纳米光电子技术（精选12篇）
纳米光电子技术 篇1
摘要：本文主要分析研究的是纳米电子技术以及纳米光电子技术, 分别讲述了纳米光电子的相关概念, 纳米光电子技术的发展以及纳米光电子各个器件的具体分类等内容。
关键词：纳米技术,纳米光电子,技术,研究
在以往的微电子技术中, 随着科学技术的不断进步与发展, 通过更多的理论研究研发出了新的领域。纳米技术将真空电子器件具有的电子输运的基本原理和微电子器件的相关技术相互融合, 同时融合了微细加工技术以及一些比较特殊的工艺, 最终成为了如今的新型技术。
一、纳米光电子的相关概念
如今的光电子技术由光电子集成逐渐向新兴的纳米光技术方向逐渐发展。并且纳米光电子在传统的半导体材料的基础上不断演变发展而来, 成为了新兴纳米电子学未来发展的新的趋势。纳米光电子主要是研究在所有纳米结构中各个电子以及光子存在的相互作用。将光电子以及纳米电子的相关技术相互结合共同组成了纳米光电子技术。传统的半导体硅并不具备发光的基本功能, 但是引进了纳米技术以后, 能够发出一种非常耀眼的光, 同时开设了一门新兴的纳米光电子。
二、纳米光电子技术的发展
新时代的纳米电子技术能够快速的制作各种单电子存储, 同时还可以制作一些非常精巧完美的微电子机械以及电机械系统。随着现代纳米技术的不断进步与发展, 集成电路也将成为一种比较先进的半导体器件, 并成为了未来发展的新方向。
如今的信息社会对于所有使用的集成电路具有的集成度的各种要求也逐渐增高, 这就导致人们不断突破尺寸具有的极限途径。在新的社会形势下, 纳米电子以及纳米电子光技术应运而生, 并成为了半导体科学以及各种工程研究的重要领先技术。光电子技术属于电子技术以及光电子技术的结合体。
二十世纪以后, 光电子技术逐渐发展, 并取得了一定的进步。将光电子技术以及纳米技术巧妙的相互融合最终形成了纳米光电子技术, 成为了未来电子技术不断发展的新领域。如今的二十一世纪, 也为光电子技术以及纳米光电子技术发展提供了新的机遇。
三、纳米光电子各个器件的具体分类
3.1 纳米光电技术探测器
如今的纳米光电技术探测器主要是利用纳米光电子的基本材料进而不断发展而来。这种微型的探测器主要由纳米丝以及各种纳米棒共同组成, 例如, 超高灵敏度红外探测器等。
3.2纳米发光器件
引进纳米光电子的相关技术并利用纳米光的基本材料, 利用纳米光刻技术, 最终研制出新兴的纳米发光器件。主要有利用纳米粒子等材料制作完成的一种硅发光二极管, 使用各种纳米尺寸制成的可以实现调谐的纳米发光二极管。
3.3纳米光子器件
纳米量子机构以及量子电路等各种集成技术都蕴含着非常深奥的研究内容。例如, 利用三维光电子自身的晶体天线, 还可以利用光子晶体技术二极管, 以及无损耗产生的光电波, 光开关等, 这些都属于先进的纳米光子器件, 在量子保密通信中的各种重要的关键器件, 都是利用纳米光子器件完成的。
3.4纳米显示器
纳米显示器主要包括碳纳米管显示器, 还有一种碳纳米发生显示器等。如今的纳米电子学还有纳米光子学以及先进的磁学微电子, 自身具有的极限线宽都是70nm, 这种先进的技术通过几十年的研究就完成了。为了能够在最短的时间内完成新兴的器件, 使用单原子具体的操作方式成为重要的研究方向, 并且, 利用这种先进的技术能够制成计算机, 并且能够有效的提升计算机自身的计算能力, 甚至可以提高上千倍, 但是需要使用的功率只有现在计算机的使用功率的百万分之一。如果使用先进的纳米磁学, 计算机具体的信息存储量甚至能够达到上千倍。使用纳米光电子能够提升通信带宽的上百倍。
另外, 除了以上介绍的各种器件, 还可以从广义上分析, 纳米器件还有分子电子器件, 这种器件无论是在材料上还是在使用的原理上都与上述的半导体量子器件存在较大的差异。
四、结束语
综上所述, 以往的各种科学技术为二十一世纪的高科技奠定了良好的基础, 并提供了有效的理论依据。虽然, 如今的纳米电子技术以及纳米光电子技术仍然处于初级发展阶段, 但是, 随着各种纳米技术的不断发展, 以往传统的集成技术早就已经无法适应时代发展的新需求, 这就需要纳米电子技术以及纳米光电子技术的不断发展, 不断满足社会时代发展变化的新的需求, 在新的社会形势下, 这种新兴的技术也终将会逐渐普及并改善人们的生产生活。
参考文献
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[3]蒋建妞, 蔡琪玉.纳米电子学—电子学的前沿[J].固体电子学研究与进展, 2010, 17 (3) :218一226.
纳米光电子技术 篇2
本文提出了一种新颖的结合自组装技术和电子束直写曝光以及选择性化学沉积制备图案化薄膜方法.利用X-射线光电子能谱(XPS),扫描电子显微镜(SEM),透射电子显微镜(TEM)紫外可见光谱仪(Analytic Jena AG)进行了表征.结果表明该方法取得了选择性较好的图案化金薄膜微结构图形.文中对胶体金纳米颗粒尺寸的选择以及金薄膜图案的粘附性能也进行了探讨.该方法有望应用于微/纳电子工业中.
