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1、納米加工技術(shù) 作者：周堃 著名的諾貝爾獎獲得者 Feyneman在 60年代就預(yù)言： 如果對物體微小規(guī)模上的排列加以某種 控制的話，物體就能得到大量的異乎尋 常的特性。 這就是如今的納米材料 納米 納米（符號為 nm）是長度單位，原稱毫微米 ，就是 10-9米（ 10億分之一米），即 10-6 毫米（ 100萬分之一毫米）。如同厘米、分米 和米一樣，是長度的度量單位。相當(dāng)于 4倍原 子大小，比單個細(xì)菌的長度還要小。 納米技術(shù) 納米技術(shù)（ nanotechnology）是用單個原子 、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)。納米科學(xué)技術(shù)是 以許多現(xiàn)代先進(jìn)科學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)的科學(xué)技術(shù)， 它是現(xiàn)代科學(xué)（混沌物理、量子力
2、學(xué)、介觀物 理、分子生物學(xué)）和現(xiàn)代技術(shù)（計算機技術(shù)、 微電子和掃描隧道顯微鏡技術(shù)、核分析技術(shù)） 結(jié)合的產(chǎn)物，納米科學(xué)技術(shù)又將引發(fā)一系列新 的科學(xué)技術(shù)，例如納電子學(xué)、納米材科學(xué)、納 機械學(xué)等。 納米技術(shù)的發(fā)展簡史 1959年，諾貝爾獎獲得者、量子物理學(xué)家理查德 .費曼（ Richard Feynman）提 出可以從單個分子甚至單個原子開始組裝制造物品，這是關(guān)于納米科技的最早 的夢想和預(yù)言。 1974年，日本學(xué)者谷口紀(jì)男（ Taniguchi Norio）教授在 CIRP上首次提出 “ Nano-technology”概念，并預(yù)測 2000年加工精度將達(dá)到 1nm。 1981年，科學(xué)家發(fā)明研究納米
3、的重要工具 掃描隧道顯微鏡，為我們揭示了 一個可見的原子、分子世界，對納米科技發(fā)展產(chǎn)生了積極促進(jìn)作用。 1984年，德國學(xué)者格萊特（ Gleiter），把粒徑 6nm的金屬粉末壓成納米塊，并 且詳細(xì)研究它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，指出了它的界面奇異結(jié)構(gòu)和特異功能。 1990年 7月，第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會議在美國巴爾的摩與第五屆國家掃描隧 道顯微鏡學(xué)術(shù)會議同時舉辦，正式把納米材料科學(xué)作為材料科學(xué)的一個新的分 支公布于世。標(biāo)志著納米科學(xué)技術(shù)的正式誕生。 1991年，碳納米管被人類發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量是相同體積鋼的六分之一，強度卻是 鋼的 10倍，成為納米技術(shù)研究的熱點，諾貝爾化學(xué)獎得主斯莫利教授認(rèn)為，納 米碳管將
4、是未來最佳纖維的首選材料，也將被廣泛用于超微導(dǎo)線、超微開關(guān)以 及納米級電子線路等。 1997年，美國科學(xué)家首次成功地用單電子移動單電子，利用這種技術(shù)可望在 20 年后研制成功速度和存儲容量比現(xiàn)在提高成千上萬倍的量子計算機。 1999年開始，納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)逐步走向全面商業(yè)化， 2000年納米產(chǎn)品的營業(yè)額 達(dá)到 500億美元。 我國納米科技成果概況： 1993年，中國科學(xué)院北京真空物理實驗室自如地操縱原子 成功寫出“中國”二字，標(biāo)志著我國開始在國際納米科技領(lǐng) 域占有一席之地，并居于國際科技前沿。 1993年，中科院在北京舉辦了第 7屆國際 STM（掃描隧道顯 微鏡）會議。 1998年，清華大學(xué)范守善
