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納米科學(xué)和技術(shù)范文第1篇

關(guān)鍵詞：納米科學(xué) 納米技術(shù) 納米管 納米線 納米團(tuán)簇 半導(dǎo)體

Nanoscience and Nanotechnology – the Second Revolution

Abstract:

The first revolution of nanoscience took place in the past 10 years. In this period， researchers in China， Hong Kong and worldwide have demonstrated the ability to fabricate large quantities of nanotubes， nanowires and nanoclusters of different materials， using either the “build-up” or “build-down” approach. These efforts have shown that if nanostructures can be fabricated inexpensively， there are many rewards to be reaped. Structures smaller than 20nm exhibit non-classical properties and they offer the basis for entirely different thinking in making devices and how devices function. The ability to fabricate structures with dimension less than 70nm allow the continuation of miniaturization of devices in the semiconductor industry. The second nanoscience and nantechnology revolution will likely take place in the next 10 years. In this new period， scientists and engineers will need to show that the potential and promise of nanostructures can be realized. The realization is the fabrication of practical devices with good control in size， composition， order and purity so that such devices will deliver the promised functions. We shall discuss some difficulties and challenges faced in this new period. A number of alternative approaches will be discussed. We shall also discuss some of the rewards if these difficulties can be overcome.

Key words: Nanoscience， Nanotechnology， Nanotubes， Nanowires， Nanoclusters， “build-up”， “build-down”， Semiconductor

I.

引言

納米科學(xué)和技術(shù)所涉及的是具有尺寸在1-100納米范圍的結(jié)構(gòu)的制備和表征。在這個(gè)領(lǐng)域的研究舉世矚目。例如， 美國政府2001財(cái)政年度在納米尺度科學(xué)上的投入要比2000財(cái)政年增長83%，達(dá)到5億美金。有兩個(gè)主要的理由導(dǎo)致人們對(duì)納米尺度結(jié)構(gòu)和器件的興趣的增加。第一個(gè)理由是，納米結(jié)構(gòu)（尺度小于20納米）足夠小以至于量子力學(xué)效應(yīng)占主導(dǎo)地位，這導(dǎo)致非經(jīng)典的行為，譬如，量子限制效應(yīng)和分立化的能態(tài)、庫侖阻塞以及單電子邃穿等。這些現(xiàn)象除引起人們對(duì)基礎(chǔ)物理的興趣外，亦給我們帶來全新的器件制備和功能實(shí)現(xiàn)的想法和觀念， 例如， 單電子輸運(yùn)器件和量子點(diǎn)激光器等。第二個(gè)理由是，在半導(dǎo)體工業(yè)有器件持續(xù)微型化的趨勢(shì)。根據(jù)“國際半導(dǎo)體技術(shù)路向（2001）“雜志，2005年前動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）和微處理器（MPU）的特征尺寸預(yù)期降到80納米，而MPU中器件的柵長更是預(yù)期降到45納米。然而，到2003 年在MPU制造中一些不知其解的問題預(yù)期就會(huì)出現(xiàn)。到2005年類似的問題將預(yù)期出現(xiàn)在DRAM的制造過程中。半導(dǎo)體器件特征尺寸的深度縮小不僅要求新型光刻技術(shù)保證能使尺度刻的更小，而且要求全新的器件設(shè)計(jì)和制造方案，因?yàn)楫?dāng)MOS器件的尺寸縮小到一定程度時(shí)基礎(chǔ)物理極限就會(huì)達(dá)到。隨著傳統(tǒng)器件尺寸的進(jìn)一步縮小， 量子效應(yīng)比如載流子邃穿會(huì)造成器件漏電流的增加，這是我們不想要的但卻是不可避免的。因此，解決方案將會(huì)是制造基于量子效應(yīng)操作機(jī)制的新型器件，以便小物理尺寸對(duì)器件功能是有益且必要的而不是有害的。如果我們能夠制造納米尺度的器件，我們肯定會(huì)獲益良多。譬如，在電子學(xué)上， 單電子輸運(yùn)器件如單電子晶體管、旋轉(zhuǎn)柵門管以及電子泵給我們帶來諸多的微尺度好處，他們僅僅通過數(shù)個(gè)而非以往的成千上萬的電子來運(yùn)作，這導(dǎo)致超低的能量消耗，在功率耗散上也顯著減弱，以及帶來快得多的開關(guān)速度。在光電子學(xué)上，量子點(diǎn)激光器展現(xiàn)出低閾值電流密度、弱閾值電流溫度依賴以及大的微分增益等優(yōu)點(diǎn)，其中大微分增益可以產(chǎn)生大的調(diào)制帶寬。在傳感器件應(yīng)用上，納米傳感器和納米探測(cè)器能夠測(cè)量極其微量的化學(xué)和生物分子，而且開啟了細(xì)胞內(nèi)探測(cè)的可能性，這將導(dǎo)致生物醫(yī)學(xué)上迷你型的侵入診斷技術(shù)出現(xiàn)。納米尺度量子點(diǎn)的其他器件應(yīng)用，比如，鐵磁量子點(diǎn)磁記憶器件、量子點(diǎn)自旋過濾器及自旋記憶器等，也已經(jīng)被提出，可以肯定這些應(yīng)用會(huì)給我們帶來許多潛在的好處?？偠灾?，無論是從基礎(chǔ)研究（探索基于非經(jīng)典效應(yīng)的新物理現(xiàn)象）的觀念出發(fā)， 還是從應(yīng)用（受因結(jié)構(gòu)減少空間維度而帶來的優(yōu)點(diǎn)以及因應(yīng)半導(dǎo)體器件特征尺寸持續(xù)減小而需要這兩個(gè)方面的因素驅(qū)使）的角度來看，納米結(jié)構(gòu)都是令人極其感興趣的。

II.

納米結(jié)構(gòu)的制備———首次浪潮

有兩種制備納米結(jié)構(gòu)的基本方法：build-up和 build-down。所謂build-up方法就是將已預(yù)制好的納米部件（納米團(tuán)簇、納米線以及納米管）組裝起來；而build-down 方法就是將納米結(jié)構(gòu)直接地淀積在襯底上。前一種方法包含有三個(gè)基本步驟：1）納米部件的制備；2）納米部件的整理和篩選；3）納米部件組裝成器件（這可以包括不同的步驟如固定在襯底及電接觸的淀積等等）?！癰uild-up“的優(yōu)點(diǎn)是個(gè)體納米部件的制備成本低以及工藝簡單快捷。有多種方法如氣相合成以及膠體化學(xué)合成可以用來制備納米元件。目前，在國內(nèi)、在香港以及在世界上許多的實(shí)驗(yàn)室里這些方法正在被用來合成不同材料的納米線、 納米管以及納米團(tuán)簇。這些努力已經(jīng)證明了這些方法的有效性。這些合成方法的主要缺點(diǎn)是材料純潔度較差、材料成份難以控制以及相當(dāng)大的尺寸和形狀的分布。此外，這些納米結(jié)構(gòu)的合成后工藝再加工相當(dāng)困難。特別是，如何整理和篩選有著窄尺寸分布的納米元件是一個(gè)至關(guān)重要的問題，這一問題迄今仍未有解決。盡管存在如上的困難和問題，“build-up“依然是一種能合成大量納米團(tuán)簇以及納米線、納米管的有效且簡單的方法?？墒沁@些合成的納米結(jié)構(gòu)直到目前為止仍然難以有什么實(shí)際應(yīng)用， 這是因?yàn)樗鼈內(nèi)狈?shí)用所苛求的尺寸、組份以及材料純度方面的要求。而且，因?yàn)橥瑯拥脑蛴眠@種方法合成的納米結(jié)構(gòu)的功能性質(zhì)相當(dāng)差。不過上述方法似乎適宜用來制造傳感器件以及生物和化學(xué)探測(cè)器，原因是垂直于襯底生長的納米結(jié)構(gòu)適合此類的應(yīng)用要求。

