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纳米科技未来的发展 梦想与现实 --


纳米科技:未来的发展
张国伟 克拉玛依职业技术学院

1.1 人类对宏观世界与微观世界的探索 爱因斯坦曾经说: “未来科学的发展无非是继续向宏观世界和微观世界进军。 ” 如果将人类所研究的物质世界对象用长度单位加以描述,我们可以得到人类智力所延伸 到的物质世界的范围。 在宏观方面,目前人类能够加以研究的物质世界的最大尺度是 l025m,约 l0 亿光年,在人 类研究宇宙深处和构成质子与中子和夸克这两个极端尺度之间, 我们在一段尺度范围内还有 很多基本规律没有搞清,有些理论没有完善,这个尺度就是纳米尺度。 1.2 纳米在长度单位中所处的位置 1 纳米为 10-9m,代号为 nm。它在长度单位中所处的位置见表 1。 “纳米”尺度的粒子早已存在。比如,中国古代的微墨粒子,出土铜镜涂层中的粒子,已在轮 胎中使用了 100 年用作增强剂的炭黑颗粒等,疫苗(它常含有一种或数种纳米尺寸的蛋白 质)也可能挤身于纳米之列。 表 1 纳米在长度单位中所处的位置 单位 米 米 m m m μ m 0-10 1.3 纳米概念的提出与发展 缩写或符号 m 分米 cm 10-3 丝米 10-4 忽米 10-5 微米 10-6 纳米 10-9 埃 ? n 1 对主单位的比 dm 1023 毫米 m cm 10-1 厘 m

最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是美国著名物理学家、诺贝尔奖金获得者查理德·费 曼(Richard IFeylunarl)。1959 年他在一次著名的演讲中曾经这样说: “如果人类能够在原子/

分子的尺度上来加工材料,制备装置,我们将有许多激动人心的发现。……我们需要新型的 微型化仪器来操纵微小结构并测定其性质。……那日寸,化学将变成根据人们的意愿逐个地 淮确放置原子的问题。 ”他并预言: “当 2000 年人们刚顷历史的时候,他们会为直接用原子、 分子来制造机器而感到惊讶。 ”(查理德教授于 1988 年去世) 100 年前, 爱因斯坦在其博士论文中曾根据糖在水中扩散的实验资料计算出一个糖分子的直 径约为 l 纳米。100 年后的今天,纳米尺度在科学中的重要性迅速膨胀起来。 1974 年日本谷口纪南(Taniguchi)教授最早使用“纳米技术”(Nanotechology)一词描述精细机 械加工。70 年代后期,美国麻省理工学院德雷克斯勒提倡将纳米技术作为—门专门的科学 技术对之进行研究。但当时多数主流科学家对此持怀疑态度。 纳米科技的迅速发展是在 80 年代末、90 年代初。80 年代初中期出现的纳米科技研究的重 要手段一—扫描隧道显微镜(STM)、 原子力显微镜(AFM) 等微观表征和操纵技术对纳米科技 的发展起了积极的促进作用。 扫描探针显微镜(SPM)的出现,标志着人类在对微观尺度的探索方面进入到—个全新的领 域。作为纳米科技重要研究手段的 SPM 也被形象地称为纳米科技的“眼睛”和“手” : “眼睛”——可以利用扫描探针显微镜直接观察测试原子、分子的相互作用与特性; “手”——可以借助扫描探针显微镜移动原子,构造纳米结构,同时为科学家提供在纳米尺 度下研究新现象、提出新理论的微小实验室。 1990 年 7 月,第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩与第五届国际扫描隧道显微 学会同时举办, 《纳米技术》与《纳米生物学》两种国际性专业期刊相继问世。技术——纳 米科技一门崭新的科学从此得到科技界的广泛关注。 1.4 什么是纳米科技 对于纳米科技,从不同角度可以有不同的提法,归纳起来有以下四种: 1) 把纳米技术定位为微加工技术的极限,也就是通过纳米精度的“加工” ,人工形成纳

米大小结构的技术。有人把通过超精细加工制作的微机电装置也称为纳米装置; 2) 术; 3) 从原子、分子出发来构建特殊的结构,制造具有所需功能的分子装置,从而产生 在材料领域,把纳米级颗粒的制备技术及由此引起的材料的性能改变称为纳米技

