體系。管、納米電纜和納米組裝體系。 納米組裝體系是以納米顆粒、納納米組裝體系是以納米顆粒、納米絲或納米管為基本單元在一維、米絲或納米管為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納二維和三維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系，如人造超原子體系、米結(jié)構(gòu)的體系，如人造超原子體系、介孔組裝體系、有序陣列等。介孔組裝體系、有序陣列等。C納米管納米管和和C60球球H2原子和C納米管多層C納米管C納米索線納米索線納米多層管納米多層管C腳手架腳手架C60晶體管晶體管納米變阻箱納米變阻箱

8、 第一階段（第一階段（19901990年以前）年以前） 主要是在實(shí)驗(yàn)室探索用各種手段制備各主要是在實(shí)驗(yàn)室探索用各種手段制備各種材料的納米顆粒粉體，合成塊體（包括種材料的納米顆粒粉體，合成塊體（包括薄膜），研究評估表征的方法，探索納米薄膜），研究評估表征的方法，探索納米材料不同于常規(guī)材料的特殊性能。對納米材料不同于常規(guī)材料的特殊性能。對納米顆粒和納米塊體材料結(jié)構(gòu)的研究在顆粒和納米塊體材料結(jié)構(gòu)的研究在80年代年代末期一度形成熱潮。研究的對象一般局限末期一度形成熱潮。研究的對象一般局限在單一材料和單相材料，國際上通常把這在單一材料和單相材料，國際上通常把這類納米材料稱納米晶或納米相材料。類納米材料稱

9、納米晶或納米相材料。 第二階段（第二階段（19941994年前）年前） 人們關(guān)注的熱點(diǎn)是如何利用納米材料人們關(guān)注的熱點(diǎn)是如何利用納米材料已挖掘出來的奇特物理、化學(xué)和力學(xué)性能，已挖掘出來的奇特物理、化學(xué)和力學(xué)性能，設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料，通常采用納米微粒與設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料，通常采用納米微粒與納米微粒復(fù)合，納米微粒與常規(guī)塊體復(fù)合納米微粒復(fù)合，納米微粒與常規(guī)塊體復(fù)合及發(fā)展復(fù)合材料的合成及物性的探索一度及發(fā)展復(fù)合材料的合成及物性的探索一度成為納米材料研究的主導(dǎo)方向。成為納米材料研究的主導(dǎo)方向。 第三階段（從第三階段（從19941994年到現(xiàn)在）年到現(xiàn)在） 納米組裝體系、人工組裝合成的納米納米組裝體系、人工組

10、裝合成的納米結(jié)構(gòu)的材料體系越來越受到人們的關(guān)注，結(jié)構(gòu)的材料體系越來越受到人們的關(guān)注，正在成為納米材料研究的新的熱點(diǎn)。正在成為納米材料研究的新的熱點(diǎn)。 構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)塊體、薄膜、多層膜以及納構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)塊體、薄膜、多層膜以及納米結(jié)構(gòu)的基本單元有下述幾種米結(jié)構(gòu)的基本單元有下述幾種： 團(tuán)簇團(tuán)簇 原子團(tuán)簇是一類新發(fā)現(xiàn)的化學(xué)物種，是在原子團(tuán)簇是一類新發(fā)現(xiàn)的化學(xué)物種，是在20世紀(jì)世紀(jì)80年代才出現(xiàn)的，原子團(tuán)簇是指幾個(gè)至幾年代才出現(xiàn)的，原子團(tuán)簇是指幾個(gè)至幾百個(gè)原子的聚集體（粒徑小于或等于百個(gè)原子的聚集體（粒徑小于或等于 1nm），），如如Fen，CunSm，CnHm和碳簇（和碳簇（C60, C70和富勒烯和富

11、勒烯等）等。等）等。 絕大多數(shù)原子團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)不清楚，但已知有絕大多數(shù)原子團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)不清楚，但已知有線狀、層狀、管狀、洋蔥狀、骨架狀、球狀等線狀、層狀、管狀、洋蔥狀、骨架狀、球狀等等等MgH2 塊體塊體鯡骨狀鯡骨狀軌道狀軌道狀層狀層狀Cu分形狀分形狀多孔狀多孔狀A(yù)u-足球狀足球狀洋蔥狀洋蔥狀 納米微粒 納米微粒是指顆粒尺寸為納米量級的超細(xì)微粒，它的尺度大于原子簇，小于通常的微粉通常，把僅包含幾個(gè)到數(shù)百個(gè)原子或尺度小于1nm的粒子稱為“簇”，它是介于單個(gè)原子與固態(tài)之間的原子集合體。納米微粒一般在 1100nm之間，有人稱它為超微粒子。納米微粒是肉眼和一般顯微鏡看不見的微小粒子。 日本名古屋大學(xué)上田

12、良二給納米微粒下了一個(gè)定義：用電子顯微鏡（用電子顯微鏡（TIM）能看到的微粒稱為納米微粒。能看到的微粒稱為納米微粒。 145個(gè)原子組成的1.9 nm 的半導(dǎo)體納米顆粒 人造原子 人造原子（artificial atoms）有時(shí)稱為量子點(diǎn)，所謂人造原子是由一定數(shù)量的實(shí)際原子組成的聚集體，它們的尺寸小于100nm。 從維數(shù)來看，包括準(zhǔn)零維的量子點(diǎn)、準(zhǔn)一維的量子棒和準(zhǔn)二維的量子圓盤，甚至把100nm左右的量子器件也看成人造原子。 人造原子與真正原子的差別人造原子與真正原子的差別： 人造原子含有一定數(shù)量的真正原子；人造原子含有一定數(shù)量的真正原子； 人造原子的形狀和對稱性是多種多樣，真正的原人造原子的形

13、狀和對稱性是多種多樣，真正的原子可以用簡單的球形和立方形來描述，而人造原子可以用簡單的球形和立方形來描述，而人造原子不局限于這些簡單的形狀，除了高對稱性的量子不局限于這些簡單的形狀，除了高對稱性的量子點(diǎn)外，尺寸小于子點(diǎn)外，尺寸小于100nm的低對稱性復(fù)雜形狀的的低對稱性復(fù)雜形狀的微小體系都可以稱為人造原子；微小體系都可以稱為人造原子； 人造原子電子間強(qiáng)交互作用比實(shí)際原子復(fù)雜得多；人造原子電子間強(qiáng)交互作用比實(shí)際原子復(fù)雜得多； 實(shí)際原子中電子受原子核吸引作軌道運(yùn)動，而人實(shí)際原子中電子受原子核吸引作軌道運(yùn)動，而人造原子中電子是處于拋物線形的勢阱中。造原子中電子是處于拋物線形的勢阱中。 納米管、納米棒