5、小組成功地制備出直徑為 3 50nm、長度達(dá)微米量級的氮化鎵半導(dǎo)體一維納米棒，是我 國在國際上首次把氮化鎵制備成一維納米晶粒。 1999年，中科院物理研究所解思深研究員率領(lǐng)的科研小 組，不僅合成了世界上最長的“超級纖維”碳納米管，創(chuàng)造 了一項“ 3毫米的世界之最”，而且合成出世界上最細(xì)的碳 納米管。 2000年，中科院物理所真空物理開放實驗室高鴻鈞領(lǐng)導(dǎo) 的科研小組，將超高密度存儲材料的信息存儲點下降到 0.6nm，點與點之間的距離降到 0.5nm，將現(xiàn)有光盤的存儲 能力提高 100萬倍 利用納米技術(shù)將氙原子排成 IBM 納米加工機理 納米級加工的含意是達(dá)到納米級精度的加工技 術(shù)。 由于原于間的
6、距離為 0.1一 0.3nm，納米 加工的實質(zhì)就是要切斷原子間的結(jié)合，實現(xiàn)原 子或分子的去除，切斷原子間結(jié)合所需要的能 量，必然要求超過該物質(zhì)的原子間結(jié)合能。用 傳統(tǒng)的切削、磨削加工方法進(jìn)行納米級加工就 相當(dāng)困難了。近年來納米加工有了很大的突破 ，如電子束光刻 (UGA技術(shù) )加工超大規(guī)模集成 電路時，可實現(xiàn) 0.1m線寬的加工：離子刻蝕 可實現(xiàn)微米級和納米級表層材料的去除：掃描 隧道顯徽技術(shù)可實現(xiàn)單個原子的去除、扭遷、 增添和原子的重組 。 納米加工分類 包括切削加工（精密切削等）、化學(xué)腐蝕 (電 化學(xué)等）、能量束加工（電子束、離子束等） 、復(fù)合加工、掃描隧道顯微技術(shù)加工等多種方 法 納米加
7、工關(guān)鍵技術(shù) 檢測技術(shù)（包括檢測納米級表層物理力學(xué)性能 、納米級精度的尺寸和位移的測量、納米級表 面形貌的測量 ） ；環(huán)境條件控制；機床及工 具。 掃描隧道顯微鏡 掃描隧道顯微鏡 scanning tunneling microscope 縮寫為 STM。 它作為一種掃描探針顯微術(shù)工具，掃 描隧道顯微鏡可以讓科學(xué)家觀察和定位單個原子， 它具有比它的同類 原子力顯微鏡 更加高的分辨率。 此外，掃描隧道顯微鏡在低溫下（ 4K）可以利用探 針尖端精確操縱原子，因此它在納米科技既是重要 的測量工具又是加工工具。 工作原理 掃描隧道顯微鏡的工作原理簡單得出乎意料。 就如同一根唱針掃過一張唱片，一根探針慢慢
8、 地通過要被分析的材料（針尖極為尖銳，僅僅 由一個原子組成）。一個小小的電荷被放置在 探針上，一股電流從探針流出，通過整個材料 ，到底層表面。當(dāng)探針通過單個的原子，流過 探針的電流量便有所不同，這些變化被記錄下 來。電流在流過一個原子的時候有漲有落，如 此便極其細(xì)致地探出它的輪廓。在許多的流通 后，通過繪出電流量的波動，人們可以得到組 成一個網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的單個原子的美麗圖片。 奇 妙 的 微 電 子 技 術(shù) 化 學(xué) 中 的 納 米 納 米 鋅 變 形 納米銀粉形貌 STM拍攝的圖片 具體應(yīng)用 掃描 STM工作時，探針將充分接近樣品產(chǎn)生 一高度空間限制的電子束，因此在成像工作時 ， STM具有極高的
9、空間分辯率，可以進(jìn)行科 學(xué)觀測 7。 探傷及修補 STM在對表面進(jìn)行加工處理的過程中可實時對 表面形貌進(jìn)行成像，用來發(fā)現(xiàn)表面各種結(jié)構(gòu)上的缺 陷和損傷，并用表面淀積和刻蝕等方法建立或切斷 連線，以消除缺陷，達(dá)到修補的目的，然后還可用 STM進(jìn)行成像以檢查修補結(jié)果的好壞 7。 微觀操作 引發(fā)化學(xué)反應(yīng) STM在場發(fā)射模式時，針尖與樣品仍相當(dāng)接近 ，此時用不很高的外加電壓（最低可到 10V左右） 就可產(chǎn)生足夠高的電場，電子在其作用下將穿越針 尖的勢壘向空間發(fā)射。這些電子具有一定的束流和 能量，由于它們在空間運動的距離極小，至樣品處 來不及發(fā)散，故束徑很小，一般為毫微米量級，所 以可能在毫微米尺度上引起