生产方式的变革; 4) 仿制生物体系的纳米结构,利用生物的自识别、自组织、自复制的功能制造特定

的纳米产品。 基于以上提法,我们可以把纳米科技定义为:纳米科技是指在纳米尺度(1nm 到 100 nm 之 间)上研究物质(包括原子、分子的操纵)的特性和相互作用(主要是量子特性),以及利用这些 特性的多学科交叉的科学和技术。 它使人类认识和改造物质世界的手段和能力延伸到原子和 分子。纳米科技的最终目标是以原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理、化 学和生物学特性制造出具有特定功能的产品。 1.5 纳米科技的重要意义 美国《商业周刊》将纳米科技列为 2l 世纪可能取得重要突破的 3 个领域之一(其它两个为生 命科学和生物技术、从外星球获得能源); 美国政府从 1999 年开始,决定把纳米科技研究列为 2l 世纪前 10 年 11 个关键领域之一。 美国总统科技助理在致国会的信中称: “纳米技术将与信息技术或壁物技术一样,对 21 世纪经济、国防和计会产生更大影响,可能 引导下一场工业革命 (Leading to the next industrial revolution), 应把它放在科举技术的 最优先地位(Top priority)。 纳米科技的陡然升温不仅仅是尺度的缩小问题, 实质是由于纳米科技在推动人类社会产生巨 大变革方面具有的重要意义所决定的。 纳米科技的发展, 促进了人类对客观世界认知的革命。 人类在宏观和微观的理论充分完善之 后,在介观尺度上有许多新现象、新规律有待发现,这也是新技术发展的源头。纳米科技是 多学科交叉融合性质的集中体现, 我们已不能将纳米科技归为哪一门传统的学科领域。 而现 代科技的发展几乎都是在交叉和边缘领域取得创新性突破的, 正是这样, 纳米科技充满了原 始创新的机会。 因此对于还比较陌生的纳米世界中尚待解决的科学问题, 科学家有着极大的 好奇心和探索欲望。 而一旦在这一领域探索过程中形成的理论和概念在我们的生产、 生活中 得到广泛的应用, 那么, 它将极大地乍富我们的认知世界, 并给人类社会带来观念上的变革。 同时纳米科技推动产品的微型化、高性能化和与环境友好化。将极大地节约资源和能源,减 少人类对它们的过分依赖, 并促进生态环境的改善。 这将在新的层次上为人类可持续发展提 供物质和技术保证。 随着人类对客观世界认知的革命,纳米科技将引发一场新的工业革命。由于量子效应,微电 子器件的极限线宽一般认为 0.07 微米(70 纳米)。根据美国半导体工业协会预计,到 2010 年半导体器件的尺寸将达到 0.1 微米(100 纳米)。正好是纳米结构器件的最大长度。小于这

一尺寸,所省的芯片需要按照新的原理来设计。为了突破信息产业发展的瓶颈,必须研究纳 米尺度中的理论问题和技术问题, 建立适应纳米尺度的新的集成方法和技术标准。 在这一尺 度上制造出的计算机的运算和存储能力,将比目前微米技术下的计算机性能呈指数倍的提 高,这将是对信息产业和其它相关产业的一场深刻的革命。同样,生命科技也面临着在纳米 科技影响下的变革。 所以, 人们认为纳米科技是未来信息科技与生命科技进一步发展的共同 基础。正如美国《新技术周刊》指出:纳米技术是 2l 世纪经济增长的一个主要的发动机, 其作用可使微电子学在 20 世纪后半叶对世界的影响相形见绌。 纳米科技也将促使传统产业“旧貌换新颜” 。比如,纳米材料的研究,在化纤制品中加入纳米 微粒,可以除味、杀菌;通过纳米技术的运用,使建筑物外墙涂料的耐洗刷性由原来的 10 00 次提高到 1000 多次,老化时间也延长了两倍多。这种对传统材料进行纳米改性的技术, 企业应用的投入不大,而且市场前景广阔。 纳米科技的巨大影响还在于使纳米尺度上的多学科交叉展现了巨大的生命力, 迅速形成个具 有广泛学科内容和潜在应用前景的研究领域,包括纳米材料学、纳米电子学、纳米生物学、 纳米化学等。 但是我们也应该看到, 纳米科技作为国际上刚刚兴起的一门新兴的学科领域, 有许多重大的 基础问题还未解决,其全面走向应用尚需时日。因此对于“纳米热”应予正确引导,防止将纳 米科技的概念庸俗化。