“Build-down”方法提供了杰出的材料純度控制，而且它的制造機(jī)理與現(xiàn)代工業(yè)裝置相匹配，換句話說，它是利用廣泛已知的各種外延技術(shù)如分子束外延(MBE)、化學(xué)氣相淀積（MOVCD）等來進(jìn)行器件制造的傳統(tǒng)方法?！癇uild-down”方法的缺點(diǎn)是較高的成本。在“build-down”方法中有幾條不同的技術(shù)路徑來制造納米結(jié)構(gòu)。最簡單的一種，也是最早使用的一種是直接在襯底上刻蝕結(jié)構(gòu)來得到量子點(diǎn)或者量子線。另外一種是包括用離子注入來形成納米結(jié)構(gòu)。這兩種技術(shù)都要求使用開有小尺寸窗口的光刻版。第三種技術(shù)是通過自組裝機(jī)制來制造量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。自組裝方法是在晶格失配的材料中自然生長納米尺度的島。在Stranski-Krastanov生長模式中，當(dāng)材料生長到一定厚度后，二維的逐層生長將轉(zhuǎn)換成三維的島狀生長，這時(shí)量子點(diǎn)就會(huì)生成。業(yè)已證明基于自組裝量子點(diǎn)的激光器件具有比量子阱激光器更好的性能。量子點(diǎn)器件的飽和材料增益要比相應(yīng)的量子阱器件大50倍，微分增益也要高3個(gè)量級(jí)。閾值電流密度低于100 A/cm2、室溫輸出功率在瓦特量級(jí)（典型的量子阱基激光器的輸出功率是5-50 mW）的連續(xù)波量子點(diǎn)激光器也已經(jīng)報(bào)道。無論是何種材料系統(tǒng)，量子點(diǎn)激光器件都預(yù)期具有低閾值電流密度，這預(yù)示目前還要求在大閾值電流條件下才能激射的寬帶系材料如III組氮化物基激光器還有很大的顯著改善其性能的空間。目前這類器件的性能已經(jīng)接近或達(dá)到商業(yè)化器件所要求的指標(biāo)，預(yù)期量子點(diǎn)基的此類材料激光器將很快在市場(chǎng)上出現(xiàn)。量子點(diǎn)基光電子器件的進(jìn)一步改善主要取決于量子點(diǎn)幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。雖然在生長條件上如襯底溫度、生長元素的分氣壓等的變化能夠在一定程度上控制點(diǎn)的尺寸和密度，自組裝量子點(diǎn)還是典型底表現(xiàn)出在大小、密度及位置上的隨機(jī)變化，其中僅僅是密度可以粗糙地控制。自組裝量子點(diǎn)在尺寸上的漲落導(dǎo)致它們的光發(fā)射的非均勻展寬，因此減弱了使用零維體系制作器件所期望的優(yōu)點(diǎn)。由于量子點(diǎn)尺寸的統(tǒng)計(jì)漲落和位置的隨機(jī)變化，一層含有自組裝量子點(diǎn)材料的光致發(fā)光譜典型地很寬。在豎直疊立的多層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)中這種譜展寬效應(yīng)可以被減弱。如果隔離層足夠薄，豎直疊立的多層量子點(diǎn)可典型地展現(xiàn)出豎直對(duì)準(zhǔn)排列，這可以有效地改善量子點(diǎn)的均勻性。然而，當(dāng)隔離層薄的時(shí)候，在一列量子點(diǎn)中存在載流子的耦合，這將失去因使用零維系統(tǒng)而帶來的優(yōu)點(diǎn)。怎樣優(yōu)化量子點(diǎn)的尺寸和隔離層的厚度以便既能獲得好均勻性的量子點(diǎn)又同時(shí)保持載流子能夠限制在量子點(diǎn)的個(gè)體中對(duì)于獲得器件的良好性能是至關(guān)重要的。

很清楚納米科學(xué)的首次浪潮發(fā)生在過去的十年中。在這段時(shí)期，研究者已經(jīng)證明了納米結(jié)構(gòu)的許多嶄新的性質(zhì)。學(xué)者們更進(jìn)一步征明可以用“build-down”或者“build-up” 方法來進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)制造。這些成果向我們展示，如果納米結(jié)構(gòu)能夠大量且廉價(jià)地被制造出來，我們必將收獲更多的成果。

在未來的十年中，納米科學(xué)和技術(shù)的第二次浪潮很可能發(fā)生。在這個(gè)新的時(shí)期，科學(xué)家和工程師需要征明納米結(jié)構(gòu)的潛能以及期望功能能夠得到兌現(xiàn)。只有獲得在尺寸、成份、位序以及材料純度上良好可控能力并成功地制造出實(shí)用器件才能實(shí)現(xiàn)人們對(duì)納米器件所期望的功能。 因此，納米科學(xué)的下次浪潮的關(guān)鍵點(diǎn)是納米結(jié)構(gòu)的人為可控性。

III.

納米結(jié)構(gòu)尺寸、成份、位序以及密度的控制——第二次浪潮

為了充分發(fā)揮量子點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)之處，我們必須能夠控制量子點(diǎn)的位置、大小、成份已及密度。其中一個(gè)可行的方法是將量子點(diǎn)生長在已經(jīng)預(yù)刻有圖形的襯底上。由于量子點(diǎn)的橫向尺寸要處在10-20納米范圍（或者更小才能避免高激發(fā)態(tài)子能級(jí)效應(yīng)，如對(duì)于GaN材料量子點(diǎn)的橫向尺寸要小于8納米）才能實(shí)現(xiàn)室溫工作的光電子器件，在襯底上刻蝕如此小的圖形是一項(xiàng)挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題。對(duì)于單電子晶體管來說，如果它們能在室溫下工作，則要求量子點(diǎn)的直徑要小至1-5納米的范圍。這些微小尺度要求已超過了傳統(tǒng)光刻所能達(dá)到的精度極限。有幾項(xiàng)技術(shù)可望用于如此的襯底圖形制作。

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電子束光刻通?？梢杂脕碇谱魈卣鞒叨刃≈?0納米的圖形。如果特殊薄膜能夠用作襯底來最小化電子散射問題，那特征尺寸小至2納米的圖形可以制作出來。在電子束光刻中的電子散射因?yàn)樗^近鄰干擾效應(yīng)（proximity effect）而嚴(yán)重影響了光刻的極限精度，這個(gè)效應(yīng)造成制備空間上緊鄰的納米結(jié)構(gòu)的困難。這項(xiàng)技術(shù)的主要缺點(diǎn)是相當(dāng)費(fèi)時(shí)。例如，刻寫一張4英寸的硅片需要時(shí)間1小時(shí)，這不適宜于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。電子束投影系統(tǒng)如SCALPEL （scattering with angular limitation projection electron lithography）正在發(fā)展之中以便使這項(xiàng)技術(shù)較適于用于規(guī)模生產(chǎn)。目前，耗時(shí)和近鄰干擾效應(yīng)這兩個(gè)問題還沒有得到解決。

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聚焦離子束光刻是一種機(jī)制上類似于電子束光刻的技術(shù)。但不同于電子束光刻的是這種技術(shù)并不受在光刻膠中的離子散射以及從襯底來的離子背散射影響。它能刻出特征尺寸細(xì)到6納米的圖形，但它也是一種耗時(shí)的技術(shù)，而且高能離子束可能造成襯底損傷。

