納米技術(shù)展新程
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20世紀的最后十年，一門嶄新的學(xué)科——納米科學(xué)技術(shù)誕生了。納米科學(xué)技術(shù)(nano scale science and technology)是一門在0.1～100nm尺度空間內(nèi)，研究電子、原子和分子運動規(guī)律和特性的高技術(shù)學(xué)科。它的最終目標是人類按照自己的意志直接操縱單個原子，制造具有特定功能的產(chǎn)品。
本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/3007.htm納米技術(shù)的新穎、獨特的思路和首批研究成果的問世，在科學(xué)技術(shù)界和軍界引起巨大發(fā)響，受到廣泛關(guān)注。IBM公司首席科學(xué)家Amotrong說：“正如70年代微電子技術(shù)引發(fā)了信息革命一樣，納米科學(xué)技術(shù)將成為下一世紀信息時代的核心。”
IBM公司日前宣布開發(fā)出目前世界上最小的計算機邏輯電路，這是一種利用單個碳分子制作的雙晶體管組件。用來生產(chǎn)這種電路的材料是只有頭發(fā)絲十萬分之一大小的碳納米管，這種碳納米管具有極高的強度和良好的半導(dǎo)體特性，納米管直徑為1～2納米，長度為1毫米，強度是鋼的10倍。因此，IBM的科學(xué)家認為這是一種有望替代硅的新材料。
IBM公司負責(zé)納米級技術(shù)的經(jīng)理Avouris和他的同事們一起研制成功的碳納米管邏輯電路，由一個帶正電荷的晶體管和一個帶負電荷的晶體管構(gòu)成，它標志著通向生產(chǎn)出替代硅處理器的芯片所需三個步驟當(dāng)中的第二個步驟。第一個步驟是在1998年實現(xiàn)的，當(dāng)時包括IBM和NEC研究人員在內(nèi)的科學(xué)家制造出了納米管晶體管。第三步驟是將許多嵌入晶體管的邏輯電路連接在一起，構(gòu)成了一個執(zhí)行復(fù)雜計算機任務(wù)的新型處理器。
IBM最新研制的電路屬于“非門”，它是構(gòu)成計算機處理器的三種基礎(chǔ)邏輯電路當(dāng)中最簡單的一種。以往研制成功的納米管晶體管都屬于正極性的P型晶體管。科學(xué)家一直未能研制出負極性的N型納米管晶體管。IBM公司最近取得的新突破就在于借助簡易的工藝技術(shù)在一個真空裝置內(nèi)加熱P型晶體管，將其變成了N型納米管晶體管。
Motorola日前宣布開發(fā)成功一種新技術(shù)，該技術(shù)能夠使主流計算機芯片的微電路集成度增加50%以上，從而使得芯片變?yōu)楦∏?，在便攜式電腦、手機、PDA等輕便的移動通信終端領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
據(jù)Motorola 公司透露，該公司研制出一種稱為Photomask的新型材料，將這種材料用在硅片上制造電腦芯片，就可以在芯片上集成直徑小于100納米的各種元器件。在制造芯片時需要經(jīng)過光刻工序，借助光線在硅片原料上制作電路。采用Pholomask 技術(shù)之后，這項工序改進成了“無紫外線（EUV）光刻”，流程中使用波長更短的紫外線，使其精度更高。Motorola公司數(shù)字DNA實驗室主任Joc Mogab 說，通過使用EUV光刻法，人們最后甚至能將寬度為13納米的電路線刻入芯片內(nèi)。
