導語：如何才能寫好一篇納米科學和技術，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關鍵詞：納米科學納米技術納米管納米線納米團簇半導體

NanoscienceandNanotechnology–theSecondRevolution

Abstract:Thefirstrevolutionofnanosciencetookplaceinthepast10years.Inthisperiod,researchersinChina,HongKongandworldwidehavedemonstratedtheabilitytofabricatelargequantitiesofnanotubes,nanowiresandnanoclustersofdifferentmaterials,usingeitherthe“build-up”or“build-down”approach.Theseeffortshaveshownthatifnanostructurescanbefabricatedinexpensively,therearemanyrewardstobereaped.Structuressmallerthan20nmexhibitnon-classicalpropertiesandtheyofferthebasisforentirelydifferentthinkinginmakingdevicesandhowdevicesfunction.Theabilitytofabricatestructureswithdimensionlessthan70nmallowthecontinuationofminiaturizationofdevicesinthesemiconductorindustry.Thesecondnanoscienceandnantechnologyrevolutionwilllikelytakeplaceinthenext10years.Inthisnewperiod,scientistsandengineerswillneedtoshowthatthepotentialandpromiseofnanostructurescanberealized.Therealizationisthefabricationofpracticaldeviceswithgoodcontrolinsize,composition,orderandpuritysothatsuchdeviceswilldeliverthepromisedfunctions.Weshalldiscusssomedifficultiesandchallengesfacedinthisnewperiod.Anumberofalternativeapproacheswillbediscussed.Weshallalsodiscusssomeoftherewardsifthesedifficultiescanbeovercome.

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

I.引言

納米科學和技術所涉及的是具有尺寸在1-100納米范圍的結構的制備和表征。在這個領域的研究舉世矚目。例如，美國政府2001財政年度在納米尺度科學上的投入要比2000財政年增長83%，達到5億美金。有兩個主要的理由導致人們對納米尺度結構和器件的興趣的增加。第一個理由是，納米結構（尺度小于20納米）足夠小以至于量子力學效應占主導地位，這導致非經(jīng)典的行為，譬如，量子限制效應和分立化的能態(tài)、庫侖阻塞以及單電子邃穿等。這些現(xiàn)象除引起人們對基礎物理的興趣外，亦給我們帶來全新的器件制備和功能實現(xiàn)的想法和觀念，例如，單電子輸運器件和量子點激光器等。第二個理由是，在半導體工業(yè)有器件持續(xù)微型化的趨勢。根據(jù)“國際半導體技術路向（2001）“雜志，2005年前動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）和微處理器（MPU）的特征尺寸預期降到80納米，而MPU中器件的柵長更是預期降到45納米。然而，到2003年在MPU制造中一些不知其解的問題預期就會出現(xiàn)。到2005年類似的問題將預期出現(xiàn)在DRAM的制造過程中。半導體器件特征尺寸的深度縮小不僅要求新型光刻技術保證能使尺度刻的更小，而且要求全新的器件設計和制造方案，因為當MOS器件的尺寸縮小到一定程度時基礎物理極限就會達到。隨著傳統(tǒng)器件尺寸的進一步縮小，量子效應比如載流子邃穿會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，解決方案將會是制造基于量子效應操作機制的新型器件，以便小物理尺寸對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，我們肯定會獲益良多。譬如，在電子學上，單電子輸運器件如單電子晶體管、旋轉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)個而非以往的成千上萬的電子來運作，這導致超低的能量消耗，在功率耗散上也顯著減弱，以及帶來快得多的開關速度。在光電子學上，量子點激光器展現(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，其中大微分增益可以產(chǎn)生大的調制帶寬。在傳感器件應用上，納米傳感器和納米探測器能夠測量極其微量的化學和生物分子，而且開啟了細胞內探測的可能性，這將導致生物醫(yī)學上迷你型的侵入診斷技術出現(xiàn)。納米尺度量子點的其他器件應用，比如，鐵磁量子點磁記憶器件、量子點自旋過濾器及自旋記憶器等，也已經(jīng)被提出，可以肯定這些應用會給我們帶來許多潛在的好處?？偠灾瑹o論是從基礎研究（探索基于非經(jīng)典效應的新物理現(xiàn)象）的觀念出發(fā)，還是從應用（受因結構減少空間維度而帶來的優(yōu)點以及因應半導體器件特征尺寸持續(xù)減小而需要這兩個方面的因素驅使）的角度來看，納米結構都是令人極其感興趣的。

II.納米結構的制備———首次浪潮

有兩種制備納米結構的基本方法：build-up和build-down。所謂build-up方法就是將已預制好的納米部件（納米團簇、納米線以及納米管）組裝起來；而build-down方法就是將納米結構直接地淀積在襯底上。前一種方法包含有三個基本步驟：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)點是個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合成可以用來制備納米元件。目前，在國內、在香港以及在世界上許多的實驗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是材料純潔度較差、材料成份難以控制以及相當大的尺寸和形狀的分布。此外，這些納米結構的合成后工藝再加工相當困難。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至關重要的問題，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@些合成的納米結構直到目前為止仍然難以有什么實際應用，這是因為它們缺乏實用所苛求的尺寸、組份以及材料純度方面的要求。而且，因為同樣的原因用這種方法合成的納米結構的功能性質相當差。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探測器，原因是垂直于襯底生長的納米結構適合此類的應用要求。

“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如分子束外延(MBE)、化學氣相淀積（MOVCD）等來進行器件制造的傳統(tǒng)方法?！癇uild-down”方法的缺點是較高的成本。在“build-down”方法中有幾條不同的技術路徑來制造納米結構。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構來得到量子點或者量子線。另外一種是包括用離子注入來形成納米結構。這兩種技術都要求使用開有小尺寸窗口的光刻版。第三種技術是通過自組裝機制來制造量子點結構。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，當材料生長到一定厚度后，二維的逐層生長將轉換成三維的島狀生長，這時量子點就會生成。業(yè)已證明基于自組裝量子點的激光器件具有比量子阱激光器更好的性能。量子點器件的飽和材料增益要比相應的量子阱器件大50倍，微分增益也要高3個量級。閾值電流密度低于100A/cm2、室溫輸出功率在瓦特量級（典型的量子阱基激光器的輸出功率是5-50mW）的連續(xù)波量子點激光器也已經(jīng)報道。無論是何種材料系統(tǒng)，量子點激光器件都預期具有低閾值電流密度，這預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)接近或達到商業(yè)化器件所要求的指標，預期量子點基的此類材料激光器將很快在市場上出現(xiàn)。量子點基光電子器件的進一步改善主要取決于量子點幾何結構的優(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的尺寸和密度，自組裝量子點還是典型底表現(xiàn)出在大小、密度及位置上的隨機變化，其中僅僅是密度可以粗糙地控制。自組裝量子點在尺寸上的漲落導致它們的光發(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。由于量子點尺寸的統(tǒng)計漲落和位置的隨機變化，一層含有自組裝量子點材料的光致發(fā)光譜典型地很寬。在豎直疊立的多層量子點結構中這種譜展寬效應可以被減弱。如果隔離層足夠薄，豎直疊立的多層量子點可典型地展現(xiàn)出豎直對準排列，這可以有效地改善量子點的均勻性。然而，當隔離層薄的時候，在一列量子點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。怎樣優(yōu)化量子點的尺寸和隔離層的厚度以便既能獲得好均勻性的量子點又同時保持載流子能夠限制在量子點的個體中對于獲得器件的良好性能是至關重要的。

很清楚納米科學的首次浪潮發(fā)生在過去的十年中。在這段時期，研究者已經(jīng)證明了納米結構的許多嶄新的性質。學者們更進一步征明可以用“build-down”或者“build-up”方法來進行納米結構制造。這些成果向我們展示，如果納米結構能夠大量且廉價地被制造出來，我們必將收獲更多的成果。

在未來的十年中，納米科學和技術的第二次浪潮很可能發(fā)生。在這個新的時期，科學家和工程師需要征明納米結構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用器件才能實現(xiàn)人們對納米器件所期望的功能。因此，納米科學的下次浪潮的關鍵點是納米結構的人為可控性。

III.納米結構尺寸、成份、位序以及密度的控制——第二次浪潮

為了充分發(fā)揮量子點的優(yōu)勢之處，我們必須能夠控制量子點的位置、大小、成份已及密度。其中一個可行的方法是將量子點生長在已經(jīng)預刻有圖形的襯底上。由于量子點的橫向尺寸要處在10-20納米范圍（或者更小才能避免高激發(fā)態(tài)子能級效應，如對于GaN材料量子點的橫向尺寸要小于8納米）才能實現(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挑戰(zhàn)性的技術難題。對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)光刻所能達到的精度極限。有幾項技術可望用于如此的襯底圖形制作。

—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為所謂近鄰干擾效應（proximityeffect）而嚴重影響了光刻的極限精度，這個效應造成制備空間上緊鄰的納米結構的困難。這項技術的主要缺點是相當費時。例如，刻寫一張4英寸的硅片需要時間1小時，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（scatteringwithangularlimitationprojectionelectronlithography）正在發(fā)展之中以便使這項技術較適于用于規(guī)模生產(chǎn)。目前，耗時和近鄰干擾效應這兩個問題還沒有得到解決。

—聚焦離子束光刻是一種機制上類似于電子束光刻的技術。但不同于電子束光刻的是這種技術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到6納米的圖形，但它也是一種耗時的技術，而且高能離子束可能造成襯底損傷。

—掃描微探針術可以用來劃刻或者氧化襯底表面，甚至可以用來操縱單個原子和分子。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的氧化機制的。此項技術已經(jīng)用來刻劃金屬（Ti和Cr）、半導體（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。引入的氧化圖形依賴于實驗條件如掃描速度、樣片偏壓以及環(huán)境濕度等?？臻g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）。這項技術已用于制造有序的量子點陣列和單電子晶體管。這項技術的主要缺點是處理速度慢（典型的刻寫速度為1mm/s量級）。然而，最近在原子力顯微術上的技術進展—使用懸臂樑陣列已將掃描速度提高到4mm/s。此項技術的顯著優(yōu)點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，它是一項能操控單個原子和分子的唯一技術。