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掃描微探針術(shù)可以用來劃刻或者氧化襯底表面，甚至可以用來操縱單個(gè)原子和分子。最常用的方法是基于材料在探針作用下引入的高度局域化增強(qiáng)的氧化機(jī)制的。此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)用來刻劃金屬（Ti和Cr）、半導(dǎo)體（Si和GaAs）以及絕緣材料（Si3N4 和silohexanes），還用在LB膜和自聚集分子單膜上。此種方法具有可逆和簡單易行等優(yōu)點(diǎn)。引入的氧化圖形依賴于實(shí)驗(yàn)條件如掃描速度、樣片偏壓以及環(huán)境濕度等。空間分辨率受限于針尖尺寸和形狀（雖然氧化區(qū)域典型地小于針尖尺寸）。這項(xiàng)技術(shù)已用于制造有序的量子點(diǎn)陣列和單電子晶體管。這項(xiàng)技術(shù)的主要缺點(diǎn)是處理速度慢（典型的刻寫速度為1mm/s量級(jí)）。然而，最近在原子力顯微術(shù)上的技術(shù)進(jìn)展—使用懸臂樑陣列已將掃描速度提高到4mm/s。此項(xiàng)技術(shù)的顯著優(yōu)點(diǎn)是它的杰出的分辨率和能產(chǎn)生任意幾何形狀的圖形能力。但是，是否在刻寫速度上的改善能使它適用于除制造光刻版和原型器件之外的其他目的還有待于觀察。直到目前為止，它是一項(xiàng)能操控單個(gè)原子和分子的唯一技術(shù)。

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多孔膜作為淀積掩版的技術(shù)。多孔膜能用多種光刻術(shù)再加腐蝕來制備，它也可以用簡單的陽極氧化方法來制備。鋁膜在酸性腐蝕液中陽極氧化就可以在鋁膜上產(chǎn)生六角密堆的空洞，空洞的尺寸可以控制在5-200 nm范圍。制備多孔膜的其他方法是從納米溝道玻璃膜復(fù)制。用這項(xiàng)技術(shù)已制造出含有細(xì)至40 nm的空洞的鎢、鉬、鉑以及金膜。

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倍塞（diblock）共聚物圖形制作術(shù)是一種基于不同聚合物的混合物能夠產(chǎn)生可控及可重復(fù)的相分離機(jī)制的技術(shù)。目前，經(jīng)過反應(yīng)離子刻蝕后，在旋轉(zhuǎn)涂敷的倍塞共聚物層中產(chǎn)生的圖形已被成功地轉(zhuǎn)移到Si3N4 膜上，圖形中空洞直徑20 nm，空洞之間間距40 nm。在聚苯乙烯基體中的自組織形成的聚異戊二烯（polyisoprene）或聚丁二烯（polybutadiene）球（或者柱體）可以被臭氧去掉或者通過鋨染色而保留下來。在第一種情況，空洞能夠在氮化硅上產(chǎn)生；在第二種情況，島狀結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生。目前利用倍塞共聚物光刻技術(shù)已制造出GaAs納米結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的側(cè)向特征尺寸約為23 nm， 密度高達(dá)1011 /cm2。

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與倍塞共聚物圖形制作術(shù)緊密相關(guān)的一項(xiàng)技術(shù)是納米球珠光刻術(shù)。此項(xiàng)技術(shù)的基本思路是將在旋轉(zhuǎn)涂敷的球珠膜中形成的圖形轉(zhuǎn)移到襯底上。各種尺寸的聚合物球珠是商業(yè)化的產(chǎn)品。然而，要制作出含有良好有序的小尺寸球珠薄膜也是比較困難的。用球珠單層膜已能制備出特征尺寸約為球珠直徑1/5的三角形圖形。雙層膜納米球珠掩膜版也已被制作出。能夠在金屬、半導(dǎo)體以及絕緣體襯底上使用納米球珠光刻術(shù)的能力已得到確認(rèn)。納米球珠光刻術(shù)（納米球珠膜的旋轉(zhuǎn)涂敷結(jié)合反應(yīng)離子刻蝕）已被用來在一些半導(dǎo)體表面上制造空洞和柱狀體納米結(jié)構(gòu)。

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將圖形從母體版轉(zhuǎn)移到襯底上的其他光刻技術(shù)。幾種所謂“軟光刻“方法， 比如復(fù)制鑄模法、微接觸印刷法、溶劑輔助鑄模法以及用硬模版浮雕法等已被探索開發(fā)。其中微接觸印刷法已被證明只能用來刻制特征尺寸大于100 nm的圖形。復(fù)制鑄模法的可能優(yōu)點(diǎn)是ellastometric 聚合物可被用來制作成一個(gè)戳子，以便可用同一個(gè)戳子通過對(duì)戳子的機(jī)械加壓能夠制作不同側(cè)向尺寸的圖形。在溶劑輔助鑄模法和用硬模版浮雕法（或通常稱之為納米壓印術(shù)）之間的主要差異是，前者中溶劑被用于軟化聚合物，而后者中軟化聚合物依靠的是溫度變化。溶劑輔助鑄模法的可能優(yōu)點(diǎn)是不需要加熱。納米壓印術(shù)已被證明可用來制作具有容量達(dá)400 Gb/in2 的納米激光光盤，在6英寸硅片上刻制亞100 nm分辨的圖形，刻制10 nm X 40 nm面積的長方形，以及在4英寸硅片上進(jìn)行圖形刻制。除傳統(tǒng)的平面納米壓印光刻法之外，滾軸型納米壓印光刻法也已被提出。在此類技術(shù)中溫度被發(fā)現(xiàn)是一個(gè)關(guān)鍵因素。此外，應(yīng)該選用具有較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的聚合物。為了取得高產(chǎn)，下列因素要解決：

1） 大的戳子尺寸

2） 高圖形密度戳子

3） 低穿刺（low sticking）

4） 壓印溫度和壓力的優(yōu)化

5） 長戳子壽命。

具有低穿刺率的大尺寸戳子已經(jīng)被制作出來。已有少量研究工作在試圖優(yōu)化壓印溫度和壓力，但顯然需要進(jìn)行更多的研究工作才能得到溫度和壓力的優(yōu)化參數(shù)。高圖形密度戳子的制作依然在發(fā)展之中。還沒有足夠量的工作來研究戳子的壽命問題。曾有研究報(bào)告報(bào)道，覆蓋有超薄的特氟隆類薄膜的模板可以用來進(jìn)行50次的浮刻而不需要中間清洗。報(bào)告指出最大的性能退化來自于嵌在戳子和聚合物之間的灰塵顆粒。如果戳子是從ellastometric 母版制作出來的，抗穿刺層可能需要使用，而且進(jìn)行大約5次壓印后需要更換。值得關(guān)心的其他可能問題包括鑲嵌的灰塵顆引起的戳子損傷或聚合物中圖形損傷，以及連續(xù)壓印之間戳子的清洗需要等。盡管進(jìn)一步的優(yōu)化和改良是必需的，但此項(xiàng)技術(shù)似乎有希望獲得高生產(chǎn)率。壓印過程包括對(duì)準(zhǔn)、加熱及冷卻循環(huán)等，整個(gè)過程所需時(shí)間大約20分鐘。使用具有較低玻璃化轉(zhuǎn)換溫度的聚合物可以縮短加熱和冷卻循環(huán)所需時(shí)間，因此可以縮短整個(gè)壓印過程時(shí)間。

IV．納米制造所面對(duì)的困難和挑戰(zhàn)

上述每一種用于在襯底上圖形刻制的技術(shù)都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。目前，似乎沒有哪個(gè)單一種技術(shù)可以用來高產(chǎn)量地刻制納米尺度且任意形狀的圖形。我們可以將圖形刻制的全過程分成下列步驟：

