納米科技未來的發(fā)展夢想與現(xiàn)實(shí)-

1、納米科技:未來的發(fā)展 張國偉 克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院11  人類對宏觀世界與微觀世界的探索愛因斯坦曾經(jīng)說：“未來科學(xué)的發(fā)展無非是繼續(xù)向宏觀世界和微觀世界進(jìn)軍。”    如果將人類所研究的物質(zhì)世界對象用長度單位加以描述，我們可以得到人類智力所延伸到的物質(zhì)世界的范圍。在宏觀方面，目前人類能夠加以研究的物質(zhì)世界的最大尺度是l025m，約l0億光年，在人類研究宇宙深處和構(gòu)成質(zhì)子與中子和夸克這兩個(gè)極端尺度之間，我們在一段尺度范圍內(nèi)還有很多基本規(guī)律沒有搞清，有些理論沒有完善，這個(gè)尺度就是納米尺度。      12 &#

2、160;納米在長度單位中所處的位置1納米為10-9m，代號為nm。它在長度單位中所處的位置見表1。“納米”尺度的粒子早已存在。比如，中國古代的微墨粒子，出土銅鏡涂層中的粒子，已在輪胎中使用了100年用作增強(qiáng)劑的炭黑顆粒等，疫苗（它常含有一種或數(shù)種納米尺寸的蛋白質(zhì)）也可能擠身于納米之列。表1 納米在長度單位中所處的位置單位                         縮寫或符號      

3、60;   對主單位的比米                             m分米                     dm             

4、;                  10-1厘米                           cm                      

5、60;  1023毫米                            mm                              10-3絲米      &#

6、160;                  mm                                10-4忽米                 &

7、#160;        cmm                               10-5微米                           

8、                                  10-6納米                            nm      

9、0;                       10-9埃                               ?              

10、0;               10-1013        納米概念的提出與發(fā)展最早提出納米尺度上科學(xué)和技術(shù)問題的是美國著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者查理德·費(fèi)曼(Richard IFeylunarl)。1959年他在一次著名的演講中曾經(jīng)這樣說：“如果人類能夠在原子/分子的尺度上來加工材料，制備裝置，我們將有許多激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)。我們需要新型的微型化儀器來操縱微小結(jié)構(gòu)并測定其性質(zhì)。那日寸，化學(xué)將變成根據(jù)人們的意愿逐個(gè)地淮確放置原子的問題?！彼?/p>

11、預(yù)言：“當(dāng)2000年人們剛頃歷史的時(shí)候，他們會為直接用原子、分子來制造機(jī)器而感到驚訝。”(查理德教授于1988年去世)100年前，愛因斯坦在其博士論文中曾根據(jù)糖在水中擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)資料計(jì)算出一個(gè)糖分子的直徑約為l納米。100年后的今天，納米尺度在科學(xué)中的重要性迅速膨脹起來。1974年日本谷口紀(jì)南(Taniguchi)教授最早使用“納米技術(shù)”(Nanotechology)一詞描述精細(xì)機(jī)械加工。70年代后期，美國麻省理工學(xué)院德雷克斯勒提倡將納米技術(shù)作為門專門的科學(xué)技術(shù)對之進(jìn)行研究。但當(dāng)時(shí)多數(shù)主流科學(xué)家對此持懷疑態(tài)度。納米科技的迅速發(fā)展是在80年代末、90年代初。80年代初中期出現(xiàn)的納米科技研究的重要手

12、段一掃描隧道顯微鏡(STM)、原子力顯微鏡(AFM) 等微觀表征和操縱技術(shù)對納米科技的發(fā)展起了積極的促進(jìn)作用。掃描探針顯微鏡(SPM)的出現(xiàn)，標(biāo)志著人類在對微觀尺度的探索方面進(jìn)入到個(gè)全新的領(lǐng)域。作為納米科技重要研究手段的SPM也被形象地稱為納米科技的“眼睛”和“手”：“眼睛”可以利用掃描探針顯微鏡直接觀察測試原子、分子的相互作用與特性；   “手”可以借助掃描探針顯微鏡移動(dòng)原子，構(gòu)造納米結(jié)構(gòu)，同時(shí)為科學(xué)家提供在納米尺度下研究新現(xiàn)象、提出新理論的微小實(shí)驗(yàn)室。   1990年7月，第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會議在美國巴爾的摩與第五屆國際掃描隧道顯微學(xué)會同時(shí)舉辦，

13、納米技術(shù)與納米生物學(xué)兩種國際性專業(yè)期刊相繼問世。技術(shù)納米科技一門嶄新的科學(xué)從此得到科技界的廣泛關(guān)注。14  什么是納米科技對于納米科技，從不同角度可以有不同的提法，歸納起來有以下四種：1)        把納米技術(shù)定位為微加工技術(shù)的極限，也就是通過納米精度的“加工”，人工形成納米大小結(jié)構(gòu)的技術(shù)。有人把通過超精細(xì)加工制作的微機(jī)電裝置也稱為納米裝置；2)        在材料領(lǐng)域，把納米級顆粒的制備技術(shù)及由此引起的材料的性能改變稱為納米技術(shù)；3)       

