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1、纳米加工技术 作者：周堃 著名的诺贝尔奖获得者Feyneman在60年代就预言： 如果对物体微小规模上的排列加以某种 控制的话，物体就能得到大量的异乎寻 常的特性。 这就是如今的纳米材料 纳米 v纳米（符号为nm）是长度单位，原称毫微米 ，就是10-9米（10亿分之一米），即10-6 毫米（100万分之一毫米）。如同厘米、分米 和米一样，是长度的度量单位。相当于4倍原 子大小，比单个细菌的长度还要小。 纳米技术 v纳米技术（nanotechnology）是用单个原 子、分子制造物质的科学技术。纳米科学技 术是以许多现代先进科学技术为基础的科学 技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学 、介观物理
2、、分子生物学）和现代技术（计 算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、 核分析技术）结合的产物，纳米科学技术又 将引发一系列新的科学技术，例如纳电子学 、纳米材科学、纳机械学等。 纳米技术的发展简史 v1959年，诺贝尔奖获得者、量子物理学家理查德.费曼（Richard Feynman）提出可以从 单个分子甚至单个原子开始组装制造物品，这是关于纳米科技的最早的梦想和预言。 v1974年，日本学者谷口纪男（Taniguchi Norio）教授在CIRP上首次提出“Nano- technology”概念，并预测2000年加工精度将达到1nm。 v1981年，科学家发明研究纳米的重要工具扫描隧道显微镜
3、，为我们揭示了一个可见的 原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。 v1984年，德国学者格莱特（Gleiter），把粒径6nm的金属粉末压成纳米块，并且详细研 究它的内部结构，指出了它的界面奇异结构和特异功能。 v1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩与第五届国家扫描隧道显微镜 学术会议同时举办，正式把纳米材料科学作为材料科学的一个新的分支公布于世。标志着 纳米科学技术的正式诞生。 v1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10倍， 成为纳米技术研究的热点，诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤 维的首选材料，也
4、将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。 v1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制成 功速度和存储容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。 v 1999年开始，纳米技术产业逐步走向全面商业化，2000年纳米产品的营业额达到500亿 美元。 v我国纳米科技成果概况： v1993年，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成 功写出“中国”二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占 有一席之地，并居于国际科技前沿。 v1993年，中科院在北京举办了第7届国际STM（扫描隧道显 微镜）会议。 v 1998年，清华大学范守善小组成功地制备出直径为3
5、 50nm、长度达微米量级的氮化镓半导体一维纳米棒，是我 国在国际上首次把氮化镓制备成一维纳米晶粒。 v 1999年，中科院物理研究所解思深研究员率领的科研小 组，不仅合成了世界上最长的“超级纤维”碳纳米管，创造了 一项“3毫米的世界之最”，而且合成出世界上最细的碳纳米 管。 v 2000年，中科院物理所真空物理开放实验室高鸿钧领导 的科研小组，将超高密度存储材料的信息存储点下降到 0.6nm，点与点之间的距离降到0.5nm，将现有光盘的存储 能力提高100万倍 利用纳米技术将氙原子排成IBM 纳米加工机理 v纳米级加工的含意是达到纳米级精度的加工技术。 v 由于原于间的距离为0.1一0.3n
6、m，纳米加工的 实质就是要切断原子间的结合，实现原子或分子的 去除，切断原子间结合所需要的能量，必然要求超 过该物质的原子间结合能。用传统的切削、磨削加 工方法进行纳米级加工就相当困难了。近年来纳米 加工有了很大的突破，如电子束光刻(UGA技术)加 工超大规模集成电路时，可实现0.1m线宽的加工 ：离子刻蚀可实现微米级和纳米级表层材料的去除 ：扫描隧道显徽技术可实现单个原子的去除、扭迁 、增添和原子的重组。 纳米加工分类 v包括切削加工（精密切削等）、化学腐蚀(电 化学等）、能量束加工（电子束、离子束等 ）、复合加工、扫描隧道显微技术加工等多 种方法 纳米加工关键技术 v检测技术（包括检测纳米