2 纳米科技的研究领域 由于纳米科技的多学科交叉性质,它的研究对象涉及诸多领域,它的基础研究问题急诸 多领域, 它的基础研究问题又往往与应用密不可分。 我们可以根据纳米科技与传统学科领域 的结合而细分为纳米材料学、纳米电子学、纳米生物学、纳米化学、纳米机械学和纳米加工 等,但这种与学科紧密联系的分类方式,无法便捷地勾划纳米科技的大致轮廓,各类之间又 有交叉、重叠。为了对纳米科技中有代表性的纳米材料、纳米器件、纳米检测与表征这三类 功用性很强的研究领域。 2.1 纳米材料 纳米材料是纳米科技发展的重要基础。它是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度水平,并 且具有特殊性能的材料。 2.1.1 纳米材料的种类与特性

纳米材料主要种类有纳米颗粒与粉体、纳米碳管与维纳米材料、纳米薄膜、纳米块材。 纳米材料的尺寸被限在 100nm 以下,这是—个由各种限域效应引起的各种特性开始有相当 大改变的尺寸范围。 当材料或那些量子特性产生的机制被限制在小于某些临界长度尺寸的中 间之内的时候,性能就会改变。 导致纳米材料产生奇异性能的主要限域效应有比表面效应、 小尺寸效应、 界向效应和量子效 应。 小尺寸效应是指颗粒尺寸减小到一定限度时, 在一定条件下会引起材料宏观物理、 化学性质 上的变化。研究证实,由于纳米材料尺寸小,电子平均自由程短,电子的局域性和相干性增 强。尺寸下降,使纳米体系包含的原子数大大降低,宏观固定的准连续能带消失了,而表现 出分裂的能级,量子尺寸效应显著,这便使纳米体系的光、电、热、磁等物理性质与常规材 料不同,出现许多新奇特性。 在上述效应的作用下,纳米材料的性能较之传统材料有较大的提高。例如: 纳米金属固体的硬度要比传统的粗晶材料硬 3 倍—5 倍; 纳米团体铁的断裂应力比常规铁材料提成近 12 倍; 纳米固体铜比一般钢材料的热扩散增强近 1 倍; 纳米磁性金属的磁化率是普通磁性金属的 20 倍; 2.1.2 几种典型的纳米材料 易燃易爆的纳米金属颗粒 金属纳米颗粒灰表面上的原子十分活泼。实验发现,如果将金 属铜或铝做成的纳米颗粒,遇到空气就会激烈燃烧,发地爆炸。纳米金属颗粒粉体内用于制 作固体火箭的燃料、催化剂等。 高强度的纳米金属块体 各属纳米颗粒粉体制成块状金属材料,就会变得十分结实,其强 度比一般的金属高 1()多倍,同时又像橡胶一样富于弹性,可以称得上是材料世界中的大力 士。 图 4 是纳米金属丝的强度、 韧度与一般工程材料的比较。 有的纳米金属还具有超延展性, 如纳米铜的延展率可达 5100%。 奇妙的碳纳米管 碳纳米管是由石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状“纤维” ,内部 是空的,外部直径只有几纳米到几十纳米。见图 5 和图 6,图 6 是碳纳米管大规模合成的放 大。碳纳米管的密度只有钢的 1/6,而强度却是钢的 100 倍。优良弹性、抗张强度和热稳定 性可用于微型机器人、 抗冲击车身及抗震建筑物中。 使用碳纳米管的最初产品是利用其电学 性质制作加有碳米管的塑料部件这种塑料在喷涂过程中可带电, 从而可更快地上漆, 敷于物