—多孔膜作為淀積掩版的技術。多孔膜能用多種光刻術再加腐蝕來制備，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5-200nm范圍。制備多孔膜的其他方法是從納米溝道玻璃膜復制。用這項技術已制造出含有細至40nm的空洞的鎢、鉬、鉑以及金膜。

—倍塞（diblock）共聚物圖形制作術是一種基于不同聚合物的混合物能夠產(chǎn)生可控及可重復的相分離機制的技術。目前，經(jīng)過反應離子刻蝕后，在旋轉涂敷的倍塞共聚物層中產(chǎn)生的圖形已被成功地轉移到Si3N4膜上，圖形中空洞直徑20nm，空洞之間間距40nm。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，島狀結構能夠產(chǎn)生。目前利用倍塞共聚物光刻技術已制造出GaAs納米結構，結構的側向特征尺寸約為23nm,密度高達1011/cm2。

—與倍塞共聚物圖形制作術緊密相關的一項技術是納米球珠光刻術。此項技術的基本思路是將在旋轉涂敷的球珠膜中形成的圖形轉移到襯底上。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、半導體以及絕緣體襯底上使用納米球珠光刻術的能力已得到確認。納米球珠光刻術（納米球珠膜的旋轉涂敷結合反應離子刻蝕）已被用來在一些半導體表面上制造空洞和柱狀體納米結構。

—將圖形從母體版轉移到襯底上的其他光刻技術。幾種所謂“軟光刻“方法，比如復制鑄模法、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100nm的圖形。復制鑄模法的可能優(yōu)點是ellastometric聚合物可被用來制作成一個戳子，以便可用同一個戳子通過對戳子的機械加壓能夠制作不同側向尺寸的圖形。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）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)點是不需要加熱。納米壓印術已被證明可用來制作具有容量達400Gb/in2的納米激光光盤，在6英寸硅片上刻制亞100nm分辨的圖形，刻制10nmX40nm面積的長方形，以及在4英寸硅片上進行圖形刻制。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。在此類技術中溫度被發(fā)現(xiàn)是一個關鍵因素。此外，應該選用具有較低的玻璃化轉變溫度的聚合物。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（lowsticking）

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。曾有研究報告報道，覆蓋有超薄的特氟隆類薄膜的模板可以用來進行50次的浮刻而不需要中間清洗。報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，而且進行大約5次壓印后需要更換。值得關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。盡管進一步的優(yōu)化和改良是必需的，但此項技術似乎有希望獲得高生產(chǎn)率。壓印過程包括對準、加熱及冷卻循環(huán)等，整個過程所需時間大約20分鐘。使用具有較低玻璃化轉換溫度的聚合物可以縮短加熱和冷卻循環(huán)所需時間，因此可以縮短整個壓印過程時間。IV．納米制造所面對的困難和挑戰(zhàn)

上述每一種用于在襯底上圖形刻制的技術都有其優(yōu)點和缺點。目前，似乎沒有哪個單一種技術可以用來高產(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制模版上的圖形

3．轉移在過渡性或者功能性材料上復制的圖形。

很顯然第二步是最具挑戰(zhàn)性的一步。先前描述的各項技術，例如電子束光刻或者掃描微探針光刻技術，已經(jīng)能夠刻寫非常細小的圖形。然而，這些技術都因相當費時而不適于規(guī)模生產(chǎn)。納米壓印術則因可作多片并行處理而可能解決規(guī)模生產(chǎn)問題。此項技術似乎很有希望，但是在它能被廣泛應用之前現(xiàn)存的嚴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則提供了將第一步和第二步整合的解決方案。在這些技術中，圖形由球珠的尺寸或者倍塞共聚物的成分來確定。然而，用這兩種光刻術刻寫的納米結構的形狀非常有限。當這些技術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陣列時，它們卻完全不適于用來刻制任意形狀和復雜結構的圖形。為了能夠制造出高質量的納米器件，不但必須能夠可靠地將圖形轉移到功能材料上，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墻的結構，這是因為在掩模版下一定程度的鉆蝕是不可避免的，而這個鉆蝕決定性地影響微小結構的刻制。另一方面，用干法刻蝕技術，譬如，反應離子刻蝕(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，而關于刻蝕引入損傷的研究嚴重不足。已有研究表明，能在表面下100nm深處探測到刻蝕引入的損傷。當器件中的個別有源區(qū)尺寸小于100nm時，如此大的損傷是不能接受的。還有就是因為所有的納米結構都有大的表面-體積比，必須盡可能地減少在納米結構表面或者靠近的任何缺陷。

隨著器件持續(xù)微型化的趨勢的發(fā)展，普通光刻技術的精度將很快達到它的由光的衍射定律以及材料物理性質所確定的基本物理極限。通過采用深紫外光和相移版，以及修正光學近鄰干擾效應等措施，特征尺寸小至80nm的圖形已能用普通光刻技術制備出。然而不大可能用普通光刻技術再進一步顯著縮小尺寸。采用X光和EUV的光刻技術仍在研發(fā)之中，可是發(fā)展這些技術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聯(lián)的近鄰干擾效應問題，但投影式電子束光刻似乎是有希望的一種技術。掃描微探針技術提供了能分辨單個原子或分子的無可匹敵的精度，可是此項技術卻有固有的慢速度，目前還不清楚通過給它加裝陣列懸臂樑能否使它達到可以接受的刻寫速度。利用轉移在自組裝薄膜中形成的圖形的技術，例如倍塞共聚物以及納米球珠刻寫技術則提供了實現(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狀或者柱狀圖形。對于制造相對簡單的器件而言，此類技術是足夠用的，但并不能解決微電子工業(yè)所面對的問題。需要將圖形從一張模版復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途徑。模版可以用其他慢寫技術來刻制，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自組裝圖形形成機制的方法，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，某些技術問題如穿刺及因灰塵導致的損傷等問題需要加以解決。對一個理想的納米刻寫技術而言，它的運行和維修成本應該低，它應具備可靠地制備尺寸小但密度高的納米結構的能力，還應有在非平面上刻制圖形的能力以及制備三維結構的功能。此外，它也應能夠做高速并行操作，而且引入的缺陷密度要低。然而時至今日，仍然沒有任何一項能制作亞100nm圖形的單項技術能同時滿足上述所有條件。現(xiàn)在還難說是否上述技術中的一種或者它們的某種組合會取代傳統(tǒng)的光刻技術。究竟是現(xiàn)有刻寫技術的組合還是一種全新的技術會成為最終的納米刻寫技術還有待于觀察。

另一項挑戰(zhàn)是，為了更新我們關于納米結構的認識和知識，有必要改善現(xiàn)有的表征技術或者發(fā)展一種新技術能夠用來表征單個納米尺度物體。由于自組裝量子點在尺寸上的自然漲落，可信地表征單個納米結構的能力對于研究這些結構的物理性質是絕對至關重要的。目前表征單個納米結構的能力非常有限。譬如，沒有一種結構表征工具能夠用來確定一個納米結構的表面結構到0.1À的精度或者更佳。透射電子顯微術(TEM)能夠用來研究一個晶體結構的內部情況，但是它不能提供有關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（STM）和原子力顯微術（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構信息好到能仔細理解表面性質所要求的精度。當近場光學方法能夠給出局部區(qū)域光譜信息時，它們能給出的關于局部雜質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能夠擴展到能夠用來研究單個納米體的表面和內部情況，否則能夠得到的有關納米結構的所有重要結構和組份的定量信息非常有限。

V.展望

篇2

納米技術分為三種概念：

1、是1986年美國科學家德雷克斯勒博士在《創(chuàng)造的機器》一書中提出的分子納米技術。根據(jù)這一概念，可以使組合分子的機器實用化，從而可以任意組合所有種類的分子，可以制造出任何種類的分子結構。這種概念的納米技術還未取得重大進展。

2、把納米技術定位為微加工技術的極限。也就是通過納米精度的“加工”來人工形成納米大小的結構的技術。這種納米級的加工技術，也使半導體微型化即將達到極限。

篇3

1、納米技術是用單個原子、分子制造物質的科學技術，研究結構尺寸在0.1至100納米范圍內材料的性質和應用。

2、納米技術是以許多現(xiàn)代先進科學技術為基礎的科學技術，是現(xiàn)代科學和現(xiàn)代技術結合的產(chǎn)物。

3、納米技術是一門交叉性很強的綜合學科，研究的內容涉及現(xiàn)代科技的廣闊領域。納米科技主要包括納米體系物理學、納米化學、納米材料學、納米生物學、納米電子學、納米加工學和納米力學。這七個相對獨立又相互滲透的學科和納米材料、納米器件、納米尺度的檢測與表征這三個研究領域。納米材料的制備和研究是整個納米科技的基礎。

（來源：文章屋網(wǎng) ）

篇4

1、各國競相出臺納米科技發(fā)展戰(zhàn)略和計劃

由于納米技術對國家未來經(jīng)濟、社會發(fā)展及國防安全具有重要意義，世界各國（地區(qū)）紛紛將納米技術的研發(fā)作為21世紀技術創(chuàng)新的主要驅動器，相繼制定了發(fā)展戰(zhàn)略和計劃，以指導和推進本國納米科技的發(fā)展。目前，世界上已有50多個國家制定了國家級的納米技術計劃。一些國家雖然沒有專項的納米技術計劃，但其他計劃中也往往包含了納米技術相關的研發(fā)。

（1）發(fā)達國家和地區(qū)雄心勃勃

為了搶占納米科技的先機，美國早在2000年就率先制定了國家級的納米技術計劃（NNI），其宗旨是整合聯(lián)邦各機構的力量，加強其在開展納米尺度的科學、工程和技術開發(fā)工作方面的協(xié)調。2003年11月，美國國會又通過了《21世紀納米技術研究開發(fā)法案》，這標志著納米技術已成為聯(lián)邦的重大研發(fā)計劃，從基礎研究、應用研究到研究中心、基礎設施的建立以及人才的培養(yǎng)等全面展開。

日本政府將納米技術視為“日本經(jīng)濟復興”的關鍵。第二期科學技術基本計劃將生命科學、信息通信、環(huán)境技術和納米技術作為4大重點研發(fā)領域，并制定了多項措施確保這些領域所需戰(zhàn)略資源（人才、資金、設備）的落實。之后，日本科技界較為徹底地貫徹了這一方針，積極推進從基礎性到實用性的研發(fā)，同時跨省廳重點推進能有效促進經(jīng)濟發(fā)展和加強國際競爭力的研發(fā)。