14、 從原子、分子出發(fā)來構(gòu)建特殊的結(jié)構(gòu)，制造具有所需功能的分子裝置，從而產(chǎn)生生產(chǎn)方式的變革；4)        仿制生物體系的納米結(jié)構(gòu)，利用生物的自識別、自組織、自復(fù)制的功能制造特定的納米產(chǎn)品?；谝陨咸岱?，我們可以把納米科技定義為：納米科技是指在納米尺度(1nm到100 nm之間)上研究物質(zhì)(包括原子、分子的操縱)的特性和相互作用(主要是量子特性)，以及利用這些特性的多學(xué)科交叉的科學(xué)和技術(shù)。它使人類認(rèn)識和改造物質(zhì)世界的手段和能力延伸到原子和分子。納米科技的最終目標(biāo)是以原子、分子及物質(zhì)在納米尺度上表現(xiàn)出來的新穎的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性制造出具有特定功能的產(chǎn)品

15、。15  納米科技的重要意義美國商業(yè)周刊將納米科技列為2l世紀(jì)可能取得重要突破的3個(gè)領(lǐng)域之一(其它兩個(gè)為生命科學(xué)和生物技術(shù)、從外星球獲得能源)；美國政府從1999年開始，決定把納米科技研究列為2l世紀(jì)前10年11個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域之一。美國總統(tǒng)科技助理在致國會的信中稱：“納米技術(shù)將與信息技術(shù)或壁物技術(shù)一樣，對21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)、國防和計(jì)會產(chǎn)生更大影響，可能引導(dǎo)下一場工業(yè)革命  (Leading to the next industrial revolution)，應(yīng)把它放在科舉技術(shù)的最優(yōu)先地位(Top priority)。納米科技的陡然升溫不僅僅是尺度的縮小問題，實(shí)質(zhì)

16、是由于納米科技在推動(dòng)人類社會產(chǎn)生巨大變革方面具有的重要意義所決定的。納米科技的發(fā)展，促進(jìn)了人類對客觀世界認(rèn)知的革命。人類在宏觀和微觀的理論充分完善之后，在介觀尺度上有許多新現(xiàn)象、新規(guī)律有待發(fā)現(xiàn)，這也是新技術(shù)發(fā)展的源頭。納米科技是多學(xué)科交叉融合性質(zhì)的集中體現(xiàn)，我們已不能將納米科技?xì)w為哪一門傳統(tǒng)的學(xué)科領(lǐng)域。而現(xiàn)代科技的發(fā)展幾乎都是在交叉和邊緣領(lǐng)域取得創(chuàng)新性突破的，正是這樣，納米科技充滿了原始創(chuàng)新的機(jī)會。因此對于還比較陌生的納米世界中尚待解決的科學(xué)問題，科學(xué)家有著極大的好奇心和探索欲望。而一旦在這一領(lǐng)域探索過程中形成的理論和概念在我們的生產(chǎn)、生活中得到廣泛的應(yīng)用，那么，它將極大地乍富我們的認(rèn)知世界，

17、并給人類社會帶來觀念上的變革。同時(shí)納米科技推動(dòng)產(chǎn)品的微型化、高性能化和與環(huán)境友好化。將極大地節(jié)約資源和能源，減少人類對它們的過分依賴，并促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的改善。這將在新的層次上為人類可持續(xù)發(fā)展提供物質(zhì)和技術(shù)保證。隨著人類對客觀世界認(rèn)知的革命，納米科技將引發(fā)一場新的工業(yè)革命。由于量子效應(yīng)，微電子器件的極限線寬一般認(rèn)為0.07微米(70納米)。根據(jù)美國半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會預(yù)計(jì)，到2010年半導(dǎo)體器件的尺寸將達(dá)到0.1微米(100納米)。正好是納米結(jié)構(gòu)器件的最大長度。小于這一尺寸，所省的芯片需要按照新的原理來設(shè)計(jì)。為了突破信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，必須研究納米尺度中的理論問題和技術(shù)問題，建立適應(yīng)納米尺度的新的集成方

18、法和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在這一尺度上制造出的計(jì)算機(jī)的運(yùn)算和存儲能力，將比目前微米技術(shù)下的計(jì)算機(jī)性能呈指數(shù)倍的提高，這將是對信息產(chǎn)業(yè)和其它相關(guān)產(chǎn)業(yè)的一場深刻的革命。同樣，生命科技也面臨著在納米科技影響下的變革。所以，人們認(rèn)為納米科技是未來信息科技與生命科技進(jìn)一步發(fā)展的共同基礎(chǔ)。正如美國新技術(shù)周刊指出：納米技術(shù)是2l世紀(jì)經(jīng)濟(jì)增長的一個(gè)主要的發(fā)動(dòng)機(jī)，其作用可使微電子學(xué)在20世紀(jì)后半葉對世界的影響相形見絀。納米科技也將促使傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)“舊貌換新顏”。比如，納米材料的研究，在化纖制品中加入納米微粒，可以除味、殺菌；通過納米技術(shù)的運(yùn)用，使建筑物外墻涂料的耐洗刷性由原來的1000次提高到1000多次，老化時(shí)間也延長了兩倍