實際上，被囚禁的電子并不因此而固定不動。按照量子力學(xué)的規(guī)律，有時它可以脫離控制自由逃逸出來，這種現(xiàn)象一方面預(yù)示著在新一代芯片中的邏輯單元將不用連線而相關(guān)聯(lián)，因而需要新的設(shè)計才能使單電子器件變成集成電路；另一方面也會使芯片的動作不可控制。歸根結(jié)底，在這一情況下電子應(yīng)被看成是“波”而不是一個粒子。所以盡管電子器件已經(jīng)在實驗室里得以實現(xiàn)，但是真要在工業(yè)上還需要時間。被囚禁在小尺寸內(nèi)的電子的另一種貢獻，是會使材料發(fā)出很強的光。“量子點列激光器”或“級聯(lián)激光器”的尺寸極小，但發(fā)光的強度很高，用很低的電壓就可以驅(qū)動它們發(fā)出藍光或綠光，用來讀寫光盤可使盤的存儲密度提高好幾倍。如果用“囚禁”原子的小顆粒量子點來存儲數(shù)據(jù)，制成量子磁盤，存儲度可提高成千上萬倍，會給信息存儲技術(shù)帶來一場革命。
目前已經(jīng)制成一部分納米電子元器件，例如納米傳感器，用來測量諸如壓力、力矩，加速度、振動、位移、流量、磁場、溫度、濕度、氣體成分、PH值、離子濃度、微生物濃度、液體濃度、味覺、觸覺以及微陀螺等?，F(xiàn)已制成的由傳感、信號放大、信號源、信號處理和自校電路組成的硅微加速度計，在10平方厘米的硅片上，可做成幾百個這樣的器件。納米技術(shù)源于微電子集成工藝，最容易做成集成芯片的形式，例如微型生物化學(xué)芯片。已能在1平方厘米的硅片或玻璃片上集成樣品處理器、微反應(yīng)器、微分離道管、微檢測器和微流量器等生物化學(xué)功能系統(tǒng)，納米傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比，具有諸多優(yōu)勢，例如體積小、分析時間短、樣品消耗少、能耗低和效率高等。
HP納米實驗室首席科學(xué)家Stan Williams 和他的助手們新研制成功僅有分子大小的納米金屬絲和分子開關(guān)。納米是1米的10億分之一。在這種微乎其微的空間里僅能容得下3個原子，然而，納米金屬絲竟然能夠在如此微小的空間里實現(xiàn)自我組裝，能夠編織成極其微小的納米元器件。HP納米實驗室的科學(xué)家們開發(fā)成功制造平行金屬絲束的方法，制造出來的納米金屬絲線寬僅為2納米，在硅和鉺的化學(xué)反應(yīng)中，納米金屬絲能夠以自我組裝的方式自然生成。
科學(xué)家借助掃描隧道顯微鏡（STM)的幫助，通過將分子金屬絲進行合成的方法來制造類似芯片的新裝置，這些金屬絲和開關(guān)能夠通過化學(xué)反應(yīng)自動組裝成為有效電路、研制成功了一個安裝在固體裝置中的能夠被電子觸發(fā)的分子開關(guān)?？茖W(xué)家們首先將一組金屬絲植入被一層特殊分子全部覆蓋的平面層內(nèi)，然后將另外一組金屬絲與第一組金屬絲呈垂直交叉狀態(tài)放置，再讓特殊分子夾在兩組金屬絲之間，其結(jié)果是在這兩組金屬絲交叉的位置形成了一個分子開關(guān)。在初始狀態(tài)，分子開關(guān)是關(guān)閉的，在兩層金屬絲之間加以負電壓，電流立即在兩層金屬線之間流動；如果加以正電壓，則分子開關(guān)被打開；當(dāng)再一次加以負電壓之時，能夠流過的電流量將大為減少。這種分子開關(guān)目前還只能打開一次，這是由于它被打開之后不能夠再關(guān)上，從而使得這種分子開關(guān)能夠成為可編程只讀存儲器(PROM)的基礎(chǔ)。
