Physics 版 (精华区)
发信人: Rg (Gardenia), 信区: Physics
标 题: 纳米技术
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年11月29日19:39:13 星期四), 站内信件
纳米技术（前言）
对纳米体系的研究产生了纳米科学（nanoscience），对纳米科学的应用研究产生
了纳米技术。
纳米技术的最初概念是日本东京科学大学谷口纪男（Taniguchi）教授于1974年在
东京的一次国际会议上提出的，当时他提出了加工精度高达1nm数量级这一纳米技术（限
于加工制造领域）概念。随后这一概念为欧美学术界所接受，并迅速发展起来。随着纳
米技术研究领域的不断深化，纳米技术的内涵也在不断地扩大。今天，纳米技术的概念
已不止是限于加工领域，而是作为一个集材料、工艺、器件、应用等内容广泛的技术范
畴，成为一个跨学科、跨领域、跨行业的新兴技术群。“纳米技术”一词在不同的国家
和不同的研究者有不同的定义，而且随着时间的推移其概念也在不断地修正。按照美国
国家科学技术委员会技术分会的定义，纳米技术是指：通过在原子、分子或超分子的纳
米级尺度上对物质的操控，来创造新的材料、装置或系统，并实施应用。在这个新兴的
领域中，科学和技术常常是相互交融、相互促进的，因此也有人（尤其是在非专业领域
）将纳米技术的定义扩大到：对 擅 级尺度的新现象和新特性的探索研究上?这应该属
于纳米科学的范畴）。本文取其狭义的定义。物质在1～100nm空间尺度内通常以分子的
形式存在，因此纳米技术常又称之为分子纳米技术（molecular nanotechnology）。
1. 发展历程
纳米技术的思想可追溯到诺贝尔奖获得者费因曼（Richard P. Feynman），他于1
959年在一次演讲中表述了这一设想：“如果有一天可以按人的意志安排一个个原子，将
会产生怎样的奇迹？”
1974年日本人首次提出了加工精度的纳米技术概念并研究所必需的纳米计量与仪器
制造技术。1982年Binnig等人发明了扫描隧道显微镜（STM），其水平分辨率达到0.1纳
米（nm），高度分辨率在0.01nm以下，可以直接用它观测到原子和分子，该发明使得人
类可以直观地、感性地认识原子世界，发明人也因此而获得了诺贝尔物理学奖。1986年
Binnig等人又研制成功了原子力显微镜（AFM），AFM 的分辨率与STM 基本相同，所不同
的是STM只能观测导电样本，而AFM既可观测导电样本，又可观测非导电样本。如果AFM的
探针针尖能做到更为精细的话（针尖半径在25 nm以下），则AFM会发挥比STM更大的作用
。
1984年德国的H.Gleiter教授首次制得了纳米晶固体材料，从而把材料科学推进到
了一个新的水平，并诞生了 米材料学这一新领域。1985年，英国的H.W.Kroto教授和美
国的Richard Smalley教授用激光轰击石墨靶时意外地发现了碳原子的一种新颖排列方式
：60个碳原子排列于一个截角二十面体的60个项点上，构成一个与现代足球形状完全相
同的中空球，这种直径仅为0.7nm的球状分子即被称为C60分子，也称"巴基球（buckyba
ll）"。此即为碳晶体的第三种形式，他们为此获得了1996年度的诺贝尔化学奖。1991年
，日本NEC公司基础研究实验室的饭岛澄男（Sumio Iijima）教授宣布合成了一种新的碳
结构。它由一些柱形的碳管同轴套构而成，直径大约在1到30nm之间，长度可达到1nm。
进一步的分析表明，这种管完全由碳原子构成，并可看成是由单层石墨六角网面以其上
某一方向为轴，卷曲360°而形成的无缝中空管。相邻管子之间的距离约为0.34nm，与石
墨中碳原子层与层之间的距离0.335nm相近，所以这种结构一般被称为 寄 米管(carbon
nanotube，如图1[^htjsnm01^]所示)。这是继C60之后发现的碳的又一同素异形体，是
团簇领域的又一重大科研成果。巴?球和 寄 米管统属于"富勒烯(fullerene)家族"。
寄 米管是 米材料中?宠儿，它一经发现就?起了人们的极大兴趣，经过短短几年的
发展， 寄 米管已成为 米材料研究领域的重要组成部分。而单层 寄擅坠艿姆⑾趾陀?