歐盟在2002—2007年實施的第六個框架計劃也對納米技術給予了空前的重視。該計劃將納米技術作為一個最優(yōu)先的領域，有13億歐元專門用于納米技術和納米科學、以知識為基礎的多功能材料、新生產(chǎn)工藝和設備等方面的研究。歐盟委員會還力圖制定歐洲的納米技術戰(zhàn)略，目前，已確定了促進歐洲納米技術發(fā)展的5個關鍵措施：增加研發(fā)投入，形成勢頭；加強研發(fā)基礎設施；從質和量方面擴大人才資源；重視工業(yè)創(chuàng)新，將知識轉化為產(chǎn)品和服務；考慮社會因素，趨利避險。另外，包括德國、法國、愛爾蘭和英國在內的多數(shù)歐盟國家還制定了各自的納米技術研發(fā)計劃。

（2）新興工業(yè)化經(jīng)濟體瞄準先機

意識到納米技術將會給人類社會帶來巨大的影響，韓國、中國臺灣等新興工業(yè)化經(jīng)濟體，為了保持競爭優(yōu)勢，也紛紛制定納米科技發(fā)展戰(zhàn)略。韓國政府2001年制定了《促進納米技術10年計劃》，2002年頒布了新的《促進納米技術開發(fā)法》，隨后的2003年又頒布了《納米技術開發(fā)實施規(guī)則》。韓國政府的政策目標是融合信息技術、生物技術和納米技術3個主要技術領域，以提升前沿技術和基礎技術的水平；到2010年10年計劃結束時，韓國納米技術研發(fā)要達到與美國和日本等領先國家的水平，進入世界前5位的行列。

中國臺灣自1999年開始，相繼制定了《納米材料尖端研究計劃》、《納米科技研究計劃》，這些計劃以人才和核心設施建設為基礎，以追求“學術卓越”和“納米科技產(chǎn)業(yè)化”為目標，意在引領臺灣知識經(jīng)濟的發(fā)展，建立產(chǎn)業(yè)競爭優(yōu)勢。

（3）發(fā)展中大國奮力趕超

綜合國力和科技實力較強的發(fā)展中國家為了迎頭趕上發(fā)達國家納米科技發(fā)展的勢頭，也制定了自己的納米科技發(fā)展戰(zhàn)略。中國政府在2001年7月就了《國家納米科技發(fā)展綱要》，并先后建立了國家納米科技指導協(xié)調委員會、國家納米科學中心和納米技術專門委員會。目前正在制定中的國家中長期科技發(fā)展綱要將明確中國納米科技發(fā)展的路線圖，確定中國在目前和中長期的研發(fā)任務，以便在國家層面上進行指導與協(xié)調，集中力量、發(fā)揮優(yōu)勢，爭取在幾個方面取得重要突破。鑒于未來最有可能的技術浪潮是納米技術，南非科技部正在制定一項國家納米技術戰(zhàn)略，可望在2005年度執(zhí)行。印度政府也通過加大對從事材料科學研究的科研機構和項目的支持力度，加強材料科學中具有廣泛應用前景的納米技術的研究和開發(fā)。

2、納米科技研發(fā)投入一路攀升

納米科技已在國際間形成研發(fā)熱潮，現(xiàn)在無論是富裕的工業(yè)化大國還是渴望富裕的工業(yè)化中國家，都在對納米科學、技術與工程投入巨額資金，而且投資迅速增加。據(jù)歐盟2004年5月的一份報告稱，在過去10年里，世界公共投資從1997年的約4億歐元增加到了目前的30億歐元以上。私人的納米技術研究資金估計為20億歐元。這說明，全球對納米技術研發(fā)的年投資已達50億歐元。

美國的公共納米技術投資最多。在過去4年內，聯(lián)邦政府的納米技術研發(fā)經(jīng)費從2000年的2.2億美元增加到2003年的7.5億美元，2005年將增加到9.82億美元。更重要的是，根據(jù)《21世紀納米技術研究開發(fā)法》，在2005～2008財年聯(lián)邦政府將對納米技術計劃投入37億美元，而且這還不包括國防部及其他部門將用于納米研發(fā)的經(jīng)費。

日本目前是僅次于美國的第二大納米技術投資國。日本早在20世紀80年代就開始支持納米科學研究，近年來納米科技投入迅速增長，從2001年的4億美元激增至2003年的近8億美元，而2004年還將增長20%。

在歐洲，根據(jù)第六個框架計劃，歐盟對納米技術的資助每年約達7.5億美元，有些人估計可達9.15億美元。另有一些人估計，歐盟各國和歐盟對納米研究的總投資可能兩倍于美國，甚至更高。

中國期望今后5年內中央政府的納米技術研究支出達到2.4億美元左右；另外，地方政府也將支出2.4億～3.6億美元。中國臺灣計劃從2002～2007年在納米技術相關領域中投資6億美元，每年穩(wěn)中有增，平均每年達1億美元。韓國每年的納米技術投入預計約為1.45億美元，而新加坡則達3.7億美元左右。

就納米科技人均公共支出而言，歐盟25國為2.4歐元，美國為3.7歐元，日本為6.2歐元。按照計劃，美國2006年的納米技術研發(fā)公共投資增加到人均5歐元，日本2004年增加到8歐元，因此歐盟與美日之間的差距有增大之勢。公共納米投資占GDP的比例是：歐盟為0.01%，美國為0.01%，日本為0.02%。

另外，據(jù)致力于納米技術行業(yè)研究的美國魯克斯資訊公司2004年的一份年度報告稱，很多私營企業(yè)對納米技術的投資也快速增加。美國的公司在這一領域的投入約為17億美元，占全球私營機構38億美元納米技術投資的46%。亞洲的企業(yè)將投資14億美元，占36%。歐洲的私營機構將投資6.5億美元，占17%。由于投資的快速增長，納米技術的創(chuàng)新時代必將到來。

3、世界各國納米科技發(fā)展各有千秋

各納米科技強國比較而言，美國雖具有一定的優(yōu)勢，但現(xiàn)在尚無確定的贏家和輸家。

（1）在納米科技論文方面日、德、中三國不相上下

根據(jù)中國科技信息研究所進行的納米論文統(tǒng)計結果，2000—2002年，共有40370篇納米研究論文被《2000—2002年科學引文索引（SCI）》收錄。納米研究論文數(shù)量逐年增長，且增長幅度較大，2001年和2002年的增長率分別達到了30.22%和18.26%。

2000—2002年納米研究論文，美國以較大的優(yōu)勢領先于其他國家，3年累計論文數(shù)超過10000篇，幾乎占全部論文產(chǎn)出的30%。日本（12.76%）、德國（11.28%）、中國（10.64%）和法國（7.89%）位居其后，它們各自的論文總數(shù)都超過了3000篇。而且以上5國2000—2002年每年的納米論文產(chǎn)出大都超過了1000篇，是納米研究最活躍的國家，也是納米研究實力最強的國家。中國的增長幅度最為突出，2000年中國納米論文比例還落后德國2個多百分點，到2002年已經(jīng)超過德國，位居世界第三位，與日本接近。

在上述5國之后，英國、俄羅斯、意大利、韓國、西班牙發(fā)表的論文數(shù)也較多，各國3年累計論文總數(shù)都超過了1000篇，且每年的論文數(shù)排位都可以進入前10名。這5個國家可以列為納米研究較活躍的國家。

另外，如果歐盟各國作為一個整體，其論文量則超過36%，高于美國的29.46%。

（2）在申請納米技術發(fā)明專利方面美國獨占鰲頭

據(jù)統(tǒng)計：美國專利商標局2000—2002年共受理2236項關于納米技術的專利。其中最多的國家是美國（1454項），其次是日本（368項）和德國（118項）。由于專利數(shù)據(jù)來源美國專利商標局，所以美國的專利數(shù)量非常多，所占比例超過了60%。日本和德國分別以16.46%和5.28%的比例列在第二位和第三位。英國、韓國、加拿大、法國和中國臺灣的專利數(shù)也較多，所占比例都超過了1%。

專利反映了研究成果實用化的能力。多數(shù)國家納米論文數(shù)與專利數(shù)所占比例的反差較大，在論文數(shù)最多的20個國家和地區(qū)中，專利數(shù)所占比例超過論文數(shù)所占比例的國家和地區(qū)只有美國、日本和中國臺灣。這說明，很多國家和地區(qū)在納米技術研究上具備一定的實力，但比較側重于基礎研究，而實用化能力較弱。

（3）就整體而言納米科技大國各有所長

美國納米技術的應用研究在半導體芯片、癌癥診斷、光學新材料和生物分子追蹤等領域快速發(fā)展。隨著納米技術在癌癥診斷和生物分子追蹤中的應用，目前美國納米研究熱點已逐步轉向醫(yī)學領域。醫(yī)學納米技術已經(jīng)被列為美國國家的優(yōu)先科研計劃。在納米醫(yī)學方面，納米傳感器可在實驗室條件下對多種癌癥進行早期診斷，而且，已能在實驗室條件下對前列腺癌、直腸癌等多種癌癥進行早期診斷。2004年，美國國立衛(wèi)生研究院癌癥研究所專門出臺了一項《癌癥納米技術計劃》，目的是將納米技術、癌癥研究與分子生物醫(yī)學相結合，實現(xiàn)2015年消除癌癥死亡和痛苦的目標；利用納米顆粒追蹤活性物質在生物體內的活動也是一個研究熱門，這對于研究艾滋病病毒、癌細胞等在人體內的活動情況非常有用，還可以用來檢測藥物對病毒的作用效果。利用納米顆粒追蹤病毒的研究也已有成果，未來5～10年有望商業(yè)化。

雖然醫(yī)學納米技術正成為納米科技的新熱點，納米技術在半導體芯片領域的應用仍然引人關注。美國科研人員正在加緊納米級半導體材料晶體管的應用研究，期望突破傳統(tǒng)的極限，讓芯片體積更小、速度更快。納米顆粒的自組裝技術是這一領域中最受關注的地方。不少科學家試圖利用化學反應來合成納米顆粒，并按照一定規(guī)則排列這些顆粒，使其成為體積小而運算快的芯片。這種技術本來有望取代傳統(tǒng)光刻法制造芯片的技術。在光學新材料方面，目前已有可控直徑5納米到幾百納米、可控長度達到幾百微米的納米導線。