件上。以碳纳米管为基础的敷料还具有发光显示性能。 碳纳米管具有很低的场发射闭值电场强度和很高的场发射电流密度,能在普通高真空度 下长期稳定工作,因此在场发射显示领域有广阔的应用前景。 碳纳米管附着在扫描探针显微镜的尖端,可使其横向分辨率提高 10 倍以上。能更清楚地 观察蛋白质和其他大分子。以碳纳米管为尖端的原子力显微镜可以探侧 DNA 片段和鉴别化 学标记物。 碳纳米管可在其中空的内部储存氢,然后逐渐释放出来,使其成为高效廉价的燃料电池。 还可以存储理离子,做成寿命更长的电池。 半导体纳米管在室温下暴露于强碱、卤化物和其他气体中时,它的电阻会大大地改变,因此 可望制备更好的化学传感器。 善变颜色的纳米氧化物材料 氧化物纳米颗粒最大的本领是在电场作用下或在光的照射下 迅速改变颜色,这种材料可做成广告板或士兵防护激光枪的眼镜。广告板在光、电作用下, 会变得更加绚丽多彩。 纳米氧化物在催化及环境保护方面也有广泛的应用前景。 例如纳米二氧化肽可以广泛应用于 防日晒化妆品、轿车金属色面漆、高压绝缘材料、荧光管等。日本已在高速公路两侧、隧道 内侧设置了涂有二氧化肽的光催化板,以减轻汽车尾气污染。 半导体纳米材料 半导体纳米材料的最大用处是可以发出各种颜色的光,可以做成超小型的 激光光源。它还可以吸收太阳光的光能,把它直接变成电能。 具有自洁性能的光催化纳米材料 光催化纳米材料具有白清洁性能,涂于镜面、建筑物外墙 瓷砖,对使附着在其上的油污、微生物等分解,保持表向清洁。图 7 是用于污水处理的光催 化纳米材料。其中(a)为连续光催化装置,(b)是经过处理与未经处理的水的对比,左侧杯水 系经光催化纳米材料处理。 光催化纳米材料还可以作争先清洁剂。 纳米塑料 用纳米材料做成的塑料乌杏通塑料相比, 强度、 硬度明显提高, 制品色泽鲜艳。 2.1.3 全面理解内涵,纠正认识误区 纳米材料不仅仅是颗粒尺寸减小的问题。一些人理解的纳米科技,认为与微米技术相比 仅仅是尺寸缩小、精度提高的问题,检验一项技术成产品仅看它是否是纳米量级。判断纳米 材料,不仅仅是看是否颗粒在纳米量级,而重要的是型检测它任这一尺寸下,是否发生了与 传统材料或宏观物质相比较能的改变或十分显著的提高。 纳米尺度和新物性是确定纳米材料

的两个必备条件。 纳米材料的颗粒尺寸也应该均匀分市。 如果颗粒尺寸分布的范围很广, 甚至只有少部分颗粒 尺寸在纳米级,材料整体性质就不会有显著变化。 要全面理解纳米科技的内涵。纳米科技不仅仅是纳米材料的问题,同时应重视纳米器件 的研发、纳米尺度的表征与检测,以及纳米基础科学的研究。要想实现纳米技术目标,尚有 很多基础科举问题需要解答,如对分子自组装的理解,如何构造纳米器件,复杂纳米结构系 统的运作等。只有在物理、化学、材料科学、电子工程学以及其他学科的很多方面得到充分 发展的情况下,才能真正形成一项具体的纳米技术。 2.1.4 目前纳米材料的重点研究领域 1)在纳米层次上,电子和原子的相互作用受到变化的因素。 2)在纳米层次上,在不改变材料的化学性质的前提下,如何控制物质的磁性、蓄电能力 和催化能力等基本特性。 3)在纳米层次上,如何把人造组件和装配系统放入细胞中,使之与生物机体兼容。这样, 人们就有可能进行模拟自然的自行装配,制造出新的纳米材料。 4)鉴于纳米材料具有很大的表面积,如何使它们成为理想的催化剂和吸收剂,并在释放 电能和向人体细胞施药方面发挥作用。 5)如何利用颗粒非常小、表面不会产生缺陷、具有很高的表面能量的特性,研究制造高 强度的复合材料。 2.2 纳米器件 纳米科技的最终目的是以原子、分子为起点,去制造具有特殊功能的产品。因此,纳米 器件的研制和应用水平是进入纳米时代的重要标志。 以纳米器件制成的计算机,其计算能力可提高数百倍,而所需功率仅为目前的百万分之 一;纳米光电子学可能使通信带宽增加百倍;利用纳米技术可使信息存储量成千倍提高(兆 兆比特的存储器)。 目前大规模集成电路的元件,其尺寸大于固态器件电子自由程,电子输运行为具有统计 平均性质。描述这些性质的特性主要是宏观物理量,基本上不涉及量子力举理论,即只考虑 电子的粒子性,而不考虑波动性。随着技术的不断进步,微电子技术由 40 年代厘米尺寸的 真空管,50 年代毫米尺寸的品体管,70 年代几十微米尺寸的大规模集成电路,发展到 90 年代微米尺寸元件的超大规模集成电路。 日前已可设计出在只有几平方厘米的硅片上, 大约