1． 在一塊模版上刻寫圖形

2． 在過渡性或者功能性材料上復(fù)制模版上的圖形

3． 轉(zhuǎn)移在過渡性或者功能性材料上復(fù)制的圖形。

很顯然第二步是最具挑戰(zhàn)性的一步。先前描述的各項(xiàng)技術(shù)，例如電子束光刻或者掃描微探針光刻技術(shù)，已經(jīng)能夠刻寫非常細(xì)小的圖形。然而，這些技術(shù)都因相當(dāng)費(fèi)時(shí)而不適于規(guī)模生產(chǎn)。納米壓印術(shù)則因可作多片并行處理而可能解決規(guī)模生產(chǎn)問題。此項(xiàng)技術(shù)似乎很有希望，但是在它能被廣泛應(yīng)用之前現(xiàn)存的嚴(yán)重的材料問題必須加以解決。納米球珠和倍塞共聚物光刻術(shù)則提供了將第一步和第二步整合的解決方案。在這些技術(shù)中，圖形由球珠的尺寸或者倍塞共聚物的成分來確定。然而，用這兩種光刻術(shù)刻寫的納米結(jié)構(gòu)的形狀非常有限。當(dāng)這些技術(shù)被人們看好有很大的希望用來刻寫圖形以便生長出有序的納米量子點(diǎn)陣列時(shí)，它們卻完全不適于用來刻制任意形狀和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的圖形。為了能夠制造出高質(zhì)量的納米器件，不但必須能夠可靠地將圖形轉(zhuǎn)移到功能材料上，還必須保證在刻蝕過程中引入最小的損傷。濕法腐蝕技術(shù)典型地不產(chǎn)生或者產(chǎn)生最小的損傷，可是濕法腐蝕并不十分適于制備需要陡峭側(cè)墻的結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)樵谘谀０嫦乱欢ǔ潭鹊你@蝕是不可避免的，而這個(gè)鉆蝕決定性地影響微小結(jié)構(gòu)的刻制。另一方面，用干法刻蝕技術(shù)，譬如，反應(yīng)離子刻蝕 (RIE) 或者電子回旋共振（ECR）刻蝕，在優(yōu)化條件下可以獲得陡峭的側(cè)墻。直到今天大多數(shù)刻蝕研究都集中于刻蝕速度以及刻蝕出垂直墻的能力，而關(guān)于刻蝕引入損傷的研究嚴(yán)重不足。已有研究表明，能在表面下100 nm 深處探測(cè)到刻蝕引入的損傷。當(dāng)器件中的個(gè)別有源區(qū)尺寸小于100 nm時(shí)，如此大的損傷是不能接受的。還有就是因?yàn)樗械募{米結(jié)構(gòu)都有大的表面-體積比，必須盡可能地減少在納米結(jié)構(gòu)表面或者靠近的任何缺陷。

隨著器件持續(xù)微型化的趨勢(shì)的發(fā)展，普通光刻技術(shù)的精度將很快達(dá)到它的由光的衍射定律以及材料物理性質(zhì)所確定的基本物理極限。通過采用深紫外光和相移版，以及修正光學(xué)近鄰干擾效應(yīng)等措施，特征尺寸小至80 nm的圖形已能用普通光刻技術(shù)制備出。然而不大可能用普通光刻技術(shù)再進(jìn)一步顯著縮小尺寸。采用X光和EUV 的光刻技術(shù)仍在研發(fā)之中，可是發(fā)展這些技術(shù)遇到在光刻膠以及模版制備上的諸多困難。目前來看，雖然也有一些具挑戰(zhàn)性的問題需要解決，特別是需要克服電子束散射以及相關(guān)聯(lián)的近鄰干擾效應(yīng)問題，但投影式電子束光刻似乎是有希望的一種技術(shù)。掃描微探針技術(shù)提供了能分辨單個(gè)原子或分子的無可匹敵的精度，可是此項(xiàng)技術(shù)卻有固有的慢速度，目前還不清楚通過給它加裝陣列懸臂樑能否使它達(dá)到可以接受的刻寫速度。利用轉(zhuǎn)移在自組裝薄膜中形成的圖形的技術(shù)，例如倍塞共聚物以及納米球珠刻寫技術(shù)則提供了實(shí)現(xiàn)成本不是那么昂貴的大面積圖形刻寫的一種可能途徑。然而，在這種方式下形成的圖形僅局限于點(diǎn)狀或者柱狀圖形。對(duì)于制造相對(duì)簡單的器件而言，此類技術(shù)是足夠用的，但并不能解決微電子工業(yè)所面對(duì)的問題。需要將圖形從一張模版復(fù)制到聚合物膜上的各種所謂“軟光刻“方法提供了一種并行刻寫的技術(shù)途徑。模版可以用其他慢寫技術(shù)來刻制，然后在模版上的圖形可以通過要么熱輔助要么溶液輔助的壓印法來復(fù)制。同一塊模版可以用來刻寫多塊襯底， 而且不像那些依賴化學(xué)自組裝圖形形成機(jī)制的方法， 它可以用來刻制任意形狀的圖形。然而，要想獲得高生產(chǎn)率，某些技術(shù)問題如穿刺及因灰塵導(dǎo)致的損傷等問題需要加以解決。對(duì)一個(gè)理想的納米刻寫技術(shù)而言，它的運(yùn)行和維修成本應(yīng)該低，它應(yīng)具備可靠地制備尺寸小但密度高的納米結(jié)構(gòu)的能力，還應(yīng)有在非平面上刻制圖形的能力以及制備三維結(jié)構(gòu)的功能。此外，它也應(yīng)能夠做高速并行操作，而且引入的缺陷密度要低。然而時(shí)至今日，仍然沒有任何一項(xiàng)能制作亞100 nm圖形的單項(xiàng)技術(shù)能同時(shí)滿足上述所有條件。現(xiàn)在還難說是否上述技術(shù)中的一種或者它們的某種組合會(huì)取代傳統(tǒng)的光刻技術(shù)。究竟是現(xiàn)有刻寫技術(shù)的組合還是一種全新的技術(shù)會(huì)成為最終的納米刻寫技術(shù)還有待于觀察。

另一項(xiàng)挑戰(zhàn)是，為了更新我們關(guān)于納米結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)和知識(shí)，有必要改善現(xiàn)有的表征技術(shù)或者發(fā)展一種新技術(shù)能夠用來表征單個(gè)納米尺度物體。由于自組裝量子點(diǎn)在尺寸上的自然漲落，可信地表征單個(gè)納米結(jié)構(gòu)的能力對(duì)于研究這些結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)是絕對(duì)至關(guān)重要的。目前表征單個(gè)納米結(jié)構(gòu)的能力非常有限。譬如，沒有一種結(jié)構(gòu)表征工具能夠用來確定一個(gè)納米結(jié)構(gòu)的表面結(jié)構(gòu)到0.1 à的精度或者更佳。透射電子顯微術(shù)(TEM)能夠用來研究一個(gè)晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部情況，但是它不能提供有關(guān)表面以及靠近表面的原子排列情況的信息。掃描隧道顯微術(shù)（STM）和原子力顯微術(shù)（AFM）能夠給出表面某區(qū)域的形貌，但它們并不能提供定量結(jié)構(gòu)信息好到能仔細(xì)理解表面性質(zhì)所要求的精度。當(dāng)近場(chǎng)光學(xué)方法能夠給出局部區(qū)域光譜信息時(shí)，它們能給出的關(guān)于局部雜質(zhì)濃度的信息則很有限。除非目前用來表征表面和體材料的技術(shù)能夠擴(kuò)展到能夠用來研究單個(gè)納米體的表面和內(nèi)部情況，否則能夠得到的有關(guān)納米結(jié)構(gòu)的所有重要結(jié)構(gòu)和組份的定量信息非常有限。

V. 展望

納米科學(xué)和技術(shù)范文第2篇

說到我國納米科技的發(fā)展歷程，一定要提到張立德。

張立德，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理所學(xué)位委員會(huì)主任，資深研究員，1996年6月至2005年1月間，先后擔(dān)任國家攀登計(jì)劃預(yù)選項(xiàng)目“納米材料科學(xué)”和國家g73項(xiàng)目“納米材料和納米結(jié)構(gòu)”首席科學(xué)家。

叩開納米科技的神秘之門

在阿拉伯的神話故事中，有個(gè)藏滿寶藏的山洞，阿里巴巴只要念動(dòng)“芝麻開門”的咒語，洞門便應(yīng)聲而開。在當(dāng)今時(shí)代，納米科技領(lǐng)域就是一個(gè)既現(xiàn)實(shí)又神秘的藏寶所在。不過，打開這個(gè)寶藏之門靠的不是什么咒語，而是全憑刻苦的科學(xué)實(shí)踐。張立德等一批科學(xué)家，就是通過多年刻苦的科學(xué)實(shí)踐，叩開了我國納米科技的神秘之門。