作 者：陈炯枢 陈学康 刘相 刘建喜 CHEN Jiong-shu CHEN Xue-kang LIU Xiang LIU Jian-xi 作者单位：陈炯枢,陈学康,CHEN Jiong-shu,CHEN Xue-kang(兰州物理研究所,表面工程技术国家级重点实验室,甘肃,兰州,730000)
刘相,刘建喜,LIU Xiang,LIU Jian-xi(中科院兰州化学物理研究所,固体润滑国家重点实验室,甘肃,兰州,730000)
纳米光电子技术 篇3
关键词：碳纳米管；传感器；超级电容场；致发射器；吸波材料
中图分类号：TB383 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）20-0050-02
碳纳米管（又称为巴基管）是碳的一种同素异形体，径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸可达微米量级。巨大的长径比赋予它优良的传热性能和力学性能，以其他材料为基体与碳纳米管混合，可使之具有超强的强度、韧性、抗疲劳性和各向同性，大大地改善原有材料的性能。本文就碳纳米管的一些性质，分析了其在机械电子领域的广泛应用，并对碳纳米管潜在的应用价值做了展望。
1 碳纳米管的性质
1.1 力学性能
碳纳米管短而强的碳-碳键能够阻碍外来杂质的侵入，巨大的长径比使其拥有“超级纤维”之称，轴向具有良好的柔韧性和回弹性，弹性模量与金刚石相近，在负载作用下，具有极好的抗变形能力，当外力消失后，能够像弹簧一样立即恢复原状。它具有极好的抗拉能力，强度是钢的100倍，密度却只有钢的1/6，是目前可制备出的比强度最高的材料。
1.2 热学性能
由于碳纳米管具有非常大的长径比，所以大部分热量是沿着轴向方向传递的，径向方向热交换性能很低，通过合适的取向，可以制成各向异性的热传导材料。石墨化程度对碳纳米管的热传导性能影响较大，石墨化程度越高，导热系数越大。
1.3 电学性能
碳纳米管具有特殊的电学性质，其导电性与直径和结构有关，既可以呈现金属性质，在某些条件下，还具有半导体特性，其导电率可达铜的10000倍，且相邻两层的碳管不会破坏对方的金属性或半导体特性。碳纳米管轴向的电阻率远远小于径向的电阻率，当碳纳米管的直径足够小时，还具有超导特性，使其在超导领域具有不可估量的应用前景。碳纳米管还是一种理想的场致发射器材料，其携带的电流密度高，与普通的发射器相比，功耗较低，并且能够在恶劣的环境下工作。
1.4 光学性能
碳纳米管具有良好的微波吸收能力，通过改变它的结构和浓度，可以调节其吸波功能，温度也能影响其吸波能力，经过高温处理的碳管，其内部结构经过重整，晶粒尺寸减小，有序化程度大大增加，介电常数的实部和虚部都减小，吸波峰点向高频方向移动，使得它对微波的低频部分吸收能力下降，高频区域吸波能力增强。
2 碳纳米管在机械电子元件中的应用
2.1 碳管在机械设备中的应用
碳纳米管具有很高的强度，将其作为复合材料或涂层的增强体，可以提高材料的减摩抗磨性能，降低汽车动力因摩擦而产生的消耗，降低传动系统的摩擦与磨损。碳管与塑料相聚合，可以制得高比强度和高弹性模量的功能塑料，碳管的密度极小，可在汽车的轻量化生产中发挥重大作用，还可以应用于汽车车身和轮船上，减轻介质对车身和船壁的腐蚀。
2.2 传感器
2.2.1 压力传感器。由碳纳米管构建的纳米压力传感器，不仅具有体积小、重量轻的特点，还能够降低功耗，扩大测量范围和提高灵敏度。碳纳米管具有很好的形变，诱惑电阻发生变化，可以作为压阻敏感元件，从而提高灵敏度。基于碳纳米管的电阻温敏特性，当温度变化时，碳管的电阻也随之变化，由于其具有非常高的电阻温度系数，因而可进一步提高灵敏度。
2.2.2 气体传感器。将碳纳米管置于材料基底上，可制得灵敏度高、响应迅速、尺寸小、能耗低的气体传感器，能够检测环境中的NH3、NO、H2、CO、O2、SO2和H2S。通过金属或半导体修饰以及金属氧化物修饰，都能够提高传感器的灵敏度，根据气体击穿时的电流，还可以测定气体的浓度，此种传感器还具有良好的选择性和防干扰性能。碳管气体传感器在生产、检测和测试领域都具有广泛的应用。
2.3 超级电容器
碳纳米管具有良好的导电性能和较强的机械性能，通过对其进行改性处理或与其他材料复合，可以制得提高电容器的电容特性。将其作为电极，还可以显著增强超级电容器的功率密度和能量密度。将碳纳米管进行活化处理，可以提高其比表面积，不仅可以增大超级电容器的电容特性，还可以改善其循环寿命。
2.4 投影显示仪
碳纳米管是一种优良的场发射冷阴极材料，由于其颗粒直径小、比表面积大，不仅可以增加显示屏的散射中心，增强散射效应，改善了显示屏的亮度均匀性，提高显示性能，还可以作为黑色组元增强显示屏的对比度，提高其对环境光的抗干扰性能。
3 碳纳米管衍生物
随着碳纳米管的不断发展，单一的碳管已经不足以满足其在多功能材料方面的应用，将碳管进行掺杂、填充、修饰、包覆、共混、接枝和超声波处理，可以得到复合碳纳米管，两种材料协同增效，不仅能够增强原有材料的力学性能，还能改善其电学性能。经超声波处理的碳纳米管具有复合电磁功能，可以作为雷达吸波材料和隐身材料。乙烯合成薄膜的碳纳米管密度高、吸附能力大，对挥发性的有机小分子具有很强的吸附能力。在碳纳米管中引入某些基团，可以提高催化剂的活性，增强催化性能。
4 碳纳米管的应用前景
碳纳米管拥有潜在的优越性能，利用碳纳米管可以制成像纸一样薄的扬声器，还可以充分发挥其强度和硬度上的优势，做成网球球拍，微型纳米收音机、纳米齿轮、纳米马达在不久的将来也有望走进人们的生活。此外，碳纳米管还可以应用于微型芯片、超声波粉碎机等。目前，碳纳米管的研究目标就是实现碳管的高度集成化、小型化，提高其与复合材料的相容性，这必将引起一场科技革命的新突破。
5 结语
碳纳米管由于其优异的力学性能和光电特性，在汽车、轮船、传感器、电容器和显示仪等机械电子领域具有广泛的应用，是最具有开发价值的纳米材料之一，在微型机器方面也有极大的潜在应用价值，随着应用的不断完善，在节能机械装置方面也将具有巨大的市场。
参考文献
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纳米光电测控技术研究 篇4
我国测控领域的科研人员经过四十多年长期探索, 不断研究, 克服了各种困难, 利用光、机、电、算多学科综合, 发展了一整套微/纳米光电测控新技术, 研制出新一代测控仪器, 已经成功地应用于军用、民用很多领域, 取得了明显效果。
一、纳米光电测控技术
纳米光电测控技术以纳米计量光栅为核心元件, 配以光电转换、信号读取、信号处理以及超精机械, 形成各种测量仪器, 可直接用于测量或控制长度、位移等多种几何量。具有测量精度高、量程大、环境适应能力强、稳定性好等优点。该项技术主要由传感器和数显装置两部分组成。利用该项技术所生产的产品具有自动求最大值、最小值、峰峰值、公英制转换、置数、打印、复位、自检等功能, 同时还具有RS232串行通讯接口, 与计算机、单片机等连接后可进行自动测量、自动数据处理和自动控制等优点。纳米测控技术包括纳米级的测量技术和纳米级的定位控制技术两个方面。
1. 纳米测量技术
目前, 纳米级测量技术的主要发展方向有光干涉测量技术和扫描显微技术等, 以表面粗糙度和表面形貌等为测量对象。
(1) 光外差干涉仪