有 1 亿个三极管,其主要部件的大小为 0.18μm、 。按此速率,到 2010 年元件尺寸降到 100 nm 以下,此时,宏观统计规律不再适用,载流子的波动特性及各种量子特性将起主导作用。 集成度的提高与模具(包括掩模)尺度、光刻波长和材料(如光刻胶)本身等的限制有关。集 成度愈高,解决的技术难度愈大,投资也愈多,这在经济上会遇到投资/效益比的极限。趋 近极限时,元件制作遇到的主要困难有: 1)微细导线制作有困难,改用电子束刻蚀也会有生产周期太长的问题; 2)如果线宽太小,将使构成电路的绝缘层变薄,会发生电子隧穿,破坏绝缘效果,这将 限制 MOS 器件作为开关器件的可能; 3)靠得紧紧的元件升温和散热问题。 以上这些是技术方面的困难。 从原理上看, 新障碍出之于载流子的波动特性和各种效应。 发展出路应是利用这些特性和效应, 寻找新工作原理的器件作为新一代电子技术的基础。 因 为这些新器件的尺寸(横向和纵向)都在纳米范围,因此可统称纳米器件,从而把以此为基础 的电子学由微电子推向纳电子(Nanoelectronics)。纳电子学有两重意义,一是在现有的电子 器件基础上把微电子器件尺寸推进到纳米范畴,另一是发展新原理的纳米器件。 2.3 纳米结构的表征和检测 为在纳米尺度上研究材料和器件的结构及性能, 发现新现象,发展新方法, 创造新技术, 必须建立纳米尺度的检测与表征手段。 这包括在纳米尺度上原位研究各种纳米结构的电、 力、 磁、光学特性,纳米空间的化学反应过程,物理传输过程,以及研究原子和分子的排列、组 装月奇异物性的关系,应十分重视纳米尺度的表征和检测工作。在当前纳米科技概念中,似 乎忽视了纳米尺度的表征和检测。但是,这项工作是纳米科技研究和发展、理论和实验的重 型基础。纳米尺度是如此之小,石不见,模不到。没有重要的工具和系统的表征、检测,纳 米科技研究只能是一句空话,伪纳米产品也会乘虚而入。 崛起的纳米科学 纳米科学(NanoSecience)是指人们研究纳米尺度, 即 100 nm 到 0.1nm 范围之内的物 质所具有的特异现象和特异功能的科学, 而纳米技术是在此基础之上制造新材料、 研究新工 艺的方法和手段。纳米科学技术不是某一举科的延伸,也不是某一工艺革新的产物,而是基 础理论学科与当代高新技术的结晶。它以物理、化学的微观研究理论为基础,以当代精密仪 器和先进的分析技术为手段, 是一个内容广阔的崭新的高科技多华科群。 按照目前的研究领 域纳米科学大致可以分为纳米物理学、纳米电子学、纳米光子学、纳米材料学、纳米医学、

纳米生物学、纳米生物电子学、纳米制造学、纳米光学、纳米动力学、纳米化学、纳米光电 子举、纳米摩擦学、纳米机械学、纳米磁学、纳米计量学、纳米地质天文学、纳米测量学、 纳米显微学、飞秒纳米光子学、纳米信息学、纳米微电子学、分子电子学、介观物理学和纳 米药物学等, 是一门基础研究与应用探索相融合的新兴科学技术。 而其中的每一门又都是跨 学科的边缘科学。 纳米技术作为一门新兴的综合性边缘学科,将为 21 世纪的信息科学、生命科学、分子 生物牧、 生态科学和材料学的发展提供一个全新的技术界面。 应用纳米科学技术可以引发环 保、微电子、光屯子、工业、医学、生物、军事、能源等诸多领域的革命,并导致自然物质、 社会组织、人类生活入式的变革。纳米材料涵盖了新科学、新技术、现代科学与技术的丰富 内容。回顾科技的发展历史可见,每一顶至大技术的出现都推动着社会经济的腾飞。蒸汽机 的出现使得人们告别了手上作坊而进入蒸汽时代, 爆发了第一次工业革命。 电的发明使整个 世界亮起来,又爆发了第二次工业革命。晶体管的发明导致了电脑和网络的出现,使人类进 入了信息时代,把整个世界坐成了“地球村” 。纳米科技的出现又彻底改变人们的生存方式和 整个世界。在 21 世纪,纳米科学技术将对世界人民的健康、财富和安全产生重大影响。因 此, 近年来世界各国包括我国均把纳术科技列为重要的开发领域。 这里仅概述纳米科学的现 状的发展。 纳米科举技术正式“外宗立派”是在 1990 年。这一年,美国成功地举行广第一届纳米科 技大会,并且正式创办了《纳米技术》杂志。虽然纳米科学技术出现的时间不长,但是它带 来的冲击是明显的,越来越多的科举家相信,这门新兴的学科将带来一轮新的革命,人们将 会迈入一个奇妙的世界。 l 纳米学科 概述 1.1 纳米电子学 纳米电子学是微电子技术向纵深发展的直接结果。现代集成电路的生产使用的是一种叫 做平面处理的工艺过程。 由于这种方法需要在涂有光刻胶的基片上进行曝光, 所以这种方法 的分辨率受到可见光波氏的限制。分辨率越高,集成器件的密度越大,集成电路的功能也就 越强。目前,最好的光刻机已接近最高分辨率,也就是大约 O.12μm。因此,如果在制作工 艺上没有重大的突破,集成电路即将走向历史的终点。纳米电子学就是在这一背景下诞生。 纳米电子举的主题有两个,一是开发具有纳米量级分辨率的工艺以取代现有集成电路生 产工艺,二是研究纳米器件的运行规律。因为在纳米尺度上,经典电子器件运行的理论基础

