纳米技术展新程

20世纪的最后十年，一门崭新的学科——纳米科学技术诞生了。纳米科学技术(nano scale science and technology)是一门在0.1～100nm尺度空间内，研究电子、原子和分子运动规律和特性的高技术学科。它的最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子，制造具有特定功能的产品。

纳米技术的新颖、独特的思路和首批研究成果的问世，在科学技术界和军界引起巨大发响，受到广泛关注。IBM公司首席科学家Amotrong说：“正如70年代微电子技术引发了信息革命一样，纳米科学技术将成为下一世纪信息时代的核心。”

IBM公司日前宣布开发出目前世界上最小的计算机逻辑电路，这是一种利用单个碳分子制作的双晶体管组件。用来生产这种电路的材料是只有头发丝十万分之一大小的碳纳米管，这种碳纳米管具有极高的强度和良好的半导体特性，纳米管直径为1～2纳米，长度为1毫米，强度是钢的10倍。因此，IBM的科学家认为这是一种有望替代硅的新材料。

IBM公司负责纳米级技术的经理Avouris和他的同事们一起研制成功的碳纳米管逻辑电路，由一个带正电荷的晶体管和一个带负电荷的晶体管构成，它标志着通向生产出替代硅处理器的芯片所需三个步骤当中的第二个步骤。第一个步骤是在1998年实现的，当时包括IBM和NEC研究人员在内的科学家制造出了纳米管晶体管。第三步骤是将许多嵌入晶体管的逻辑电路连接在一起，构成了一个执行复杂计算机任务的新型处理器。

IBM最新研制的电路属于“非门”，它是构成计算机处理器的三种基础逻辑电路当中最简单的一种。以往研制成功的纳米管晶体管都属于正极性的P型晶体管。科学家一直未能研制出负极性的N型纳米管晶体管。IBM公司最近取得的新突破就在于借助简易的工艺技术在一个真空装置内加热P型晶体管，将其变成了N型纳米管晶体管。

Motorola日前宣布开发成功一种新技术，该技术能够使主流计算机芯片的微电路集成度增加50%以上，从而使得芯片变为更小巧，在便携式电脑、手机、PDA等轻便的移动通信终端领域得到广泛的应用。

据Motorola 公司透露，该公司研制出一种称为Photomask的新型材料，将这种材料用在硅片上制造电脑芯片，就可以在芯片上集成直径小于100纳米的各种元器件。在制造芯片时需要经过光刻工序，借助光线在硅片原料上制作电路。采用Pholomask 技术之后，这项工序改进成了“无紫外线（EUV）光刻”，流程中使用波长更短的紫外线，使其精度更高。Motorola公司数字DNA实验室主任Joc Mogab 说，通过使用EUV光刻法，人们最后甚至能将宽度为13纳米的电路线刻入芯片内。

实际上，被囚禁的电子并不因此而固定不动。按照量子力学的规律，有时它可以脱离控制自由逃逸出来，这种现象一方面预示着在新一代芯片中的逻辑单元将不用连线而相关联，因而需要新的设计才能使单电子器件变成集成电路；另一方面也会使芯片的动作不可控制。归根结底，在这一情况下电子应被看成是“波”而不是一个粒子。所以尽管电子器件已经在实验室里得以实现，但是真要在工业上还需要时间。被囚禁在小尺寸内的电子的另一种贡献，是会使材料发出很强的光。“量子点列激光器”或“级联激光器”的尺寸极小，但发光的强度很高，用很低的电压就可以驱动它们发出蓝光或绿光，用来读写光盘可使盘的存储密度提高好几倍。如果用“囚禁”原子的小颗粒量子点来存储数据，制成量子磁盘，存储度可提高成千上万倍，会给信息存储技术带来一场革命。

目前已经制成一部分纳米电子元器件，例如纳米传感器，用来测量诸如压力、力矩，加速度、振动、位移、流量、磁场、温度、湿度、气体成分、PH值、离子浓度、微生物浓度、液体浓度、味觉、触觉以及微陀螺等。现已制成的由传感、信号放大、信号源、信号处理和自校电路组成的硅微加速度计，在10平方厘米的硅片上，可做成几百个这样的器件。纳米技术源于微电子集成工艺，最容易做成集成芯片的形式，例如微型生物化学芯片。已能在1平方厘米的硅片或玻璃片上集成样品处理器、微反应器、微分离道管、微检测器和微流量器等生物化学功能系统，纳米传感器与传统的传感器相比，具有诸多优势，例如体积小、分析时间短、样品消耗少、能耗低和效率高等。