日本納米技術的研究開發(fā)實力強大，某些方面處于世界領先水平，但尚未脫離基礎和應用研究階段，距離實用化還有相當一段路要走。在納米技術的研發(fā)上，日本最重視的是應用研究，尤其是納米新材料研究。除了碳納米管外，日本開發(fā)出多種不同結構的納米材料，如納米鏈、中空微粒、多層螺旋狀結構、富勒結構套富勒結構、納米管套富勒結構、酒杯疊酒杯狀結構等。

在制造方法上，日本不斷改進電弧放電法、化學氣相合成法和激光燒蝕法等現(xiàn)有方法，同時積極開發(fā)新的制造技術，特別是批量生產(chǎn)技術。細川公司展出的低溫連續(xù)燒結設備引起關注。它能以每小時數(shù)千克的速度制造粒徑在數(shù)十納米的單一和復合的超微粒材料。東麗和三菱化學公司應用大學開發(fā)的新技術能把制造碳納米材料的成本減至原來的1／10，兩三年內即可進入批量生產(chǎn)階段。

日本高度重視開發(fā)檢測和加工技術。目前廣泛應用的掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、近場光學顯微鏡等的性能不斷提高，并涌現(xiàn)了諸如數(shù)字式顯微鏡、內藏高級照相機顯微鏡、超高真空掃描型原子力顯微鏡等新產(chǎn)品?？茖W家村田和廣成功開發(fā)出亞微米噴墨印刷裝置，能應用于納米領域，在硅、玻璃、金屬和有機高分子等多種材料的基板上印制細微電路，是世界最高水平。

日本企業(yè)、大學和研究機構積極在信息技術、生物技術等領域內為納米技術尋找用武之地，如制造單個電子晶體管、分子電子元件等更細微、更高性能的元器件和量子計算機，解析分子、蛋白質及基因的結構等。不過，這些研究大都處于探索階段，成果為數(shù)不多。

歐盟在納米科學方面頗具實力，特別是在光學和光電材料、有機電子學和光電學、磁性材料、仿生材料、納米生物材料、超導體、復合材料、醫(yī)學材料、智能材料等方面的研究能力較強。

中國在納米材料及其應用、掃描隧道顯微鏡分析和單原子操縱等方面研究較多，主要以金屬和無機非金屬納米材料為主，約占80%，高分子和化學合成材料也是一個重要方面，而在納米電子學、納米器件和納米生物醫(yī)學研究方面與發(fā)達國家有明顯差距。

4、納米技術產(chǎn)業(yè)化步伐加快

目前，納米技術產(chǎn)業(yè)化尚處于初期階段，但展示了巨大的商業(yè)前景。據(jù)統(tǒng)計：2004年全球納米技術的年產(chǎn)值已經(jīng)達到500億美元，2010年將達到14400億美元。為此，各納米技術強國為了盡快實現(xiàn)納米技術的產(chǎn)業(yè)化，都在加緊采取措施，促進產(chǎn)業(yè)化進程。

美國國家科研項目管理部門的管理者們認為，美國大公司自身的納米技術基礎研究不足，導致美國在該領域的開發(fā)應用缺乏動力，因此，嘗試建立一個由多所大學與大企業(yè)組成的研究中心，希望借此使納米技術的基礎研究和應用開發(fā)緊密結合在一起。美國聯(lián)邦政府與加利福尼亞州政府一起斥巨資在洛杉礬地區(qū)建立一個“納米科技成果轉化中心”，以便及時有效地將納米科技領域的基礎研究成果應用于產(chǎn)業(yè)界。該中心的主要工作有兩項：一是進行納米技術基礎研究；二是與大企業(yè)合作，使最新基礎研究成果盡快實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。其研究領域涉及納米計算、納米通訊、納米機械和納米電路等許多方面，其中不少研究成果將被率先應用于美國國防工業(yè)。

美國的一些大公司也正在認真探索利用納米技術改進其產(chǎn)品和工藝的潛力。IBM、惠普、英特爾等一些IT公司有可能在中期內取得突破，并生產(chǎn)出商業(yè)產(chǎn)品。一個由專業(yè)、商業(yè)和學術組織組成的網(wǎng)絡在迅速擴大，其目的是共享信息，促進聯(lián)系，加速納米技術應用。

日本企業(yè)界也加強了對納米技術的投入。關西地區(qū)已有近百家企業(yè)與16所大學及國立科研機構聯(lián)合，不久前又建立了“關西納米技術推進會議”，以大力促進本地區(qū)納米技術的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進程；東麗、三菱、富士通等大公司更是紛紛斥巨資建立納米技術研究所，試圖將納米技術融合進各自從事的產(chǎn)業(yè)中。

歐盟于2003年建立納米技術工業(yè)平臺，推動納米技術在歐盟成員國的應用。歐盟委員會指出：建立納米技術工業(yè)平臺的目的是使工程師、材料學家、醫(yī)療研究人員、生物學家、物理學家和化學家能夠協(xié)同作戰(zhàn)，把納米技術應用到信息技術、化妝品、化學產(chǎn)品和運輸領域，生產(chǎn)出更清潔、更安全、更持久和更“聰明”的產(chǎn)品，同時減少能源消耗和垃圾。歐盟希望通過建立納米技術工業(yè)平臺和增加納米技術研究投資使其在納米技術方面盡快趕上美國。

篇5

關鍵詞：無機納米材料；納米加工技術；研究

隨著納米技術的發(fā)展和電子器件小型化的需求，納米加工方法越來越多地引起人們的關注，納米技術的核心是納米加工技術。納米加工技術作為引起一場新的產(chǎn)業(yè)革命的科學技術，備受世人矚目。隨著科技的發(fā)展，對電子器件小型化的要求越來越強烈，各種器件逐漸由微米向納米尺度發(fā)展。特別是對納米器件、光學器件、高靈敏度傳感器、高密度存儲器件以及生物芯片制造等方面的納米化要求越來越強烈，如何縮小圖形尺寸、提高器件的納米化程度已經(jīng)成為各國科學家們越來越關心的問題。然而由于傳統(tǒng)刻蝕技術的限制使得器件納米化的發(fā)展成為當今電子器件小型化發(fā)展的重要制約因素之一。因此，新型納米加工技術突破傳統(tǒng)光刻限制和有機高分子結構的限制，屬于多項納米操縱加工技術的系統(tǒng)工程研究，主要特色為瞄準學科前沿的創(chuàng)新性應用基礎研究，具有較強的創(chuàng)新性、前瞻性和原創(chuàng)性，具有廣泛的應用前景。

1 國內外研究現(xiàn)狀

近年來，為了克服原有光刻技術對圖形線寬的限制，人們已探索了許多先進的納米刻蝕加工方法。AT&T BeII實驗室的R?S?Becker等人利用掃描探針顯微技術實現(xiàn)了在Ge表面原子級的加工。H?D?Day和D?R?Allee成功地實現(xiàn)了硅表面的納米結構制備，從而在納米加工領域開辟了新的天地。近年來，Mirkin研究組和其它幾個研究集體利用掃描探針技術成功地制造了有機分子納米圖形與陣列、無機氧化物、金屬納米粒子、高分子溶膠等納米圖形和陣列以及蛋白質陣列。此外，離子束、電子束、極紫外、X射線、深紫外加波前工程、干涉光刻以及原子光刻等技術的出現(xiàn)進一步發(fā)展了納米刻蝕加工技術，為克服光刻的限制，提高圖形密度提供了可能。然而這些方法雖然可以實現(xiàn)相對復雜的納米圖形化，但其設備昂貴， 投資成本較大、應用步驟復雜，更主要的在于生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品價格高昂，因而難以在要求低成本、高產(chǎn)出的商業(yè)中得到廣泛的應用，特別是在圖形要求相對簡單、有序，而密度和靈敏度要求較高的納米器件中（如：傳感器、激光器、平板顯示器、高密度存儲器件、生物芯片、量子器件等方面）的應用受到了很大的制約。因此，如何發(fā)展簡單、便宜、適用于大規(guī)模生產(chǎn)的表面圖案化技術已成為一個涉及眾多學科領域的新課題。

當前，美、日兩國在納米光刻領域的研究處于世界領先地位。為了應對納米技術的挑戰(zhàn)，歐洲最近幾年開展國家間的大型合作項目技術，納米光刻技術得到了深入研究和廣泛發(fā)展。近年來我國對納米加工方面的研究也進行了大力的扶持，很多科研單位將納米加工技術列為重點研究項目，并引進了具有0.13和0.09微米生產(chǎn)技術能力的大型芯片企業(yè)，為提高我國的納米加工技術和芯片制造水平，發(fā)展信息產(chǎn)業(yè)技術，搶占21世紀納米科學技術的制高點具有不可低估的作用。

2 新型納米加工技術

納米加工技術是為了適應微電子及納米電子技術、微機械電子系統(tǒng)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一門加工技術。目前，探索新的納米加工方法和手段已成為納米技術領域中的熱點。隨著納米加工技術的發(fā)展，現(xiàn)已出現(xiàn)了多種納米加工技術，新型納米加工技術利用無機納米材料及無機-有機納米復合圖形材料制備納米圖形化掩模，結合納米刻蝕技術實現(xiàn)小于30納米的圖形結構制備。隨著納米結構圖形尺寸小于100納米后，不僅縮小了器件的尺寸，而且由于納米尺寸效應的影響，納米器件被賦予了許多新的特性：計算速度更快、存儲密度更高、能耗大大減少等。納米技術的發(fā)展也會對生命技術發(fā)展產(chǎn)生重大的影響，對環(huán)境、能源等很多方面都會產(chǎn)生重大影響，具有重大而深遠的意義。

