纳米和纳米技术的分析介绍

纳米和纳米技术

1．纳米

“纳米”（nm）是长度单位，1米的十亿分之一（10^－9米），约相当于四五个原子串起来那么长。纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下的微小结构，是介于原子与一般物质尺度之间区域的物质结构尺度。

纳米结构的尺度与电子的德布罗意波长数量级相差不多，因而具有许多异常的特性。对纳米微粒及纳米固体的研究，开辟了人类认识世界的新层次。1959年，美国著名物理学家费曼（1918～1988）在加州理工学院对美国物理学会的一次演讲时，曾卓有见地地预言：“如果有一天能按人的意志安排一个个原子和分子，将会有什么奇迹？……我毫不怀疑，当在很小的尺度上控制物体的结构时，我们就能使物体具有极端丰富多彩的性质。”

1981年扫描隧道显微镜发明后，便诞生了一门以0．1～100纳米尺度为研究范围的分子学科，它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。因此，纳米技术其实就是一种用单个原子（见图14－1）、分子组成物质的技术。

图14－1　原子结构

2．纳米技术的概念

纳米技术是交叉性很强的综合学科，内容涉及现代科学技术的广阔领域。1993年，国际纳米科学技术指导委员会将纳米技术划分为纳米电子学、纳米物理、纳米化学、纳米生物学、纳米加工和纳米计量学等6个分支学科。其中，纳米物理和纳米化学是纳米技术的理论基础，纳米电子学是纳米技术最重要的内容。

从以往的研究看，纳米技术的概念可从三方面来描述。

第一种概念是1986年麻省理工学院教授德雷克斯勒在《创造的机器》一书中提出的分子纳米技术。根据这一概念，可以使组合分子的机器实用化，从而可以任意组合所有种类的分子，可以制造出任何种类的分子结构。这种概念的纳米技术还未取得重大进展。

第二种概念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”形成纳米大小的结构的技术。这种纳米级的加工技术，使半导体微型化即将达到极限。现有技术即使发展下去，从理论上讲终将会达到限度。这是因为：如果把电路的线幅逐渐变小，将使构成电路的绝缘膜变得极薄，将破坏绝缘效果。此外，还有发热和晃动等问题。为了解决这些问题，研究人员正在研究新型的纳米技术。

第三种概念是从生物的角度提出的。事实上，生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。

3．纳米技术

纳米技术具体包含下列四个主要方面。

第一方面是纳米材料，包括制备和表征。在纳米尺度下，物质中电子的量子力学性质和原子的相互作用将受到尺度大小的影响，如能得到纳米尺度的结构，就能不改变物质化学成分而控制材料的基本性质，如熔点、磁性、电容甚至颜色。用超微粒子烧成的陶瓷硬度可以更高，但不开裂。无机的超微粒子成分加入橡胶中后，将粘在聚合物分子的端点上，所做成的轮胎将大大延长寿命。

第二方面是纳米动力学，主要是微机械和微电机，或总称为微型电动机械系统（MEMS），用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统，特种电子设备、医疗和诊断仪器等。MEMS用的是一种类似于集成电器设计和制造的新工艺，特点是部件很小，刻蚀深度往往要求数十至数百微米，而宽度误差很小。这种工艺可用于制作三相电动机，用于超快速离心机或陀螺仪等。在研究方面可以用以检测准原子尺度的微变形和微摩擦等。虽然这些研究目前尚未真正进入纳米尺度，但是有很大的潜在科学价值和经济价值。

第三方面是纳米生物学和纳米药物学。如在云母表面用纳米微粒度的胶体固定DNA的粒子，在二氧化硅表面的叉指形电极做生物分子间互作用的实验，磷脂和脂肪酸双层平面生物膜，DNA的精细结构等。有了纳米技术，还可用自组装方法在细胞内放入零件或组件，使之构成新的材料。新的药物，即使是微米粒子的细粉，也约有半数不溶于水，但若粒子为纳米尺度（即超微粒子），则可溶于水，便于病人肌体吸收。

第四方面是纳米电子学，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。当前电子技术的趋势要求器件和系统更小、更快、更冷。更冷是指单个器件的功耗要小，更小是指响应速度要快，但是更小并非没有限度。纳米技术与微电子技术的主要区别是：纳米技术研究的是以控制单个原子、分子来实现设备特定的功能，利用电子的波动性工作；微电子技术则主要通过控制电子群体来实现其功能，利用电子的粒子性工作。人们研究和开发纳米技术的目的，就是要实现对整个微观世界的有效控制。