HP纳米实验室首席科学家Stan Williams 和他的助手们新研制成功仅有分子大小的纳米金属丝和分子开关。纳米是1米的10亿分之一。在这种微乎其微的空间里仅能容得下3个原子，然而，纳米金属丝竟然能够在如此微小的空间里实现自我组装，能够编织成极其微小的纳米元器件。HP纳米实验室的科学家们开发成功制造平行金属丝束的方法，制造出来的纳米金属丝线宽仅为2纳米，在硅和铒的化学反应中，纳米金属丝能够以自我组装的方式自然生成。

科学家借助扫描隧道显微镜（STM)的帮助，通过将分子金属丝进行合成的方法来制造类似芯片的新装置，这些金属丝和开关能够通过化学反应自动组装成为有效电路、研制成功了一个安装在固体装置中的能够被电子触发的分子开关。科学家们首先将一组金属丝植入被一层特殊分子全部覆盖的平面层内，然后将另外一组金属丝与第一组金属丝呈垂直交叉状态放置，再让特殊分子夹在两组金属丝之间，其结果是在这两组金属丝交叉的位置形成了一个分子开关。在初始状态，分子开关是关闭的，在两层金属丝之间加以负电压，电流立即在两层金属线之间流动；如果加以正电压，则分子开关被打开；当再一次加以负电压之时，能够流过的电流量将大为减少。这种分子开关目前还只能打开一次，这是由于它被打开之后不能够再关上，从而使得这种分子开关能够成为可编程只读存储器(PROM)的基础。

利用微电子机械和纳米电子技术制造的惯性检测元件、换能器、射频元件、光学元件、电源系统、各种传感器和芯片作为星载设备。可使卫星的体积和重量大为减小。用这些微型部件制造的卫星称为纳米卫星，重量不足100G。因为其中的机电元件和电子功能组件是利用纳米技术制作在少数几片，甚至同一片芯片上，因此纳米卫星又称为芯片级卫星。这种卫星用一枚小型运载火箭一次可以发射数百颗乃至上千颗。把这些卫星按一定的要求分布在不同的轨道上组成卫星网，可以连续不断监视地球上的任何角落。即使有少数卫星失灵，卫星网的工作也不会受到影响。当然，纳米卫星现在还处在概念阶段，然而这却使人类部署分布式航天系统成为可能。这种航天系统可以减少单个航天器失效造成的影响，从而可以增强未来航天系统的生存能力和灵活性。

美国加利福尼亚大学的两位研究生鉴于机器人越来越小，且它的功能越来越灵活。尝试发明一种微小得象一条昆虫的机器。他们把带有微型探测器、微型发报机的纳米电子系统做成昆虫模样，称为纳米机器虫。在纳米机器虫内，硅片上的微细电动机的尺寸，只有头发丝直径的2/3，一粒豌豆大小的体积内可以装进一万只这样的纳米电动机。

纳米技术的科学家们坚信，“小”不仅是美丽的，而且是未来科学技术发展的趋势。日本已用极微小的部件组装成一辆只有米粒大小、能够运转的汽车；工程师们制成了直径只有1～2mm的静电发动机；体积只有常规机器万分之一、能够运转的车床以及直径仅5.5mm的“尺蠖”——有朝一日它也许会钻进核工厂的管道系统检查管道是否有裂缝。德国工程师制成了一架只有黄蜂大小和能够升空的直升机、肉眼几乎看不见的发动机以及供化学行业使用的火柴盒大小的反应器。

更加引人注目的是，科学家已开始在硅片上造出微机电系统（MEMS）。这些装置把电路和运转着的机器合装在一个硅芯片上。这些装置最终将像目前的硅芯片一样普遍。几种基本的微机电系统已经在美国、日本和德国使用，包括在上百万辆汽车里安装的一种细如发丝的传感制动器，当它“感觉”到撞击时，就会立即打开保险气袋，防止撞伤。