光外差探测是一种对光波振幅、频率和相位调制信号的检波方法, 可以对于光强度调制信号。光外差干涉仪是使用两种不同频率的单色光作为测量光束和参考光束, 通过光电探测器的混频, 输出差频信号 (受光电探测器频响的限制, 频差一般在100兆赫以内) 的仪器。被测物体的变化如位移、振动、转动、大气扰动等引起的光波相位变化或多普勒频移载于此差频上, 经解调即可获得被测数据的仪器。目前, 通常使用的干涉条纹图的测量方法, 在进行纳米级测量时有非常大的局限性。因此利用外差干涉测量技术, 可以得到0。1nm的空间分辨率, 测量范围可达50mm, 促进了纳米技术的进一步发展。
(2) X射线干涉仪
X射线干涉仪以非常稳定的单晶硅晶格作为长度单位, 可以实现亚纳米精度的微位移测量。
可见光和萦外光的干涉条纹间距为数百纳米, 这种间距不易测量。而利用射线的超短波长干涉测量技术, 可以实现0。005nm分辨率的位移测量, 测量范围可达200μm, 是一种测量范围大较易实现的纳米级测量方法。近年来, 又产生了X射线形貌测量仪, 它采用掠人射角的射线来测量超光滑表面形貌。
(3) 激光频率分裂测长
激光频率分裂的值与分裂元件的位移有关。通过测频率测位移, 精度已达到1nm, 进一步稳定激光频率可达到0.01nm, 测量范围为150μm。
(4) 扫描探针显微 (SPM) 技术
SPM实际上是一个很大的家族, 它包括扫描隧道显微镜、原子力显微镜、磁力显微镜、激光力显微镜、光子扫描隧道显微镜及扫描近场光学显微镜等等, 利用它们可以用来测量非导体、磁性物质, 甚至有机生物体的纳米级表面。
扫描探针显微 (SPM) 技术是在扫描隧道显微镜 (STM) 发明取得巨大成就的基础上发展起来的各种新型显微镜。它们的原理都是通过检测一个非常微小的探针 (磁探针、静电力探针、电流探针、力探针) , 与被测表面进行不接触各种相互作用 (电的相互作用、磁的相互作用、力的相互作用等) , 借助纳米级的三维位移定位控制系统, 测出该表面的三维微观立体形貌, 在纳米级的尺度上研究各种物质表面的结构以及各种相关的性质。
扫描探针显微技术 (SPM) 具有以下特点: (1) 具有原子级的高分辨率。STM的横向分辨率可达到0.1nm, 垂直表面方向分辨率可达0.01nm, 这是目前所有显微技术当中分辨率最高的。 (2) 可以观察单个原子层的局部表面结构。STM观察的是表面的一个或两个原子层, 即几个纳米的局域信息, 而不是像光学显微镜和电子束显微镜只能获得平均信息。 (3) STM配合扫描隧道谱 (STS) , 可以得到表面电子结构的有关信息, 可以通过调节隧道结偏压来观察不同位置电子态密度分布, 观察电荷转移的情况, 还可以得到电子结构的信息。 (4) STM可以实时、实空间地观察表面的三维图像。而不像其他, 例如各种衍射方法所得到的只是倒易空间的图像, 不是实空间的, 而且只有进行“傅里叶变换”才能得到实空间图像。 (5) STM可以在不同条件下工作, 例如真空、大气、常温、低温、高温、熔温, 不需要特别的制样技术, 而且探测过程对样品无损伤, 因而扩展了研究对象的范围。 (6) STM不仅可用于成像, 还可以对表面的原子、吸附的原子或分子进行操纵, 从而进行纳米级加工, 这是其他技术所不具备的一种功能。
2. 纳米定位控制技术
在纳米级加工与测量中, 需要纳米级的三维定位与控制。目前, 用一个执行元件来实现大范围的纳米级定位是比较困难的。因此, 实际的定位机构多采用大位移用的执行元件和纳米级定位用的执行元件相结合方式来实现。实现三维定位与控制, 目前普遍采用压电陶瓷致动器件, 它在纳米级的极小范围内, 通过控制系统能实现近似的三维驱动。此外, 利用电致材料、静电或磁轴承式结构, 以及静电致动的高精度定位控制技术, 也向纳米级精度发展, 也可采用摩擦驱动装置及丝杠定位元件, 通过特殊的方法进行纳米级的定位。
二、纳米光电测控技术特点
光电测控技术采用的光电自动测量方法是为适应我国高速发展的测控领域的现状而逐步研究、开发形成的, 并以其独特的优点逐步成为当今世界范围内的一种新型、高精度的测试手段。它采用现代高科技手段, 测试精度涵盖了微米、亚纳米及纳米领域。
这种新型测控技术, 具有许多重要的特点:
(1) 首先, 它的应用覆盖面特别宽, 既可用于微米、亚微米量级, 也可用于纳米量级;既可用于传统机械、传统仪器的更新改造, 又可用于尖端科技的高层突破;
(2) 其次, 技术上综合性很强, 光、机、电、算容为一体, 具备了纯机械、纯电学、纯光学等传统测量技术很难达到的优越性;
(3) 再次, 它的应用范围特别宽广, 军用上, 如常规武器的改造提高;航空航天的各种测控等;民用上, 传统产业上的更新改造、制造业的技术提高等。
三、最近研究成果
目前世界上已出现了一些能达到纳米量级的测量仪器, 但在测量范围和实用性上尚不能完全满足实际要求。中国青旅实业发展有限公司所属标普纳米测控技术有限公司开发的两项科技成果在很大程度上弥补了这一领域存在的不足, 对微/纳米测控技术和相关领域的发展起到了促进作用。这不仅表明我国微/纳米光电测控技术处于世界领先水平, 而且对解决目前制约我国高新技术、传统制造业发展及新材料研制过程中的计量问题, 推动世界精密计量仪器的升级换代也具有重要意义, 同时标志着世界微/纳米测控技术向更精微迈进了重要一步。
“纳米测长仪”是一种通用长度传感器, 它的研制成功表明长度通用量具已经提高到了纳米量级, 并且从静态人工读数发展到数字化自动显示。其数显分辨率达到1纳米, 测量重复性 (标准偏差) 为0.8-1.2nm, 在未作误差修正的前提下, 10mm测量范围内示值误差优于±0.06μm。与国际上同类仪器相比, 它在分辨率、重复性、准确度和短时稳定性等主要技术指标上, 都处于国际领先水平。它用途广泛, 技术独特, 生产成本远低于国外同类产品, 推广应用前景广阔。
“量块快速检测仪”是一种新型的量块检测仪器, 它成功的将纳米测长仪应用到量块检测上, 将直接测量与比较测量结合起来, 对名义尺寸10mm及10mm以下的量块实现了直接测量。该仪器测量分辨率达到1nm, 直接测量范围10mm, 比较测量范围110mm, 与国外同类仪器相比, 主要技术指标达到了国际先进水平。该仪器还可以与计算机连接通讯, 实现数据自动处理, 从而提高了量块检验速度, 减轻了检测人员的劳动强度。由于其对环境温度不敏感, 现有基层计量室不必提高温控要求即可推广使用。该仪器经济实用, 适合基层计量室检测三等及三等以下量块。该科技成果在纳米光栅的制造与检测、纳米光栅的信号读取、光电信号的高质量处理和超精机构的加工改进等四方面均具有独创性, 集光学、机械、电子、计算机多学科于一体, 开发难度大。国内外多家科研单位曾致力于该种仪器的研究, 但都没能取得突破性进展。
四、结论与建议
纳米光电测控技术的应用, 将极大地促进我国新材料技术的研发, 对于各种新型材料的加工、检测及生产高精度新型材料的机械设备的制造等都有着举足轻重的意义。同时, 纳米光电测控技术解决了当代高新技术发展在测控方面面临的十分棘手的难题, 具有划时代的意义。
参考文献
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纳米科学技术与纳米材料发展综述 篇5
摘 要:介绍了纳米科学技术、纳米材料的概况及纳米材料的结构、特性、制备方法和应用前景.关键词:纳米科学技术;纳米材料;纳米效应