3 新型納米加工技術的應用

和有機材料相比，無機納米材料具有尺寸均勻可控，性質穩(wěn)定、種類多樣、易于制備等特點，其粒度尺寸可小于10納米，甚至可以達到1納米。同時，利用自組裝排布技術也可以獲得無機納米材料的多種納米圖形結構。顯然，利用無機納米材料做掩模有望進一步克服有機高分子結構和尺寸方面的限制，獲得尺寸更小，密度更高的納米圖形。同時，利用有機分子的多樣性通過功能基團與無機納米材料結合起來，這樣既保留了原來有機分子及無機分子的本質特征，又可能通過這些結合所帶來的變化導致新的納米圖形產(chǎn)生，使納米刻蝕技術向更小的粒度和線寬發(fā)展，為提高納米傳感器靈敏度，提高高密度存儲器件的記錄密度等納米器件的性能提供新的契機。但從目前來看，大部分研究主要集中在有機圖形材料的研究方面，對無機材料，特別是無機-有機復合圖形材料的研究還鮮有報導。采用無機納米材料及無機-有機納米復合圖形材料結合自組裝排布技術以及納米刻蝕加工技術，有望打破有機圖形化材料的限制，獲得更為豐富的圖形結構。因此，利用無機納米材料及無機-有機納米復合圖形材料在基底表面實現(xiàn)納米圖形化模板的制備，并結合納米刻蝕技術對圖形進行轉移，不僅可用于納米材料制作、納米器件加工、納米長度測量、納米物質的物理特性研究等方面，還可用于對DNA鏈和病毒進行處理等，具有重要的應用前景。

4 新型納米加工技術前景展望

新型納米加工技術在多個領域具有廣泛的應用，如生物、醫(yī)藥、機械、電子等領域，其中包括納米器件（微電子器件、量子器件），納米材料（低維量子點、量子線材料、光子帶寬材料），納米長度測量標準（可置于顯微鏡中），光學光柵制作，新型傳感器，納米電子技術，能源領域以及納米機器人等方面。在納米刻蝕技術完善后，可以制作納米級硬件，今后可廣泛應用于信息科學和生命科學中。與傳統(tǒng)的刻蝕技術相比，以納米材料為基礎的納米刻蝕加工技術由于利用納米材料的圖形化特性并結合反應離子刻蝕技術，實現(xiàn)納米圖形的刻蝕，因此所需設備簡單，操作方便，克服了傳統(tǒng)光刻技術對尺寸的限制和電子束光刻等在設備和生產(chǎn)速度上的限制，因而成為人們近來廣泛關注的熱點，為從宏觀到微觀納米圖形制作開辟了新途徑。對改善太陽能電池表面陷光特性，提高光電轉換效率，以及對微芯片、納米傳感器、量子器件、高密度存儲等高新技術產(chǎn)品向更高密度、更高速度、更高分辨率和超微細化發(fā)展，促進國防科技水平和信息科學的進步，以及醫(yī)學和生命科學的進步，都具有重大而深遠的意義。目前，隨著納米加工技術逐漸產(chǎn)業(yè)化和日趨成熟，已經(jīng)得到市場廣泛認可和接受，其產(chǎn)業(yè)化和市場化的前景是十分可觀的。

5 結束語

納米器件的設計與制造已成為世界上人們關注的熱點，成為二十一世紀科學技術進步的發(fā)展動機。新型納米加工技術的發(fā)展方向是多種技術的綜合應用，以實現(xiàn)各種技術的優(yōu)勢互補。因此開展納米加工技術和方法的研究，不僅可以獲得自主知識產(chǎn)權，而且在未來的科技競爭中占據(jù)主動。

參考文獻

[1]顧寧，黃嵐，張寧，等.制造納米電子器件的技術途徑[J].華北工學院測試技術學報，2000，14（4）：241

[2]付宏剛，劉克松，王江，等.功能納米結構的組裝[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2005，37（5）：978

[3]崔錚，陶佳瑞.納米壓印加工技術發(fā)展綜述[J].世界科技研究與發(fā)展，2004，26（1）：7

篇6

納米材料和納米技術是20世紀后期出現(xiàn)的新型材料和高新技術。由于納米材料的小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應，使它與常規(guī)材料相比具有獨特的優(yōu)異性能。隨著納米技術的迅速發(fā)展，各種類型納米材料不斷涌現(xiàn)，如納米陶瓷粉末、納米金屬材料、納米金屬、納米化合物、納米生物材料等。在這些材料中納米金屬材料是重要的研究方向，在科研人員的不斷探索中，納米金屬粉末的制備技術得到了不斷革新和發(fā)展。許多納米金屬粉末作為新型抗菌材料（如抗病毒物質、抗菌材料、防污漆和抗真菌材料）的替代品被重點研究。納米金屬粉末也因其在冶金、催化和軍事等領域中廣泛的應用，成為研究人員的熱點研究方向。

全書內容共分為12章：1.納米金屬顆粒的熱力學數(shù)據(jù)的總體評價，從熱力學背景知識出發(fā)，介紹納米金屬顆粒尺寸與材料性能的關系，并將實驗和計算的熔解溫度進行對比；2.單個納米金屬顆粒的數(shù)值模擬，包括分子動力學模擬、與尺寸相關的材料性質、兩種納米顆粒的燒結研究和納米顆粒在氧氣環(huán)境下的氧化研究以及具有核-殼結構的顆粒的加熱和冷卻等內容；3.放電爆炸下的納米金屬顆粒，主要介紹納米金屬的電爆炸絲生產(chǎn)技術；4.納米金屬粉末的電爆炸絲生產(chǎn)方法，包括如何用等離子技術對納米顆粒進行再凝結、納米鋁粉的特征、納米粉末的化學鈍化、鋁納米顆粒的微膠囊化等內容；5.納米金屬顆粒團聚物的結構，包括表征團聚物結構的實驗技術、力學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、以及氣體運輸對反應速度的限速作用等內容；6.納米金屬粉末的鈍化，包括理論和實驗背景以及鈍化納米顆粒的特征；7.納米金屬粉末的安全，包括納米顆粒在空氣中氧化的基本現(xiàn)象、對靜電放電的靈敏度、根據(jù)災害分級對納米粉末進行排序、包裝要求等；8.鋁粉末與液態(tài)水和水蒸氣的反應，包括研究液態(tài)、氣態(tài)水和鋁粉末反應的實驗技術和不同條件下的鋁粉末的反應情況；9.基于硼烷氨和硼氫化鈉的儲氫系統(tǒng)的鈷納米催化劑，主要介紹物理化學方法；10.機械研磨對反應活性和亞穩(wěn)態(tài)納米材料的預處理；11.金屬微粒燃燒的原位表征：非平衡診斷，包括固體材料的點火和燃燒、鋁的反應機理、火焰管、火焰溫度等內容；12.含能系統(tǒng)中的鋁納米粉末的表征和燃燒。

本書重點介紹納米金屬粉末的表征、氧化和燃燒、生產(chǎn)技術和安全知識。本書適合無機非金屬材料工程、材料科學與工程、復合材料與工程、金屬材料工程和納米材料科學與技術等專業(yè)的研究生或相關領域的研究人員閱讀和參考。

郭抒，博士生

（中國科學院理化技術研究所）

篇7

【關鍵詞】納米金；生物醫(yī)學技術；應用現(xiàn)狀

1前言

如今納米技術隨著時代的發(fā)展已經(jīng)得到了很大的發(fā)展，成為了科學研究的熱點，納米金是指直徑0．8～250mm的締合金溶膠，它屬于納米金屬材料中研究最早的種類，納米金具有良好的納米表面效應、量子效應以及宏觀量子隧道效應，它具有很多良好的化學特性，比如抗氧性和生物相容性。

2納米金在病原體檢測技術中的應用現(xiàn)狀

近些年來生物醫(yī)學界對于流行病學的研究和對病原微生物的診斷已有了不小的進展，傳統(tǒng)的分離、培養(yǎng)及生化反應逐漸被時代所淘汰，運用納米金的免疫標記技術作為新的高通量的、操作簡單的檢測技術被廣泛應用于臨床病原體的檢測，這種檢測技術快速且準確，十分適合在臨床上使用。1939年，兩位科學家Kausche和Ruska做了一個小小的納米金實驗，他們將煙草花病毒吸附在金顆粒上，并在電子顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)金離子呈高電子密度，就此打下了納米金在免疫電鏡中的應用基礎。從1939年后生物醫(yī)學技術不斷發(fā)展，納米金標記技術也廣受世人關注，成為了現(xiàn)代社會四大免疫標記技術之一。作為一種特殊標記技術，納米金在免疫檢測領域受到了廣泛的應用，使用納米金粒子做探針，觀察抗原抗體的特異性反應，放大檢測信號，由此檢測抗原的靈敏性。納米金技術具有良好的檢測靈敏性，在早期還支持診斷并監(jiān)控了急性傳染性病毒，根據(jù)這一特性，秦紅設計了快速檢測黃熱病病毒的技術，在納米金顆粒上標記上金SPA－復合物的標志，通過免疫反應實驗我們發(fā)現(xiàn)病毒抗體與納米金顆粒結合，并形成了人眼可見的紅線。這種檢測方法的優(yōu)點有:不需要器材、簡單、迅速、廉價、高效，極大地推動了黃熱病病毒檢測技術的更新，在黃熱病的防控事業(yè)上有著深遠意義。利用納米金作為免疫標記物來檢測的除了黃熱病病毒，還有致病寄生蟲。我國的民族種類多樣，一些少數(shù)民族人民由于自身的文化特點，喜食生食或半生食物，這就形成了寄生蟲病的傳播，我國經(jīng)濟大發(fā)展后，人民的生活水平得到了提高，但還是喜食半生動物肉或者內臟，造成了食源性寄生蟲病發(fā)病率的上升，嚴重影響人民身體健康。目前我國的臨床診斷寄生蟲病技術包括三方面:病原學檢查、免疫學檢查以及影像學檢查。運用納米金檢測技術，不僅縮短了取材時間、縮小了取材范圍，而且檢出率高、創(chuàng)傷性小，受到了患者的廣泛歡迎。