19、多。這種對傳統(tǒng)材料進(jìn)行納米改性的技術(shù)，企業(yè)應(yīng)用的投入不大，而且市場前景廣闊。納米科技的巨大影響還在于使納米尺度上的多學(xué)科交叉展現(xiàn)了巨大的生命力，迅速形成個(gè)具有廣泛學(xué)科內(nèi)容和潛在應(yīng)用前景的研究領(lǐng)域，包括納米材料學(xué)、納米電子學(xué)、納米生物學(xué)、納米化學(xué)等。但是我們也應(yīng)該看到，納米科技作為國際上剛剛興起的一門新興的學(xué)科領(lǐng)域，有許多重大的基礎(chǔ)問題還未解決，其全面走向應(yīng)用尚需時(shí)日。因此對于“納米熱”應(yīng)予正確引導(dǎo)，防止將納米科技的概念庸俗化。2納米科技的研究領(lǐng)域    由于納米科技的多學(xué)科交叉性質(zhì)，它的研究對象涉及諸多領(lǐng)域，它的基礎(chǔ)研究問題急諸多領(lǐng)域，它的基礎(chǔ)研究問題又往往與應(yīng)用密不可分。

20、我們可以根據(jù)納米科技與傳統(tǒng)學(xué)科領(lǐng)域的結(jié)合而細(xì)分為納米材料學(xué)、納米電子學(xué)、納米生物學(xué)、納米化學(xué)、納米機(jī)械學(xué)和納米加工等，但這種與學(xué)科緊密聯(lián)系的分類方式，無法便捷地勾劃納米科技的大致輪廓，各類之間又有交叉、重疊。為了對納米科技中有代表性的納米材料、納米器件、納米檢測與表征這三類功用性很強(qiáng)的研究領(lǐng)域。21  納米材料    納米材料是納米科技發(fā)展的重要基礎(chǔ)。它是指材料的幾何尺寸達(dá)到納米級尺度水平，并且具有特殊性能的材料。211  納米材料的種類與特性    納米材料主要種類有納米顆粒與粉體、納米碳管與維納米材料、納米薄膜

21、、納米塊材。納米材料的尺寸被限在100nm以下，這是個(gè)由各種限域效應(yīng)引起的各種特性開始有相當(dāng)大改變的尺寸范圍。當(dāng)材料或那些量子特性產(chǎn)生的機(jī)制被限制在小于某些臨界長度尺寸的中間之內(nèi)的時(shí)候，性能就會改變。導(dǎo)致納米材料產(chǎn)生奇異性能的主要限域效應(yīng)有比表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、界向效應(yīng)和量子效應(yīng)。小尺寸效應(yīng)是指顆粒尺寸減小到一定限度時(shí)，在一定條件下會引起材料宏觀物理、化學(xué)性質(zhì)上的變化。研究證實(shí)，由于納米材料尺寸小，電子平均自由程短，電子的局域性和相干性增強(qiáng)。尺寸下降，使納米體系包含的原子數(shù)大大降低，宏觀固定的準(zhǔn)連續(xù)能帶消失了，而表現(xiàn)出分裂的能級，量子尺寸效應(yīng)顯著，這便使納米體系的光、電、熱、磁等物理性質(zhì)與常

22、規(guī)材料不同，出現(xiàn)許多新奇特性。    在上述效應(yīng)的作用下，納米材料的性能較之傳統(tǒng)材料有較大的提高。例如：    納米金屬固體的硬度要比傳統(tǒng)的粗晶材料硬3倍5倍；    納米團(tuán)體鐵的斷裂應(yīng)力比常規(guī)鐵材料提成近12倍；    納米固體銅比一般鋼材料的熱擴(kuò)散增強(qiáng)近1倍；    納米磁性金屬的磁化率是普通磁性金屬的20倍；212  幾種典型的納米材料   易燃易爆的納米金屬顆粒  金屬納米顆?；冶砻嫔系脑邮只顫姟?shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果將金屬銅或鋁做

23、成的納米顆粒，遇到空氣就會激烈燃燒，發(fā)地爆炸。納米金屬顆粒粉體內(nèi)用于制作固體火箭的燃料、催化劑等。  高強(qiáng)度的納米金屬塊體  各屬納米顆粒粉體制成塊狀金屬材料，就會變得十分結(jié)實(shí)，其強(qiáng)度比一般的金屬高1()多倍，同時(shí)又像橡膠一樣富于彈性，可以稱得上是材料世界中的大力士。圖4是納米金屬絲的強(qiáng)度、韌度與一般工程材料的比較。有的納米金屬還具有超延展性，如納米銅的延展率可達(dá)5100%。   奇妙的碳納米管  碳納米管是由石墨中一層或若干層碳原子卷曲而成的籠狀“纖維”，內(nèi)部是空的，外部直徑只有幾納米到幾十納米。見圖5和圖6，圖