纳米是长度单位，原称“毫微米”即10’9米(10亿分之一米)。纳米科学是研究在1一100纳米内原子、分子和其他类型物质的运动和变化的学问。在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工，称为纳米技术。20世纪80年代，纳米材料体系开始为科学家所关注，目前已成为跨世纪材料科学研究的热点。纳米科学技术
纳米科学技术是在0.1~100 nm尺度上研究和应用原子、分子现象,并由此发展起来的多学科的、基础研究与应用研究紧密联系的新的科学技术.它是现代物理(介观物理、量子力学、混沌物理和分子生物学等)和先进工程技术(计算机、微电子和扫描隧道显微镜等技术)结合的产物.纳米并非是一个新名词,但是在Nano ST中的纳米却是一种新的思考方式,即生产过程要越来越精细,以致最后在纳米尺度上直接由原子和分子制造具有特定功能的产品.因此,随着Nano ST的发展,必将引发一系列新的科学技术.国际纳米科技会议将纳米科技分为6个主要部分,即纳米电子学、纳米物理、纳米化学、纳米生物学、纳米机械学和纳米测量学.其中纳米电子学处于重要地位,其研究的直接目标就是新型的纳米电子器件,在纳米器件中,最有特色的是单电子器件.其典型结构是纳米粒子,它的电子结构特点是一个势阱内具有分立能级的量子点,若处于量子点内的电子能量高于热起伏,那么就可以检测到单电子隧穿现象.在此基础上可以构造单电子晶体管、逻辑电路、存储电路以及纳米功能元件阵列的超高密度集成电路.与现在的微电子器件相比,它具有更低的功耗、更快的开关速度、更高的存储密度以及更高的集成度.因此,它不仅有丰富的理论内容,而且有极为现实的应用前景.2 研究纳米科技的背景和意义
从真空电子管的发明到晶体管的出现,从集成电路的诞生到大规模集成电路和超大规模集成电路的广泛应用,每一代小型化电子器件的出现,都带来了电子技术的革命,推动了电子科技的迅速发展,也促进了其它科技和社会生产的进步.特别是以微电子器件为基础的高速计算机的出现和个人计算机的广泛应用,使人类社会进入了计算机时代.促进计算机时代继续发展的一个重要因素是微电子器件的集成度不断提高,其芯片上的功能元件尺寸不断减小,按照目前功能元件尺寸减小的速度推算,不久的将来,芯片上功能元件的尺寸将进入纳米范围.目前,人类广泛应用的功能材料和元件,其尺寸远大于电子自由程,观测的电子输运行为具有统计平均结果.描述这些性质的主要是宏观物理量,现已有成熟的理论和技术.当功能材料和元件的尺寸逐渐减小到纳米量级时,其物理长度与电子自由程相当,载流子的输运将有明显的量子力学特征,传统的理论和技术已不再适用.因而,需要发展基于电子的波动性、电子的量子隧道效应、电子能级的不连续性、量子尺寸效应和统计涨落等特性的新的理论和新的技术.传统科学技术中元件尺寸是从毫米向微米过渡,现在,在新技术、新效应的应用中,功能元件的尺寸要求从微米向纳米过渡.如果再进一步发展,需要组装性能更新颖、结构更复杂的功能元件,就需要开发新材料和相应的组装技术,也就更需要多学科的协作与交叉发展.因此,从80年代后期开始逐渐发展起来了一个新的综合性的多学科交叉的研究领域———纳米科学技术.纳米科学技术的诞生将对生产力的发展产生深远的影响,并且有可能从根本上解决人类面临的一系列问题,例如粮食、健康、能源和环境保护等重大问题。纳米材料学
纳米材料学是纳米科技领域中发展最为迅速的学科。纳米材料包括纳米颗粒材料和由纳米颗粒组成的纳米相块体材料。纳米材料学主要研究纳米材料的制备、结构、性能及其应用等，是纳米科技与材料学交叉而成的边缘学科。
3.1纳米材料的特性
在生产实践中人们发现，如果将宏观尺度的物质微细化到纳米尺度，这种纳米颗粒在性能上就表现出与原宏观尺度物质完全不同的性质，人们将这种纳米颗粒称为“物质的新状态”。纳米物质之所以表现出这些奇异的性能，主要是由于物质进人纳米尺度后表现出了一些宏观物质不具备或在宏观物质中可忽略的物理效应。据目前人们对纳米颗粒的研究，这些效应主要有表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应等。
3.1.1表面效应
凝固态物理学告诉我们，处于物质内部的粒子和处于物质表面的粒子其状态完全不同，后者具有很高的能量和化学活性，在电子显微镜的电子束照射下，表面粒子仿佛进人了“沸腾”状态。一般情况下，由于表面原子数和整个物质的原子数相比微不足道，所以无表面效应显示。但当物质的尺度进人纳米量级，表面原子数就达到了不可忽略的地步(表1)，这时表面效应就表现得非常明显。纳米材料的表面效应可增加材料的化学活性、降低熔点等。利用这一特性可制作高效催化剂、敏感元件、用于高熔点材料冶金等。实际上，目前已成熟的粉末冶金法及无机材料行业普遍采用的粉碎一成形一烧结工艺流程，在一定程度上就是利用了这一原理。
3.1.2量子尺寸效应(九保效应)能带理论指出:由无数原子组成固体时，各原子的能级就合并成能带，由于各能带中电子数目很多，能带中能级间隔很小，可以看成是连续的。但对于纳米粒子，能带中能级间隔增大;当能级间距大于热能、磁能、电能、光子能量或超导态的凝聚能时，物质就会呈现出一系列与宏观物质截然不同的反常特性，这就是量子尺寸效应。量子尺寸效应会导致纳米物质在磁、电、光、声、热以及超导性等方面表现出与宏观物质显著不同的特性。例如，导电的金属在纳米状态下变成绝缘体;磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关，光谱线会向短波长方向移动等。有人曾利用九保关于能级间距的计算公式计算出金属银粒子在IK时出现量子尺寸效应时的临界尺寸为14nm，指出当银粒的粒径小于14nm时将变成绝缘体。
3.1.3小尺寸效应
当固态物质的粒子尺寸与光波波长、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性尺寸相当或更小时，晶体周期性边缘条件将破坏，非晶质的表面层附近原子密度减小，导致声、光、电、磁、热等特性发生显著改变，即谓之小尺寸效应。小尺寸效应为纳米物质的实用技术开拓了新领域，如果磁性物质当其处于纳米尺度时具有很高的矫顽力，可以制成磁卡，或制成磁性液体，广泛用于电声器件、阻尼器件、旋转密封、润滑、选矿等领域。利用等离子共振频率随尺寸变化的性质，可以通过改变纳米颗粒的尺寸控制吸收边位移，制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料，用于电磁波屏蔽、飞机隐型等。
3.1.4宏观量子随道效应
电子等微观物质具有穿越热垒的能力称隧道效应。现在人们发现一些宏观的量如纳米颗粒的磁化强度、量子相干器中磁通量等亦显示出隧道效应，称之为宏观量子隧道效应。宏观量子隧道效应早期曾被用来解释纳米镍在低温下继续保持超顺磁性等，后来发现在许多纳米物质中普遍存在。对宏观量子隧道效应的研究既有基础理论意义，又有重要的实用意义。它限定了磁介质进行信息存储的时间极限。量子尺寸效应和宏观量子隧道效应一起将会是未来电子器件的基础，一方面它指出了现有电子器件微型化的发展方向，同时又确定了其限度。纳米材料的制备方法
