先锋

许多关键技术取得了里程碑的先驱工作。分子束外延,由阿尔弗雷德·曹和约翰·亚瑟贝尔实验室1968年,发达国家在1970年代,使控制沉积单原子层。这工具提供了在一维奈米结构原子层增加一个未来。它后来成为重要的领域复合半导体器件制造。例如,夹层one-nanometre-thick nonmagnetic-sensor材料层磁性层之间在计算机磁盘驱动器导致大存储容量的增加,和一个类似使用奈米结构导致了更节能半导体激光器用于光盘的球员。

1981年Gerd Binnig和Heinrich Rohrer开发了扫描隧道显微镜在IBM在瑞士的实验室。这个工具提供了一个革命性的进步通过允许科学家在表面图像单个原子的位置。Binnig和Rohrer赢得了诺贝尔奖1986年,催生了各种各样的扫描探针纳米尺度的观察工具。

观察新的碳结构的另一个重要的标志里程碑在纳米技术的进步,与诺贝尔奖的发现者。1985年罗伯特·f·卷发,Jr .),哈罗德·w·Kroto因为,理查德·e·斯莫利发现了第一富勒烯后,第三个已知形式的纯碳(金刚石和石墨)。他们叫他们的发现巴克敏斯特富勒烯(“巴基球”)为其相似之处的测地线穹顶由美国建筑师r·巴克明斯特·富勒。在技术上被称为C₆₀60个碳原子组成的空心球结构、布基球像一个足球一个纳米直径(看到图)。1991年Sumio饭岛爱的NEC公司在日本发现的碳纳米管,碳环状的结构从领域扩展到不同直径的长管。综上所述,这些新结构惊讶和兴奋的科学家的想象力形成明确的纳米结构的可能性与意想不到的新属性。

扫描穿隧显微镜不仅允许原子通过扫描成像的一把锋利的探针针尖在表面,但也允许原子在表面上的“推”。有轻微的偏置电压应用于探测尖端,某些原子可以坚持用于成像的提示,然后被释放。因此,在1990年唐纳德Eigler拼出他公司的信件的标志,IBM,通过移动35氙原子在镍表面。这个演示引起了公众的注意,因为它显示新兴纳米级精度的工具。

电子和光子的行为

量子力学属性约束的电子在一维一直利用固态电子产品。半导体器件与薄层生长的不同成分,这样电子(或“洞”的失踪电子收费)可以在特定区域(称为量子井)的结构。薄层更大能量带隙可以作为壁垒限制费用流向特定条件下,他们可以通过这些“隧道”barriers-the共振隧穿的基础二极管。超晶格是周期性的重复结构井建立一套新的选择规则影响电荷流过结构的条件。超晶格在级联激光器实现利用远红外线波长。现代通信是基于半导体激光器,利用量子井实现特定波长的独特性能和高效率。

的传播光子大幅改变的大小和周期瞬态结构方法可见光的波长800纳米(400)。当光子传播通过定期不同介电常数的例子中,半导体的帖子包围air-quantum机械规则定义和限制光子的能量取决于他们的传播(波长)。这个新行为类似的的量子力学规则定义通过晶体电子的运动,给带隙半导体。在一维、复合半导体超晶格可以外延生长的交替层具有不同的介电常数,从而提供高度反光的镜子为特定波长由重复距离的超晶格层。使用这些结构垂直腔面发射激光器提供“内置”镜,用于通信的应用程序。在二维和三维,称为光子晶体周期结构提供额外的控制光子传播。

光子晶体是在探索各种材料和周期的研究,如二维六角形数组帖子捏造的化合物半导体或堆叠loglike数组硅酒吧在三维空间中。这些结构的尺寸取决于光的波长传播,通常在几百纳米的范围在可见光和近红外波段。光子晶体特性提供基于纳米材料限制的可能性,方向盘,和分离光波长在前所未有的小尺度和创建新设备,如激光的要求非常低电流启动激光(称为near-thresholdless激光)。这些结构被广泛调查作为纳米结构材料的工具正在稳步推进。研究人员特别感兴趣的红外波段,并不像维控制严格的在可见光波长越短,光通信和化学传感为潜在的新应用程序提供动力。

磁、机械和化学行为

纳米材料也有尺度依赖的磁行为,力学性能和化学反应。非常小的尺寸(几个纳米),磁束单磁畴,和强耦合的磁旋转原子将产生一个粒子与一个“巨型”旋转。例如,巨大的旋转一个铁磁铁粒子在室温下自由旋转直径约16纳米以下,称为产生影响超顺磁性。纳米材料的力学性能可以达到特殊的优势。作为一个具体的例子,two-nanometre的引入氧化铝沉淀纯镍的薄膜导致收益率优势增加从0.15 ~ 5帕,这是硬轴承钢的两倍以上。特殊的机械性能在纳米尺度上的另一个例子是碳纳米管,展品伟大的强度和刚度沿纵轴。

表面的优势是一个主要原因行为的材料在纳米尺度上的变化。因为一半的原子纳米粒子表面的原子属性,如电气运输不再是由固态散现象。同样,纳米结构的原子平均能量高于原子在较大的结构,因为大部分表面的原子。例如,催化材料有更大的每个原子暴露表面的化学活性催化剂减少在大小在纳米尺度上。缺陷和杂质可能会被吸引到表面和界面,在这些小尺寸和粒子之间的相互作用可以依赖的结构和性质化学成键在表面。分子层可以用来改变或控制表面性质和调节纳米粒子之间的相互作用。

表面及其与分子相互作用的结构基础生物学。纳米技术和的十字路口生物技术提供的可能性,实现新的功能和属性与纳米表面。在这个表面interface-dominated政权,生物学的精致的工作有选择地控制功能通过结合结构和化学作用。信息存储在基因的转录和生化反应的选择性基于复杂分子的化学识别例子接口建立纳米行为中发挥关键作用。原子力和化学键主导在这些维度,而宏观因素(如对流、湍流,和动量(惯性力)——的后果很小。