24、6是碳納米管大規(guī)模合成的放大。碳納米管的密度只有鋼的1/6，而強(qiáng)度卻是鋼的100倍。優(yōu)良彈性、抗張強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性可用于微型機(jī)器人、抗沖擊車身及抗震建筑物中。使用碳納米管的最初產(chǎn)品是利用其電學(xué)性質(zhì)制作加有碳米管的塑料部件這種塑料在噴涂過程中可帶電，從而可更快地上漆，敷于物件上。以碳納米管為基礎(chǔ)的敷料還具有發(fā)光顯示性能。   碳納米管具有很低的場發(fā)射閉值電場強(qiáng)度和很高的場發(fā)射電流密度，能在普通高真空度下長期穩(wěn)定工作，因此在場發(fā)射顯示領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。   碳納米管附著在掃描探針顯微鏡的尖端，可使其橫向分辨率提高10倍以上。能更清楚地觀察蛋白質(zhì)和其他大分子

25、。以碳納米管為尖端的原子力顯微鏡可以探側(cè)DNA片段和鑒別化學(xué)標(biāo)記物。  碳納米管可在其中空的內(nèi)部儲存氫，然后逐漸釋放出來，使其成為高效廉價(jià)的燃料電池。還可以存儲理離子，做成壽命更長的電池。半導(dǎo)體納米管在室溫下暴露于強(qiáng)堿、鹵化物和其他氣體中時(shí)，它的電阻會大大地改變，因此可望制備更好的化學(xué)傳感器。  善變顏色的納米氧化物材料  氧化物納米顆粒最大的本領(lǐng)是在電場作用下或在光的照射下迅速改變顏色，這種材料可做成廣告板或士兵防護(hù)激光槍的眼鏡。廣告板在光、電作用下，會變得更加絢麗多彩。納米氧化物在催化及環(huán)境保護(hù)方面也有廣泛的應(yīng)用前景。例如納米二氧

26、化肽可以廣泛應(yīng)用于防日曬化妝品、轎車金屬色面漆、高壓絕緣材料、熒光管等。日本已在高速公路兩側(cè)、隧道內(nèi)側(cè)設(shè)置了涂有二氧化肽的光催化板，以減輕汽車尾氣污染。半導(dǎo)體納米材料  半導(dǎo)體納米材料的最大用處是可以發(fā)出各種顏色的光，可以做成超小型的激光光源。它還可以吸收太陽光的光能，把它直接變成電能。具有自潔性能的光催化納米材料  光催化納米材料具有白清潔性能，涂于鏡面、建筑物外墻瓷磚，對使附著在其上的油污、微生物等分解，保持表向清潔。圖7是用于污水處理的光催化納米材料。其中(a)為連續(xù)光催化裝置，(b)是經(jīng)過處理與未經(jīng)處理的水的對比，左側(cè)杯水系經(jīng)光催化納米材料處理。

27、光催化納米材料還可以作爭先清潔劑。   納米塑料  用納米材料做成的塑料烏杏通塑料相比，強(qiáng)度、硬度明顯提高，制品色澤鮮艷。213  全面理解內(nèi)涵，糾正認(rèn)識誤區(qū)    納米材料不僅僅是顆粒尺寸減小的問題。一些人理解的納米科技，認(rèn)為與微米技術(shù)相比僅僅是尺寸縮小、精度提高的問題，檢驗(yàn)一項(xiàng)技術(shù)成產(chǎn)品僅看它是否是納米量級。判斷納米材料，不僅僅是看是否顆粒在納米量級，而重要的是型檢測它任這一尺寸下，是否發(fā)生了與傳統(tǒng)材料或宏觀物質(zhì)相比較能的改變或十分顯著的提高。納米尺度和新物性是確定納米材料的兩個(gè)必備條件。納米材料的顆粒尺寸也應(yīng)

28、該均勻分市。如果顆粒尺寸分布的范圍很廣，甚至只有少部分顆粒尺寸在納米級，材料整體性質(zhì)就不會有顯著變化。    要全面理解納米科技的內(nèi)涵。納米科技不僅僅是納米材料的問題，同時(shí)應(yīng)重視納米器件的研發(fā)、納米尺度的表征與檢測，以及納米基礎(chǔ)科學(xué)的研究。要想實(shí)現(xiàn)納米技術(shù)目標(biāo)，尚有很多基礎(chǔ)科舉問題需要解答，如對分子自組裝的理解，如何構(gòu)造納米器件，復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)作等。只有在物理、化學(xué)、材料科學(xué)、電子工程學(xué)以及其他學(xué)科的很多方面得到充分發(fā)展的情況下，才能真正形成一項(xiàng)具體的納米技術(shù)。214  目前納米材料的重點(diǎn)研究領(lǐng)域    1)在納米層次上，電子和