已经不再适用, 必须考虑量子效应的影响, 建立新的理论, 为新一代计算机的实现打下基础。 包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光/电性质、纳米电子材料的表征,以 及原子操纵和原子组装等。如现有的硅和砷化镓器件的响应速度最高只能达到 10-12s,功 耗最低只能降至 1μW。而量子器件在响应速度和功耗方面可以比这个数据优化 l 000 倍—1 0 000 倍。由于器件尺寸为纳米级,集成度大幅度提高,同时还具有器件结构简单、可靠性 强、成本低等诸多优点。因此,纳米电子学的发展,可能会在电子领域中引起一次新的电子 技术革命,从而把电子上业技术推问更高的发展阶段。 迄今为止,作为电子器件只利用了电子波粒二象性的粒子性,其次,各种传统电子元器 件部是通过控制电子数量来实现信息处理的。随着集成度的提高,功耗、速度成为严重的问 题。现有的肢和砷化嫁器件无论怎样改进,其响应速度最高只能达到 10-12s,功耗最低只 能降到 1μW。 利用电子的量子效应原理制作的器件称为量子器件或纳米器件, 也叫单电子器件晶体管。 在 量子器件中, 只要控制一个电子的行为即可完成特定的功能, 即量子器件不单纯通过控制电 子数目的多少,主要是通过控制波动的相位来实现某种功能的。因此,量子器件具有更高的 响应速度和更低的功能,从根本上解决日益严重的功耗问题。 要实现量子效应, 在工艺上要实施制作厚度和宽度都只有几纳米到几十纳米的微小导电区域 (称为势阱)。这样,当电子被关闭在此纳米导电区域中时,才有可能产生量子效应。这也是 制作量子器件的关键所在。 如果制作苦干纳米级导电区域之间形成薄薄的势垒区,由于屯子的波动件质,可以从某 势阱芽越势垒进入另一势阱,这就是量子隧道效应。 势阱中形成电子能级,当电子受激励时,将从低能级跃迁到高能级,而当电子从高能级 向低能级弛豫时, 会发射一定颜色的光。 这样一些量子效应在纳米技术中将得到有效的应用。 制作量子势阱的方法有分子束外延(MBE)、 原子层外延(ALE)、 等离子体增强化学汽相淀积(P ECVD)和金属有机化学汽相淀积(MOCVD)等方法。 所以,纳米技术是指在 0.1nm,—100 nm 尺度空间内,研究电子、原子和分子运动规 律和特性的高新技术学科, 它的最终目标是人类按照白己的意志直接操纵单个原子, 制造具 有特定功能的产品,它包括纳米电子学、纳米物理学、纳米材料学、纳米机械学、纳米制造 学、纳米生物学、纳米显微学和纳米计量学等。它是现代物理举与先进工程技术相结合的基 础上诞生的,是一门基础研究与应用探索紧密联系的新则科学技术。