1987年，張立德率先在國內(nèi)開展納米材料研究。二十多年來，他帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)圍繞國際上共同關(guān)注的納米科技領(lǐng)域的關(guān)鍵問題，進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，取得了在國內(nèi)外頗有影響的成果。

在納米材料可控合成的原理和生長規(guī)律的研究方面，他們獲得了重要發(fā)現(xiàn)，取得了創(chuàng)新性成果，為此獲得了2008年美國湯姆森路透集團(tuán)首次在中國頒發(fā)的“科學(xué)前沿卓越研究獎(jiǎng)”。張立德在單晶納米線有序陣列制備的原理和方法的研究上所取得的成果，同樣受到了國際上的關(guān)注。2006年，世界科學(xué)出版社邀請(qǐng)他撰寫一部英文專著《ControlIedGrowth of NanomateriaIs》?！禞ournalOf Nanoscience and Nanotechnology(JNN)》主編來函說：“基于您在這一領(lǐng)域做的開拓性工作邀請(qǐng)您撰寫綜述論文。”張立德在文中系統(tǒng)總結(jié)了半導(dǎo)體納米線有序陣列制備科學(xué)和技術(shù)取得的最新進(jìn)展，全文五十多頁，于2008年1月在該雜志的Special Issue上發(fā)表。他的異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑和性能優(yōu)化研究工作更被包括諾貝爾獎(jiǎng)獲得者在內(nèi)的近千名作者引用了幾千次，并獲得了國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)，安徽省自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，還獲得發(fā)明專利十多項(xiàng)。

領(lǐng)跑國內(nèi)納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)化

20世紀(jì)90年代中期，張立德清醒地認(rèn)識(shí)到納米材料只有在應(yīng)用中才能充分體現(xiàn)其價(jià)值，納米材料制備技術(shù)由實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移到企業(yè)勢(shì)在必行。他分析了技術(shù)轉(zhuǎn)移工程中的3個(gè)瓶頸問題：一是降低納米材料成本，二是發(fā)展規(guī)模生產(chǎn)納米材料的分散技術(shù)，凸顯納米效應(yīng)：三是發(fā)展納米材料應(yīng)用技術(shù)，促進(jìn)產(chǎn)品的性能升級(jí)。1995年，他率先在報(bào)刊上撰文呼吁加速納米材料產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，指出納米材料產(chǎn)業(yè)潛藏商機(jī)。與此同時(shí)，他在中國科學(xué)院固體物理研究所創(chuàng)建了納米材料應(yīng)用研發(fā)中心，結(jié)合企業(yè)的需求，著手解決納米材料技術(shù)領(lǐng)域的3個(gè)關(guān)鍵問題，在納米粉體制備技術(shù)方面獲得了十多項(xiàng)發(fā)明專利，并與企業(yè)家合作，使4項(xiàng)發(fā)明專利成功地實(shí)施了技術(shù)轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)。

納米科學(xué)和技術(shù)范文第3篇

關(guān)鍵詞 納米科技;納米地球化學(xué);納米礦物學(xué);納米礦床學(xué)

中圖分類號(hào)TB383 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào) 1674-6708(2010)31-0083-02

1 概述

納米科學(xué)技術(shù)(nano scale science and technology)作為新興的學(xué)科[1],在人類社會(huì)進(jìn)入世紀(jì)之交的關(guān)鍵轉(zhuǎn)變年代,在世界范圍興起,發(fā)展迅速,前景誘人,國際競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)開始。人類對(duì)自然世界的認(rèn)識(shí)始于宏觀物體,又逐漸認(rèn)識(shí)到原子,分子等微觀粒子,然而對(duì)納米微粒卻缺乏深入的研究[2]。原子是自然界的基本組成單元,原子的不同排列方式使自然界物種豐富多樣化。1959年,著名的物理學(xué)家諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主查德?費(fèi)曼說:“如果有一天可以按人的意志安排一個(gè)原子,將會(huì)產(chǎn)生怎樣的奇跡。”納米科技則使人們能夠直接利用原子、分子制備出包含原子的納米微粒,并把它作為基本構(gòu)成單元,適當(dāng)排列成一維的量子線,二維的量子面,三維的納米固體。納米材料有一般固體都不具備的優(yōu)良特性,所以有著廣闊的應(yīng)用前景。錢學(xué)森指出:“納米左右和納米以下的結(jié)構(gòu)將是下一階段科技發(fā)展的重點(diǎn),會(huì)是一次技術(shù)革命,從而將引起21世紀(jì)又一次產(chǎn)業(yè)革命?！?[3]

1.1 基本概念

納米(Nanometer)又稱毫微米,是一種長度單位。1納米等于10-9m(十億分之一米)。上田良二教授于1984年從測(cè)試的角度給納米微粒下了一個(gè)定義:用電子顯微鏡(TEM)能看到的微粒稱為納米微粒[4]。納米技術(shù)是1974年在東京由日本精密工程學(xué)會(huì)(JSPE)和國際生產(chǎn)工程研究學(xué)會(huì)(CIRP)聯(lián)合主持的會(huì)議上由日本東京科學(xué)大學(xué)機(jī)械工程教授谷口紀(jì)男提出的[5]。納米科技(Nanost)是一門在0.1nm~100nm范圍內(nèi)對(duì)物質(zhì)和生命進(jìn)行研究應(yīng)用的科學(xué)。這是一種介觀區(qū)域(宏觀和微觀之間的連接區(qū)域)進(jìn)行開發(fā)研究的新技術(shù)。它使人類認(rèn)識(shí)和改造物質(zhì)世界的手段和能力延伸到分子和原子。納米科技涉及到物理學(xué)、數(shù)學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、機(jī)械學(xué)、信息科學(xué)、材料科學(xué)、微電子學(xué)等眾多學(xué)科以及計(jì)算機(jī)技術(shù),電真空技術(shù),掃描隧道顯微鏡及加工技術(shù),等離子體技術(shù)和核分析等各種技術(shù)領(lǐng)域,是一門綜合性的新興科學(xué)技術(shù)。

1.2 納米科技的發(fā)展歷史

納米科技是20世紀(jì)科技領(lǐng)域重要突破它的發(fā)展經(jīng)歷了孕育萌芽階段,探索研究階段和應(yīng)用開發(fā)階段3個(gè)時(shí)期。

1)孕育萌芽階段。費(fèi)曼設(shè)想在原子和分子水平上操縱和控制物質(zhì)。1860年,膠體化學(xué)誕生之日,對(duì)粒徑約(1~100)nm的膠體粒子開始研究,但由于受研究手段限制,發(fā)展緩慢;

2)探索研究階段。30年后,1990年7月,第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議在美國巴爾的摩召開,同年《納米生物學(xué)》和《納米科技》專業(yè)刊物相繼問世。這標(biāo)志著一門嶄新的科學(xué)技術(shù)-納米科學(xué)技術(shù),在經(jīng)過30年的曲折道路,終于誕生了。費(fèi)曼的美妙設(shè)想成為現(xiàn)實(shí)了[6];

(3)應(yīng)用階段。1993年,開始進(jìn)入蓬勃的發(fā)展時(shí)期,20世紀(jì)末獲得許多成果,達(dá)到預(yù)期目標(biāo)可能還要經(jīng)歷10~20年的努力。

1.3 納米固體的基本特征

納米固體的重要特征,決定了納米科技具有劃時(shí)代意義。這些特性有如下4個(gè)方面[6] :