29、原子的相互作用受到變化的因素。    2)在納米層次上，在不改變材料的化學(xué)性質(zhì)的前提下，如何控制物質(zhì)的磁性、蓄電能力和催化能力等基本特性。    3)在納米層次上，如何把人造組件和裝配系統(tǒng)放入細(xì)胞中，使之與生物機(jī)體兼容。這樣，人們就有可能進(jìn)行模擬自然的自行裝配，制造出新的納米材料。    4)鑒于納米材料具有很大的表面積，如何使它們成為理想的催化劑和吸收劑，并在釋放電能和向人體細(xì)胞施藥方面發(fā)揮作用。    5)如何利用顆粒非常小、表面不會產(chǎn)生缺陷、具有很高的表面能量的特性，研究制造高強(qiáng)度的復(fù)合材料。22 

30、 納米器件    納米科技的最終目的是以原子、分子為起點(diǎn)，去制造具有特殊功能的產(chǎn)品。因此，納米器件的研制和應(yīng)用水平是進(jìn)入納米時(shí)代的重要標(biāo)志。    以納米器件制成的計(jì)算機(jī)，其計(jì)算能力可提高數(shù)百倍，而所需功率僅為目前的百萬分之一；納米光電子學(xué)可能使通信帶寬增加百倍；利用納米技術(shù)可使信息存儲量成千倍提高(兆兆比特的存儲器)。     目前大規(guī)模集成電路的元件，其尺寸大于固態(tài)器件電子自由程，電子輸運(yùn)行為具有統(tǒng)計(jì)平均性質(zhì)。描述這些性質(zhì)的特性主要是宏觀物理量，基本上不涉及量子力舉理論，即只考慮電子的粒子性，而不考慮

31、波動(dòng)性。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，微電子技術(shù)由40年代厘米尺寸的真空管，50年代毫米尺寸的品體管，70年代幾十微米尺寸的大規(guī)模集成電路，發(fā)展到90年代微米尺寸元件的超大規(guī)模集成電路。日前已可設(shè)計(jì)出在只有幾平方厘米的硅片上，大約有1億個(gè)三極管，其主要部件的大小為0.18m、。按此速率，到2010年元件尺寸降到100nm以下，此時(shí)，宏觀統(tǒng)計(jì)規(guī)律不再適用，載流子的波動(dòng)特性及各種量子特性將起主導(dǎo)作用。   集成度的提高與模具(包括掩模)尺度、光刻波長和材料(如光刻膠)本身等的限制有關(guān)。集成度愈高，解決的技術(shù)難度愈大，投資也愈多，這在經(jīng)濟(jì)上會遇到投資效益比的極限。趨近極限時(shí)，元件制作遇到的

32、主要困難有：    1)微細(xì)導(dǎo)線制作有困難，改用電子束刻蝕也會有生產(chǎn)周期太長的問題；    2)如果線寬太小，將使構(gòu)成電路的絕緣層變薄，會發(fā)生電子隧穿，破壞絕緣效果，這將限制MOS器件作為開關(guān)器件的可能；    3)靠得緊緊的元件升溫和散熱問題。    以上這些是技術(shù)方面的困難。從原理上看，新障礙出之于載流子的波動(dòng)特性和各種效應(yīng)。發(fā)展出路應(yīng)是利用這些特性和效應(yīng)，尋找新工作原理的器件作為新一代電子技術(shù)的基礎(chǔ)。因?yàn)檫@些新器件的尺寸(橫向和縱向)都在納米范圍，因此可統(tǒng)稱納米器件，從而把以此為基礎(chǔ)的電子學(xué)由微電子推向納電子

33、(Nanoelectronics)。納電子學(xué)有兩重意義，一是在現(xiàn)有的電子器件基礎(chǔ)上把微電子器件尺寸推進(jìn)到納米范疇，另一是發(fā)展新原理的納米器件。23  納米結(jié)構(gòu)的表征和檢測    為在納米尺度上研究材料和器件的結(jié)構(gòu)及性能，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，發(fā)展新方法，創(chuàng)造新技術(shù)，必須建立納米尺度的檢測與表征手段。這包括在納米尺度上原位研究各種納米結(jié)構(gòu)的電、力、磁、光學(xué)特性，納米空間的化學(xué)反應(yīng)過程，物理傳輸過程，以及研究原子和分子的排列、組裝月奇異物性的關(guān)系，應(yīng)十分重視納米尺度的表征和檢測工作。在當(dāng)前納米科技概念中，似乎忽視了納米尺度的表征和檢測。但是，這項(xiàng)工作是納米科技研究和發(fā)

34、展、理論和實(shí)驗(yàn)的重型基礎(chǔ)。納米尺度是如此之小，石不見，模不到。沒有重要的工具和系統(tǒng)的表征、檢測，納米科技研究只能是一句空話，偽納米產(chǎn)品也會乘虛而入。崛起的納米科學(xué)       納米科學(xué)(NanoSecience)是指人們研究納米尺度，即100 nm到0.1nm范圍之內(nèi)的物質(zhì)所具有的特異現(xiàn)象和特異功能的科學(xué)，而納米技術(shù)是在此基礎(chǔ)之上制造新材料、研究新工藝的方法和手段。納米科學(xué)技術(shù)不是某一舉科的延伸，也不是某一工藝革新的產(chǎn)物，而是基礎(chǔ)理論學(xué)科與當(dāng)代高新技術(shù)的結(jié)晶。它以物理、化學(xué)的微觀研究理論為基礎(chǔ)，以當(dāng)代精密儀器和先進(jìn)的分析技術(shù)為手段，是一個(gè)內(nèi)容廣闊的嶄新的

