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納米(nm),又稱毫微米,如同厘米、分米和米一樣,是長度的度量單位。具體地說,一納米等於十億分之一米的長度,相當於4倍原子大小,萬分之一頭髮粗細;形象地講,一納米的物體放到乒乓球上,就像一個乒乓球放在地球上一般。這就是納米長度的概念。

1 納米 -簡介

納米級觀察納米級觀察

納米(符號 nm, 英語:nanometer,字首 nano 在希臘文中的原意是「侏儒」的意思),指1米的十億分之一(10-9m)。

有時候也會見到埃米(符號 Å)這個單位,為10-10m。

1納米(nm) = 10 埃米(Å)

現時大部份半導體製程標準皆是以納米表示。

2 納米 -換算關係

1 納米(nm) = 
0.001 微米(µm) 
0.000 001 毫米(mm) 
0.000 000 001 米(m) 

1微米(µm) = 1 000 納米 
1 毫米(mm) = 1 000 000 納米 
1 米(m)    = 1 000 000 000 納米

3 納米 -相關概念

硅單晶原子納米掃描隧道顯微鏡影象硅單晶原子納米掃描隧道顯微鏡影象

納米是長度單位,原稱毫微米,就是10-9米(10億分之一米),即10-6毫米(100萬分之一毫米)。

納米科學與技術,有時簡稱為納米技術,是研究結構尺寸在1至100納米範圍內材料的性質和應用。

納米效應就是指納米材料具有傳統材料所不具備的奇異或反常的物理、化學特性,如原本導電的銅到某一納米級界限就不導電,原來絕緣的二氧化硅、晶體等,在某一納米級界限時開始導電。這是由於納米材料具有顆粒尺寸小、比表面積大、表面能高、表面原子所佔比例大等特點,以及其特有的三大效應:表面效應、小尺寸效應和宏觀量子隧道效應。

表面效應
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(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,說明表面原子所佔的百分數將會顯著地增加。對直徑大於 0.1微米的顆粒表面效應可忽略不計,當尺寸小於 0.1微米時,其表面原子百分數激劇增長,甚至1克超微顆粒表面積的總和可高達100平方米,這時的表面效應將不容忽略。

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粒(直徑為 2*10-3微米)進行電視攝像,實時觀察發現這些顆粒沒有固定的形態,隨著時間的變化會自動形成各種形狀(如立方八面體,十面體,二十面體多李晶等),它既不同於一般固體,又不同於液體,是一種准固體。在電子顯微鏡的電子束照射下,表面原子彷彿進入了「沸騰」狀態,尺寸大於10納米后才看不到這種顆粒結構的不穩定性,這時微顆粒具有穩定的結構狀態。

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。如要防止自燃,可採用表面包覆或有意識地控制氧化速率,使其緩慢氧化生成一層極薄而緻密的氧化層,確保表面穩定化。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以及低熔點材料。

小尺寸效應     
隨著顆粒尺寸的量變,在一定條件下會引起顆粒性質的質變。由於顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質的變化稱為小尺寸效應。對超微顆粒而言,尺寸變小,同時其比表面積亦顯著增加,從而產生如下一系列新奇的性質。

(1) 特殊的光學性質

當黃金被細分到小於光波波長的尺寸時,即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實上,所有的金屬在超微顆粒狀態都呈現為黑色。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。由此可見,金屬超微顆粒對光的反射率很低,通常可低於l%,大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個特性可以作為高效率的光熱、光電等轉換材料,可以高效率地將太陽能轉變為熱能、電能。此外又有可能應用於紅外敏感元件、紅外隱身技術等。

(2) 特殊的熱學性質
    
固態物質在其形態為大尺寸時,其熔點是固定的,超細微化后卻發現其熔點將顯著降低,當顆粒小於10納米量級時尤為顯著。例如,金的常規熔點為1064C℃,當顆粒尺寸減小到10納米尺寸時,則降低27℃,2納米尺寸時的熔點僅為327℃左右;銀的常規熔點為670℃,而超微銀顆粒的熔點可低於100℃。因此,超細銀粉製成的導電漿料可以進行低溫燒結,此時元件的基片不必採用耐高溫的陶瓷材料,甚至可用塑料。採用超細銀粉漿料,可使膜厚均勻,覆蓋面積大,既省料又具高質量。日本川崎制鐵公司採用0.1~1微米的銅、鎳超微顆粒製成導電漿料可代替鈀與銀等貴金屬。超微顆粒熔點下降的性質對粉末冶金工業具有一定的吸引力。例如,在鎢顆粒中附加0.1%~0.5%重量比的超微鎳顆粒后,可使燒結溫度從3000℃降低到1200~1300℃,以致可在較低的溫度下燒製成大功率半導體管的基片。