1)表面與界面效應(yīng)。納米微粒尺寸小,表面積大,所以位于表面的原子比例相對(duì)增多。尺寸與表面原子數(shù)的關(guān)系見表1。當(dāng)物質(zhì)粒徑小于10nm,將迅速增加表面原子的比例,當(dāng)粒徑降到1nm時(shí),原子幾乎全部集中到納米粒子的表面。由于表面原子數(shù)增多,使得這些原子易與其它原子相結(jié)合而穩(wěn)定,具有很高化學(xué)活性,表面吸附能力強(qiáng),擴(kuò)散系數(shù)增大,塑性和韌性都大大提高;

表1納米微粒尺寸與表面原子數(shù)的關(guān)系

2)小尺寸效應(yīng)。當(dāng)納米微粒的尺寸與光波的波長相當(dāng)或更小時(shí),周期性的邊界條件將被破壞,電,光,磁,聲,熱力學(xué)等特征均會(huì)出現(xiàn)小尺寸效應(yīng);

3)宏觀量子隧道效應(yīng)。微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力稱為隧道效應(yīng)。宏觀量子隧道效應(yīng)的研究對(duì)基礎(chǔ)研究及應(yīng)用都有重要的意義;

4)量子尺寸效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)是指當(dāng)粒子尺寸下降到最低值時(shí),費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)變?yōu)殡x散能級(jí)的現(xiàn)象。而當(dāng)顆粒中所含原子數(shù)隨著尺寸減小而降低時(shí),費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)將由準(zhǔn)連續(xù)態(tài)分裂為分立能級(jí)。當(dāng)能級(jí)間距大于靜磁能,磁能,熱能,靜電能,超導(dǎo)態(tài)或光子能量的凝聚能時(shí),就導(dǎo)致納米微粒磁,熱,聲,光,電以及超導(dǎo)電性與宏觀特征顯著不同,稱為“量子尺寸效應(yīng)”。例如導(dǎo)電的金屬在超細(xì)微粒時(shí)可以是絕緣的。

表面界面效應(yīng),小尺寸效應(yīng),宏觀量子隧道效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)是納米微粒與納米固體的基本特征,它使納米微粒和納米固體呈現(xiàn)出許多不同的物化性質(zhì)。

2 納米科學(xué)研究的分析手段

具有原子分辨率的掃描隧道顯微鏡(STM),高分辨透射電鏡(HRTEM),和原子力顯微鏡(AFM)等手段[7-9]能直接觀察出納米固體,納米微粒,和納米結(jié)構(gòu)特征。

1)掃描隧道顯微鏡(STM)

掃描隧道顯微鏡(STM)具有原子級(jí)的空間分辨率。主要描繪表面三維的原子結(jié)構(gòu)圖。主要用于導(dǎo)電納米礦物原子級(jí)的空間分辨率研究 ,如金屬硫化物研究。

2)高分辯透射電鏡(HRTEM)

高分辯透射電鏡(HRTEM)空間分辨率可達(dá)0.1nm～0.2nm。主要用于各種礦物納米級(jí)的成分,形貌,結(jié)構(gòu)的綜合研究。如金屬硫化物,硅酸鹽礦物,礦物中的出溶物以及膠體礦物研究。

3)原子力顯微鏡(AFM)

以掃描隧道顯微鏡(STM)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的原子力顯微鏡(AFM)

能探測(cè)針尖和樣品之間的相互作用力,達(dá)到納米級(jí)的空間分辨率。為了獲得絕緣材料原子圖像,又出現(xiàn)了原子力顯微鏡。AFM主要是用于非導(dǎo)電納米礦物原子級(jí)的空間分辨率研究。如硅酸鹽礦物,膠體礦物等研究。在納米材料方面主要是觀察納米材料物質(zhì)等在礦物物質(zhì)表面的吸附和沉積,以及天然納米微粒形狀。

3 納米科技理論在地學(xué)上的應(yīng)用

納米科技與地學(xué)的結(jié)合形成了以下3種學(xué)科納米地球化學(xué),納米礦床學(xué)和納米礦物學(xué)。

3.1納米地球化學(xué)

納米地球化學(xué)就是研究地球中納米微粒分布,分配,集中,分散,遷移規(guī)律,以及由納米微粒的分布及組合特征反映斷裂活動(dòng),探測(cè)石油,天然氣,金屬礦床等。納米物質(zhì)使元素具有新的地球化學(xué)活性和新的成巖成礦模式:傳統(tǒng)觀念認(rèn)為,溫度越高,化學(xué)活性越大,元素的遷移能力越強(qiáng),反之活性就越小,越不容易遷移。為此,作為化學(xué)性質(zhì)很不活潑的金,在較低溫度下,理應(yīng)活性很小,溶解度偏低,很難遷移成礦。事實(shí)上卻與納米金的地球化學(xué)行為相矛盾。但如果從納米科技理論的角度考慮,就不難理解了。納米科技理論認(rèn)為,當(dāng)物質(zhì)的粒度達(dá)到納米級(jí)時(shí),由于顆粒極其細(xì)小,表面積很大,例如SiO2,其粒徑從36nm減少到7nm時(shí),其比表面積由75增加到360m2/g[10]。巨大的表面積使大量的原子處在表面,使元素的化學(xué)反應(yīng)速度和擴(kuò)散速度增加很多,吸附能力增強(qiáng),熔點(diǎn)變低,物化性質(zhì)發(fā)生改變。成巖成礦溫度低,因而使元素具有低溫活性。粒度越小,活性越大。這使納米級(jí)的物質(zhì)具有成分相同的可見顆粒所沒有的特性。產(chǎn)生新的地球化學(xué)活性和新的成巖成礦模式。對(duì)稀有元素,活性性質(zhì)不活潑的元素,分散元素和在水中溶解度極低的元素,在低溫條件下成巖成礦作用有了不同的解釋思路。

3.2 納米礦床學(xué)

相同成分的納米微粒不同的物化性特性已使地質(zhì)學(xué)家對(duì)礦床學(xué)理論中有關(guān)礦質(zhì)運(yùn)移,富集過程有了新的認(rèn)識(shí)。傳統(tǒng)理論認(rèn)為,礦物質(zhì)的運(yùn)移以溫差,壓力差或濃度差為前提條件,而對(duì)礦物質(zhì)的運(yùn)移和富集又限定其必須有一定的礦化劑為載體,而未意識(shí)到同種物質(zhì)如果其粒度不同則其物化性質(zhì)的差別非常巨大。傳統(tǒng)成礦理論一直認(rèn)為金礦的形成是由于其離子與一定絡(luò)合劑結(jié)合,在一定的溫度條件下遷移到一定部位,經(jīng)過各種化學(xué)反應(yīng)生成自然金而聚集成礦。納米科學(xué)技術(shù)理論認(rèn)為:源巖中的原子態(tài)金只要達(dá)到納米級(jí),其本身首先就由于極大的自擴(kuò)散系數(shù)和吸附性而擴(kuò)散,遷移合富集成礦。目前為止,地學(xué)界一直對(duì)砂金為何能在低溫條件下甚至使常溫態(tài)下能夠形成“狗頭金”的事實(shí)沒有定論,現(xiàn)在看來,很有可能是納米級(jí)的金自身擴(kuò)散,遷移,吸附的結(jié)果。這種聚集成礦作用,在內(nèi)生金屬成礦作用過程中可能也同樣起著不可低估的作用[11]。

3.3 納米礦物學(xué)

目前,由于科技的限制,人類對(duì)礦物學(xué)的認(rèn)識(shí),往往注重宏觀礦物單體,聚合體的形態(tài)及有關(guān)特性,注重微觀礦物成分及原子排列的情況,而對(duì)納米礦物微粒,納米礦物結(jié)構(gòu)缺乏深入細(xì)致的研究。在傳統(tǒng)礦物學(xué)研究中,把礦物看成理想的晶體點(diǎn)陣,但在納米礦物學(xué)中則著重研究納米礦物微粒和礦物結(jié)構(gòu)特征以及與此有關(guān)的巖石學(xué),礦床學(xué),構(gòu)造地質(zhì)學(xué),地球化學(xué)等地質(zhì)學(xué)科。