7、级表层物理力学性 能、纳米级精度的尺寸和位移的测量、纳米 级表面形貌的测量 ） ；环境条件控制；机床 及工具。 扫描隧道显微镜 v扫描隧道显微镜 scanning tunneling microscope 缩写为STM。它作为一种扫描 探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科 学家观察和定位单个原子，它具有比它的同 类原子力显微镜更加高的分辨率。此外，扫 描隧道显微镜在低温下（4K）可以利用探针 尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是 重要的测量工具又是加工工具。 工作原理 v扫描隧道显微镜的工作原理简单得出乎意料。就如 同一根唱针扫过一张唱片，一根探针慢慢地通过要 被分析的材料（针尖极为尖锐，
8、仅仅由一个原子组 成）。一个小小的电荷被放置在探针上，一股电流 从探针流出，通过整个材料，到底层表面。当探针 通过单个的原子，流过探针的电流量便有所不同， 这些变化被记录下来。电流在流过一个原子的时候 有涨有落，如此便极其细致地探出它的轮廓。在许 多的流通后，通过绘出电流量的波动，人们可以得 到组成一个网格结构的单个原子的美丽图片。 奇妙的微电子技术 化学中的纳米 纳米锌变形 纳米银粉形貌 STM拍摄的图片 具体应用 v扫描 v STM工作时，探针将充分接近样品产生 一高度空间限制的电子束，因此在成像工作 时，STM具有极高的空间分辩率，可以进行 科学观测7。 v探伤及修补 v STM在对表面
9、进行加工处理的过程中可 实时对表面形貌进行成像，用来发现表面各 种结构上的缺陷和损伤，并用表面淀积和刻 蚀等方法建立或切断连线，以消除缺陷，达 到修补的目的，然后还可用STM进行成像以 检查修补结果的好坏7。 v微观操作 v 引发化学反应 v STM在场发射模式时，针尖与样品仍相 当接近，此时用不很高的外加电压（最低可 到10V左右）就可产生足够高的电场，电子 在其作用下将穿越针尖的势垒向空间发射。 这些电子具有一定的束流和能量，由于它们 在空间运动的距离极小，至样品处来不及发 散，故束径很小，一般为毫微米量级，所以 可能在毫微米尺度上引起化学键断裂，发生 化学反应78。 v移动，刻写样品 v
10、当STM在恒流状态下工作时，突然缩短针尖 与样品的间距或在针尖与样品的偏置电压上 加一脉冲，针尖下样品表面微区中将会出现 毫微米级的坑、丘等结构上的变化。针尖进 行刻写操作后一般并未损坏，仍可用它对表 面原子进行成像，以实时检验刻写结果的好 坏 v移动针尖进行刻写的办法主要有两种 v 在反馈电路正常工作时，通过调节参考电流 或偏置电压的大小来调节针尖与样品间的接触电阻 ，达到控制针尖移动的目的。当加大参考电流或减 小偏压时为保证恒流工作，反馈将控制针尖移向样 品，从而减小接触电阻。 v 当STM处于隧道状态时，固定反馈线路的输 出信号，关闭反馈，然后通过改变控制Z向运动的 压电陶瓷上所加电压的
11、大小来改变针尖与样品的间 距，这种方法较前者能够更线性地控制隧道结宽度 的变化，相对来说是较为理想的办法。 v纳米机器人 v“纳米机器人”的研制属于分子仿生学的范畴，它根 据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可 对纳米空间进行操作的“功能分子器件”。纳米生物 学的近期设想，是在纳米尺度上应用生物学原理， 发现新现象，研制可编程的分子机器人，也称纳米 机器人。合成生物学对细胞信号传导与基因调控网 络重新设计，开发“在体”（in vivo）或“湿”的生物 计算机或细胞机器人，从而产生了另种方式的纳米 机器人技术。 v纳米机器人不久将进入我们的生活 v 用不了多久，个头只有分子大小的纳米机器人
12、将源源不断地进入人类的日常生活。 v 它们将为我们制造钻石、舰艇、鞋子、牛排和复制更多的机器人。要它们停止工作只需启动事先设 定的程序。 v 表面来看，上述想法近乎不可思议：一项单一的技术在应用初期就能治病、延缓衰老、清理有毒的 废物、扩大世界的食物供应、筑路、造汽车和造楼房？这并非天方夜谭，也许在21世纪中叶前就可以 实现。 v 全世界的研究机构都在想方设法将这些设想变成现实。美国总统克林顿曾经宣布成立美国国家纳米 研究机构，承诺提供50亿美元进行这方面的尝试。 v 其实，纳米技术一词由来已久。理查德费恩曼是继爱因斯坦之后最有争议和最伟大的理论物理学 家，1959年他在一次题目为在物质底层有
13、大量的空间的演讲中提出：将来人类有可能建造一种分 子大小的微型机器，可以把分子甚至单个的原子作为建筑构件在非常细小的空间构建物质，这意味着人 类可以在最底层空间制造任何东西。从分子和原子着手改变和组织分子是化学家和生物学家意欲到达的 目标。这将使生产程序变得非常简单，你只需将获取到的大量的分子进行重新组合就可形成有用的物体 。 v 事实上，每一个细胞都是一个活生生的纳米技术应用的实例：细胞不仅将燃料转化为能量，而且按 照储存在DNA中的信息来建造和激活蛋白质和酶，通过对不同物种的DNA进行重组，基因工程家已经 学会建造新的这类纳米工具，例如用细菌细胞来生产医用激素。 v 1990年 我国著名学者周海中教授在论机器人一文中预言：到二十一世纪中叶，纳米机器人将 彻底改变人类的劳动和生活方式。 vbyb