用也被世界权威杂志《科学》评为1997年度世界十大科学发现之一。
1990年，IBM的科学家借助扫描隧道显微镜技术用一个个氙原子在铜表面上排列成
"IBM"三个字母（如图2[^htjsnm02^]所示），从此宣告人类进入了操控单个原子的新时
代，初步实现了费因曼当初的梦想，给纳米技术注入了新的内涵。
1990年7月在美国召开了国际第一届纳米科学技术学术会议，从此纳米科学技术的
研究热潮就在世界各地蓬勃发展起来。
2. 技术概况
当前，纳米科学和纳米技术涉及众多学科和领域，研究对象也是千差万别，这样就
形成了众多的纳米学科和纳米领域。这些纳米学科有：纳米物理学、纳米化学、纳米计
算科学、 米材料科学、纳米生物学、纳米医学等等；纳米领域有：纳米计量技?、纳
米材料技术、纳米加工制造技术、纳米工程技术、纳米机器人技术、纳米计算机技术、
纳米环保技术等等，这两个名单随着时间的推移还在不断地增加。
本文着重介绍纳米材料技术与纳米加工制造技术领域的发展概况，同时简述纳米技
术在航天领域的研究状况及发展前景。
2.1 米材料技术
米材料是指材料组织中至少有一维尺度在纳米级大小，即约1--100nm的范围之间
。纳米级组织可以分成一维的纳米层结构、二维的 米纤维结构和三维的纳米晶结构三
种形式。 米材料技术是 擅准际 的核心，也是 擅准际 的应用基础之一。它主要包括
： 米材料的制备?加工和制造， 米材料的?能研究（化学、生物学、物理学、力学
等）， 米材料的应用研究等。
2.1.1 纳米粒子（nanoparticle）材料
纳米粒子归于超微粒子一类，超微粒子的尺度介于原子团簇（cluster）与通常的
微粉（fine particle）之间，约为1～1000nm；而纳米粒子的尺度为1～100nm。大多数
纳米粒子呈现为理想单晶，当颗粒尺寸进入纳米量级时，其自身及其纳米固体主要具有
三个方面的效应：
小尺寸效应：当颗粒尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射
深度等物理特征尺寸相当或更小时，周期性边界条件将被破坏，声、光、电磁、热力学
等特性均会呈现新的尺寸效应。
表面与界面效应：纳米粒子尺寸小，表面大，其表面原子占相当大的比例，因而大
大增强了纳米粒子的活性。
量子尺寸效应：即随着颗粒尺寸的减小，电子能带加宽发生蓝移（blue shift，发
光带或吸收带由长波长移向短波长的现象）的现象。
例如，纳米二
纳米粒子材料的制备及生产方法主要有：气相沉积法、化学法和机械法等。不同的
制备方法所制出的 米材料的物性也会不同。例如，使用气体冷凝法和机械合金化法可
获得三维的等轴微晶；采用气相沉积法或电沉积法可制得二维的层状纳米结构；而利用
化学气相沉积法可得到线状纳米结构。
2.1.2 寄 米管
寄 米管属于二维纳米结构，有其独特的物理和化学特性：
* 中空的管状结构， 寄 米管的两端大都是封闭的，由五边形或七边形组成的网封
口。若能将 寄 米管的一端打开，则可向管中填充其它物质，同时，中空的结构也能吸
附其它气体或液体。
* 很高的强度，大约是钢的100倍而重量只有钢的六分之一。对于这些纳米尺寸的
"无缝钢管"，科学家从其结构出发在理论上进行有关物理性质方面的计算。结果表明，
在很大应力的作用下没有脆断或原子重排的迹象，可见其有极好的抗拉力。