所謂的納米礦物就是指晶體粒度細(xì)小至納米量級(jí)的礦物顆粒。往往是以集合體形式結(jié)合一起[12]。彭同紅、萬樸等人運(yùn)用掃描電鏡發(fā)現(xiàn)以下幾種非金屬礦晶體,具有納米尺寸的結(jié)構(gòu):

1)沸石, 其內(nèi)通道直徑為13nm~113nm;

2)條紋長石、月光石、日光石,其晶間距為2nm;

3)膨潤土、高嶺土、海泡石,其層間距離為2nm等;

4)鱗片石墨經(jīng)高溫膨化后形成蠕蟲石墨,形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),其孔徑直徑為10 nm~100nm[13]。

目前,已發(fā)現(xiàn)的納米礦物資源主要分布在大洋底部及陸地。例如:海洋中的“黑煙囪”和陸地上的納米礦物有氧化物和硅酸鹽等。但受限于開采技術(shù),目前僅其中層狀結(jié)構(gòu)的黏土礦物并已初步進(jìn)行開發(fā)利用。納米物質(zhì)的巨大的比表面積、特殊的界面效應(yīng)、臨界尺寸效應(yīng)及高能量狀態(tài)賦其不同于普通物質(zhì)的特性。例如, 普通金的沸點(diǎn)為2 966℃,而納米相金則在700℃~800℃條件下熔解、氣化[12]。其它納米相金屬也具有此特性。因而納米級(jí)礦物開發(fā)利用有著廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

納米科技的研究是國際當(dāng)前的研究熱點(diǎn),它使人類在改造自然方面進(jìn)入了一個(gè)新層次,即從微米級(jí)層次深入到納米級(jí)層次。也使地質(zhì)學(xué)科學(xué)家的認(rèn)識(shí)改造自然界進(jìn)入一個(gè)新層次。HRTEM,STM,AFM等測(cè)試方法的在納米礦物學(xué)中的研究運(yùn)用,一些新概念、新理論、新方法隨之孕育而生,使21世紀(jì)礦物學(xué)的研究將上一個(gè)新臺(tái)階,這將促進(jìn)地質(zhì)科學(xué)飛速發(fā)展。

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納米科學(xué)和技術(shù)范文第4篇

【關(guān)鍵詞】納米技術(shù) 應(yīng)用 材料

納米技術(shù)屬于高科技范疇，其已經(jīng)成為國家發(fā)展前景十分優(yōu)越的科學(xué)技術(shù)之一，當(dāng)前納米技術(shù)已經(jīng)廣泛涉及到國內(nèi)很多行業(yè)，其中包含化工行業(yè)、材料行業(yè)、醫(yī)藥行業(yè)和食品行業(yè)等。納米技術(shù)主要包含納米的物理、化學(xué)、材料、生物、電子等科學(xué)，它們彼此雖然是獨(dú)立的科學(xué)，但是彼此又有著聯(lián)系。當(dāng)前，納米的每個(gè)領(lǐng)域都取得了很好的研究成果，納米技術(shù)不斷創(chuàng)新、進(jìn)步。

1 我國納米技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

中國是世界上首先開始研究納米技術(shù)的國家之一。在二十世紀(jì)八十年代的中期，我國政府就開始對(duì)納米材料的研究以及設(shè)備加大了投入，當(dāng)前我國的納米技術(shù)基礎(chǔ)研究在世界范圍內(nèi)都占據(jù)領(lǐng)先地位。1982年研究出的掃描隧道顯微鏡以及1986年研究出的原子力顯微鏡是納米測(cè)量表征上的一個(gè)重要標(biāo)桿，代表著納米技術(shù)已經(jīng)從原本的理論時(shí)期，進(jìn)入到了實(shí)踐研究時(shí)期。納米技術(shù)是一個(gè)有著很強(qiáng)的綜合性學(xué)科，研究的內(nèi)涵包含了目前科技發(fā)展中的各個(gè)領(lǐng)域。納米科學(xué)和納米技術(shù)主要包含：納米體系物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)、電子學(xué)、加工學(xué)、力學(xué)等。這七個(gè)相對(duì)獨(dú)立又彼此關(guān)聯(lián)的學(xué)科與納米材料、納米器械、納米尺度的檢測(cè)和表征這三個(gè)研究方面。納米材料的制備與研究是整個(gè)納米科技的基礎(chǔ)。在這之中，納米物理學(xué)與納米化學(xué)是納米技術(shù)的理論基礎(chǔ)，而納米電子學(xué)是納米技術(shù)最主要研究內(nèi)容。

2 當(dāng)前納米技術(shù)的應(yīng)用

2.1 食品方面的應(yīng)用

納米技術(shù)在食品科學(xué)的方面已經(jīng)得到較為廣泛的應(yīng)用，對(duì)于納米技術(shù)的研究能夠?qū)κ称返钠焚|(zhì)、營養(yǎng)與安全性等層面進(jìn)行改善，避免原材料的過度消耗，促進(jìn)食品科學(xué)發(fā)展的科學(xué)性UI高效性。 近幾年，城市中人們的生活節(jié)奏不斷加快，導(dǎo)致亞健康人群的數(shù)量不斷提升，因此，人們愈加青睞功能食品。經(jīng)過研究表明，功能食品功能成分的穩(wěn)定程度、存在方式和使用方式等對(duì)其食品的效果有著很大影響，盡管功能成分能夠加入到食品當(dāng)中，但因?yàn)樗乃苄圆?、?duì)環(huán)境較敏感等因素嚴(yán)重造成了功能食品的顏色和氣味等，很多功能食品不容易吸收，補(bǔ)充營養(yǎng)的效果較差。日本首先把納米技術(shù)應(yīng)用于功能食品中，并且使用這一技術(shù)將功能食品中的β-聚糖改變成200nm以下的小顆粒，在卵磷脂穩(wěn)定技術(shù)的支撐下，完成吸收。類胡蘿卜素是一種和水不相溶的物質(zhì)，經(jīng)過納米技術(shù)能夠?qū)⑵浼{米化，能夠明顯的提升類胡蘿卜素的水溶性，所以可以保證食品的穩(wěn)定性和顏色的鮮艷，讓它更容易被人消化和吸收。隨后研究者將納米胡蘿卜素應(yīng)用在檸檬水生產(chǎn)和黃油生產(chǎn)中，經(jīng)濟(jì)效益得到很大提高。

2.2 通信技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)代社會(huì)是網(wǎng)絡(luò)信息社會(huì)，通信技術(shù)在我們的日常生活中有著非常重要的作用。納米技術(shù)在通信技術(shù)中的應(yīng)用給這一技術(shù)的發(fā)展起到了很大的影響。納米材料也給光纜提供了新的發(fā)展空間。近年來，很多廠家已經(jīng)著手對(duì)納米光纖維涂料、納米光纖油膏、納米護(hù)套用聚乙烯（PE）及光纖護(hù)套管用納米PBT等材料進(jìn)行開發(fā)。使用納米材料的光纜，能夠讓其具有很多的優(yōu)點(diǎn)，例如提升光纜的對(duì)抗機(jī)械沖擊能力、防水、防氣味等，同時(shí)還可以讓光纜的使用時(shí)間得到延伸，提升了網(wǎng)絡(luò)的安全性。同時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)通信的加密上也可以運(yùn)用納米技術(shù)來制造量子點(diǎn)激光器。當(dāng)前，很多金融部門以及政府部門都使用了這一技術(shù)，保證了信息在傳輸過程中的安全問題。

2.3 醫(yī)學(xué)、藥物中的應(yīng)用

納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)以及藥物中的應(yīng)用早就已經(jīng)開始，目前人們已經(jīng)能夠把健康檢測(cè)設(shè)備佩戴在身上，這樣就能更好的了解自己的身體情況。假如能夠進(jìn)一步把這種技術(shù)縮小，這樣使用納米技術(shù)就能夠?qū)⑽⑿蛡鞲衅鞣胚M(jìn)人們的身體當(dāng)中，了解更具體的信息，這樣對(duì)于醫(yī)生的治療有著很大的便利。另外，納米技術(shù)能夠在檢測(cè)人們身體的炎癥、術(shù)后恢復(fù)等情況，納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)與藥物當(dāng)中的應(yīng)用有著很好的發(fā)展前景。