3納米金在核酸、蛋白質檢測中的應用現(xiàn)狀

納米金粒子具有特殊的表面等離子體共振現(xiàn)象，被應用在核酸構建和分析檢測蛋白質領域中，可以把生物識別反映轉換為光學或電學信號，因此人們將其與DNA、RNA和氨基酸相結合，在檢測核酸和蛋白質方面收效頗豐，并且這種檢測方法制備簡單，同時還具有很多優(yōu)點，比如良好的抗氧化性和生物相容性，下面具體講一下納米金檢測技術在核酸和蛋白質檢測中的應用。首先是在核酸檢測中的應用。美國首先利用納米金連接寡核苷酸制成探針檢測核酸，將納米金做標記與靶核酸結合形成超分子結構，由此來檢測核酸。利用納米金技術檢測特定病原體和遺傳疾病首先要做的就是檢測核酸的特定序列，在芯片點陣上整齊排列納米金顆粒，利用TaqDNA連接酶識別單堿基突變，等待連接后，就可以經(jīng)過一系列步驟得出單堿基突變結果，得到所需信息。在臨床應用中使用納米金技術的表現(xiàn)有高靈敏檢測谷胱甘肽和半胱氨酸的新型電化學生物傳感器，這種機器對于谷胱甘肽和半胱氨酸的檢出限值更低，在檢測及預防糖尿病、艾滋病等疾病方面具有很大的臨床優(yōu)勢。其次是在蛋白質檢測中的應用。納米金與蛋白質的作用方式非常多樣，有物理吸附方式、化學共價結合方式以及非共價特異性吸附等等方式，在此背景下，我們可以利用納米金檢測并治療疾病和檢測環(huán)境污染。

4納米金在生物傳感器制備中的應用現(xiàn)狀

目前納米金在生物傳感器檢測中的應用受到了人們的普遍關注，如上文所說，納米金具有特殊的表面等離子體共振現(xiàn)象，這是制備生物傳感器的基礎。利用這種特性，科學家們做了許多實驗，比如拉曼光譜試驗，使用Uv－Vis光譜和拉曼光譜儀測試金納米顆粒的表征，得出結論是可以根據(jù)納米金顆粒的不同形貌制作不同濃度分子的探針，受外周環(huán)境介電特性和顆粒尺寸大小的影響，納米金顆粒會表現(xiàn)出不同的形貌特征，比如吸收光譜、發(fā)生藍移。納米金是屬于一種非常微小的貴金屬，作為貴金屬，它具有很好的導電性能，利用納米金進行免疫檢測時會大量聚集納米金，從而增強反應體系的電導，順利通過電導檢測免疫反應。利用納米金的高檢測靈敏性可以進行電化學免疫傳感器的制備。

5其他領域的應用現(xiàn)狀

目前納米技術的研究中，納米金在生物醫(yī)學技術中的應用研究是重要研究課題，除了上文中說到的病原體檢測、核酸以及蛋白質檢測還有生物傳感器制備中的應用，納米金技術同時也被廣泛應用于腫瘤的診斷與治療、藥物載體以及CT成像。納米金具有特殊的組成結構，它可以輕易被修飾并負載化合物，可以用于檢測并治療腫瘤，還可以被用于肺癌的檢測及治療，目前的大量數(shù)據(jù)都表明納米金技術在診斷并治療肺癌上有極大的優(yōu)勢。

6結語

21世紀生物醫(yī)學技術領域最關鍵的技術之一就是納米金標記技術，作為一種十分精細的技術，它幾乎不影響生物分子的活性，就這一點而言，它是非常好的標記物。我們可以想見，納米金技術因其自身的諸多優(yōu)點，必會獲得更大的生物醫(yī)學發(fā)展空間。

參考文獻:

［1］艾桃桃．納米金在生物醫(yī)學領域中的應用［J］．陜西理工學院學報(自然科學版)，2010，04:63～68，95．

［2］王英澤，黃奔，呂娟，梁興杰．納米技術在生物醫(yī)學領域的研究現(xiàn)狀［J］．生物物理學報，2009(03):168～174．

［3］李家萌，曹穎，趙媛，楊毅梅．納米金在生物醫(yī)學技術應用的研究現(xiàn)狀［J］．中國寄生蟲學與寄生蟲病雜志，2016(02):1～5．

篇8

（一）力學性質

高韌、高硬、高強是結構材料開發(fā)應用的經(jīng)典主題。具有納米結構的材料強度與粒徑成反比。納米材料的位錯密度很低，位錯滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其臨界位錯圈的直徑比納米晶粒粒徑還要大，增殖后位錯塞積的平均間距一般比晶粒大，所以納迷材料中位錯滑移和增殖不會發(fā)生，這就是納米晶強化效應。

（二）磁學性質

當代計算機硬盤系統(tǒng)的磁記錄密度超過1.55Gb/cm2，在這情況下，感應法讀出磁頭和普通坡莫合金磁電阻磁頭的磁致電阻效應為3%，已不能滿足需要，而納米多層膜系統(tǒng)的巨磁電阻效應高達50%，可以用于信息存儲的磁電阻讀出磁頭，具有相當高的靈敏度和低噪音。

（三）電學性質

由于晶界面上原子體積分數(shù)增大，納米材料的電阻高于同類粗晶材料，甚至發(fā)生尺寸誘導金屬——絕緣體轉變（SIMIT）。利用納米粒子的隧道量子效應和庫侖堵塞效應制成的納米電子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特點，有可能在不久的將來全面取代目前的常規(guī)半導體器件。

（四）熱學性質

納米材料的比熱和熱膨脹系數(shù)都大于同類粗晶材料和非晶體材料的值，這是由于界面原子排列較為混亂、原子密度低、界面原子耦合作用變弱的結果。因此在儲熱材料、納米復合材料的機械耦合性能應用方面有其廣泛的應用前景。

二、納米材料在化工行業(yè)中的應用

（一）在催化方面的應用

催化劑在許多化學化工領域中起著舉足輕重的作用，它可以控制反應時間、提高反應效率和反應速度。大多數(shù)傳統(tǒng)的催化劑不僅催化效率低，而且其制備是憑經(jīng)驗進行，不僅造成生產(chǎn)原料的巨大浪費，使經(jīng)濟效益難以提高，而且對環(huán)境也造成污染。納米粒子表面活性中心多，為它作催化劑提供了必要條件。納米粒于作催化劑，可大大提高反應效率，控制反應速度，甚至使原來不能進行的反應也能進行。納米微粒作催化劑比一般催化劑的反應速度提高10～15倍。

納米微粒作為催化劑應用較多的是半導體光催化劑，特別是在有機物制備方面。分散在溶液中的每一個半導體顆粒，可近似地看成是一個短路的微型電池，用能量大于半導體能隙的光照射半導體分散系時，半導體納米粒子吸收光產(chǎn)生電子——空穴對。在電場作用下，電子與空穴分離，分別遷移到粒子表面的不同位置，與溶液中相似的組分進行氧化和還原反應。

（二）在涂料方面的應用

納米材料由于其表面和結構的特殊性，具有一般材料難以獲得的優(yōu)異性能，顯示出強大的生命力。表面涂層技術也是當今世界關注的熱點。納米材料為表面涂層提供了良好的機遇，使得材料的功能化具有極大的可能。借助于傳統(tǒng)的涂層技術，添加納米材料，可獲得納米復合體系涂層，實現(xiàn)功能的飛躍，使得傳統(tǒng)涂層功能改性。涂層按其用途可分為結構涂層和功能涂層。結構涂層是指涂層提高基體的某些性質和改性；功能涂層是賦予基體所不具備的性能，從而獲得傳統(tǒng)涂層沒有的功能。結構涂層有超硬、耐磨涂層，抗氧化、耐熱、阻燃涂層，耐腐蝕、裝飾涂層等；功能涂層有消光、光反射、光選擇吸收的光學涂層，導電、絕緣、半導體特性的電學涂層，氧敏、濕敏、氣敏的敏感特性涂層等。在涂料中加入納米材料，可進一步提高其防護能力，實現(xiàn)防紫外線照射、耐大氣侵害和抗降解、變色等，在衛(wèi)生用品上應用可起到殺菌保潔作用。在標牌上使用納米材料涂層，可利用其光學特性，達到儲存太陽能、節(jié)約能源的目的。在建材產(chǎn)品如玻璃、涂料中加入適宜的納米材料，可以達到減少光的透射和熱傳遞效果，產(chǎn)生隔熱、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好靜電屏蔽的納米涂料，所應用的納米微粒有氧化鐵、二氧化鈦和氧化鋅等。這些具有半導體特性的納米氧化物粒子，在室溫下具有比常規(guī)的氧化物高的導電特性，因而能起到靜電屏蔽作用，而且氧化物納米微粒的顏色不同，這樣還可以通過復合控制靜電屏蔽涂料的顏色，克服炭黑靜電屏蔽涂料只有單一顏色的單調性。納米材料的顏色不僅隨粒徑而變，還具有隨角變色效應。在汽車的裝飾噴涂業(yè)中，將納米TiO2添加在汽車、轎車的金屬閃光面漆中，能使涂層產(chǎn)生豐富而神秘的色彩效果，從而使傳統(tǒng)汽車面漆舊貌換新顏。納米SiO2是一種抗紫外線輻射材料。在涂料中加入納米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光潔度及強度成倍地增加。納米涂層具有良好的應用前景，將為涂層技術帶來一場新的技術革命，也將推動復合材料的研究開發(fā)與應用。

（三）在精細化工方面的應用

精細化工是一個巨大的工業(yè)領域，產(chǎn)品數(shù)量繁多，用途廣泛，并且影響到人類生活的方方面面。納米材料的優(yōu)越性無疑也會給精細化工帶來福音，并顯示它的獨特畦力。在橡膠、塑料、涂料等精細化工領域，納米材料都能發(fā)揮重要作用。如在橡膠中加入納米SiO2，可以提高橡膠的抗紫外輻射和紅外反射能力。納米Al2O3，和SiO2，加入到普通橡膠中，可以提高橡膠的耐磨性和介電特性，而且彈性也明顯優(yōu)于用白炭黑作填料的橡膠。塑料中添加一定的納米材料，可以提高塑料的強度和韌性，而且致密性和防水性也相應提高。

納米科學是一門將基礎科學和應用科學集于一體的新興科學，主要包括納米電子學、納米材料學和納米生物學等。21世紀將是納米技術的時代，為此，國家科委、中科院將納米技術定位為“21世紀最重要、最前沿的科學”。納米材料的應用涉及到各個領域，在機械、電子、光學、磁學、化學和生物學領域有著廣泛的應用前景。納米科學技術的誕生，將對人類社會產(chǎn)生深遠的影響，并有可能從根本上解決人類面臨的許多問題，特別是能源、人類健康和環(huán)境保護等重大問題。

參考文獻:

[1]張立德，牟季美，納米材料和納米結構，科學出版社，2001.