利用微電子機械和納米電子技術(shù)制造的慣性檢測元件、換能器、射頻元件、光學(xué)元件、電源系統(tǒng)、各種傳感器和芯片作為星載設(shè)備。可使衛(wèi)星的體積和重量大為減小。用這些微型部件制造的衛(wèi)星稱為納米衛(wèi)星，重量不足100G。因為其中的機電元件和電子功能組件是利用納米技術(shù)制作在少數(shù)幾片，甚至同一片芯片上，因此納米衛(wèi)星又稱為芯片級衛(wèi)星。這種衛(wèi)星用一枚小型運載火箭一次可以發(fā)射數(shù)百顆乃至上千顆。把這些衛(wèi)星按一定的要求分布在不同的軌道上組成衛(wèi)星網(wǎng)，可以連續(xù)不斷監(jiān)視地球上的任何角落。即使有少數(shù)衛(wèi)星失靈，衛(wèi)星網(wǎng)的工作也不會受到影響。當(dāng)然，納米衛(wèi)星現(xiàn)在還處在概念階段，然而這卻使人類部署分布式航天系統(tǒng)成為可能。這種航天系統(tǒng)可以減少單個航天器失效造成的影響，從而可以增強未來航天系統(tǒng)的生存能力和靈活性。
美國加利福尼亞大學(xué)的兩位研究生鑒于機器人越來越小，且它的功能越來越靈活。嘗試發(fā)明一種微小得象一條昆蟲的機器。他們把帶有微型探測器、微型發(fā)報機的納米電子系統(tǒng)做成昆蟲模樣，稱為納米機器蟲。在納米機器蟲內(nèi)，硅片上的微細電動機的尺寸，只有頭發(fā)絲直徑的2/3，一粒豌豆大小的體積內(nèi)可以裝進一萬只這樣的納米電動機。
納米技術(shù)的科學(xué)家們堅信，“小”不僅是美麗的，而且是未來科學(xué)技術(shù)發(fā)展的趨勢。日本已用極微小的部件組裝成一輛只有米粒大小、能夠運轉(zhuǎn)的汽車；工程師們制成了直徑只有1～2mm的靜電發(fā)動機；體積只有常規(guī)機器萬分之一、能夠運轉(zhuǎn)的車床以及直徑僅5.5mm的“尺蠖”——有朝一日它也許會鉆進核工廠的管道系統(tǒng)檢查管道是否有裂縫。德國工程師制成了一架只有黃蜂大小和能夠升空的直升機、肉眼幾乎看不見的發(fā)動機以及供化學(xué)行業(yè)使用的火柴盒大小的反應(yīng)器。
更加引人注目的是，科學(xué)家已開始在硅片上造出微機電系統(tǒng)（MEMS）。這些裝置把電路和運轉(zhuǎn)著的機器合裝在一個硅芯片上。這些裝置最終將像目前的硅芯片一樣普遍。幾種基本的微機電系統(tǒng)已經(jīng)在美國、日本和德國使用，包括在上百萬輛汽車里安裝的一種細如發(fā)絲的傳感制動器，當(dāng)它“感覺”到撞擊時，就會立即打開保險氣袋，防止撞傷。
只有削尖了的鉛筆尖大小、每分鐘轉(zhuǎn)速高達10萬轉(zhuǎn)的1伏特發(fā)動機最終將推動電子顯示器、手表、攝錄機和激光掃描器的發(fā)展。目前的民用電子產(chǎn)品中的微小部件往往還是手工組裝的，因為目前的自動設(shè)備還不能完成這類工作?！斑@對于人造昆蟲來說則是輕而易舉的事?！?/font>
納米材料具有獨特的性質(zhì)，因此可能存在奇妙的應(yīng)用前景?？茖W(xué)家和工程技術(shù)人員提出了異想天開的可能應(yīng)用。