(3) 特殊的磁學性質
    
人們發現鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細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航下能辨別方向,具有回歸的本領。磁性超微顆粒實質上是一個生物磁羅盤,生活在水中的趨磁細菌依靠它游向營養豐富的水底。通過電子顯微鏡的研究表明,在趨磁細菌體內通常含有直徑約為 2′10-2微米的磁性氧化物顆粒。小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同,大塊的純鐵矯頑力約為80安/米,而當顆粒尺寸減小到 2′10-2微米以下時,其矯頑力可增加1千倍,若進一步減小其尺寸,大約小於 6′10-3微米時,其矯頑力反而降低到零,呈現出超順磁性。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性,已作成高貯存密度的磁記錄磁粉,大量應用於磁帶、磁碟、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製成用途廣泛的磁性液體。

(4)特殊的力學性質
    
陶瓷材料在通常情況下呈脆性,然而由納米超微顆粒壓製成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。因為納米材料具有大的界面,界面的原子排列是相當混亂的,原子在外力變形的條件下很容易遷移,因此表現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性質。美國學者報道氟化鈣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度,是因為它是由磷酸鈣等納米材料構成的。呈納米晶粒的金屬要比傳統的粗晶粒金屬硬3~5倍。至於金屬一陶瓷等複合納米材料則可在更大的範圍內改變材料的力學性質,其應用前景十分寬廣。
    
超微顆粒的小尺寸效應還表現在超導電性、介電性能、聲學特性以及化學性能等方面。 

宏觀量子隧道效應
各種元素的原子具有特定的光譜線,如鈉原子具有黃色的光譜線。原子模型與量子力學已用能級的概念進行了合理的解釋,由無數的原子構成固體時,單獨原子的能級就併合成能帶,由於電子數目很多,能帶中能級的間距很小,因此可以看作是連續的,從能帶理論出發成功地解釋了大塊金屬、半導體、絕緣體之間的聯繫與區別,對介於原子、分子與大塊固體之間的超微顆粒而言,大塊材料中連續的能帶將分裂為分立的能級;能級間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當熱能、電場能或者磁場能比平均的能級間距還小時,就會呈現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。例如,導電的金屬在超微顆粒時可以變成絕緣體,磁矩的大小和顆粒中電子是奇數還是偶數有關,比熱亦會反常變化,光譜線會產生向短波長方向的移動,這就是量子尺寸效應的宏觀表現。因此,對超微顆粒在低溫條件下必須考慮量子效應,原有宏觀規律已不再成立。

電子具有粒子性又具有波動性,因此存在隧道效應。近年來,人們發現一些宏觀物理量,如微顆粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量等亦顯示出隧道效應,稱之為宏觀的量子隧道效應。量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應將會是未來微電子、光電子器件的基礎,或者它確立了現存微電子器件進一步微型化的極限,當微電子器件進一步微型化時必須要考慮上述的量子效應。例如,在製造半導體集成電路時,當電路的尺寸接近電子波長時,電子就通過隧道效應而溢出器件,使器件無法正常工作,經典電路的極限尺寸大概在0.25微米。

4 納米 -科研歷史 

2011年度十佳十大科技進展新聞2011年度十佳十大科技進展新聞
 1959年 理論物理學家理查·費伊曼在加州理工學院發表演講,提出,組裝原子或分子是可能的。
1981年 科學家發明研究納米的重要工具———掃描隧道顯微鏡,原子、分子世界從此可見。
1990年 首屆國際納米科技會議在美國巴爾的摩舉辦,納米技術形式誕生。
1991年 碳納米管被人類發現,它的質量是相同體積鋼的六分之一,強度卻是鐵的10倍,成為納米技術研究的熱點。   

1993年繼1989年美國斯坦福大學搬走原子團「寫」下斯坦福大學英文名字、1999年美國國際商用機器公司在鎳表面用36個氙原子排出「IBM」之後,中國科學院北京真空物理實驗室操縱原子成功寫出「中國」二字。

1997年 美國科學家首次成功地用單電子移動單電子,這種技術可用於研製速度和存儲容量比現在提高成千上萬倍的量子計算機。同年,美國紐約大學科學發現,DNA可用於建造納米層次上的機械裝置。

1999年 巴西和美國科學家在進行碳納米管實驗時發明了世界上最小的「秤」,它能夠稱量十億分之一克的物體,即相當於一個病毒的重量;此後不久,德國科學家研製出能稱量單個原子重量的「秤」,打破了美國和巴西科學家聯合創造的紀錄。同年,美國科學家在單個分子上實現有機開關,證實在分子水平上可以發展電子和計算裝置。

5 納米 -納米雨衣傘

納米雨衣傘是雨傘與雨衣的結合體。納米雨傘收傘有三折傘和直桿傘的收傘形態(簡單說,收傘時有長短兩種選擇)。納米雨衣可由納米雨傘轉變而成,納米雨衣又不同於一般的雨衣,因為納米雨衣可以保證從頭到腳絕對不濕。因為納米材料,所以這雨傘可以一甩即干,雨傘轉變為雨衣后,這雨衣也只需穿戴著輕輕一跳也即可全乾。
納米雨衣傘納米雨衣傘

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