35、高科技多華科群。按照目前的研究領(lǐng)域納米科學(xué)大致可以分為納米物理學(xué)、納米電子學(xué)、納米光子學(xué)、納米材料學(xué)、納米醫(yī)學(xué)、納米生物學(xué)、納米生物電子學(xué)、納米制造學(xué)、納米光學(xué)、納米動(dòng)力學(xué)、納米化學(xué)、納米光電子舉、納米摩擦學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、納米磁學(xué)、納米計(jì)量學(xué)、納米地質(zhì)天文學(xué)、納米測量學(xué)、納米顯微學(xué)、飛秒納米光子學(xué)、納米信息學(xué)、納米微電子學(xué)、分子電子學(xué)、介觀物理學(xué)和納米藥物學(xué)等，是一門基礎(chǔ)研究與應(yīng)用探索相融合的新興科學(xué)技術(shù)。而其中的每一門又都是跨學(xué)科的邊緣科學(xué)。    納米技術(shù)作為一門新興的綜合性邊緣學(xué)科，將為21世紀(jì)的信息科學(xué)、生命科學(xué)、分子生物牧、生態(tài)科學(xué)和材料學(xué)的發(fā)展提供一個(gè)全新的技術(shù)

36、界面。應(yīng)用納米科學(xué)技術(shù)可以引發(fā)環(huán)保、微電子、光屯子、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、生物、軍事、能源等諸多領(lǐng)域的革命，并導(dǎo)致自然物質(zhì)、社會組織、人類生活入式的變革。納米材料涵蓋了新科學(xué)、新技術(shù)、現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)的豐富內(nèi)容。回顧科技的發(fā)展歷史可見，每一頂至大技術(shù)的出現(xiàn)都推動(dòng)著社會經(jīng)濟(jì)的騰飛。蒸汽機(jī)的出現(xiàn)使得人們告別了手上作坊而進(jìn)入蒸汽時(shí)代，爆發(fā)了第一次工業(yè)革命。電的發(fā)明使整個(gè)世界亮起來，又爆發(fā)了第二次工業(yè)革命。晶體管的發(fā)明導(dǎo)致了電腦和網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，使人類進(jìn)入了信息時(shí)代，把整個(gè)世界坐成了“地球村”。納米科技的出現(xiàn)又徹底改變?nèi)藗兊纳娣绞胶驼麄€(gè)世界。在21世紀(jì)，納米科學(xué)技術(shù)將對世界人民的健康、財(cái)富和安全產(chǎn)生重大影響。因此，

37、近年來世界各國包括我國均把納術(shù)科技列為重要的開發(fā)領(lǐng)域。這里僅概述納米科學(xué)的現(xiàn)狀的發(fā)展。    納米科舉技術(shù)正式“外宗立派”是在1990年。這一年，美國成功地舉行廣第一屆納米科技大會，并且正式創(chuàng)辦了納米技術(shù)雜志。雖然納米科學(xué)技術(shù)出現(xiàn)的時(shí)間不長，但是它帶來的沖擊是明顯的，越來越多的科舉家相信，這門新興的學(xué)科將帶來一輪新的革命，人們將會邁入一個(gè)奇妙的世界。l  納米學(xué)科 概述11  納米電子學(xué)    納米電子學(xué)是微電子技術(shù)向縱深發(fā)展的直接結(jié)果?，F(xiàn)代集成電路的生產(chǎn)使用的是一種叫做平面處理的工藝過程。由于這種方法需要在涂有光

38、刻膠的基片上進(jìn)行曝光，所以這種方法的分辨率受到可見光波氏的限制。分辨率越高，集成器件的密度越大，集成電路的功能也就越強(qiáng)。目前，最好的光刻機(jī)已接近最高分辨率，也就是大約O.12m。因此，如果在制作工藝上沒有重大的突破，集成電路即將走向歷史的終點(diǎn)。納米電子學(xué)就是在這一背景下誕生。    納米電子舉的主題有兩個(gè)，一是開發(fā)具有納米量級分辨率的工藝以取代現(xiàn)有集成電路生產(chǎn)工藝，二是研究納米器件的運(yùn)行規(guī)律。因?yàn)樵诩{米尺度上，經(jīng)典電子器件運(yùn)行的理論基礎(chǔ)已經(jīng)不再適用，必須考慮量子效應(yīng)的影響，建立新的理論，為新一代計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。    包括基于量子效應(yīng)的納米電子器件