* 导电性与结构有关。电子能带的计算结果显示，尽管由一个石墨面卷成一个单层
无缝碳纳米管的方式千变万化，但从导电性上来讲，碳管只有两大类，一类为金属性，
约1/3数量的单层 寄 米管可看成这种一维金属；另一类为半导体，2/3数量的碳管则可
看成一维半导体。
* 寄 米管的导热性与金刚石相仿。
* 高温下的稳定性，这与其结构与石墨结构相似有关。
寄 米管的制备方法主要有两种：石墨电弧法?催化裂解法。石墨电弧法是真空容
器中充以一定压力的惰性气体或氢气，以石墨为电极，在电弧放电的过程中，阳极石墨
被消耗，同时在阴极石墨上沉积出含有 寄 米管的产物。而催化裂解法是使含有碳源的
气体(如乙炔、乙烯等)流经金属催化剂(如铁、钴、镍等)表面时分解，产生 寄 米管。
寄 米管在应用上也有很大潜力。其高强度的特性使?可作为超细高强度纤维（如
图3[^htjsnm03^]所示），也可作为其它纤维、金属、陶瓷等的增强材料。其独特的导电
性使 寄 米管可用于大规模集成电路，超导线材；?可用于电池电极和半导体器件。若
能将药物储存在 寄 米管中，并通过一定的机制来激发药剂的释放?则可控药剂释放有
可能变为现实。同时， 寄 米管是很好的储氢材料，可用作氢燃料汽车的燃料"储存箱"
。
2.1.3 高分子纳米复合材料（polymer nanocomposite）
高分子纳米复合材料是由多种纳米单元与有机高分子材料以各种方式复合成型的一
种新型复合材料。严格地讲，高分子纳米复合材料不属于 米材料的范畴，而应当归属
于 米材料的工程应用领域。含幽 擅椎ピ嗟哪擅赘春喜 料通常以实际应?为目标，
其中高分子纳米复合材料由于高分子基体具有易加工、耐腐蚀等优异性能，且能抑制纳
米单元的氧化和团聚，使体系具有较高的长效稳定性，能充分发挥纳米单元的特异性能
，而成为当前 米材料应用研究的新?向。
高分子基体中原位生成纳米单元；在纳米单元存在下单体分子原位聚合生成高分子
；及纳米单元和高分子同时生成。
高分子纳米复合材料既能发挥纳米粒子的特异性又兼具高分子材料本身的优点，故
而有广阔的应用前景。如可作为催化材料、光电材料、光吸收材料、隐身材料、光通信
材料、非线性光学材料、导电材料、绝缘材料、磁性材料、敏感材料、仿生材料、医用
材料、环保材料、多功能材料，等等。
2.2 纳米加工制造技术
2.2.1 纳米加工技术
超精密加工技术是指加工精度在微米级、亚微米级的加工技术，它包括在此精度量
级上的加工工艺、机床设备、计量手段、环境控制以及工具技术等。纳米加工技术从某
种意义上可以说是超精密加工技术的延伸和扩展，它不仅仅是切削加工的切削量进入了
纳米级，也不仅仅局限于加工对象尺度的微小化和高精度化，更重要的是它更广泛地综
合了电子、机械、材料制造、信息与自动控制等科技成果的应用，成为当前纳米技术研
究的热点。
纳米加工技术包括化学加工、能量束加工、复合加工和STM及AFM加工等多种方法。
这些方法已可以进行原子级的加工，甚至实行单个原子的去除，搬迁和增添，成为纳米
器件（nanodevice）、纳米机电系统（NEMS）技术的重要支柱。纳米加工技术的研究热
点有：
* 超精密镜面加工技术
主要针对黑色金属、非金属陶瓷和微晶玻璃等硬、脆材料构件的超精镜面加工技术
。理论研究表明，在切削深度进入到纳米量级（几个到几十个纳米
主要针对介观领域尺度的精密加工。它包括微小零件的精加工与检测技术、微量去
