纳米技术与纳米传感器

Nanotechnology and Nanosensors

通过学习,了解应用纳米技术研发的用于发现和监控个人或专业领域各类活动的新型感应屏幕;课程首先从疾病的诊断与治疗…

以色列理工学院

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纳米技术与纳米传感器

通过学习,了解应用纳米技术研发的用于发现和监控个人或专业领域各类活动的新型感应屏幕;课程首先从疾病的诊断与治疗入手,进而研究产品和环境的质量控制,最后探讨监控安全问题,为创新应用的无限开发奠定基础。

课程概述

纳米技术和纳米传感器是涉及(生物)化学、物理学、生物学、材料学和电气工程学等多个领域的综合科学。目前的课程主要研究纳米技术和纳米材料背后的基本原理以及它们在传感特性和应用中的关键作用,而本课程将探讨人们普遍关注的纳米层面的多领域科学知识与工程知识,研究纳米传感器基本的物理差异。通过学习,学生可以了解纳米材料和纳米传感器的制作、特性和操作,以及它们在新应用中的开发利用。另外,同学们还可以把课上学到的纳米技术和纳米传感器知识应用于自己感兴趣的课题上。

课程大纲

第一周:纳米技术简介
纳米技术的定义;纳米材料的主要特点;纳米结构的类型(零维、一维和二维结构);纳米复合材料;纳米材料的主要化学/物理/电气/光学特性。

第二周:纳米技术简介-续
纳米材料特性的研究方法:原子力显微技术(AFM),扫描电子显微术(SEM),透射电子显微镜法(TEM),以及基于光谱学和光谱测定法的表面分析技术。通过自底向上和自顶向下的方法制作传感器;自组装纳米结构;以及纳米技术应用的举例

第三周:传感器的科学与技术
传感器的定义;传感器的主要元件;生物体与人工传感器的相似之处;生理感受机制(看、听和感觉);传感器的性能参数:准确性、精度、敏感性、探测范围、动态范围、选择性、线性度、分辨率、响应时间、滞后和生命周期。

第四周:基于金属纳米颗粒的传感器
纳米颗粒的定义;纳米颗粒的特点;制备纳米颗粒的物理学方法(激光烧蚀)和化学方法(Brust–Schiffrin法,种子生长法等等)。

第五周:量子点传感器
量子点的定义;量子点的制备技术;宏观和微观的光子发光测量;以量子点作为多模态造影剂在生物成像中的应用;量子点在传感器中的应用。

第六周: 基于纳米线的传感器
纳米线的定义;纳米线的特点;通过自顶向下和自底向上的方法制备纳米线;纳米线阵列的制备(流体通道、吹塑薄膜(blown bubble film)、接触印刷和喷涂等)。

第七周: 基于碳纳米管的传感器
碳纳米管的定义;碳纳米管的特点;碳纳米管的合成;基于单个碳纳米管的传感器的制备和工作原理;基于碳纳米管随机阵列的传感器的制备和工作原理。

第八周:基于金属氧化物纳米结构的传感器
通过干湿方法合成金属氧化物结构;金属氧化物气体传感器的类型(零维、一维和二维);金属氧化物传感器的缺陷化学;金属氧化物气体传感器的传感机制;改善传感应用的多孔金属氧化物的结构。

第九周:多敏传感器
基于聚合物纳米结构的传感器的工作原理;基于纳米材料的化学电阻器的传感机制和应用,以及(半)导电聚合物的场效应晶体管;w/o无机材料。

第十周:基于纳米材料的传感器阵列
通过纳米技术和纳米传感器模仿人类感官的典型实例:基于纳米技术的电子皮肤。

背景知识

任何自然科学(化学、生物学、物理学)、相关技术和/或工程学背景均适用于本课程。

参考资料

课程相对独立,所学内容课上均已包含,至于其他相关信息,大家可以参考下列推荐(但不做强制性要求):
Jiří Janata, 化学传感器的原理,Springer出版社,第二版(1989年)。
Roger George Jackson,新传感器与传感, CRC出版社(2004年)。
Florinel-Gabriel Banica, 化学传感器与生物传感器:基础与应用,John Wiley and Sons出版社(2012年)。
Ramsden Jeremy, 纳米技术之入门。Elsevier出版公司(2011年)。

授课形式

本课程包含三个评分部分,并与总成绩挂钩,具体包括:

周测验:每课附带随堂测验,有助于大家回顾一周所学内容,周测验成绩将占课程总成绩的 20%,同学们可以反复参加测试,只要回答正确,分数便可计入总成绩。

论坛活动:学习过程中,同学们需要参加三个指定的讨论活动,其中包括回答开放式问题,同学互提反馈意见和互相评分三部分内容; 分数取得票数、发帖数和评论的平均值,论坛活动将占课程总成绩的20%。

毕业设计: 课程最后阶段,同学们要完成一个毕业设计,每3-4个学生一组,设计包括书面报告,主要涉及纳米技术的应用,以及模仿人类某种特定感官的传感器,如:视觉、听觉、味觉、嗅觉或触觉;以及平衡感和痛感等非特定性感官。
毕业设计应包含,但不限于:(a)整体设计方案的多学科展示与讨论;目标人造感官的 (b)制备;(c)特性描述和(d)应用。 书面报告应选用11-12号字,1.5倍行距,2.5cm页边距,页数不超过10页。毕业设计由学生根据评分标准进行互评,并占课程总成绩的60%。

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