14、、納米絲和同軸納米電纜納米管、納米棒、納米絲和同軸納米電纜 早在早在 1970年法國的奧林大學(xué)（年法國的奧林大學(xué)（University of Orleans）的）的 Endo首次用氣相生長技術(shù)制成了直徑首次用氣相生長技術(shù)制成了直徑為為7nm的碳纖維，遺憾的是，他沒有對這些碳纖維的碳纖維，遺憾的是，他沒有對這些碳纖維的結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致地評估和表征。的結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致地評估和表征。 1991年，美國海軍實(shí)驗(yàn)室一個(gè)研究組提交一篇年，美國海軍實(shí)驗(yàn)室一個(gè)研究組提交一篇理論性文章，預(yù)計(jì)了一種碳納米管的電子結(jié)構(gòu)，但理論性文章，預(yù)計(jì)了一種碳納米管的電子結(jié)構(gòu)，但當(dāng)時(shí)認(rèn)為近期內(nèi)不可能合成碳納米管。當(dāng)時(shí)認(rèn)為近期內(nèi)不可能合成

15、碳納米管。 同年同月日本同年同月日本NEC公司飯島等發(fā)現(xiàn)納米碳管，公司飯島等發(fā)現(xiàn)納米碳管，立刻引起了許多科技領(lǐng)域的科學(xué)家們極大關(guān)注。立刻引起了許多科技領(lǐng)域的科學(xué)家們極大關(guān)注。 1996年，美國著名的諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者斯莫利年，美國著名的諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者斯莫利（Smalley）等合成了成行排列的單壁碳納米管束，）等合成了成行排列的單壁碳納米管束，每一束中含有許多碳納米管，這些碳納米管的直徑每一束中含有許多碳納米管，這些碳納米管的直徑分布很窄分布很窄1991年日本年日本NEC公司公司飯島等發(fā)現(xiàn)納米碳管，飯島等發(fā)現(xiàn)納米碳管，立刻引起了許多科技立刻引起了許多科技領(lǐng)域的科學(xué)家們極大領(lǐng)域的科學(xué)家們極大關(guān)注關(guān)

16、注 Nature (1991) 碳納米管是由多個(gè)碳納米管是由多個(gè)碳原子六方點(diǎn)陣的同軸碳原子六方點(diǎn)陣的同軸圓柱面套構(gòu)而成的空心圓柱面套構(gòu)而成的空心小管，其中石墨層可以小管，其中石墨層可以因卷曲方式不同而具有因卷曲方式不同而具有手性。碳納米管的直徑手性。碳納米管的直徑一般為幾納米至幾十納一般為幾納米至幾十納米，長度為幾至幾十微米，長度為幾至幾十微米。米。 碳納米管可以因直徑碳納米管可以因直徑或手性的不同而呈現(xiàn)很或手性的不同而呈現(xiàn)很好的金屬導(dǎo)電性或半導(dǎo)好的金屬導(dǎo)電性或半導(dǎo)體性。體性。 具有極好的可彎折性具有極好的可彎折性具有極好的可扭曲性具有極好的可扭曲性碳納米管可以制作成兩維數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)碳納米管可

17、以制作成兩維數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng) (1015 bytes/cm2 compared to the current state of the 108 bytes/cm2) .l。 碳納米管的強(qiáng)度比鋼高100多倍，楊氏模量估計(jì)可高達(dá)5 TPa， 這是目前可制備出的具有最高比強(qiáng)度的材料，而比重卻只有鋼的1/6；同時(shí)碳納米管還具有極高的韌性，十分柔軟。它被認(rèn)為是未來的 “超級纖維”，是復(fù)合材料中極好的加強(qiáng)材料。Another long single carbon nanotube (multiwalled carbon nanotube) attached to 4 gold contacts from ab

18、ove. This time, the inner two contacts are spaced by more than 1 micrometer. 納米棒、納米絲和納米線納米棒、納米絲和納米線 準(zhǔn)一維實(shí)心的納米材料是指在兩維方向上為納米尺度，長度比上述兩維方向上的尺度大得多，甚至為宏觀量的新型納米材料 縱橫比（長度與直徑的比率）小的稱為納米棒，縱橫比大的稱作納米絲至今，關(guān)于納米棒與納米絲之間并沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，通常把長度小于 1mm的納米絲稱為納米棒，長度大于 1mm的稱為納米絲線半導(dǎo)體和金屬納米線通常稱為量子線納米棒納米棒氮化硅納米絲SANDWICHMicroscopy method

19、s reveal abrupt interfaces in an InAs/InP (green and orange, respectively) nanowire Au nanocontacts The pictures show two different examples of final configurations just before rupture of the contact.人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)的體系人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)的體系納米齒輪納米齒輪T形和形和Y形結(jié)形結(jié)宏觀量子隧道效應(yīng)小尺寸效應(yīng)小尺寸效應(yīng)表面效應(yīng)表面效應(yīng)l 電子具有粒子性又具有波動性，因此存在隧道效電子具有粒

20、子性又具有波動性，因此存在隧道效應(yīng)。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀物理量，如微顆應(yīng)。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀物理量，如微顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量等亦顯磁通量等亦顯示出隧道效應(yīng)示出隧道效應(yīng)，稱之為宏觀的量子隧道效應(yīng)。，稱之為宏觀的量子隧道效應(yīng)。l量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)將會是未來微量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)將會是未來微電子、光電子器件的基礎(chǔ)，或者它確立了現(xiàn)存微電子、光電子器件的基礎(chǔ)，或者它確立了現(xiàn)存微電子器件進(jìn)一步微型化的極限，當(dāng)微電子器件進(jìn)電子器件進(jìn)一步微型化的極限，當(dāng)微電子器件進(jìn)一步微型化時(shí)必須要考慮上述的量子效應(yīng)。一步微型化時(shí)必須要考慮上述的

21、量子效應(yīng)。l例如，在制造半導(dǎo)體集成電路時(shí)，當(dāng)電路的尺寸例如，在制造半導(dǎo)體集成電路時(shí)，當(dāng)電路的尺寸接近電子波長時(shí)，電子就通過隧道效應(yīng)而溢出器接近電子波長時(shí)，電子就通過隧道效應(yīng)而溢出器件，使器件無法正常工作，經(jīng)典電路的極限尺寸件，使器件無法正常工作，經(jīng)典電路的極限尺寸大概在大概在025微米。目前研制的量子共振隧穿晶體微米。目前研制的量子共振隧穿晶體管就是利用量子效應(yīng)制成的新一代器件。管就是利用量子效應(yīng)制成的新一代器件。l介于原子、分子與大塊固體之間的納米顆粒，大介于原子、分子與大塊固體之間的納米顆粒，大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級；能級塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級；能級間的間距隨顆