[2]嚴東生，馮端，材料新星?納米材料科學,湖南科學技術出版社，1998年.

[3]H.Gleiter(德)著，崔平，方永，葛庭燧譯，納米材料，原子能出版社，1994年.

[4]DyerPE,FarleyRJ,GiedlR,etal..Excimerlaserablationofpolymersandglassesforgratingfabrication.AppliedSurfaceScience,1996.

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納米材料在結構、光電和化學性質等方面的誘人特征，引起物理學家、材料學家和化學家的濃厚興趣。80年代初期納米材料這一概念形成以后，世界各國對這種材料給予極大關注。它所具有的獨特的物理和化學性質，使人們意識到它的發(fā)展可能給物理、化學、材料、生物、醫(yī)藥等學科的研究帶來新的機遇。納米材料的應用前景十分廣闊。近年來，它在化工生產(chǎn)領域也得到了一定的應用，并顯示出它的獨特魅力。

1.在催化方面的應用

催化劑在許多化學化工領域中起著舉足輕重的作用，它可以控制反應時間、提高反應效率和反應速度。大多數(shù)傳統(tǒng)的催化劑不僅催化效率低，而且其制備是憑經(jīng)驗進行，不僅造成生產(chǎn)原料的巨大浪費，使經(jīng)濟效益難以提高，而且對環(huán)境也造成污染。納米粒子表面活性中心多，為它作催化劑提供了必要條件。納米粒于作催化劑，可大大提高反應效率，控制反應速度，甚至使原來不能進行的反應也能進行。納米微粒作催化劑比一般催化劑的反應速度提高10～15倍。

納米微粒作為催化劑應用較多的是半導體光催化劑，特別是在有機物制備方面。分散在溶液中的每一個半導體顆粒，可近似地看成是一個短路的微型電池，用能量大于半導體能隙的光照射半導體分散系時，半導體納米粒子吸收光產(chǎn)生電子——空穴對。在電場作用下，電子與空穴分離，分別遷移到粒子表面的不同位置，與溶液中相似的組分進行氧化和還原反應。

光催化反應涉及到許多反應類型，如醇與烴的氧化，無機離子氧化還原，有機物催化脫氫和加氫、氨基酸合成，固氮反應，水凈化處理，水煤氣變換等，其中有些是多相催化難以實現(xiàn)的。半導體多相光催化劑能有效地降解水中的有機污染物。例如納米TiO2，既有較高的光催化活性，又能耐酸堿，對光穩(wěn)定，無毒，便宜易得，是制備負載型光催化劑的最佳選擇。已有文章報道，選用硅膠為基質，制得了催化活性較高的TiO／SiO2負載型光催化劑。Ni或Cu一Zn化合物的納米顆粒，對某些有機化合物的氫化反應是極好的催化劑，可代替昂貴的鉑或鈕催化劑。納米鉑黑催化劑可使乙烯的氧化反應溫度從600℃降至室溫。用納米微粒作催化劑提高反應效率、優(yōu)化反應路徑、提高反應速度方面的研究，是未來催化科學不可忽視的重要研究課題，很可能給催化在工業(yè)上的應用帶來革命性的變革。

2.在涂料方面的應用

納米材料由于其表面和結構的特殊性，具有一般材料難以獲得的優(yōu)異性能，顯示出強大的生命力。表面涂層技術也是當今世界關注的熱點。納米材料為表面涂層提供了良好的機遇，使得材料的功能化具有極大的可能。借助于傳統(tǒng)的涂層技術，添加納米材料，可獲得納米復合體系涂層，實現(xiàn)功能的飛躍，使得傳統(tǒng)涂層功能改性。涂層按其用途可分為結構涂層和功能涂層。結構涂層是指涂層提高基體的某些性質和改性；功能涂層是賦予基體所不具備的性能，從而獲得傳統(tǒng)涂層沒有的功能。結構涂層有超硬、耐磨涂層，抗氧化、耐熱、阻燃涂層，耐腐蝕、裝飾涂層等；功能涂層有消光、光反射、光選擇吸收的光學涂層，導電、絕緣、半導體特性的電學涂層，氧敏、濕敏、氣敏的敏感特性涂層等。在涂料中加入納米材料，可進一步提高其防護能力，實現(xiàn)防紫外線照射、耐大氣侵害和抗降解、變色等，在衛(wèi)生用品上應用可起到殺菌保潔作用。在標牌上使用納米材料涂層，可利用其光學特性，達到儲存太陽能、節(jié)約能源的目的。在建材產(chǎn)品如玻璃、涂料中加入適宜的納米材料，可以達到減少光的透射和熱傳遞效果，產(chǎn)生隔熱、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好靜電屏蔽的納米涂料，所應用的納米微粒有氧化鐵、二氧化鈦和氧化鋅等。這些具有半導體特性的納米氧化物粒子，在室溫下具有比常規(guī)的氧化物高的導電特性，因而能起到靜電屏蔽作用，而且氧化物納米微粒的顏色不同，這樣還可以通過復合控制靜電屏蔽涂料的顏色，克服炭黑靜電屏蔽涂料只有單一顏色的單調性。納米材料的顏色不僅隨粒徑而變，還具有隨角變色效應。在汽車的裝飾噴涂業(yè)中，將納米TiO2添加在汽車、轎車的金屬閃光面漆中，能使涂層產(chǎn)生豐富而神秘的色彩效果，從而使傳統(tǒng)汽車面漆舊貌換新顏。納米SiO2是一種抗紫外線輻射材料。在涂料中加入納米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光潔度及強度成倍地增加。納米涂層具有良好的應用前景，將為涂層技術帶來一場新的技術革命，也將推動復合材料的研究開發(fā)與應用。

3.在其它精細化工方面的應用

精細化工是一個巨大的工業(yè)領域，產(chǎn)品數(shù)量繁多，用途廣泛，并且影響到人類生活的方方面面。納米材料的優(yōu)越性無疑也會給精細化工帶來福音，并顯示它的獨特畦力。在橡膠、塑料、涂料等精細化工領域，納米材料都能發(fā)揮重要作用。如在橡膠中加入納米SiO2，可以提高橡膠的抗紫外輻射和紅外反射能力。納米Al2O3，和SiO2，加入到普通橡膠中，可以提高橡膠的耐磨性和介電特性，而且彈性也明顯優(yōu)于用白炭黑作填料的橡膠。塑料中添加一定的納米材料，可以提高塑料的強度和韌性，而且致密性和防水性也相應提高。國外已將納米SiO2，作為添加劑加入到密封膠和粘合劑中，使其密封性和粘合性都大為提高。此外，納米材料在纖維改性、有機玻璃制造方面也都有很好的應用。在有機玻璃中加入經(jīng)過表面修飾處理的SiO2，可使有機玻璃抗紫外線輻射而達到抗老化的目的；而加入A12O3，不僅不影響玻璃的透明度，而且還會提高玻璃的高溫沖擊韌性。一定粒度的銳鈦礦型TiO2具有優(yōu)良的紫外線屏蔽性能，而且質地細膩，無毒無臭，添加在化妝品中，可使化妝品的性能得到提高。超細TiO2的應用還可擴展到涂料、塑料、人造纖維等行業(yè)。最近又開發(fā)了用于食品包裝的TiO2及高檔汽車面漆用的珠光鈦白。納米TiO2，能夠強烈吸收太陽光中的紫外線，產(chǎn)生很強的光化學活性，可以用光催化降解工業(yè)廢水中的有機污染物，具有除凈度高，無二次污染，適用性廣泛等優(yōu)點，在環(huán)保水處理中有著很好的應用前景。在環(huán)境科學領域，除了利用納米材料作為催化劑來處理工業(yè)生產(chǎn)過程中排放的廢料外，還將出現(xiàn)功能獨特的納米膜。這種膜能探測到由化學和生物制劑造成的污染，并能對這些制劑進行過濾，從而消除污染。

4.在醫(yī)藥方面的應用

21世紀的健康科學，將以出入意料的速度向前發(fā)展，人們對藥物的需求越來越高。控制藥物釋放、減少副作用、提高藥效、發(fā)展藥物定向治療，已提到研究日程上來。納米粒子將使藥物在人體內的傳輸更為方便。用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進入人體，可主動搜索并攻擊癌細胞或修補損傷組織；使用納米技術的新型診斷儀器，只需檢測少量血液就能通過其中的蛋白質和DNA診斷出各種疾病，美國麻省理工學院已制備出以納米磁性材料作為藥物載體的靶定向藥物，稱之為“定向導彈”。該技術是在磁性納米微粒包覆蛋白質表面攜帶藥物，注射到人體血管中，通過磁場導航輸送到病變部位，然后釋放藥物。納米粒子的尺寸小，可以在血管中自由流動，因此可以用來檢查和治療身體各部位的病變。對納米微粒的臨床醫(yī)療以及放射性治療等方面的應用也進行了大量的研究工作。據(jù)《人民日報》報道，我國將納米技術應用于醫(yī)學領域獲得成功。南京?？萍瘓F利用納米銀技術研制生產(chǎn)出醫(yī)用敷料——長效廣譜抗菌棉。這種抗菌棉的生產(chǎn)原理是通過納米技術將銀制成尺寸在納米級的超細小微粒，然后使之附著在棉織物上。銀具有預防潰爛和加速傷口愈合的作用，通過納米技術處理后的銀表面急劇增大，表面結構發(fā)生變化，殺菌能力提高200倍左右，對臨床常見的外科感染細菌都有較好的抑制作用。

微粒和納粒作為給藥系統(tǒng)，其制備材料的基本性質是無毒、穩(wěn)定、有良好的生物性并且與藥物不發(fā)生化學反應。納米系統(tǒng)主要用于毒副作用大、生物半衰期短、易被生物酶降解的藥物的給藥。