制备高纯、超细、均匀的纳米微粒，发展新型的纳米材料，就显得格外重要。通常，纳米微粒制备的要求是:(l)表面洁净;(2)粒子形状及粒径、粒度分布可控，防止粒子团聚;(3)易于收集;(4)有较好的稳定性;(5)产率高。随着纳米微粒研究的深入，对纳米超细微粒提出了不同的物理、化学特性需求，而解决问题的关键就在于研究、发展新的合成技术，并实现纳米材料的规模化、产业化。纳米超细微粒的制备方法很多，总体上可分为物理方法和化学方法，以物料状态来分可归纳为固相法、液相法、气相法，进而发展、衍生出模板合成法。具体包括固相物质热分解法，物理粉碎法，高能球磨法，水热合成法，表面化学修饰法，化学沉淀法，胶体化学法，溶胶—凝胶法，电解法，激光加热蒸发法，气相等离子体沉积法等。合成的方法各有优缺点，通常存在的问题往往是反应需要高温、大量使用有机溶剂、过程控制复杂、设备操作费用昂贵、颗粒均匀性差、粒子容易粘结或团聚等。因此，需要根据对纳米材料的不同要求和特点，选择研究不同的合成方法。由纳米粉体制备具有极低密度、高强度的催化剂、金属催化剂载体以及过滤器等工艺有待改进。
5纳米技术的前景
现在很多国家，尤其是美国、日本和欧洲都非常重视发展纳米技术，他们在纳米技术研究和应用方面投人的经费成倍地增加，我国政府也十分重视纳米技术的基础研究和应用。据有些科学家分析，我国目前纳米技术的基础研究处于世界上第5第6位，应用研究主要是纳米粉体(材料)的研究处于世界先进地位。纳米技术将是二十一世纪最关键的科学技术，将是二十一世纪里各个国家实力较量的最主要、最根本的领域，二十一世纪将是纳米技术的时代。
参考文献
纳米技术涌动未来 篇6
技术引擎：碳纳米管
纳米技术为何它会显得如此重要
人们之所以对纳米技术产生愈来愈浓厚的兴趣。很大部分原因是由于标准硅技术的发展空间已经接近极限。依照当前的技术水平。CPU等类似产品将无法延续体积更小化的目标。因为在同样不变的空间内，制造商已经不能装入更多的材料与晶体管。不过换成纳米技术，所有这些问题都迎刃而解。
纳米技术最大优势是可以让原材料的单位尺寸缩短至令人疯狂的数十亿分之一米的级别。在这种条件下，消磁以及传统的半导体处理技术早就已经失效。要知道在此之前，不论是数据存储还是围绕PC所进行的一切数据移动行为都离不开它们的作用。虽然现在的规则已经发生了改变，但不容置疑的是，这些技术依旧会在各种形式下被开发、利用，其所贡献的价值也将不再仅限于功能与速度上。而随着时间推移。到了最后其应用成本也会变得极为低廉。
纳米技术获得了全球性的普及。说不定此刻你就正生活在有它存在的环境中。Thomas Theis是IBM沃森研究中心负责研究物理科学的主任。他说：“总价值超过万亿美圆的信息技术产业正是建立在不断发展的小型化趋势基础之上”。在不远的将来，你所能买到的信息系统或许将比现在花同样的钱购得的系统，在复杂程度上高出1万倍。由此我们可以设想一下它所能带来的经济效益究竟会有多大。
从事纳米领域研究的学者，无论他是为政府服务还是为私人公司工作，都无一例外地承诺：其最终成果将会让信息技术实现新的突破，从而开发出备受瞩目的速度更快、体积更小、价格更便宜的设备。不仅如此，这些设备还具有普适性计算功能，这使其在实际生活中应用范围极广，而当中催生的某些产品的形状将会是人们之前闻所未闻见所未见的。这样一来．几乎所有人类能制造的东西都能随之得到性能上的提升。
Nantero公司的首席执行官Greg Schmergel解释到“我们正与其他研究人员一起．使用纳米技术来制造出小之又小的处理器，它的特点的不但拥有强之更强性能。而且还能与周围一切实物实现互联互通。不管在家中，还是办公室里。乃至车子上，其中的任何东西都将按照用户个人意愿被赋予智能与信息标识。”
五年后，当你再看到一台PC或掌上设备时，纳米技术应该已经无处不在。
－MATTHEW NORDANLUXRESEARCH总裁
虚拟世界，虚拟人生
你是否认为网络已经改变了自己的生活?这个问题让你感到、犹豫不决吗?难道要等到网络演化成一个高度拟真的3D世界才行?其实这都只不过是个时间问题而已。
我们已经感到网络游戏正散发出越来越奇异的光彩。在那里，玩家的声誉可以凌驾于玩家实际身份之上。有人对此或许还会抱以怀疑的态度，但随着不久前EVE Online这款以太空为大背景、完全开放式的多人在线游戏的推出，这都真真切切地发生了。我在这个游戏当中所扮演的角色是一名太空船驾驶员，叫Walker Spaight。
在某天我突然收到一条别人发过来的信息之前，我一直都在游戏中潜心经营着自己的产业，而那个发信息的人只不过是想证实我是不是“‘Second Life’(另一个3D在线世界)里那个同样也叫Walker Spaight的人”。他很幸运，我告诉他，的确就是同一个人，而这样的回复又燃起了对方更强烈的好奇心。显然，他为自己遇上一个“虚拟名人”而感到兴奋不已。
这点我承认，或许在EVEOnline里我仅仅是一个中等级别的战斗机驾驶员，但在Second Life这个拥有超过25万名成员的社区中，我的形象却属于金字塔尖上的那一小部分。在Second Life里有一份在线报纸负责报道这个虚拟世界中所发生的方方面面的事情，那就是大名鼎鼎的《Second Life先驱报》，而我的职业正是其中的一名编辑。在最近两年时间中，我已经挖掘出不少优秀的故事，比如对一些有意思的玩家及他们的创造物所进行的测试、报道正在发生的商业活动，还有开发并主宰了Second Life这个世界的公司所派发的任务等等。
虽然看起来仿佛我只是在对一个游戏进行报道，但像Second Life这样的3D虚拟世界正在变成人们日常生活中一个非常真实的部分。在下一个10年结束时，它们将会开始对我们的工作、娱乐方式进行大刀阔斧式地重新塑造，并在网上定义人们的身份。Philip Rosedale是Linden Lab公司的奠基人，现在任该公司首席执行官一职，他同时也是Second Life游戏的制作者，对他来说，在线世界的确立不亚于是“人类用于自我表达的一种新方式”。
不只是游戏
近来，在大型网络游戏领域比较耀眼的“明星”不外乎这么几个：网络创世纪、无尽的任务、魔兽世界以及EVE Online，其相似点在于都拥有自由共享的3D游戏空间。而再过10年，像这种开放式的游戏会大行其道。现在我们已经可以看到，在它们周围已经聚集了一批忠实玩家，何况这些人的数量还在不断增长之中。尽管到目前为止，或许还只有50万人曾经有过进入Second Life游戏的体验，但要知道，一旦放眼整个3D在线游戏世界，你会发现里面差不多有2000万到4000万正式的玩家，而且这个数字也在不断攀升之中。
其实，类似Second Life打造出来的可持续发展的世界，在某种意义上已经超出了游戏的范畴。就拿Second Life来说，玩家们若要获取经验值将无需以杀死各种怪兽或击毁众多飞船的方式，取而代之的是，游戏里的“居民们”依照个人喜好创建出各类东西，从房子、汽车到衣服，甚至是太空时代的武器以及可拆卸式飞机等等，总之只要是他们想像力所及之处，都能在游戏里实现。
事实上，整个游戏空间的构成也很简单，游戏运营公司提供的仅仅是“居民”日常生活的拟真状态。与其说它是一个游戏，倒还不如说它更像是一个平台：一个不仅能让玩家制造出有用的工具，还能实现你各种奇思怪想的地方!在这样的环境中，借助Web 2.0的强大力量，数以百万计的人可以互相借鉴、糅合、构建各自的梦想，最后再转化成新的表现力，以此建立一个人际关系的新“媒介”。它相对于今日的互联网来说更能拉近人与人之间的关系，人们能在其中工作赚钱、受教育、谈恋爱、互通信息以及尽情娱乐等等!