除的能束加工技术与化学加工技术、微型机床与工装技术等。主要用于控制系统微型精
密零件、微机器人及微传感器的加工，微硅惯性器件、精密偶件及微弹性件等的加工。
* 超精密微量变形控制技术
主要是研究加工过程的应力-应变规律及其对策，以达到微纳米级的变形控制。任
何材料在加工过程中都会发生对材料的破坏，并在材料原子晶格之间因外力的作用而引
起形变。这种形变会随时间与环境的改变而变化，从而造成零件的变形或降低已取得的
精度。这是微小型精密器件的一大技术难题。变形控制的要求随加工精度的提高而提高
，这是与超精密加工概念不可分割的一项相关技术。
2.2.2 纳米器件技术
广义而言，纳米器件就是超小型化的电、磁、机械、生物系统，其作动单元是以原
子或分子为基础而运作的。纳米装置技术最终将会给人类社会带来巨大的影响，特别是
在能源转换、污染控制、食品生产以及人类健康等方面。
纳米器件目前开展的概念性研究工作主要有： 擅字岢 （如图4[^htjsnm04^]所示
）、纳米齿轮（如图5[^htjsnm05^]所示）、纳米传感器、纳米电机（如图6[^htjsnm06
^]所示）等，更复杂一点的就是纳米机电系统（NEMS）。纳米机电系统是集纳米机构、
纳米传感器、纳米执行器、信号处理和智能控制为一体的纳米级电子机械系统。虽然从
形式上看，纳米机电系统与微机电系统（MEMS）有尺度上的相似性，但其工作机理和工
作单元都是极不相同的，因而在研制的难度与方法上也是不可同日而语的。
2.2.3 纳米制造技术
纳米制造技术就是经济地批量生产 米材料和纳米结构的技术。在一个不断缩小的
制造单元模型中（如图7[^htjsnm07^]所示），纳米级制造技术是我们所到达的又一个里
程碑。在这一层次里，制造的概念有了革命性的改变：我们将抛弃"切削"的念头，引入
自下而上的制造方式，即一个原子一个原子地按要求"堆砌"成结构、零件，而不象传统
那样先从毛坯开始经过加工切削而成型的自上而下的方法。在这里，我们可以精确地控
制构件的尺寸和精度，并由此组成精巧的纳米器件直至纳米系统。
当前纳米制造技术的研究热点有：
* 可编程物质（programmable matter）
它指的是这样一种机构，当输入特定的指令并馈给相应的原料后，就可按给定技术
指标生产出物理实体。这不是梦想，其实生物界的某些大分子如DNA、RNA等就是这样一
种物质。
* 自组装（self-assembly）技术
* 复制（replication）技术
* 纳米级光刻技术
* 纳米结构的合成及处理技术
3 最新进展概况
目前纳米技术在某些领域已取得了实际应用，特别是在纳米粒子材料方面已有应用
实例，如：填充纳米级填料的耐磨轮胎、带有改进输送与自控方式的药品、具有优异性
能的 擅准度 料与颜料，等等。 擅准际 的大多数领域还处于探索性研究阶段，不过近
几年来所取得的成果也汗牛充栋，不可胜数，本文撷其主要加以论述。
3.1 国外研究成果
近两三年来，世界各国在纳米技术研发领域取得了丰硕的成果。
3.1.1 纳米压印平版印刷技术（NIL，nanoimprint lithography）
美国普林斯顿大学近年来开展了纳米压印平版印刷技术的研究工作，它是利用预先
制好的压模在保护膜上压印以制成凸版，而常规的光刻平版印刷技术是采用射线改变保
护膜化学结构的方法。NIL技术从根本上解决了常规光刻平版印刷技术所存在的一些缺点