只有削尖了的铅笔尖大小、每分钟转速高达10万转的1伏特发动机最终将推动电子显示器、手表、摄录机和激光扫描器的发展。目前的民用电子产品中的微小部件往往还是手工组装的，因为目前的自动设备还不能完成这类工作。“这对于人造昆虫来说则是轻而易举的事。”

纳米材料具有独特的性质，因此可能存在奇妙的应用前景。科学家和工程技术人员提出了异想天开的可能应用。

太空升降机 巴基球(C60）是由60个碳原子聚集在一起形成的足球状结构，具有若干特殊的性质。在巴基球的基础上，又研制成功碳纳米管。碳纳米管的强度比钢高100倍，而重量只有钢的1/6。单个碳纳米管的直径只有1.4nm，50000个碳纳米管并排在一起相当于一根头发丝的直径。据专家说，它们可能成为未来理想的超级纤维。对纤维强度起决定作用的参数是长度与直径之比值。材料工程师希望得到长度与直径的比至少是20：1。而即使在目前，纳米管的长度也是其直径的几千倍，所以具有高强度是不奇怪的。

碳纳米管的最异想天开的用途，是用于太空升降机。一根碳纳米管缆绳从地球同步轨道上垂到地球表面，与钢或其它任何物质不同的关键是它能支持住自身的重量。这就提供了一种把人或物品提升到外层空间的可能方法，也许将成为人类移居外星球的理想方法。

电子隧道 众所周知，光导纤维是光子的隧道，光在隧道中可以迅速通过。碳纳米管可以充当电子快速通过的隧道。由6原子环组成的碳纳米管能把一个由60个原子组成的巴基球正好装在中间。把一个金属原子嵌入巴基球中，并且在纳米管中装满一串这种巴基球，这样，碳纳米管就成为一根直径只有一个原子大小的金属导线。

据分析，碳纳米管可能成为最佳超微导线。一根纳米管的直径只有计算机芯片上最细电路直径的1/100。预计它成为理想导体，导电性能大大超过铜。纳米管最终可以用于纳米级电子线路。

纳米隐身术 近年来关于纳米材料具有高的电磁波吸收系数的报道，引起军界研究人员的极大兴趣，提出以纳米材料作为新一代隐身材料的设想和探索。

纳米材料由于其结构特征尺寸进入纳米领域，物质的表面、界面效应、量子效应将十分显著地表现出来，对吸波性能产生重要影响。纳米超微粒可以制成具有良好吸波性能的涂层。金属、金属氧化物和某些非金属材料的纳米级超微粒，在细化过程中，使组成粒子的原子数大大减少，活性大大增加。在微波场的辐射下，使原子、电子运动加剧，促使磁化，使电磁能转化为热能。纳米超微粒的磁损耗大，对电磁波兼具吸收和透过之功能。其吸波性能和透波性能取决于超微粒的尺度。纳米材料具有十分巨大的界面面积，这对提高雷达波的损耗是十分有利的。

为了获得兼具宽频带、多功能、质量小和厚度薄等性质，正在研究纳米复合隐身材料，可以期望出现对厘米波、毫米波、红外、可见光等很宽波段的复合隐身材料，甚至可望研制成与结构材料复合、与抗核加固技术兼容的隐身材料。

纳米电子枪与纳米探头 碳纳米管众多可能用途中，以下几种令人耳目一新：作为其它分子之间的“分子导线”；用作能“感觉”物体表面单个原子结构的纳米探头（由于纳米管非常小，小到不会打扰运动中的细胞，可以用作生物系统的电子探头）；用作纳米级电子枪来点亮新一代平面显示屏上的发光体。

原子精密度计算机 美国国家航天局的科学家指出，必须制造具有原子精密度的计算机。并提出了分子探针的设计，这种探针可以区分紧密排列在金刚石表面的F原子和H原子。如果把F原子的值定为1，把H原子的值定为0；同时设计一个能非常快速阅读它们的探针，这样就有可能得到一个原子型的二进制码，作为新一代计算机的基础。■