22、粒尺寸減小而增大。當(dāng)熱能、電場間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當(dāng)熱能、電場能或者磁場能比平均的能級間距還小時(shí)，就會呈能或者磁場能比平均的能級間距還小時(shí)，就會呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子尺寸效應(yīng)。為量子尺寸效應(yīng)。 l 例如，導(dǎo)電的金屬在超微顆粒時(shí)可以變成絕例如，導(dǎo)電的金屬在超微顆粒時(shí)可以變成絕緣體，磁矩的大小和顆粒中電子是奇數(shù)還是偶數(shù)緣體，磁矩的大小和顆粒中電子是奇數(shù)還是偶數(shù)有關(guān)，比熱亦會反常變化，光譜線會產(chǎn)生向短波有關(guān)，比熱亦會反常變化，光譜線會產(chǎn)生向短波長方向的移動，這就是量子尺寸效應(yīng)的宏觀表現(xiàn)。長方向的移動，這就是量子尺寸效應(yīng)的

23、宏觀表現(xiàn)。因此，對超微顆粒在低溫條件下必須考慮量子效因此，對超微顆粒在低溫條件下必須考慮量子效應(yīng)，原有宏觀規(guī)律已不再成立。應(yīng)，原有宏觀規(guī)律已不再成立。 隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性性質(zhì)的質(zhì)變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。 特殊的光學(xué)性質(zhì)特殊的光學(xué)性質(zhì) 當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長的尺寸時(shí)，即失去當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長的尺寸時(shí)，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實(shí)上，所有的金屬在了原有的富貴光澤而呈黑色。事實(shí)上，所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈

24、現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色愈黑，超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色愈黑，銀白色的鉑（白金）變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。由銀白色的鉑（白金）變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。由此可見，金屬超微顆粒對光的反射率很低，通?？傻痛丝梢?，金屬超微顆粒對光的反射率很低，通?？傻陀谟趌，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個(gè)特，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個(gè)特性可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可以高性可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。此外又有可能?yīng)效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。此外又有可能?yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等

25、。 特殊的熱學(xué)性質(zhì)特殊的熱學(xué)性質(zhì) 固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時(shí)，其熔點(diǎn)是固定的，固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時(shí)，其熔點(diǎn)是固定的，超細(xì)微化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點(diǎn)將顯著降低，當(dāng)顆粒小于超細(xì)微化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點(diǎn)將顯著降低，當(dāng)顆粒小于10納米量級時(shí)尤為顯著。納米量級時(shí)尤為顯著。 例如，金的常規(guī)熔點(diǎn)為例如，金的常規(guī)熔點(diǎn)為1064，當(dāng)顆粒尺寸減小，當(dāng)顆粒尺寸減小到到10納米尺寸時(shí)，則降低納米尺寸時(shí)，則降低27，2納米尺寸時(shí)的熔點(diǎn)納米尺寸時(shí)的熔點(diǎn)僅為僅為327左右；銀的常規(guī)熔點(diǎn)為左右；銀的常規(guī)熔點(diǎn)為670，而超微銀顆，而超微銀顆粒的熔點(diǎn)可低于粒的熔點(diǎn)可低于100。 因此，超細(xì)銀粉制成的導(dǎo)電漿料可以進(jìn)行低溫?zé)虼?，超?xì)銀粉制

26、成的導(dǎo)電漿料可以進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)，此時(shí)元件的基片不必采用耐高溫的陶瓷材料，甚結(jié)，此時(shí)元件的基片不必采用耐高溫的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超細(xì)銀粉漿料，可使膜厚均勻，覆至可用塑料。采用超細(xì)銀粉漿料，可使膜厚均勻，覆蓋面積大，既省料又具高質(zhì)量。超微顆粒熔點(diǎn)下降的蓋面積大，既省料又具高質(zhì)量。超微顆粒熔點(diǎn)下降的性質(zhì)對粉末冶金工業(yè)具有一定的吸引力。例如，在鎢性質(zhì)對粉末冶金工業(yè)具有一定的吸引力。例如，在鎢顆粒中附加顆粒中附加0.10.5重量比的超微鎳顆粒后，可重量比的超微鎳顆粒后，可使燒結(jié)溫度從使燒結(jié)溫度從3000降低到降低到12001300，以致可在，以致可在較低的溫度下燒制成大功率半導(dǎo)體管的基片。較低的

27、溫度下燒制成大功率半導(dǎo)體管的基片。l 特殊的磁學(xué)性質(zhì)特殊的磁學(xué)性質(zhì) l 人們發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及人們發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細(xì)菌等生物體中存在超生活在水中的趨磁細(xì)菌等生物體中存在超微的磁性顆粒，使這類生物在地磁場導(dǎo)航微的磁性顆粒，使這類生物在地磁場導(dǎo)航下能辨別方向，具有回歸的本領(lǐng)。磁性超下能辨別方向，具有回歸的本領(lǐng)。磁性超微顆粒實(shí)質(zhì)上是一個(gè)生物磁羅盤，生活在微顆粒實(shí)質(zhì)上是一個(gè)生物磁羅盤，生活在水中的趨磁細(xì)菌依靠它游向營養(yǎng)豐富的水水中的趨磁細(xì)菌依靠它游向營養(yǎng)豐富的水底。通過電子顯微鏡的研究表明，在趨磁底。通過電子顯微鏡的研究表明，在趨磁細(xì)菌體內(nèi)通常含有直徑約為細(xì)菌

28、體內(nèi)通常含有直徑約為 210-2微米的微米的磁性氧化物顆粒。磁性氧化物顆粒。 小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同，小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同，大塊的純鐵矯頑力約為大塊的純鐵矯頑力約為 80安米，而當(dāng)顆粒尺寸安米，而當(dāng)顆粒尺寸減小到減小到 210-2微米以下時(shí)，其矯頑力可增加微米以下時(shí)，其矯頑力可增加1千千倍，若進(jìn)一步減小其尺寸，大約小于倍，若進(jìn)一步減小其尺寸，大約小于 610-3微米微米時(shí)，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。時(shí)，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已作成利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已作成高貯存密度的磁記錄磁粉

29、，大量應(yīng)用于磁帶、磁高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙等。利用超順磁性，人們盤、磁卡以及磁性鑰匙等。利用超順磁性，人們已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。l 特殊的力學(xué)性質(zhì)特殊的力學(xué)性質(zhì) 陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由納米超陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。因?yàn)榧{米材料具有大的界面，界面的原子排列是因?yàn)榧{米材料具有大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，