10、化學(xué)鍵斷裂，發(fā)生化學(xué) 反應(yīng) 78。 移動，刻寫樣品 當(dāng) STM在恒流狀態(tài)下工作時，突然縮短針尖與樣品 的間距或在針尖與樣品的偏置電壓上加一脈沖，針 尖下樣品表面微區(qū)中將會出現(xiàn)毫微米級的坑、丘等 結(jié)構(gòu)上的變化。針尖進(jìn)行刻寫操作后一般并未損壞 ，仍可用它對表面原子進(jìn)行成像，以實時檢驗刻寫 結(jié)果的好壞 移動針尖進(jìn)行刻寫的辦法主要有兩種 在反饋電路正常工作時，通過調(diào)節(jié)參考電流 或偏置電壓的大小來調(diào)節(jié)針尖與樣品間的接觸電阻 ，達(dá)到控制針尖移動的目的。當(dāng)加大參考電流或減 小偏壓時為保證恒流工作，反饋將控制針尖移向樣 品，從而減小接觸電阻。 當(dāng) STM處于隧道狀態(tài)時，固定反饋線路的輸 出信號，關(guān)閉反饋，然后
11、通過改變控制 Z向運動的 壓電陶瓷上所加電壓的大小來改變針尖與樣品的間 距，這種方法較前者能夠更線性地控制隧道結(jié)寬度 的變化，相對來說是較為理想的辦法。 納米機器人 “納米機器人”的研制屬于分子仿生學(xué)的范疇 ，它根據(jù)分子水平的生物學(xué)原理為設(shè)計原型， 設(shè)計制造可對納米空間進(jìn)行操作的“功能分子 器件”。納米生物學(xué)的近期設(shè)想，是在納米尺 度上應(yīng)用生物學(xué)原理，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，研制可編 程的分子機器人，也稱納米機器人。合成生物 學(xué)對細(xì)胞信號傳導(dǎo)與基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)重新設(shè)計， 開發(fā)“在體”（ in vivo）或“濕”的生物計 算機或細(xì)胞機器人，從而產(chǎn)生了另種方式的納 米機器人技術(shù)。 納米機器人不久將進(jìn)入我們的生活
12、用不了多久，個頭只有分子大小的納米機器人將源源不斷地進(jìn)入人類的日常生活。 它們將為我們制造鉆石、艦艇、鞋子、牛排和復(fù)制更多的機器人。要它們停止工作只需 啟動事先設(shè)定的程序。 表面來看，上述想法近乎不可思議：一項單一的技術(shù)在應(yīng)用初期就能治病、延緩衰老、 清理有毒的廢物、擴大世界的食物供應(yīng)、筑路、造汽車和造樓房？這并非天方夜譚，也許在 21世紀(jì)中葉前就可以實現(xiàn)。 全世界的研究機構(gòu)都在想方設(shè)法將這些設(shè)想變成現(xiàn)實。美國總統(tǒng) 克林頓 曾經(jīng)宣布成立美 國國家納米研究機構(gòu)，承諾提供 50億美元進(jìn)行這方面的嘗試。 其實，納米技術(shù)一詞由來已久。理查德 費恩曼是繼 愛因斯坦 之后最有爭議和最偉大的 理論物理學(xué)家，
13、 1959年他在一次題目為 在物質(zhì)底層有大量的空間 的演講中提出：將來人 類有可能建造一種分子大小的微型機器，可以把分子甚至單個的原子作為建筑構(gòu)件在非常細(xì) 小的空間構(gòu)建物質(zhì)，這意味著人類可以在最底層空間制造任何東西。從分子和原子著手改變 和組織分子是化學(xué)家和生物學(xué)家意欲到達(dá)的目標(biāo)。這將使生產(chǎn)程序變得非常簡單，你只需將 獲取到的大量的分子進(jìn)行重新組合就可形成有用的物體。 事實上，每一個細(xì)胞都是一個活生生的 納米技術(shù)應(yīng)用 的實例：細(xì)胞不僅將燃料轉(zhuǎn)化為能 量，而且按照儲存在 DNA中的信息來建造和激活蛋白質(zhì)和酶，通過對不同物種的 DNA進(jìn)行 重組，基因工程家已經(jīng)學(xué)會建造新的這類納米工具，例如用細(xì)菌細(xì)胞來生產(chǎn)醫(yī)用激素。 1990年 我國著名學(xué)者 周海中 教授在 論機器人 一文中預(yù)言：到二十一世紀(jì)中葉，納 米機器人將徹底改變?nèi)祟惖膭趧雍蜕罘绞健?byb
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