39、、納米結(jié)構(gòu)的光電性質(zhì)、納米電子材料的表征，以及原子操縱和原子組裝等。如現(xiàn)有的硅和砷化鎵器件的響應(yīng)速度最高只能達(dá)到10-12s，功耗最低只能降至1W。而量子器件在響應(yīng)速度和功耗方面可以比這個(gè)數(shù)據(jù)優(yōu)化l 000倍10 000倍。由于器件尺寸為納米級，集成度大幅度提高，同時(shí)還具有器件結(jié)構(gòu)簡單、可靠性強(qiáng)、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此，納米電子學(xué)的發(fā)展，可能會在電子領(lǐng)域中引起一次新的電子技術(shù)革命，從而把電子上業(yè)技術(shù)推問更高的發(fā)展階段。    迄今為止，作為電子器件只利用了電子波粒二象性的粒子性，其次，各種傳統(tǒng)電子元器件部是通過控制電子數(shù)量來實(shí)現(xiàn)信息處理的。隨著集成度的提高，功耗、速度成為嚴(yán)

40、重的問題?，F(xiàn)有的肢和砷化嫁器件無論怎樣改進(jìn)，其響應(yīng)速度最高只能達(dá)到10-12s，功耗最低只能降到1W。利用電子的量子效應(yīng)原理制作的器件稱為量子器件或納米器件，也叫單電子器件晶體管。在量子器件中，只要控制一個(gè)電子的行為即可完成特定的功能，即量子器件不單純通過控制電子數(shù)目的多少，主要是通過控制波動(dòng)的相位來實(shí)現(xiàn)某種功能的。因此，量子器件具有更高的響應(yīng)速度和更低的功能，從根本上解決日益嚴(yán)重的功耗問題。要實(shí)現(xiàn)量子效應(yīng)，在工藝上要實(shí)施制作厚度和寬度都只有幾納米到幾十納米的微小導(dǎo)電區(qū)域(稱為勢阱)。這樣，當(dāng)電子被關(guān)閉在此納米導(dǎo)電區(qū)域中時(shí)，才有可能產(chǎn)生量子效應(yīng)。這也是制作量子器件的關(guān)鍵所在。  &#

41、160; 如果制作苦干納米級導(dǎo)電區(qū)域之間形成薄薄的勢壘區(qū)，由于屯子的波動(dòng)件質(zhì)，可以從某勢阱芽越勢壘進(jìn)入另一勢阱，這就是量子隧道效應(yīng)。    勢阱中形成電子能級，當(dāng)電子受激勵(lì)時(shí)，將從低能級躍遷到高能級，而當(dāng)電子從高能級向低能級弛豫時(shí)，會發(fā)射一定顏色的光。這樣一些量子效應(yīng)在納米技術(shù)中將得到有效的應(yīng)用。制作量子勢阱的方法有分子束外延(MBE)、原子層外延(ALE)、等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積(PECVD)和金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積(MOCVD)等方法。    所以，納米技術(shù)是指在0.1nm，100 nm尺度空間內(nèi)，研究電子、原子和分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律和特性的高新技術(shù)學(xué)科，它

42、的最終目標(biāo)是人類按照白己的意志直接操縱單個(gè)原子，制造具有特定功能的產(chǎn)品，它包括納米電子學(xué)、納米物理學(xué)、納米材料學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、納米制造學(xué)、納米生物學(xué)、納米顯微學(xué)和納米計(jì)量學(xué)等。它是現(xiàn)代物理舉與先進(jìn)工程技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上誕生的，是一門基礎(chǔ)研究與應(yīng)用探索緊密聯(lián)系的新則科學(xué)技術(shù)。12  納米物理學(xué)納米物理學(xué)是深入揭示物質(zhì)在納米空間的物理過程和物質(zhì)表征的新型科學(xué)。它已以納米固體為研究對象，對其結(jié)構(gòu)的奇異性、光學(xué)性質(zhì)、特殊的導(dǎo)電機(jī)理等重要物理問題進(jìn)行研究，以開發(fā)物質(zhì)的潛在信息和結(jié)構(gòu)潛力，并將對電子技術(shù)產(chǎn)生重大影響。    納米材料具有許多奇異性能，已廣為人知。只要

43、控制材料結(jié)構(gòu)顆粒的大小，就能制造出強(qiáng)度、顏色和可塑性都能滿足要求的納米相材料來，它具有很大的商業(yè)價(jià)值。據(jù)英刊報(bào)道，目前已制成一種尺寸只有4nm的復(fù)雜分子，它具有“開”和“關(guān)”的特性，可由激光驅(qū)動(dòng)。它的開關(guān)時(shí)間很短，因此為光計(jì)算機(jī)的研制提供了物質(zhì)與技術(shù)基礎(chǔ)，超細(xì)顆粒鐵表面覆蓋一層5nm到20nm厚的聚合物，可以固定大量蛋白質(zhì)或酶，在控制生物反應(yīng)和酶工程中將起重要作用。13  制造微型裝置的納米機(jī)械學(xué)    現(xiàn)在工程師們已用極小的部件組裝成了一輛只有米粒大小、能夠運(yùn)轉(zhuǎn)的汽車，直徑只有1nm2nm的靜電發(fā)動(dòng)機(jī)，體積只有普通機(jī)床的110000，能夠轉(zhuǎn)動(dòng)的車床，只