游戏狂人们常常会提到像“虚拟实境”这样的古怪名词，这个术语来自科幻小说家尼尔·斯蒂芬森1992年写的科幻小说《雪崩》。书中，斯蒂芬森描绘了一个超现实主义的数字空间“虚拟实境”，被地理空间所阻隔的人们可通过各
自“化身”相互交往，度过闲暇时光，还可随意支配自己的收入。如今，这些名词所代表的意义正逐渐在现实生活中显现出真实效果。
未来派的铁杆信徒JerryPaffendorf认为：“在虚拟实境中，进行娱乐、教育、艺术以及商业等活动都是八仙过海各显神通。”他在今年夏天的时候召集了大帮人马举行一个名为“虚拟实境路线图峰会”的会议，旨在对这项技术的发展进行规划，“再过几年，我们将看到该技术会日趋成熟，直至达到这样一种程度——它不再是个稀奇之物，只要点击Web页面中的超链接就可以很方便地进入到高仿真的虚拟空间中。当然这时你会发现里面已是一片人头攒动的景象。不过，我们现在依旧在学习如何对这项技术去伪存真，而且该过程还处在起步阶段。”
Jerry Paffendorf所提及的这个过程，将会引导我们通往一个物理现实生活与虚拟现实生活的交集地带。在2006年初，26岁大的RonBlechner辞掉了自己的手机网络技术员的工作，来到Second Life游戏里面开了一家“店面”，他所创建的这个小公司名为“Out of BoundsSoftware"，主要为非赢利的中介以及教育机构创建虚拟区域。此外，他开发的一个“3D维基”正在为纽约皇后区的一个耗资数百万美元重新设计的公共花园收集社区反馈意见。虽然收入并不十分丰厚，但不能否认的是，Blechner的经营事业依旧有条不紊地向前迈进。到2006年年底，这家提供虚拟世界服务的商店已经与另一家更大的公司结盟。对此，他不无感慨地说道：“这事已经成为我有生以来下的最好的决定。”
Ron Blechner在Second Life中的大名叫Hiro Pendragon，有兴趣的不妨去找他聊聊。
更值得注意的是，纽约皇后区很快也将在虚拟世界中建设一个公园。尽管他们目前还仅仅只是开始打基础，但可以认为在线“空间”正变成真实世界里商业、贸易以及设计图纸的一个延伸部分。建筑师们现在正开始使用Second Life作为一个平台，用来为客户完成一个原型设计；而应急供电部门则用它来开发一个紧急情况下的应对策略；喜达屋饭店集团则已在其中新开设了自己的Aloft连锁饭店。
不仅如此，娱乐业也紧紧抓住这个大好时机，最近MTV频道倾力打造的电视节目Laguna Beach就揭开了其虚拟版的真实面目。它会在There．com的虚拟世界中上映，届时，在这个经过数字化重新打造的节目所举办的“地域”内，死党们可以互相见面并扎堆。而在今年8月份，Duran Duran乐队也将会在Second Life上面开放自己的“未来派乌托邦”世界，在那里他们会举办音乐会，表演新的节目内容以及时不时地与歌迷进行交流。该乐队的键盘手兼歌曲作者Nick Phodes告知笔者说：“这是自MTV以来，在娱乐技术领域我所看到的最大进步!”
不过在此方面，紧跟在娱乐业后面的还有那些顶级银行、公关公司、汽车制造企业、消费品生产商等等，他们无一不是看中了这个新世界所蕴涵的极大潜力，并都已经对下一步工作拟订好了行动计划，且在另一边也早有接应。像刚才提到的Ron Blechner公司就是可以专门提供小规模的虚拟世界服务，更大点的需求则可以找Millions ofUs或Rivers Run Red公司，其中后者就曾经把Duran Duran乐队带进了Second Life世界中，至于这当中能提供最大、最完整服务的当属Electric Sheep公司，它里面有包括老板Jerry Paffendorf在内的将近20名全职雇员。
人类体验新方式
对于那些忠实的信徒，虚拟实境无疑是改变整个世界的一项重要技术特别是下一代互联网。其界面的易操作性丝毫不能掩盖内在的强大表现力。通过对下一代互联网技术的应用，人们可以以一种全新的方式来共享同样新颖的信息与互动体验。虽然现在看来，虚拟实境也许还不会完全取代Web，毕竟后者具备一些先天优势，比如通过电脑屏幕的平面阅读报纸显然要比3D虚拟环境容易得多。但虚拟实境将能在某种程度上极大地拓展互联网的功能。
很快，人们的生活将发生变革，虽不是彻底推倒重来，但相比过去15年由Web技术带给我们的变化，这次所造成的影响显然会更为深远。虽说现在的Web形式更便于阅读报纸，但你却不能通过点击自己感兴趣的报道，来让它呈现出报道事件发生地的3D图景，自然你也就无法与其他同时看到这篇报道的人一起，身临其境般地寻访那个令你兴趣盎然的地方。
在Second Life游戏世界中，所有“居民”都能在几乎不受时间约束的条件下随心所欲地打造出任何东西。但这也犹如一把锋利的双刃剑，潜在的生产力背后是潜在的破坏力，它们对环境的改变能力有时也太过强大。虚拟实境的技术核心还不是很成熟，你很难独自面对网络上横行的“强盗”、“窃贼”以及搞恶作剧的家伙。在SecondLife里，总是频繁发生一些“不幸”事件，比如有些人喜欢在别人的角色周围搭建笼子，好把他们给关起来，要不就释放过多自我复制的物品来增加服务器负载，最终令其宕机。许多观察家认为绝大多数这样的事件归根结底都是因在线通讯的匿名性所致，由此也证明：人们都希望能有一个稳定的在线身份。
美国新泽西州瑞德大学的临床心理学家John Suler长期从事电脑空间对学生心理影响的研究，他曾写道：“一个人对匿名(缺少正式身份)的体验感觉会犹如中毒一般不可自拔。”有些不良玩家专门妨害其他玩家进行游戏，破坏游戏世界的规章制度，并以激怒其他玩家为乐，所以有人提出通过建立只允许自己及受信同伴进入的专属私人世界来解决这个问题。
像MySpace、Flickr以及CyWorld(它是MySpace网站于2006年8月在美国推出的一个3D版本)这样的Web 2.0站点正日渐盛行，这揭示出人们渴望亲近世界的普遍心愿。他们想更方便、更丰富地进行在线自我表达，以与别人分享自己在一个朋友圈、家庭圈或其他任何可能接触到的圈子中想谈论的话题。
尽管如此，在线世界也只能对表达以及交互能力进行扩展延伸，来自Linden Lab的Rosedale认为：“在真实世界中，我们能想什么与我们能做什么之间存在有很大的差别，真实世界的性质决定了其无法随我们所愿。鉴于Second Life游戏中表现出来的自由度，未来几年内在3D世界中人人都将拥有一个“身份”。这个“身份”就是对你现实身份的
映射，在Second Life世界里用户所具备的人格特征在描述其精神境界方面将很有可能比现实世界来得更为精确、翔实。”