30、因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與一定的延展性，使移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學(xué)性質(zhì)。美國學(xué)者報(bào)道氟陶瓷材料具有新奇的力學(xué)性質(zhì)。美國學(xué)者報(bào)道氟化鈣納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂?；}納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。研究表明，人的牙齒之所以具有很高的強(qiáng)度，是研究表明，人的牙齒之所以具有很高的強(qiáng)度，是因?yàn)樗怯闪姿徕}等納米材料構(gòu)成的。呈納米晶因?yàn)樗怯闪姿徕}等納米材料構(gòu)成的。呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬35倍。至于倍。至于金屬一陶瓷等復(fù)合納米材料則可在更大的范圍內(nèi)金屬一陶瓷等復(fù)合納米材料則可在更大的范圍內(nèi)改變材料的力學(xué)性

31、質(zhì)，其應(yīng)用前景十分寬廣。改變材料的力學(xué)性質(zhì)，其應(yīng)用前景十分寬廣。 超微顆粒的小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在超導(dǎo)電性、介超微顆粒的小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在超導(dǎo)電性、介電性能、聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等方面。電性能、聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等方面。 球形顆粒的表面積與直徑的平方成正比，球形顆粒的表面積與直徑的平方成正比，其體積與直徑的立方成正比，故其比表面積其體積與直徑的立方成正比，故其比表面積（表面積體積）與直徑成反比。隨著顆粒直（表面積體積）與直徑成反比。隨著顆粒直徑變小，比表面積將會顯著增大，說明表面原徑變小，比表面積將會顯著增大，說明表面原子所占的百分?jǐn)?shù)將會顯著地增加。對直徑大于子所占的百分?jǐn)?shù)將會顯著地增加。對直徑

32、大于 0.1微米的顆粒表面效應(yīng)可忽略不計(jì)，當(dāng)尺寸小微米的顆粒表面效應(yīng)可忽略不計(jì)，當(dāng)尺寸小于于 0.1微米時(shí)，其表面原子百分?jǐn)?shù)激劇增長，甚微米時(shí)，其表面原子百分?jǐn)?shù)激劇增長，甚至至1克超微顆粒表面積的總和可高達(dá)克超微顆粒表面積的總和可高達(dá)100米米2，這，這時(shí)的表面效應(yīng)將不容忽略。時(shí)的表面效應(yīng)將不容忽略。 超微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分超微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分不同的，若用高倍率電子顯微鏡對金超微顆不同的，若用高倍率電子顯微鏡對金超微顆粒進(jìn)行電視攝像，實(shí)時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)這些顆粒沒粒進(jìn)行電視攝像，實(shí)時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)這些顆粒沒有固定的形態(tài)，隨著時(shí)間的變化會自動形成有固定的形態(tài)，隨著時(shí)間的變化會自動

33、形成各種形狀（如立方八面體，十面體，二十面各種形狀（如立方八面體，十面體，二十面體多晶等），它既不同于一般固體，又不同體多晶等），它既不同于一般固體，又不同于液體，是一種準(zhǔn)固體。在電子顯微鏡的電于液體，是一種準(zhǔn)固體。在電子顯微鏡的電子束照射下，表面原子仿佛進(jìn)入了子束照射下，表面原子仿佛進(jìn)入了“沸騰沸騰”狀態(tài)，尺寸大于狀態(tài)，尺寸大于10納米后才看不到這種顆粒納米后才看不到這種顆粒結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，這時(shí)微顆粒具有穩(wěn)定的結(jié)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，這時(shí)微顆粒具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。構(gòu)狀態(tài)。 超微顆粒的表面具有很高的活性，超微顆粒的表面具有很高的活性，在空氣中金屬顆粒會迅速氧化而燃燒。在空氣中金屬顆粒會迅速氧化而燃燒

34、。如要防止自燃，可采用表面包覆或有意如要防止自燃，可采用表面包覆或有意識地控制氧化速率，使其緩慢氧化生成識地控制氧化速率，使其緩慢氧化生成一層極薄而致密的氧化層，確保表面穩(wěn)一層極薄而致密的氧化層，確保表面穩(wěn)定化。利用表面活性，金屬超微顆粒可定化。利用表面活性，金屬超微顆粒可望成為新一代的高效催化劑和貯氣材料望成為新一代的高效催化劑和貯氣材料以及低熔點(diǎn)材料。以及低熔點(diǎn)材料?；倦娞匦曰倦娞匦詭靵龆氯麕靵龆氯孔狱c(diǎn)量子點(diǎn)納米電子學(xué)納米電子學(xué)納米晶體管納米晶體管信息產(chǎn)業(yè)信息產(chǎn)業(yè)單電子單電子 器件器件磁電子磁電子 器件器件過濾器過濾器截止器截止器諧振器諧振器微電容微電容微電極微電極自旋電自旋電子器件

35、子器件共振隧共振隧穿器件穿器件光電子光電子 器件器件巨磁電巨磁電阻器件阻器件量子點(diǎn)和分量子點(diǎn)和分子電子器件子電子器件納米結(jié)構(gòu)器納米結(jié)構(gòu)器件納米加工件納米加工 納米技術(shù)納米技術(shù)新工業(yè)革命的主導(dǎo)技術(shù)新工業(yè)革命的主導(dǎo)技術(shù)高集成、高空間分辨率，存儲密度：高集成、高空間分辨率，存儲密度：1000GB 計(jì)算速度提高計(jì)算速度提高1001000倍、功率增加倍、功率增加1000倍倍，能耗降低一百萬倍，芯片尺寸降低，能耗降低一百萬倍，芯片尺寸降低1001000倍倍電導(dǎo)電導(dǎo)介電特性介電特性壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)電導(dǎo)是常規(guī)金屬和合金材料一個(gè)重要的性電導(dǎo)是常規(guī)金屬和合金材料一個(gè)重要的性質(zhì)納米材料的出現(xiàn)，人們對電導(dǎo)（電阻）的研

36、究質(zhì)納米材料的出現(xiàn)，人們對電導(dǎo)（電阻）的研究又進(jìn)入了一個(gè)新的層次由于納米構(gòu)中龐大體積百又進(jìn)入了一個(gè)新的層次由于納米構(gòu)中龐大體積百分?jǐn)?shù)的界面使平移周期在一定范圍內(nèi)遭到嚴(yán)重的破分?jǐn)?shù)的界面使平移周期在一定范圍內(nèi)遭到嚴(yán)重的破壞顆粒尺寸愈小，電子平均自由程愈短，這種材壞顆粒尺寸愈小，電子平均自由程愈短，這種材料偏移理想周期場就愈嚴(yán)重，這就帶來了一系列的料偏移理想周期場就愈嚴(yán)重，這就帶來了一系列的問題：問題：（i）納米金屬和合金與常規(guī)材料金屬與合金電）納米金屬和合金與常規(guī)材料金屬與合金電 導(dǎo)（電阻）行為是否相同導(dǎo)（電阻）行為是否相同?（ii）納米材料電導(dǎo)（電阻）與溫度的關(guān)系有什）納米材料電導(dǎo)（電阻）與溫度