，如：光衍射局限、光散射问题和化学问题，该项技术可以在很大的区域内获得10nm以
下的结构，从而取得低成本、高产出的效果，这是常规技术所无法达到的。此项成果对
于纳米结构的商业化具有重大意义。
3.1.2 首次测得单原子的电流
1997年，美国耶鲁大学的M. Reed等人首次测得了单原子的电流。他们在两个金属
触点之间架起了一座"单分子桥"，从而形成了一个在理论上为小到极限的电子器件。该
分子桥是由硫原子加上不活泼的金原子端基团构成的，它可自动组装到金线的触点上。
在桥原子的周围环绕着蓝色雾状的电子云，正是通过它而发出了电流（如图8[^htjsnm0
8^]所示）。此项成果还可用于分子的自组装技术。
3.1.3 英研究用超声波改变材料特性
据1999年2月号的英国《材料世界》杂志报道，英国考文垂大学超声波化学研究中
心开展了用超声波改变材料特性的研究课题，研究重
3.1.4 可称单个病毒的纳米"秤"诞生
"世界上最小的秤"最近由美国、中国、法国和巴西科学家在美国佐治亚理工学院研
制成功。这项重大科研成果是该校物理系德赫尔教授与材料系王中林教授等通力合作的
结果。该秤利用单根 寄 米管的弹?和电磁共振作用来称重的。该秤可称质量为亿亿分
之二百克的单个病毒。这一重大发明无疑将对生物学和医学研究起重要作用。（1999年
3月）
3.1.5 法制成世界最小金属氯化物半导体（MOS）晶体管
1999年10月，法国原子能委员会下属的电子技术和设备实验室宣布研制成功世界上
最小的、线宽只有20nm的MOS晶体管，成为MOS技术器件小型化的先锋。此前国际市场上
最小的晶体管的线宽为180nm，用它做成的微处理器的运转频率为500MHz，而用20nm线宽
晶体管做成的微处理器的运转频率可达到20GHz，是前者的40倍。目前世界上最快的计算
机的运算速度为每秒10亿次，若使用20nm线宽的互补金属氧化物半导体（CMOS）技术，
计算机的运算速度可达到每秒1万亿次。这项技术的实际运用将为视频与图像的实时处理
、从因特网上快速下载电影、高速三维动画的制作带来美好的前景，可使未来半导体存
储器的信息存储量达到16万亿比特。
3.1.6 日本微型电子元件研究获得突破
据《朝日新闻》1999年10月13日报道，日本电气公司最近研究出能把直径为１纳米
的碳纳米管固定在半导体基板上的技术，为制造微型电子元件等提供了可能。由于碳纳
米管结构极其细微，加工起来非常困难。新技术是把碳晶体涂抹在硅、钛、铌等基板上
，然后将其加热到900度，这时碳晶体与基板接触的界面就形成了碳化物，从而发挥出了
粘结剂的作用。由于它具有结晶结构，因此性质稳定。这一新技术将来可用于制造超薄
型壁挂式电视的电子元件和极微小的电子元件。
3.1.7 用 寄 米管制成的纳米镊子
1999年12月，美国哈佛大学的研究人员宣布，他们已在纳米技术的工具箱中
（缺失）
4 技术发展趋势
本文主要论述21世纪的纳米技术在以下几个方面的发展和应用。
4.1 材料与制造业
纳米技术将从根本上改变材料与器件在未来的制造与生产方式。合成纳米级的精密
构件并组装出较大的结构和系统，将引发材料制造业的革命。纳米结构化过程将带来轻
型、高强、可编程的材料，降低全寿命成本，发明新型机构，采用分子级或团簇级制造
技术等。纳米技术在材料与制造业领域的发展趋势有：
* 纳米金属、 滋沾傻奈藜庸ぞ烦尚图际酰?