3POINTD世界我们把3D在线世界与Web 2.0技术的融合称之为Web3pointd，这是我在个人博客9http.//3pointd.com/)中所使用的一个术语，借以对一组较为松散的技术进行概括。这些技术在融入互联网后，其行为表达以及状态呈现方式都有了新的意义。电子邮件、即时信息、聊天、网络电话、视频会议的出现使人们之间的交流方式得到不同程度的丰富，但它们中没有谁能在一个虚拟世界中搭建出一种哪怕是最简单的交互关系。Duran Duran乐队的Nick Rhodes曾痴迷于Second Life游戏里的景象：附近正在发生什么事儿，于是很多人就会朝那儿扭头，这样的事情绝对不会出现在一个聊天频道中，而且这还只是个开始。
在类似于魔兽世界这样的在线游戏中，你可以在一边旁观其他玩家杀死可怕的怪兽，也可以伸出援手，或是与某些玩家进行你死我活的决斗等等。而在像Second Life这样的在线世界，则会从一个新的角度出发，让玩家从事一种综合了观察、协作以及交互等特点的活动。在这里，你能参加作家冯尼古特的谈话节目，或是民谣歌手Suzanne Vega的一场现场音乐会，你与自己的团队能够就某些感兴趣的话题举办一个沙龙，也可以时刻关注一个虚拟协同写作计划的进展情况。一旦自己的作品系列专辑被发布，那么你就能立刻收集到众多相关信息，比如谁会参加发布会，他们多久能到，他们都买了些什么纪念品，你将这些结果记录到一个Web站点中，以此来分析自己这次努力的结果是成功还是失败。当然，对于你的观众们来说，他们也同样能从网上分享到这些信息。
同样，其他那些基于Web的工具与3D在线空间也正开始发生交叉，Second Life已经完成了基于Web的购物和社交网站的制作，这些站点的主题和内容都与虚拟世界中所要表现的相符。而一群亚马逊网站的员工们则反其道而行，跑到Second Life里面完成了一个用于展示亚玛逊Web站点中所列产品的界面。因而在此虚拟环境下，你也能以同样的方式来浏览并选购这些产品。现在，不管是社交软件、购物站点，还是琳琅满目的Web应用程序，甚至是搜索引擎以及维基百科全书，它们都开始将目光投放在三维空间所营造的市场上，借以在Web上实现新的扩张。
结合新的3D技术，以上Web应用的能力得到了显著扩展。随着其在信息数据互动、改造人类自身和虚拟环境等方面的改变，互联网上又将可能涌现出一批新鲜事物，而最后的难题是当这些技术影响到现实世界时，人们将要选择自己究竟该身居何处。
在线空间对真实世界的还原已经初具雏形，这当中主要采取的方式是引入应用程序，像GoogleEarth以及Google Maps这样的服务。而在Google Maps地图服务中有一个名为“Mashup(混合)”的功能，它允许用户获取朋友住宅方位的资料、查找电影院位置以及电影放映时间、浏览现实世界不动产的清单列表、共享照片以及对污染、天气、交通进行监控等等。如果基于现在Google Earth地图程序，推出一个大型多人版本，那么用户不但能像此前一样可以任意对地图进行缩放，还能与其他人一起漫步其间，届时你就会体验到虚拟世界奇妙而强大的表现力了。至于在展示及操作数据、协作解决问题、学习并改进周围世界等方面，虚拟世界对此的解决方案也会立刻成型。
当然，最基本的多人环境其实就是地球本身。不过随着技术的进步，它也将成为虚拟实境的一个组成部分，不少“虚拟实境路线图峰会”的参加者都预想了这样一个未来：我们身边的东西都会不断地往手持设备里传输数据，而这些手持设备能让我们以现在无法想象的方式来对信息进行控制。相信，随着这些设备的处理能力、小型化以及显示能力不断的演进，我们终究会用一对专用镜片或是隐形眼镜以全3D方式来浏览互联网。
现在我所描述的不仅仅只是随身互联网，在你所到之处以及相处的人身上所发生的变化都可以成为你搜集与获取信息的方式，不论那些地点和人物是真实还是虚拟的。可以这样说，作为物理存在的我们每天都要与信息进行更为深入的结合。这也许听起来有点科幻小说的味道，但是互联网15年来的发展历程则暗示这是势在必行的。
当然，现在依旧有大量的问题需要回答，依旧有大量的障碍需要被克服。但请相信没有什么困难是无法逾越的，当数不清的人开始体验虚拟世界以及相关技术的时候，立法者与开发人员将会面临新的挑战。要是发展顺利，这些技术将能使我们获得前所未有的能力来更好地管理这个世界。既然如此，那么现在就已经是该开始考虑这些问题的时候了，看看窗外，未来的在线世界已经驾到。
纳米电子技术的发展与展望 篇7
1纳米电子技术现状研究
1.1纳米电子元件现状研究
电子元件从集成元件、超大规模集成元件最终发展成为纳米电子元件,纳米电子元件是其他两个元件的深入研究发展。
由于集成电路的规模越来越大,这就要求电子元件的规格越来越小,最终形成纳米电子元件,纳米电子元件的尺寸需要控制在0.1nm-100nm之间。比如已经问世的单电子晶体管,晶体管的一位信息数据就是一个电子信号,所以这个单电子晶体管的尺寸一定要够小。
1.2纳米电子材料现状研究
目前,市面上常见的纳米材料有:纳米半导体、纳米硅薄膜等。最具优势的是纳米硅电子材料,其电子技术对人类的发展具有跨时代意义,纳米硅电子材料的优势主要体现在:
(1)不耗时、低能耗、可靠性强、外界环境很难影响到其运用;
(2)研发、利用成本低;
(3)纳米硅材料中分子间距较短,所以硅电子材料的运行速度极快,进而材料的消耗低、耗时短。
纳米电子材料的问世是纳米电子技术的一个新突破,相信随着纳米电子技术的不断发展,人类生活的各个方面都会涉及到纳米电子材料,纳米电子材料也会给人类带来更便捷的生活方式。
2纳米电子技术未来发展
2.1碳纳米管的研究发展
碳纳米管作为纳米电子技术重要的一部分,未来的研究发展必不可少。1990年,碳纳米管在日本研发问世,其特殊的拓扑结构和极优的性能,具有很好的导电效果。碳纳米管能够很好地将金属性能与半导体性能结合,使金属性能和半导体性能达到最佳状态。其次,由于碳纳米管的质地较轻,可以在超大规模集成电路中实现纳米化性能,有效帮助计算机纳米电子技术化。
芬兰和日本的研究者在2010年研发了新型碳纳米管,该碳纳米管是介于半导体与金属性两者之间的材料,其平衡性良好,将这种新型的碳纳米管作为研究基础,可以制作超大规模的集成电路,帮助集成电路排列逻辑顺序,为纳米计算机的研发提供有效帮助。
目前,许多研究机构已经对碳纳米管的形成过程进行研究分析,形状小、质量轻的碳纳米管能够很好地提高运行速度,相比其他电子材料能够提速25%;在降低能耗的同时,可以实现电路的集成化。而且碳纳米管受到外界的干扰小,可以保证高速率的运行计算,存储空间和容量大,在未来会有更多领域涉及到这种纳米电子材料。所以,我国应该根据自身的发展要求,加大对碳纳米管的研发,更好地将纳米电子技术应用于人们的生活中。
2.2纳米硅薄膜的研究发展