37、的關(guān)系有什 么差別么差別?（iii）電子在納米結(jié)構(gòu)體系中的運(yùn)動和散射有什）電子在納米結(jié)構(gòu)體系中的運(yùn)動和散射有什 么新的特點(diǎn)么新的特點(diǎn)?Gleiter等對納米金屬等對納米金屬Cu，Pd，F(xiàn)e塊體的電塊體的電阻與溫度關(guān)系，電阻溫度系數(shù)與顆粒尺寸的關(guān)阻與溫度關(guān)系，電阻溫度系數(shù)與顆粒尺寸的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)的研究表明：隨顆粒尺寸減小，系進(jìn)行了系統(tǒng)的研究表明：隨顆粒尺寸減小，電阻溫度系數(shù)下降，與常規(guī)粗晶基本相似其電阻溫度系數(shù)下降，與常規(guī)粗晶基本相似其差別在于納米材料的電阻高于常規(guī)材料，電阻差別在于納米材料的電阻高于常規(guī)材料，電阻溫度系數(shù)強(qiáng)烈依賴于晶粒尺寸當(dāng)顆粒小于某溫度系數(shù)強(qiáng)烈依賴于晶粒尺寸當(dāng)顆粒小于某一臨

38、界尺寸（電子平均自由程）時(shí)，電阻溫度一臨界尺寸（電子平均自由程）時(shí)，電阻溫度系數(shù)可能由正變負(fù)。系數(shù)可能由正變負(fù)。例如，納米銀細(xì)粒徑和構(gòu)成粒子的晶粒直徑分別減小至等于或小于18nm和11nm時(shí)， 室溫以下的電阻隨溫度上升呈線性下降，即電阻溫度系數(shù)a由正變負(fù)。 介電特性是材料的基本物性介電特性是材料的基本物性, 電介質(zhì)材料中電介質(zhì)材料中介電常數(shù)和介電耗損是最重要的物理特性介電常數(shù)和介電耗損是最重要的物理特性. 常規(guī)材料的極化都與結(jié)構(gòu)的有序相聯(lián)系，而常規(guī)材料的極化都與結(jié)構(gòu)的有序相聯(lián)系，而納米材料在結(jié)構(gòu)上與常規(guī)粗晶材料存在很大的差納米材料在結(jié)構(gòu)上與常規(guī)粗晶材料存在很大的差別它的介電行為（介電常數(shù)、介電

39、損耗）有自別它的介電行為（介電常數(shù)、介電損耗）有自己的特點(diǎn)。主要表現(xiàn)在介電常數(shù)和介電損耗與顆己的特點(diǎn)。主要表現(xiàn)在介電常數(shù)和介電損耗與顆粒尺寸有很強(qiáng)的依賴關(guān)系。電場頻率對介電行為粒尺寸有很強(qiáng)的依賴關(guān)系。電場頻率對介電行為有極強(qiáng)的影響。有極強(qiáng)的影響。 目前，對于不同粒徑的納米非晶氨化硅、納目前，對于不同粒徑的納米非晶氨化硅、納米米 a aA12O3、納米、納米TiO2銳鈦礦、金紅石和納米銳鈦礦、金紅石和納米 Si塊材的介電行為的研究已獲得了一些結(jié)果，歸塊材的介電行為的研究已獲得了一些結(jié)果，歸納起來有以下幾點(diǎn)：納起來有以下幾點(diǎn)： （1）納米材料的介電常數(shù)）納米材料的介電常數(shù)e e或相對介電常數(shù)或相對

40、介電常數(shù)e er隨測量頻率減小呈明顯的上升趨勢。隨測量頻率減小呈明顯的上升趨勢。 （3）納米）納米a aA12O3塊體的介電損耗頻率譜上出現(xiàn)塊體的介電損耗頻率譜上出現(xiàn)一個(gè)損耗峰損耗峰的峰位隨粒徑增大移向高頻。一個(gè)損耗峰損耗峰的峰位隨粒徑增大移向高頻。7nm27nm84nm258nm 某些晶體受到機(jī)械作用（應(yīng)力或應(yīng)變）在其某些晶體受到機(jī)械作用（應(yīng)力或應(yīng)變）在其兩端出現(xiàn)符號相反束縛電荷的現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。兩端出現(xiàn)符號相反束縛電荷的現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的物體稱為壓電體。具有壓電效應(yīng)的物體稱為壓電體。 早在早在1894年，年，Voigt就指出，在就指出，在 32種點(diǎn)群的種點(diǎn)群的晶體中，僅有晶體中

41、，僅有 20種非中心對稱點(diǎn)群的晶體才可種非中心對稱點(diǎn)群的晶體才可能具有壓電效應(yīng)，但至今壓電性的微觀理論研能具有壓電效應(yīng)，但至今壓電性的微觀理論研究方面還存在許多問題，無法與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，究方面還存在許多問題，無法與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致， 但壓電效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是由晶體介質(zhì)極化引起。但壓電效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是由晶體介質(zhì)極化引起。 我國科技工作在我國科技工作在 LICVD納米非晶氨化硅塊納米非晶氨化硅塊體上觀察到強(qiáng)的壓電效應(yīng)，并指出制備塊狀試體上觀察到強(qiáng)的壓電效應(yīng)，并指出制備塊狀試樣條件對壓電常數(shù)的影響相大。壓強(qiáng)為樣條件對壓電常數(shù)的影響相大。壓強(qiáng)為60MPa的納米非晶氮化硅試樣具有最高的壓電的納米非晶氮化硅試樣具有最高