* 采用 擅准度 料与颜料的彩色印刷技术；
* 用于切割工具、电气设备、化工设施等的 米材料及纳米涂料；
* 纳米级测试的新标准；
* 高集成度芯片的纳米制造技术。
4.2 纳米器件和计算机技术
纳米器件和纳米计算机领域的发展趋势有：
* 进一步从理论、实验和建模仿真方面研究纳米级的电、磁、光现象及机理；
* 开发新型成像与分析技术及设备，包括三维电子显微技术和原子级光谱技术；
* 设计和制造纳米级集成电路和芯片，半导体纳米器件、磁纳米器件、光子纳米器
件和分子纳米器件有了长足的发展；
* 小巧的海量存储器（几个太比特以上），金刚石存储器、分子带存储器等；
* 高集成度的纳米传感器及其系统技术。
4.3 环境与能源
纳米技术可用于环境问题的监测和补救，抑制各种辐射，并开发新型绿色处理技术
以减少人类活动所产生的废气、废液或废物；也可用于能源的节约、增效、贮存与生产
。纳米技术在环境与能源领域的发展趋势有：
* 化学工业用的纳米催化剂材料；
* 用于清除超细污染物的纳米间孔材料；
* 在汽车等行业广泛采用高分子纳米复合材料
4.4 航天应用前景
纳米
微纳米加工技术主要应用于导弹和卫星等空间飞行器控制部件的加工制造。激光陀
螺、高次非球的光学反射镜、陶瓷材料的天线罩等都需要纳米级到皮米级（10～12m）级
精度的表面机械加工技术。
4.4.2 微型器件与纳米器件技术的应用
微型器件与纳米器件技术在航天领域的应用是一个重要的发展方向。它涉及微纳米
机械惯性器件（ 勇 仪、加速度计-机械电子的集成），微纳米电机，微纳米机器人，微
纳米卫星等技术的发展。它会使产品的体积成数量级的下降；可靠性大大提高，研制成
本大为下降。
目前及今后一段时间内，国外重点开展的项目有：微纳米陀螺、微纳米加速度计、
微纳米传感器（星传感器、地球传感器、太阳传感器、隧道传感器、力传感器、温度传
感器等）、微纳米制导分系统等。
一个典型的例子是1996年美国Draper实验室研制成的微机械惯导系统（MIMU）仅重
5g（体积为20×20×5立方毫米（mm3）），仅为普通惯导体积的万分之一多一点。由于
它是建立在大规模生产的基础上，故可大幅度降低生产成本，又便于实行冗余，使系统
有更高的可靠性。
4.4.3 微纳米卫星和微 米航天器
微纳米卫星和微 米航天器实际上是由微型器件与纳米器件构成的系统?应用。
小型卫星、微型卫星和纳米卫星的区别是：小型卫星为一种可用常规运载器发射的
航天器，质量10～500kg；微型卫星定义为所有的系统和子系统都全面体现了微型制造技
术，并可实现一种实用功能，质量0.1～10kg；纳米卫星是一种尺寸减小到最低限度的微
卫星，其功能有赖于一种分布式星座结构来实现，质量小于0.1kg。
美国的"先锋-1"是一颗直径16.3cm的球形卫星，仅重1.5kg，它是第一颗以太阳能
电池为在轨电源的卫星。今年年初美国又成功地发射了一颗微型卫星，其体积为10×10
×2.5立方厘米（cm3），重仅200g左右。
各国1997年度纳米技术预算概览
国家与地区 纳米研究预算（百万美元） 占国内生产总值（GDP）的份额（ppm）
日本 120 27
美国 116 15
西欧 128 18
其他国家或地区* 70 -
合计 432 -
注*：其他国家或地区包括了加拿大、中国、俄罗斯、韩国、澳大利亚、台湾和新加坡
（ppm）百万分之几
(From 中山大学bbs science)
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朋友，你有二三十岁了吧，这些年你一定碰到过你的梦中情人，
你很想得到她，可是你不敢;
我有一位朋友，他经验实足，只是最近在忙于追一个女孩子，
但只要你肯向他讨教，
他一定可以帮你解决这个问题....
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