太空升降機 巴基球(C60）是由60個碳原子聚集在一起形成的足球狀結(jié)構(gòu)，具有若干特殊的性質(zhì)。在巴基球的基礎(chǔ)上，又研制成功碳納米管。碳納米管的強度比鋼高100倍，而重量只有鋼的1/6。單個碳納米管的直徑只有1.4nm，50000個碳納米管并排在一起相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的直徑。據(jù)專家說，它們可能成為未來理想的超級纖維。對纖維強度起決定作用的參數(shù)是長度與直徑之比值。材料工程師希望得到長度與直徑的比至少是20：1。而即使在目前，納米管的長度也是其直徑的幾千倍，所以具有高強度是不奇怪的。
碳納米管的最異想天開的用途，是用于太空升降機。一根碳納米管纜繩從地球同步軌道上垂到地球表面，與鋼或其它任何物質(zhì)不同的關(guān)鍵是它能支持住自身的重量。這就提供了一種把人或物品提升到外層空間的可能方法，也許將成為人類移居外星球的理想方法。
電子隧道 眾所周知，光導(dǎo)纖維是光子的隧道，光在隧道中可以迅速通過。碳納米管可以充當(dāng)電子快速通過的隧道。由6原子環(huán)組成的碳納米管能把一個由60個原子組成的巴基球正好裝在中間。把一個金屬原子嵌入巴基球中，并且在納米管中裝滿一串這種巴基球，這樣，碳納米管就成為一根直徑只有一個原子大小的金屬導(dǎo)線。
據(jù)分析，碳納米管可能成為最佳超微導(dǎo)線。一根納米管的直徑只有計算機芯片上最細電路直徑的1/100。預(yù)計它成為理想導(dǎo)體，導(dǎo)電性能大大超過銅。納米管最終可以用于納米級電子線路。
納米隱身術(shù) 近年來關(guān)于納米材料具有高的電磁波吸收系數(shù)的報道，引起軍界研究人員的極大興趣，提出以納米材料作為新一代隱身材料的設(shè)想和探索。
納米材料由于其結(jié)構(gòu)特征尺寸進入納米領(lǐng)域，物質(zhì)的表面、界面效應(yīng)、量子效應(yīng)將十分顯著地表現(xiàn)出來，對吸波性能產(chǎn)生重要影響。納米超微粒可以制成具有良好吸波性能的涂層。金屬、金屬氧化物和某些非金屬材料的納米級超微粒，在細化過程中，使組成粒子的原子數(shù)大大減少，活性大大增加。在微波場的輻射下，使原子、電子運動加劇，促使磁化，使電磁能轉(zhuǎn)化為熱能。納米超微粒的磁損耗大，對電磁波兼具吸收和透過之功能。其吸波性能和透波性能取決于超微粒的尺度。納米材料具有十分巨大的界面面積，這對提高雷達波的損耗是十分有利的。
為了獲得兼具寬頻帶、多功能、質(zhì)量小和厚度薄等性質(zhì)，正在研究納米復(fù)合隱身材料，可以期望出現(xiàn)對厘米波、毫米波、紅外、可見光等很寬波段的復(fù)合隱身材料，甚至可望研制成與結(jié)構(gòu)材料復(fù)合、與抗核加固技術(shù)兼容的隱身材料。
納米電子槍與納米探頭 碳納米管眾多可能用途中，以下幾種令人耳目一新：作為其它分子之間的“分子導(dǎo)線”；用作能“感覺”物體表面單個原子結(jié)構(gòu)的納米探頭（由于納米管非常小，小到不會打擾運動中的細胞，可以用作生物系統(tǒng)的電子探頭）；用作納米級電子槍來點亮新一代平面顯示屏上的發(fā)光體。
原子精密度計算機 美國國家航天局的科學(xué)家指出，必須制造具有原子精密度的計算機。并提出了分子探針的設(shè)計，這種探針可以區(qū)分緊密排列在金剛石表面的F原子和H原子。如果把F原子的值定為1，把H原子的值定為0；同時設(shè)計一個能非?？焖匍喿x它們的探針，這樣就有可能得到一個原子型的二進制碼，作為新一代計算機的基礎(chǔ)。■
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