42、的壓電常數(shù)。常數(shù)。 庫侖堵塞效應(yīng)是庫侖堵塞效應(yīng)是20世紀(jì)世紀(jì)80年代介觀領(lǐng)域所發(fā)年代介觀領(lǐng)域所發(fā)現(xiàn)的極其重要的物理現(xiàn)象之一當(dāng)體系的尺度進(jìn)現(xiàn)的極其重要的物理現(xiàn)象之一當(dāng)體系的尺度進(jìn)入到納米級，體系是電荷入到納米級，體系是電荷“量子化量子化”的，即充電的，即充電和放電過程是不連續(xù)的，充入一個(gè)電子所需的能和放電過程是不連續(xù)的，充入一個(gè)電子所需的能量量Ec 為為e2/2C，體系越小，體系越小，C越小，能量越大。這越小，能量越大。這個(gè)能量稱為庫侖堵塞能。個(gè)能量稱為庫侖堵塞能。 換句話說，庫侖堵塞能是前一個(gè)電子對后一換句話說，庫侖堵塞能是前一個(gè)電子對后一個(gè)電子的庫侖排斥能，這就導(dǎo)致了對一個(gè)小體系個(gè)電子的庫侖

43、排斥能，這就導(dǎo)致了對一個(gè)小體系的充放電過程，電子不能集體傳輸，而是一個(gè)一的充放電過程，電子不能集體傳輸，而是一個(gè)一個(gè)單電子的傳輸通常把小體系這種單電子輸運(yùn)個(gè)單電子的傳輸通常把小體系這種單電子輸運(yùn)行為稱庫侖堵塞效應(yīng)。行為稱庫侖堵塞效應(yīng)。 當(dāng)電極電壓低于閾值時(shí)當(dāng)電極電壓低于閾值時(shí),電子傳輸過程不能發(fā)生電子傳輸過程不能發(fā)生,當(dāng)電壓大于該值時(shí)當(dāng)電壓大于該值時(shí),充電充電過程可以發(fā)生過程可以發(fā)生. 庫侖阻塞的震蕩特征庫侖阻塞的震蕩特征, 可應(yīng)用于開關(guān)電路可應(yīng)用于開關(guān)電路 如果兩個(gè)量子點(diǎn)通過一個(gè)如果兩個(gè)量子點(diǎn)通過一個(gè)“結(jié)結(jié)”連接起來，連接起來，一個(gè)量子點(diǎn)上的單個(gè)電子穿過能壘到到另一個(gè)量一個(gè)量子點(diǎn)上的單個(gè)電子

44、穿過能壘到到另一個(gè)量子點(diǎn)上的行為稱作量子隧穿為了使單電子從一子點(diǎn)上的行為稱作量子隧穿為了使單電子從一個(gè)量子點(diǎn)隧穿到另一個(gè)量子點(diǎn)，在一個(gè)量子點(diǎn)上個(gè)量子點(diǎn)隧穿到另一個(gè)量子點(diǎn)，在一個(gè)量子點(diǎn)上所加的電壓必須克服所加的電壓必須克服 Ec，即，即V eC、通常，、通常，庫侖堵塞和量子隧穿都是在極低溫度情況下觀察庫侖堵塞和量子隧穿都是在極低溫度情況下觀察到的，觀察到的條件是（到的，觀察到的條件是（ e2/2C） kBT。 有人已作了估計(jì)，如果量子點(diǎn)的尺寸為有人已作了估計(jì)，如果量子點(diǎn)的尺寸為1nm左右，我們可以在室溫下觀察到上述效應(yīng)當(dāng)量左右，我們可以在室溫下觀察到上述效應(yīng)當(dāng)量子點(diǎn)尺寸在十幾納米范圍，觀察上述效

45、應(yīng)必須在子點(diǎn)尺寸在十幾納米范圍，觀察上述效應(yīng)必須在液氮溫度下原因很容易理解，體系的尺寸越小，液氮溫度下原因很容易理解，體系的尺寸越小，電容電容 C越小，越小， e2/2C就越大，這就允許我們在較就越大，這就允許我們在較高溫度下進(jìn)行觀察利用庫侖堵塞和量子隧穿效高溫度下進(jìn)行觀察利用庫侖堵塞和量子隧穿效應(yīng)可以設(shè)計(jì)下一代的納米結(jié)構(gòu)器件，如單電子晶應(yīng)可以設(shè)計(jì)下一代的納米結(jié)構(gòu)器件，如單電子晶體管和量子開關(guān)等。體管和量子開關(guān)等。 l l l 研究者使用有機(jī)分子和一種化學(xué)自組裝流程顯著研究者使用有機(jī)分子和一種化學(xué)自組裝流程顯著縮小了晶體管的體積，研制出了直徑僅為縮小了晶體管的體積，研制出了直徑僅為1到到2納米

46、納米的晶體管。的晶體管。利用這種技術(shù)，未來的計(jì)算機(jī)芯片還可以大幅利用這種技術(shù)，未來的計(jì)算機(jī)芯片還可以大幅縮小，否則的話由于芯片體積越來越小，上面可以縮小，否則的話由于芯片體積越來越小，上面可以安裝的晶體管數(shù)量將極其有限，從而阻礙芯片行業(yè)安裝的晶體管數(shù)量將極其有限，從而阻礙芯片行業(yè)在未來在未來10到到15年的發(fā)展。年的發(fā)展。芯片上能夠安裝的晶體管數(shù)量越多，芯片傳輸芯片上能夠安裝的晶體管數(shù)量越多，芯片傳輸信息的速度就會越快，因此納米晶體管的問世將對信息的速度就會越快，因此納米晶體管的問世將對芯片產(chǎn)業(yè)起到革命性的意義。這些科學(xué)家在研究中芯片產(chǎn)業(yè)起到革命性的意義。這些科學(xué)家在研究中使用了名為使用了名為

47、“硫醇硫醇”的有機(jī)分子，他們表示這種分的有機(jī)分子，他們表示這種分子在電流的控制和增容方面具有突出的效力。而且，子在電流的控制和增容方面具有突出的效力。而且，這些分子還可以自行組裝，從而將各個(gè)導(dǎo)電器件連這些分子還可以自行組裝，從而將各個(gè)導(dǎo)電器件連為一體。為一體。 Nano-transistor （納米晶體管）（納米晶體管）納米碳管晶體管納米碳管晶體管 只需一個(gè)電子就可實(shí)現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)只需一個(gè)電子就可實(shí)現(xiàn)開關(guān)狀態(tài) 2001年7月6日出版的美國科學(xué)周刊報(bào)道，荷蘭研究人員制造出的這種晶體管是首個(gè)能在室溫下有效工作的單電子納米碳管晶體管。他們使用一個(gè)單獨(dú)的納米碳管為原材料，利用原子作用力顯微鏡的尖端在碳管里