44、有黃蜂大小且能升空的直升機(jī)，肉眼幾乎看不見的發(fā)動(dòng)機(jī)等。納米機(jī)械學(xué)的發(fā)展可以在硅片上刻寫僅幾個(gè)納米寬的線條，表明信息存儲密度可提高幾個(gè)數(shù)量級。14  探索納米科技的有力工具納米顯微學(xué)    IBM公司蘇黎世研究所的Bining G和Bohrer H于1981年發(fā)明的掃描隧道顯微鏡(SIM)，可以實(shí)時(shí)測量物體表面的空間三維圖象。其測量分辨率在平行和垂直于表面方向分別為0.1nm和0.01nm。這就可以實(shí)現(xiàn)人類長期以來所追求的直接觀察原子真面目的原型。利用SIM還可以刻劃納米級微細(xì)線條，移動(dòng)原子。因此，它已成為研究納米科學(xué)技術(shù)的有力工具。1 .5 &

45、#160;納米生物學(xué)中最具有誘惑力的納米機(jī)器人    第一代納米機(jī)器人是生物系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合體，它可進(jìn)入人體的血管里，清除心臟動(dòng)脈脂肪淀積物，殺滅病毒和癌細(xì)胞。第二代納米機(jī)器人是直接由原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置。第三代納米機(jī)器人將包含有納米計(jì)算機(jī)的裝置，它可能在1秒鐘內(nèi)完成數(shù)十億次操作。16  納米醫(yī)學(xué)和生物學(xué)    從蛋白質(zhì)、DNA、RNA到病毒，都在1nm100 nm的尺度范圍，從而納米結(jié)構(gòu)也是生命現(xiàn)象中基本的東西。細(xì)胞中的細(xì)胞器和其它的結(jié)構(gòu)單元都是執(zhí)行某種功能的“納米機(jī)械”，細(xì)胞就象一個(gè)個(gè)“納米車間

46、”，植物中的光合作用等都是“納米工廠”的典型例子。遺傳基因序列的自組裝排列做到了原子級的結(jié)構(gòu)精確，神經(jīng)系統(tǒng)的信息傳遞和反饋等都是納米科技的完美典范。生物合成和生物過程已成為啟發(fā)和制造新的納米結(jié)構(gòu)的源泉，研究人員正效法生物特性來實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的納米級控制和操縱。    納米微粒的尺寸常常比生物體內(nèi)的細(xì)胞、紅血球還要小，這就為醫(yī)學(xué)研究提供了新的契機(jī)。日前已得到較好應(yīng)用的實(shí)例有：利用納米Siq微粒實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分離的技術(shù)，納米微粒特別是納米金(Au)粒子的細(xì)胞內(nèi)部染色，表面包覆磁性納米微粒的新型藥物或抗體進(jìn)行局部定向治療等。    正在研制的生物芯片包括細(xì)胞芯片、蛋白質(zhì)

47、芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等，都具有集成、并行和快速檢測的優(yōu)點(diǎn)，已成為納米生物工程的前沿科技。將直接應(yīng)用于臨床診斷、藥物開發(fā)和人類遺傳診斷。植入人體后可使人們隨時(shí)隨地都可享受醫(yī)療，而且可在動(dòng)態(tài)檢測中發(fā)現(xiàn)疾病的先兆信息，使早期診斷和預(yù)防成為可能。    納米生物材料也可以分為兩類。一類是適合于生物體內(nèi)的納米材料，如各式納米傳感器，用于疾病的早期診斷、監(jiān)測和治療。各式納米機(jī)械系統(tǒng)可以快速地辨別病區(qū)所在，并定向地將藥物注入病區(qū)而不傷害正常的組織或清除心腦血管中的血栓、脂肪沉積物，甚至可以用其吞噬病毒，殺死癌細(xì)胞。另一類是利用生物分子的活性而研制的納米材料，它們

48、可以不被用于生物體，而被用于其它納米技術(shù)或微制造。17  納米光學(xué)    納米光學(xué)是納米科學(xué)和納米技術(shù)的新方向，它使用的光限定在尺寸(為波長)或體積內(nèi)。它應(yīng)用激光與原子、分子、團(tuán)簇和納米結(jié)構(gòu)的線性或非線性、經(jīng)典或量子相互作用的新的改型的已知效應(yīng)。這一領(lǐng)域的實(shí)際發(fā)展以激光和可將光局限在極小尺寸的亞微米結(jié)構(gòu)(納米孔、納米縫、納米針等)的納米技術(shù)為基礎(chǔ)。    納米光學(xué)具有以下基本特點(diǎn)。    1)為了以納米空間分辨率研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，激光能夠非常強(qiáng)烈地局域化，但能保持光學(xué)特征的光譜選擇性。    2)與自由空間情況相LL，納米結(jié)構(gòu)處的物質(zhì)(原子、分子等)對局域化光的響應(yīng)有顯著變化。18  納米生物學(xué)    納米生物學(xué)是以納米尺