1.2 纳米物理学 纳米物理学是深入揭示物质在纳米空间的物理过程和物质表征的新型科学。 它已以纳米固体 为研究对象,对其结构的奇异性、光学性质、特殊的导电机理等重要物理问题进行研究,以 开发物质的潜在信息和结构潜力,并将对电子技术产生重大影响。 纳米材料具有许多奇异性能,已广为人知。只要控制材料结构颗粒的大小,就能制造出 强度、颜色和可塑性都能满足要求的纳米相材料来,它具有很大的商业价值。据英刊报道, 目前已制成一种尺寸只有 4nm 的复杂分子,它具有“开”和“关”的特性,可由激光驱动。它的 开关时间很短,因此为光计算机的研制提供了物质与技术基础,超细颗粒铁表面覆盖一层 5 nm 到 20nm 厚的聚合物,可以固定大量蛋白质或酶,在控制生物反应和酶工程中将起重要 作用。 1.3 制造微型装置的纳米机械学 现在工程师们已用极小的部件组装成了一辆只有米粒大小、能够运转的汽车,直径只有 1nm—2nm 的静电发动机,体积只有普通机床的 1/10000,能够转动的车床,只有黄蜂大 小且能升空的直升机, 肉眼几乎看不见的发动机等。 纳米机械学的发展可以在硅片上刻写仅 几个纳米宽的线条,表明信息存储密度可提高几个数量级。 1.4 探索纳米科技的有力工具——纳米显微学 IBM 公司苏黎世研究所的 Bining G 和 Bohrer H 于 1981 年发明的扫描隧道显微镜(SIM), 可以实时测量物体表面的空间三维图象。其测量分辨率在平行和垂直于表面方向分别为 0.1 nm 和 0.01nm。这就可以实现人类长期以来所追求的直接观察原子真面目的原型。利用 SI M 还可以刻划纳米级微细线条,移动原子。因此,它已成为研究纳米科学技术的有力工具。 1 .5 纳米生物学中最具有诱惑力的纳米机器人 第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体,它可进入人体的血管里,清除 心脏动脉脂肪淀积物, 杀灭病毒和癌细胞。 第二代纳米机器人是直接由原子或分子装配成具 有特定功能的纳米尺度的分子装置。 第三代纳米机器人将包含有纳米计算机的装置, 它可能 在 1 秒钟内完成数十亿次操作。 1.6 纳米医学和生物学 从蛋白质、DNA、RNA 到病毒,都在 1nm—100 nm 的尺度范围,从而纳米结构也是生 命现象中基本的东西。细胞中的细胞器和其它的结构单元都是执行某种功能的“纳米机械” , 细胞就象一个个“纳米车间” ,植物中的光合作用等都是“纳米工厂”的典型例子。遗传基因序

列的自组装排列做到了原子级的结构精确, 神经系统的信息传递和反馈等都是纳米科技的完 美典范。 生物合成和生物过程已成为启发和制造新的纳米结构的源泉, 研究人员正效法生物 特性来实现技术上的纳米级控制和操纵。 纳米微粒的尺寸常常比生物体内的细胞、红血球还要小,这就为医学研究提供了新的契 机。日前已得到较好应用的实例有:利用纳米 Siq 微粒实现细胞分离的技术,纳米微粒特别 是纳米金(Au)粒子的细胞内部染色, 表面包覆磁性纳米微粒的新型药物或抗体进行局部定向 治疗等。 正在研制的生物芯片包括细胞芯片、蛋白质芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即 DNA 芯 片)等,都具有集成、并行和快速检测的优点,已成为纳米生物工程的前沿科技。将直接应 用于临床诊断、药物开发和人类遗传诊断。植入人体后可使人们随时随地都可享受医疗,而 且.可在动态检测中发现疾病的先兆信息,使早期诊断和预防成为可能。 纳米生物材料也可以分为两类。 一类是适合于生物体内的纳米材料, 如各式纳米传感器, 用于疾病的早期诊断、监测和治疗。各式纳米机械系统可以快速地辨别病区所在,并定向地 将药物注入病区而不伤害正常的组织或清除心脑血管中的血栓、 脂肪沉积物, 甚至可以用其 吞噬病毒,杀死癌细胞。另一类是利用生物分子的活性而研制的纳米材料,它们可以不被用 于生物体,而被用于其它纳米技术或微制造。 1.7 纳米光学 纳米光学是纳米科学和纳米技术的新方向,它使用的光限定在尺寸(为波长)或体积内。 它应用激光与原子、分子、团簇和纳米结构的线性或非线性、经典或量子相互作用的新的改 型的已知效应。 这一领域的实际发展以激光和可将光局限在极小尺寸的亚微米结构(纳米孔、 纳米缝、 纳米针等)的纳米技术为基础。 纳米光学具有以下基本特点。 1)为了以纳米空间分辨率研究物质的结构,激光能够非常强烈地局域化,但能保持光学 特征的光谱选择性。 2)与自由空间情况相 LL,纳米结构处的物质(原子、分子等)对局域化光的响应有显著变 化。 1.8 纳米生物学 纳米生物学是以纳米尺度研究细胞内部各种细胞的结构和功能、研究细胞内部、细胞内