48、制造帶扣狀的銳利彎曲，這些帶扣的作用如同屏障，它只允許單獨(dú)的電子在一定電壓下通過。 用此方法制造的納米碳管單電子晶體管只有1納米寬、20納米長，整體不足人的頭發(fā)絲直徑的500分之一。 對于致力于開發(fā)出更小的電腦芯片的研究員來說，單電子晶體管概念越來越有吸引力。因?yàn)檫@種特殊的單電子晶體管只需要一個(gè)電子來實(shí)現(xiàn)“開”和“關(guān)”狀態(tài)，即計(jì)算機(jī)中的“0”和“1”，相比之下，普通微電子學(xué)中的晶體管使用數(shù)百萬個(gè)電子來實(shí)現(xiàn)開、關(guān)狀態(tài)。正因以上優(yōu)點(diǎn)，單電子晶體管將成為未來分子計(jì)算機(jī)的理想材料。Nanotube field-effect transistorTransistors are the basic bui

49、lding blocks of integrated circuits. To use nanotubes in future circuits it is essential to be able to make transistors from them. We have successfully fabricated and tested nanotube transistors using individual multi-wall or single-wall nanotubes as the channel of a field-effect transistor .納米材料的基本

50、磁特性納米材料的基本磁特性納米多層中的巨磁電阻效應(yīng)納米多層中的巨磁電阻效應(yīng)納米磁性材料納米磁性材料超順磁性超順磁性高矯頑力高矯頑力低居里溫度低居里溫度高磁化率高磁化率 納米微粒的小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、表納米微粒的小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等使得它具有常規(guī)粗晶粒材料所不具備的面效應(yīng)等使得它具有常規(guī)粗晶粒材料所不具備的磁特性磁特性 超順磁性超順磁性: 納米微粒尺寸小到一定臨界值時(shí)納米微粒尺寸小到一定臨界值時(shí)進(jìn)入超順磁狀態(tài)，例如進(jìn)入超順磁狀態(tài)，例如 a aFe，F(xiàn)e3O4和等粒徑分和等粒徑分別為別為 5nm，16nm時(shí)變成順磁體這時(shí)磁化率時(shí)變成順磁體這時(shí)磁化率c c不不再服從居里一外斯定

51、律再服從居里一外斯定律 c c=C(T-Tc) 例如粒徑為例如粒徑為85nm的納米的納米Ni微粒，微粒， c c服從居里一服從居里一外斯定律，而粒徑小于外斯定律，而粒徑小于15nm的的Ni微粒，矯頑力微粒，矯頑力Hc0，這說明它們進(jìn)入了超順磁狀態(tài)。，這說明它們進(jìn)入了超順磁狀態(tài)。在小尺寸下，當(dāng)各向異性能減少到在小尺寸下，當(dāng)各向異性能減少到與熱運(yùn)動能可相比擬時(shí)，磁化方向就不與熱運(yùn)動能可相比擬時(shí)，磁化方向就不再固定在一個(gè)易磁化方向，易磁化方向再固定在一個(gè)易磁化方向，易磁化方向作無規(guī)律的變化，結(jié)果導(dǎo)致順磁性的出作無規(guī)律的變化，結(jié)果導(dǎo)致順磁性的出現(xiàn)，不同種類的納米磁性微粒顯現(xiàn)超順現(xiàn)，不同種類的納米磁性微

52、粒顯現(xiàn)超順磁性的臨界尺寸是不同的。磁性的臨界尺寸是不同的。超順磁狀態(tài)的起源 矯頑力納米微粒尺寸高于超順磁臨界尺寸矯頑力納米微粒尺寸高于超順磁臨界尺寸時(shí)通常呈現(xiàn)高的橋頑力時(shí)通常呈現(xiàn)高的橋頑力C例如，用惰性氣體蒸發(fā)冷凝方法制備的例如，用惰性氣體蒸發(fā)冷凝方法制備的Fe納米微粒。隨著顆粒變小飽和磁化強(qiáng)度納米微粒。隨著顆粒變小飽和磁化強(qiáng)度有有所下降，但矯頑力卻顯著地增加，在所下降，但矯頑力卻顯著地增加，在.5K時(shí)時(shí)達(dá)達(dá)1.27105A/m。室溫下，。室溫下，F(xiàn)e的矯頑力仍保持的矯頑力仍保持104A/m, 而常規(guī)的而常規(guī)的Fe塊的矯頑力為塊的矯頑力為80A/m。有兩種解釋：一致轉(zhuǎn)動模式和球鏈反轉(zhuǎn)磁化模有兩

53、種解釋：一致轉(zhuǎn)動模式和球鏈反轉(zhuǎn)磁化模式式v一致轉(zhuǎn)動磁化模式基本內(nèi)容是：當(dāng)粒子尺寸小一致轉(zhuǎn)動磁化模式基本內(nèi)容是：當(dāng)粒子尺寸小到某一尺寸時(shí)，每個(gè)粒子就是一個(gè)單磁疇，例如到某一尺寸時(shí)，每個(gè)粒子就是一個(gè)單磁疇，例如對于對于Fe和和Fe3O4單磁疇的臨界尺寸分別為單磁疇的臨界尺寸分別為 12nm和和 40nm。每個(gè)單磁疇的納米微粒實(shí)際上成為一個(gè)。每個(gè)單磁疇的納米微粒實(shí)際上成為一個(gè)永久磁鐵，要使這個(gè)磁鐵去掉磁性，必須使每個(gè)永久磁鐵，要使這個(gè)磁鐵去掉磁性，必須使每個(gè)粒子整體的磁矩反轉(zhuǎn)，這需要很大的反向磁場，粒子整體的磁矩反轉(zhuǎn)，這需要很大的反向磁場，即具有較高的矯頑力許多實(shí)驗(yàn)表明，納米微粒即具有較高的矯頑力許

54、多實(shí)驗(yàn)表明，納米微粒的的Hc測量值與一致轉(zhuǎn)動的理論值不相符合測量值與一致轉(zhuǎn)動的理論值不相符合v也有人認(rèn)為，納米顆粒的高矯頑力來源應(yīng)用球鏈也有人認(rèn)為，納米顆粒的高矯頑力來源應(yīng)用球鏈球鏈反轉(zhuǎn)磁化模式來解釋，即由于靜磁作用球形球鏈反轉(zhuǎn)磁化模式來解釋，即由于靜磁作用球形納米納米Ni微粒形成鏈狀，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值可比擬，微粒形成鏈狀，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值可比擬，略大于實(shí)驗(yàn)值，修正后，可定性解析高嬌頑力。略大于實(shí)驗(yàn)值，修正后，可定性解析高嬌頑力。居里溫度是物質(zhì)磁性的重要參數(shù)，通常與交居里溫度是物質(zhì)磁性的重要參數(shù)，通常與交換積分換積分Jc成正比，并與原子構(gòu)型和間距有關(guān)。對成正比，并與原子構(gòu)型和間距有關(guān)。對于薄膜