納米生物學用來研究在納米尺度上的生物過程，從而根據(jù)生物學原理發(fā)展分子應用工程。在金屬鐵的超細顆粒表面覆蓋一層厚為5～20nm的聚合物后，可以固定大量蛋白質特別是酶，從而控制生化反應。這在生化技術、酶工程中大有用處。使納米技術和生物學相結合，研究分子生物器件，利用納米傳感器，可以獲取細胞內的生物信息，從而了解機體狀態(tài)，深化人們對生理及病理的解釋。

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納米材料在結構、光電和化學性質等方面的誘人特征，引起物理學家、材料學家和化學家的濃厚興趣。80年代初期納米材料這一概念形成以后，世界各國對這種材料給予極大關注。它所具有的獨特的物理和化學性質，使人們意識到它的發(fā)展可能給物理、化學、材料、生物、醫(yī)藥等學科的研究帶來新的機遇。納米材料的應用前景十分廣闊。近年來，它在化工生產(chǎn)領域也得到了一定的應用，并顯示出它的獨特魅力。

1.在催化方面的應用

催化劑在許多化學化工領域中起著舉足輕重的作用，它可以控制反應時間、提高反應效率和反應速度。大多數(shù)傳統(tǒng)的催化劑不僅催化效率低，而且其制備是憑經(jīng)驗進行，不僅造成生產(chǎn)原料的巨大浪費，使經(jīng)濟效益難以提高，而且對環(huán)境也造成污染。納米粒子表面活性中心多，為它作催化劑提供了必要條件。納米粒于作催化劑，可大大提高反應效率，控制反應速度，甚至使原來不能進行的反應也能進行。納米微粒作催化劑比一般催化劑的反應速度提高10～15倍。

納米微粒作為催化劑應用較多的是半導體光催化劑，特別是在有機物制備方面。分散在溶液中的每一個半導體顆粒，可近似地看成是一個短路的微型電池，用能量大于半導體能隙的光照射半導體分散系時，半導體納米粒子吸收光產(chǎn)生電子——空穴對。在電場作用下，電子與空穴分離，分別遷移到粒子表面的不同位置，與溶液中相似的組分進行氧化和還原反應。

光催化反應涉及到許多反應類型，如醇與烴的氧化，無機離子氧化還原，有機物催化脫氫和加氫、氨基酸合成，固氮反應，水凈化處理，水煤氣變換等，其中有些是多相催化難以實現(xiàn)的。半導體多相光催化劑能有效地降解水中的有機污染物。例如納米TiO2，既有較高的光催化活性，又能耐酸堿，對光穩(wěn)定，無毒，便宜易得，是制備負載型光催化劑的最佳選擇。已有文章報道，選用硅膠為基質，制得了催化活性較高的TiO／SiO2負載型光催化劑。Ni或Cu一Zn化合物的納米顆粒，對某些有機化合物的氫化反應是極好的催化劑，可代替昂貴的鉑或鈕催化劑。納米鉑黑催化劑可使乙烯的氧化反應溫度從600℃降至室溫。用納米微粒作催化劑提高反應效率、優(yōu)化反應路徑、提高反應速度方面的研究，是未來催化科學不可忽視的重要研究課題，很可能給催化在工業(yè)上的應用帶來革命性的變革。

2.在涂料方面的應用

納米材料由于其表面和結構的特殊性，具有一般材料難以獲得的優(yōu)異性能，顯示出強大的生命力。表面涂層技術也是當今世界關注的熱點。納米材料為表面涂層提供了良好的機遇，使得材料的功能化具有極大的可能。借助于傳統(tǒng)的涂層技術，添加納米材料，可獲得納米復合體系涂層，實現(xiàn)功能的飛躍，使得傳統(tǒng)涂層功能改性。涂層按其用途可分為結構涂層和功能涂層。結構涂層是指涂層提高基體的某些性質和改性；功能涂層是賦予基體所不具備的性能，從而獲得傳統(tǒng)涂層沒有的功能。結構涂層有超硬、耐磨涂層，抗氧化、耐熱、阻燃涂層，耐腐蝕、裝飾涂層等；功能涂層有消光、光反射、光選擇吸收的光學涂層，導電、絕緣、半導體特性的電學涂層，氧敏、濕敏、氣敏的敏感特性涂層等。在涂料中加入納米材料，可進一步提高其防護能力，實現(xiàn)防紫外線照射、耐大氣侵害和抗降解、變色等，在衛(wèi)生用品上應用可起到殺菌保潔作用。在標牌上使用納米材料涂層，可利用其光學特性，達到儲存太陽能、節(jié)約能源的目的。在建材產(chǎn)品如玻璃、涂料中加入適宜的納米材料，可以達到減少光的透射和熱傳遞效果，產(chǎn)生隔熱、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好靜電屏蔽的納米涂料，所應用的納米微粒有氧化鐵、二氧化鈦和氧化鋅等。這些具有半導體特性的納米氧化物粒子，在室溫下具有比常規(guī)的氧化物高的導電特性，因而能起到靜電屏蔽作用，而且氧化物納米微粒的顏色不同，這樣還可以通過復合控制靜電屏蔽涂料的顏色，克服炭黑靜電屏蔽涂料只有單一顏色的單調性。納米材料的顏色不僅隨粒徑而變，還具有隨角變色效應。在汽車的裝飾噴涂業(yè)中，將納米TiO2添加在汽車、轎車的金屬閃光面漆中，能使涂層產(chǎn)生豐富而神秘的色彩效果，從而使傳統(tǒng)汽車面漆舊貌換新顏。納米SiO2是一種抗紫外線輻射材料。在涂料中加入納米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光潔度及強度成倍地增加。納米涂層具有良好的應用前景，將為涂層技術帶來一場新的技術革命，也將推動復合材料的研究開發(fā)與應用。

3.在其它精細化工方面的應用

精細化工是一個巨大的工業(yè)領域，產(chǎn)品數(shù)量繁多，用途廣泛，并且影響到人類生活的方方面面。納米材料的優(yōu)越性無疑也會給精細化工帶來福音，并顯示它的獨特畦力。在橡膠、塑料、涂料等精細化工領域，納米材料都能發(fā)揮重要作用。如在橡膠中加入納米SiO2，可以提高橡膠的抗紫外輻射和紅外反射能力。納米Al2O3，和SiO2，加入到普通橡膠中，可以提高橡膠的耐磨性和介電特性，而且彈性也明顯優(yōu)于用白炭黑作填料的橡膠。塑料中添加一定的納米材料，可以提高塑料的強度和韌性，而且致密性和防水性也相應提高。國外已將納米SiO2，作為添加劑加入到密封膠和粘合劑中，使其密封性和粘合性都大為提高。此外，納米材料在纖維改性、有機玻璃制造方面也都有很好的應用。在有機玻璃中加入經(jīng)過表面修飾處理的SiO2，可使有機玻璃抗紫外線輻射而達到抗老化的目的；而加入A12O3，不僅不影響玻璃的透明度，而且還會提高玻璃的高溫沖擊韌性。一定粒度的銳鈦礦型TiO2具有優(yōu)良的紫外線屏蔽性能，而且質地細膩，無毒無臭，添加在化妝品中，可使化妝品的性能得到提高。超細TiO2的應用還可擴展到涂料、塑料、人造纖維等行業(yè)。最近又開發(fā)了用于食品包裝的TiO2及高檔汽車面漆用的珠光鈦白。納米TiO2，能夠強烈吸收太陽光中的紫外線，產(chǎn)生很強的光化學活性，可以用光催化降解工業(yè)廢水中的有機污染物，具有除凈度高，無二次污染，適用性廣泛等優(yōu)點，在環(huán)保水處理中有著很好的應用前景。在環(huán)境科學領域，除了利用納米材料作為催化劑來處理工業(yè)生產(chǎn)過程中排放的廢料外，還將出現(xiàn)功能獨特的納米膜。這種膜能探測到由化學和生物制劑造成的污染，并能對這些制劑進行過濾，從而消除污染。

4.在醫(yī)藥方面的應用

21世紀的健康科學，將以出入意料的速度向前發(fā)展，人們對藥物的需求越來越高?？刂扑幬镝尫拧p少副作用、提高藥效、發(fā)展藥物定向治療，已提到研究日程上來。納米粒子將使藥物在人體內的傳輸更為方便。用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進入人體，可主動搜索并攻擊癌細胞或修補損傷組織；使用納米技術的新型診斷儀器，只需檢測少量血液就能通過其中的蛋白質和DNA診斷出各種疾病，美國麻省理工學院已制備出以納米磁性材料作為藥物載體的靶定向藥物，稱之為“定向導彈”。該技術是在磁性納米微粒包覆蛋白質表面攜帶藥物，注射到人體血管中，通過磁場導航輸送到病變部位，然后釋放藥物。納米粒子的尺寸小，可以在血管中自由流動，因此可以用來檢查和治療身體各部位的病變。對納米微粒的臨床醫(yī)療以及放射性治療等方面的應用也進行了大量的研究工作。據(jù)《人民日報》報道，我國將納米技術應用于醫(yī)學領域獲得成功。南京?？萍瘓F利用納米銀技術研制生產(chǎn)出醫(yī)用敷料——長效廣譜抗菌棉。這種抗菌棉的生產(chǎn)原理是通過納米技術將銀制成尺寸在納米級的超細小微粒，然后使之附著在棉織物上。銀具有預防潰爛和加速傷口愈合的作用，通過納米技術處理后的銀表面急劇增大，表面結構發(fā)生變化，殺菌能力提高200倍左右，對臨床常見的外科感染細菌都有較好的抑制作用。

微粒和納粒作為給藥系統(tǒng)，其制備材料的基本性質是無毒、穩(wěn)定、有良好的生物性并且與藥物不發(fā)生化學反應。納米系統(tǒng)主要用于毒副作用大、生物半衰期短、易被生物酶降解的藥物的給藥。

納米生物學用來研究在納米尺度上的生物過程，從而根據(jù)生物學原理發(fā)展分子應用工程。在金屬鐵的超細顆粒表面覆蓋一層厚為5～20nm的聚合物后，可以固定大量蛋白質特別是酶，從而控制生化反應。這在生化技術、酶工程中大有用處。使納米技術和生物學相結合，研究分子生物器件，利用納米傳感器，可以獲取細胞內的生物信息，從而了解機體狀態(tài)，深化人們對生理及病理的解釋。