外之间以及整个牛物体的物质、能量和信息文换。纳米牛物学的研究集中在下列方面。 1)遗传物质 DNA 的研究 这方面的研究在形貌观察、特性研究和基因改造二个方面有不 少进展。 2)脑功能的研究工作目标是弄清人类记忆、思维、语言和学习这些高级神经功能和人脑 的信息处理。 3)仿生学研究 这也是纳米生物学的热门研究内容,近年:取得不少成果,是纳米技术 中有希望获得突破件巨大成果的部分。 世界上最小的马达是一种牛物马达——鞭毛马达。它是细菌的运动器官,能象螺旋桨那 样旋转驱动鞭毛旋转。该马达通常由 10 种以上的蛋白质群体组成,共构造如人造马达,由 相当的定子、转子、轴承、万向接头组成。它的直径只有 30nm,转速可以高达 15000 r/ min,可在 1μs 内进行右转或左转的相互切换。利用外部电场可实现加速或减速,转动的动 力源,是细菌内支撑马达的薄膜内外的氢氧离子浓度差。实验证明,细菌体内外的电位差也 可.驱动鞭毛马达。现在人们正在探索设计一种能用电位差驱动的人造鞭毛马达驱动器。 日本三菱公司已开发出一种能模拟人眼处理视觉形象功能的视网膜芯片。该芯片以坤化 镓半导体作为基片,每个芯片内含 4096 个传感元,可望进一步用于机器人。 有人提出制作类似环和杆那样的分子机械,把它们装配起来构成计算机的线路单元。单 元尺寸仅 1nm,可组装成超小计算机,仅有数微米大小,就能达到现在常用计算机的同等 性能 4)纳米结构自组装的研究 复杂微型机电系统制造中,很大的难题是系统中各部件的组 装。系统愈先进、愈复杂,组装的问题也愈难解决。自然界各种生物、生物体内的蛋白质、 DNA、细胞等都是极为复杂的结构。他们的生成组装都是自动进行的。如能了解并控制生物 大分子的自组装原理,人类村自然界的认识和改造必然会上升到一个全新的更高的水平。 纳米结构自组装技术的发展, 将会使纳米机械、 纳米机电系统和纳米生物学产生突破性的飞 跃。 1.9 纳米光电子学 光电子技术正向光电子集成,进而将向纳米光电子集成方向发展。纳米光电子学是纳米 半导体材料的基础上发展起来的, 是纳米电子学发展的入向。 纳米光屯子举是研究纳米结构 中电子与光子的相互作用及其器件的一门高技术学科。 光电子技术与纳米电子技术相结合而 产生纳米光电子技术。上导体硅不能发光,但采用纳米技术后,它能发出耀眼的蓝光,这山

就开拓出了一门崭新的学科——纳米光电子学。 在纳米科技时代,纳米电子学和纳米光电子学是纳米科技发展的重点。人们正注视着纳 米电子学和纳米光电子学领域的新进展。 2 结论 在以上介绍的纳米科学中,纳米电子学、纳米光电子学和纳米光电子是纳米技术的重要 组成部分,是传统微电子学、光电子发展的必然结果,足纳米技术发展的主要动力。纳米电 子学在传统的间体电子学基础上, 借助最新的物理论和最先进的工艺手段, 按照全新的概念 构造电子器件与系统、 纳米电子学在更深层次上开发物质潜在的信息和结构的能力, 使单位 体积物质储存和处理信息的能力提高 100 万倍以上。实现信息采集和处理能力的革命性突 破。纳米电子学与光电子学、光子学、生物学、机械学、工艺学等学科结合,可以削成光电 子器件、分子器件、光子器件、微电子机械系统(MEM5)微纳米电子机械系统(MNEM5)、微 光电机械系统(M()EMS)微型机器人、纳米卫星等,将对人类的生产和生活方式产革命性的 影响。纳米电子学,纳米光电子学和纳米光子学将成为 21 世纪信息时代的关键技术。


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