2.4 化學(xué)方面的應(yīng)用

使用納米金屬顆粒粉體當(dāng)做催化劑，能夠讓化學(xué)的反應(yīng)更加快速，有效地讓化工合成的效率得到提升。假如在金屬材料中假如納米成為，它會(huì)變得更加堅(jiān)硬，比一般金屬的強(qiáng)度增加十幾倍，同時(shí)還能夠像橡膠一樣具有彈性。使用納米材料制造來建造汽車、飛機(jī)等，不光能讓重量減少，還能在很大程度上提高其性能。

3 納米技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 大數(shù)據(jù)傳感器

傳感器的使用能夠給我們帶來以前沒有的大量信息數(shù)據(jù)，所以要對(duì)其進(jìn)行處理，對(duì)于改變交通擁堵以及安全事故十分有效，同時(shí)，能夠把數(shù)據(jù)給警方使用，減少犯罪情況出現(xiàn)。納米技術(shù)在這一方面能夠創(chuàng)造出一種超密集的記憶體，來儲(chǔ)存大量的數(shù)據(jù)，另外，能夠推動(dòng)快速的運(yùn)算法則的發(fā)展，讓這些數(shù)據(jù)更加安全、有效。

3.2 應(yīng)對(duì)全球變暖

目前，電動(dòng)汽車與太陽能發(fā)電已經(jīng)成為研究的重點(diǎn)，節(jié)能減排、低碳環(huán)保是重要的戰(zhàn)略規(guī)劃。納米技術(shù)在這一方面也具有很大的作用。在電動(dòng)機(jī)器與太陽能發(fā)電中都能夠使用納米紋理以及納米材料，把平面變成更大面積的三維立體表面，進(jìn)而儲(chǔ)存與形成更多的能量，提升設(shè)備的運(yùn)用效率。

4 結(jié)論

綜上所述，納米技術(shù)在目前已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，并且取得了很大的效果，并且有著很大的發(fā)展空間。希望通過筆者的分析，讓更多人了解到納米技術(shù)的重要作用，相信在廣大學(xué)者的共同努力之下，能夠不斷提升納米技術(shù)在的應(yīng)用價(jià)值。

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納米科學(xué)和技術(shù)范文第5篇

21世紀(jì)是知識(shí)經(jīng)濟(jì)科技新時(shí)代，高新技術(shù)是又“高”又“新”，其科學(xué)原理似乎非常深?yuàn)W，而信息技術(shù)、生物技術(shù)更是日新月異，不斷給人驚奇。其實(shí)，高新技術(shù)離我們并不遙遠(yuǎn)，已經(jīng)深入滲透到社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，正從形式到觀念上改變著我們?nèi)粘Ｉ畹囊率匙⌒小⑸喜∷赖确椒矫婷妗?/p>

納米，如今大家已不陌生，在家電、醫(yī)藥、美容等廣告中，經(jīng)常見到應(yīng)用“納米材料”防腐、防霉、保鮮、抗污染、高滲透、高效、高強(qiáng)等諸多美譽(yù)。但是，很多人對(duì)這具有“神功奇效”的納米材料、納米技術(shù)，還是有點(diǎn)說不清楚、講不明白。

納米本意是一長度單位，表示十億分之一米（10-9米），相當(dāng)于三四個(gè)原子的寬度，用“nm”來表示。一根直徑0.1毫米的頭發(fā)，用納米來量度就是10萬納米（l000 000nm）。這樣的尺寸度量單位，顯然在我們的日常生活中是難以應(yīng)用的，沒有什么實(shí)用意義。如果你要買2米衣料，對(duì)售貨員說扯20億納米……人家一定認(rèn)為你“有病”。但是，在化學(xué)、物理學(xué)和材料科學(xué)上，納米意義重大。研究決定物質(zhì)性能的物質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)，在原子、分子范疇，就用得上納米。因?yàn)?，大部分的原子、分子只有幾納米到幾百納米大小。

當(dāng)我們把物質(zhì)越磨越細(xì)后，物質(zhì)開始表現(xiàn)出一些新的性能。如一般的鋁粉是燒不起來的，而超細(xì)的鋁粉，可以成為“固體燃料”；咖啡磨細(xì)到一定程度后，可以完全“溶于水”而不再有渣。從科學(xué)上講，這些新的性能與原來的性能是有聯(lián)系的，只是原來沒有充分顯示出來。鋁本來就是容易氧化的物質(zhì)，但形成的三氧化二鋁薄膜會(huì)保護(hù)鋁不再氧化，所以氧化反應(yīng)不會(huì)連續(xù)而很劇烈。但超細(xì)鋁粉表面積大，同時(shí)反應(yīng)就會(huì)形成高溫積聚，高溫又破壞了氧化層使反應(yīng)連續(xù)下去，形成劇烈的放熱氧化反應(yīng)。劇烈的氧化反應(yīng)就是燃燒，可以用來熔化金屬進(jìn)行焊接，也可以用作火箭的固體燃料。而咖啡磨細(xì)后，可以在水中懸浮不沉下去，就沒有“渣”了。國外的“速溶咖啡”用中國云南、海南的咖啡豆做原料，靠著“磨細(xì)”的技術(shù)大大賺錢。而我們?yōu)槭裁茨ゲ患?xì)呢？原來靠機(jī)械物理方法磨到一定細(xì)度后，很難再細(xì)下去了，這當(dāng)中涉及很多物理、化學(xué)原因。

長期以來，把物質(zhì)分離成超細(xì)顆粒的努力，一直沒有重大突破。直到20世紀(jì)80年代，科學(xué)家利用氣相沉淀等物理、化學(xué)方法，終于制取成功為數(shù)不多的l～l00nm大小的“納米級(jí)”顆粒材料。就是這為數(shù)不多的納米材料。使我們真正開始著研究“分子尺寸”的物質(zhì)，并掀起了席卷天下的“納米熱潮”。研究發(fā)現(xiàn)，納米材料的性能大大不同于原來的物質(zhì)，如本來化學(xué)性“穩(wěn)定”的，變成非常“活潑”；本來“絕緣”不導(dǎo)電的，變成“導(dǎo)體”或“半導(dǎo)體”；本來強(qiáng)度不大、硬度不高，變得堅(jiān)韌無比，硬度甚至超過金剛鉆；納米“金屬”材料居然可以燃燒、爆炸……同樣的材料變?yōu)椤凹{米材料”后，似乎有了新的物理、化學(xué)性能，這確實(shí)令人大吃一驚。

但是，納米材料的制取并非想象中那么容易。一般的機(jī)械粉碎、研磨根本得不到“納米級(jí)”超細(xì)微顆粒，必須通過有針對(duì)性的、特殊的高技術(shù)物理、化學(xué)設(shè)施，才能制取“納米材料”。目前，納米材料還沒有成熟的規(guī)模生產(chǎn)手段，不同材料的納米級(jí)超微粒的制取仍是一道難題。目前的納米材料制造成本相當(dāng)高，用“一克千金”形容并不夸張。而要進(jìn)一步推動(dòng)納米科學(xué)和納米技術(shù)的研發(fā)深化，必須有充足的納米材料做基礎(chǔ)。所以，世界各國都把“高效制取納米材料”作為納米科技研發(fā)的重要先導(dǎo)基礎(chǔ)項(xiàng)目。

納米材料在陶瓷材料、生物工程、微電子技術(shù)、化工、醫(yī)藥等方面的研究開發(fā)，最近已有了可喜的進(jìn)展。不同的納米材料，確實(shí)有許多意想不到的“神奇”性能。