55、，理論與實(shí)驗(yàn)研究表明，隨著鐵磁薄膜厚于薄膜，理論與實(shí)驗(yàn)研究表明，隨著鐵磁薄膜厚度的減小，居里溫度下降。對于納米微粒，由于度的減小，居里溫度下降。對于納米微粒，由于小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)而導(dǎo)致納米粒子的本征和小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)而導(dǎo)致納米粒子的本征和 內(nèi)稟的磁性變化，因此具有較低的居里溫度。內(nèi)稟的磁性變化，因此具有較低的居里溫度。例如例如 85nm粒徑的粒徑的 Ni 微粒，由于磁化率在居微粒，由于磁化率在居里溫度呈現(xiàn)明顯的峰值，因此通過測量低磁場下里溫度呈現(xiàn)明顯的峰值，因此通過測量低磁場下磁化率與溫度關(guān)系可得到居里溫度略低于常規(guī)塊磁化率與溫度關(guān)系可得到居里溫度略低于常規(guī)塊體體Ni的居里溫度。的居里

56、溫度。超順磁性顆粒的居里溫度，隨粒徑的下降有超順磁性顆粒的居里溫度，隨粒徑的下降有所下降。所下降。納米微粒的磁性與它所含的總電子數(shù)的奇偶納米微粒的磁性與它所含的總電子數(shù)的奇偶性密切相關(guān)，每個(gè)微粒的電子可以看成一個(gè)體系，性密切相關(guān)，每個(gè)微粒的電子可以看成一個(gè)體系，電子數(shù)的宇稱可為奇或偶。一價(jià)金屬的微粉，一電子數(shù)的宇稱可為奇或偶。一價(jià)金屬的微粉，一半粒子的宇稱為奇，另一半為偶，兩價(jià)金屬的粒半粒子的宇稱為奇，另一半為偶，兩價(jià)金屬的粒子的宇稱為偶，電子數(shù)為奇或偶數(shù)的粒子磁性有子的宇稱為偶，電子數(shù)為奇或偶數(shù)的粒子磁性有不同溫度特點(diǎn)。不同溫度特點(diǎn)。電子數(shù)為奇數(shù)的粒子集合體的磁化率服從居電子數(shù)為奇數(shù)的粒子集

57、合體的磁化率服從居里一外斯定律，里一外斯定律，c c=C/(T-Tc), 量子尺寸效應(yīng)使磁化量子尺寸效應(yīng)使磁化率遵從率遵從-3規(guī)律規(guī)律;電子數(shù)為偶數(shù)的系統(tǒng)電子數(shù)為偶數(shù)的系統(tǒng), c ckBT, 并遵從并遵從規(guī)律。規(guī)律。納米磁性金屬的工值是常規(guī)金屬的納米磁性金屬的工值是常規(guī)金屬的20倍。倍。 1986年德國科學(xué)家年德國科學(xué)家Grunberg小組有一重要的發(fā)小組有一重要的發(fā)現(xiàn)，就是在現(xiàn)，就是在Fe/Cr/Fe三層膜中觀察到兩個(gè)鐵層之間通三層膜中觀察到兩個(gè)鐵層之間通過鉻層產(chǎn)生耦合。過鉻層產(chǎn)生耦合。 1988年法國科學(xué)家年法國科學(xué)家Fert小組在小組在Fe/Cr周期性多層周期性多層膜中，觀察膜中，觀察

58、到當(dāng)施加外磁場時(shí)，其電阻下降，變化率到當(dāng)施加外磁場時(shí)，其電阻下降，變化率高達(dá)高達(dá)50。因此稱之為巨磁電阻效應(yīng)。因此稱之為巨磁電阻效應(yīng)(giant magnetoresistance, GMR)。 1995年，人們以絕緣層年，人們以絕緣層Al2O3代替導(dǎo)體代替導(dǎo)體Cr，觀察，觀察到很大的隧道磁電阻到很大的隧道磁電阻(TMR)現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 基于基于GMR和和TMR的發(fā)現(xiàn)，一個(gè)新的學(xué)科分支的發(fā)現(xiàn)，一個(gè)新的學(xué)科分支磁電子學(xué)的概念被提出了。磁電子學(xué)的概念被提出了。 從那時(shí)起，科技人員從那時(shí)起，科技人員一直堅(jiān)持不懈地努力，將上述創(chuàng)新性發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為信息一直堅(jiān)持不懈地努力，將上述創(chuàng)新性發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為信息技術(shù)技術(shù)(I

59、T)產(chǎn)業(yè)化。產(chǎn)業(yè)化。 l 1999年以年以GMR多層膜為磁頭的硬盤驅(qū)動器多層膜為磁頭的硬盤驅(qū)動器(HDD) 進(jìn)入市場，其存儲密度達(dá)到進(jìn)入市場，其存儲密度達(dá)到11Gbits/in2，而而1990年僅為年僅為0.1Gbits/in2，10年中提高了年中提高了100倍。倍。l 目前目前GMR的研究開發(fā)工作正方興未艾，而將的研究開發(fā)工作正方興未艾，而將上述隧道磁電阻上述隧道磁電阻(TMR)多層膜應(yīng)用于新型隨機(jī)存多層膜應(yīng)用于新型隨機(jī)存儲器儲器 (MRAM)的研究又已經(jīng)展開。的研究又已經(jīng)展開。 l 在在Fe/Cr/Fe系統(tǒng)中，相鄰鐵層間存在著耦合，系統(tǒng)中，相鄰鐵層間存在著耦合，它隨鉻層厚度的增加而呈正負(fù)交

60、替的振蕩衰它隨鉻層厚度的增加而呈正負(fù)交替的振蕩衰 減形減形式。使得相鄰鐵層磁矩從彼此反平行取向到平行式。使得相鄰鐵層磁矩從彼此反平行取向到平行取向交替變化取向交替變化。外磁場也可使多層膜中鐵外磁場也可使多層膜中鐵 磁層的磁層的反平行磁化狀態(tài)發(fā)生變化。當(dāng)通以電流時(shí)，這種反平行磁化狀態(tài)發(fā)生變化。當(dāng)通以電流時(shí)，這種磁化狀態(tài)的變化就以電阻變化的形式反磁化狀態(tài)的變化就以電阻變化的形式反 映出來。映出來。這就是這就是GMR現(xiàn)象的物理機(jī)制?，F(xiàn)象的物理機(jī)制。l 以以Cr中電子為中介的鐵層間的耦合，隨著中電子為中介的鐵層間的耦合，隨著Cr層層厚度增加而振蕩衰減。其平均作用范圍為厚度增加而振蕩衰減。其平均作用范圍