作为目前世界上应用最广泛、涉及领域最多的半导体材料,纳米硅薄膜的研究发展关系到纳米电子技术的全面发展,纳米硅的研究发展可以更好地发展高性能的半导体材料。纳米硅薄膜的整个制作工艺流程与集成电路、硅器件的制作流程相似,所以,纳米硅薄膜的研发可以帮助量子功能进一步发展研制,将会提升纳米电子技术的整体发展,在纳米电子技术中起着重要的作用。
2.3新型电子元件的研究发展
随着纳米电子技术的不断发展,许多新兴的电子元件相继出现,纳米技术的研究已经遍布世界各地。
例如,美国耶鲁大学同英国等世界各高校联合研究分子半导体晶体管、纳米电子技术处理系统,并在2010年研制出了计算机自动编程技术,这一壮举预示着今后纳米电子技术会与计算机的发展相结合,广泛应用于科学技术。
2010年5月,美国同澳大利亚研究者通过隧穿显微镜研究单个原子的状态,最终创造出目前世界上体积最小的原子晶体管,实现了人类对单个原子的操控。世界上第一个人工制造原子的电子设备就此问世,标志着人类向信息处理的超强大和超高速性能有了新的突破。
2012年,美国科学研究者劳伦斯通过不断的实验研究,研制出了纳米电子系统,劳伦斯将纳米电子系统与生物技术相结合,实现了对三磷酸腺的操控,同时还将生物技术与纳米电子晶体管相结合,有效连接人体的大脑神经系统,达到无缝的电子界面。
在未来的几十年里,纳米电子元件的发展将会更加迅速,在此期间,研究者们会对新型电子元件进行更深入的研究,更多的纳米电子元件产品将会层出不穷,帮助人类探索更高领域的科学境界,提供更科学的研究方法。
2.4石墨烯的研究发展
英国在2000年将石墨烯研制出来,其碳基功能良好,相对于硅来讲更为优质。目前,对石墨烯的技术研究还是比较多的,碳原子是石墨烯的主要组成部分,单个的碳原子通过相互结合形成一种新型的碳化材料。石墨烯的问世,有效促进了其他碳制材料的发展,其硬度较大,并且只有一层碳基,相对于其他材料来说轻薄许多,可以实现高速率的载流,并能很好地控制宽带运行的速度。石墨烯的运用,将半导体的电学特征展现出来,并且与硅基相兼容,在器械上实现了碳基与硅基的共同使用。
2.5纳米生物电子的研究发展
近几年来,对纳米生物电子技术的研究更为深入。研究者将纳米电子技术运用于生物芯片,从而制造出纳米机器人。不同于一般的机器人,纳米机器人能够进入人类血管,帮助人们排除体内的有害物质,促进人体新陈代谢。纳米机器人作为一个清洁器,能够保证人类的身体健康。
3结束语
纳米电子技术的研究发展,推动着我国新兴科学技术的快速发展。在未来对纳米电子技术的研究中需要紧跟纳米电子新兴前沿技术,将纳米电子技术与物理、化学、计算机科学等学科领域相结合,促进科学等学科领域的全面发展。
参考文献
[1]刘长利,沈雪石,张学骜等.纳米电子技术的发展与展望[J].微纳电子技术,2011(10):617-622.
[2]余巧书.纳米电子技术的发展现状与未来展望[J].电子世界,2012(12):24-25.
[3]张鉴.纳米电子技术的发展与展望研究[J].中外企业家,2013(02):125.
纳米电子皮肤 篇8
经实验室测试, 这种电子皮肤几乎可以和人体皮肤一样感知不同的外部压力, 以相同速度传导触觉信号。尽管电子皮肤仍存在一些设计障碍尚未突破, 但已经可以运用到机器人制造等领域。
电子皮肤的基础体是一种聚合树脂制成的胶片, 胶片表面有粘性, 覆盖有发挥信号感知和传导作用的一种锗硅混合纳米线, 而后在纳米线上安装纳米级传感器, 再覆盖以一种对压力敏感的橡胶。
先期制作并投入测试的电子皮肤面积只有49cm2, 但它却可以感知从0帕到15千帕的压强。诸如人类敲打键盘、托物体时皮肤感知的压强均在这一范围内。
爱尔兰都柏林三一学院纳米学科学家高度评价这种电子皮肤, 称它是人造科学中“重要里程碑”, 解决了机器人触觉难关。现阶段, 机器人已经能够感知视觉和听觉, 加上已经初步成型的触觉, 机器人距离真正的人类感知力只剩下味觉和嗅觉两大障碍。
纳米光电子技术 篇9
近年来, 越来越多的研究者开始对一维纳米结构在各种纳米器件中所呈现出的新性质和应用潜能开展研究[1,2]。一维半导体材料因其良好的光学性质已在各种光电设备如发光二极管 (LEDs) 和存储设备[3,4]中广泛应用。为了提高光电器件 (PV) 的效率, 需要让光子产生的电子-空穴对可以进行有效分离[5], 然而光电器件的商业化生产因其成本较高及效率较低而被限制, 因此开发高效率且低成本、能进行电荷分离的新机制迫在眉睫。在大多数的光电设备中, p-n结是实现电荷分离不可或缺的一部分。近年来, 在不同半导体纳米线上的掺杂研究越来越受到研究者的重视。研究发现, 具有表面悬挂键的硅纳米线[6]和吸附氢分子的硒纳米线[7]可以提供受主能级捕获电子, 进而导致p型导电。纳米线的表面特性, 包括分子、原子吸附和表面悬挂键, 能够影响纳米线的基本性质。通过对圆形硅形态的控制, 其最高占据态和最低非占据态沿轴线实现分离[8]。这是由于结构的非对称性使其电势呈非对称分布, 导致电荷分离。
体结构碲是窄带隙半导体, 具有三重螺旋的链结构, 且具有较明显的各向异性[9,10]。对于一维的碲纳米结构来说, 体系的带隙和光学性质依赖于其截面形状和尺寸[11]。实验发现, 碲纳米带易于合成且具有良好的实践应用前景。然而, 关于碲纳米带这方面的理论研究还非常少。本研究将重点关注形状及表面修饰对碲纳米带电子性质的影响。
1 计算方法与模型
本研究的理论计算是基于密度泛函理论基础上的第一性原理方法[12,13], 采用投影缀加波 (PAW) 赝势法和广义梯度近似下PBE泛函对总能进行计算[14];取用的截断能是450eV, 这个截断能满足所有原子 (Te、H、F和H2O) 的需要;同时, 真空距离是8, 这个距离足以消除周期性边界条件下镜像晶胞之间的相互作用;在弛豫时, 将K空间划分为1×1×5, 而在体系能带结构计算时, 将K空间划分为1×1×10;所有原子的力收敛设置为0.01eV/。
晶体碲是一种典型的三重螺旋线状结构, 具有较明显的各向异性。在碲的体结构中, 碲原子受到原子链内部2个最近邻强共价键的作用和相邻链4个次近邻的弱相互作用, 如图1 (a) 所示。六边形碲纳米线因其最小表体比是最稳定的结构[15]。因此本研究考察了具有三重轴对称性的六边形结构的电荷分布。在此基础上, 本研究通过改变六边形碲纳米线的宽度, 使其变成沿x方向对称的碲纳米带 (NBs-Ⅲ) 。研究结构自身变化对电荷分布的影响, 并且进一步研究了原子或分子吸附对碲纳米带电子性质的影响。
2 计算结果与讨论
2.1 碲纳米结构的电荷分布
为了研究结构的非对称性对电荷分布的影响, 本研究重点考察了六边形碲纳米线和NBs-Ⅲ的VBM和CBM分布。图1 (b) 、 (c) 展示了六边形碲纳米线和NBs-Ⅲ费米能级附近的电荷分布。由图1 (b) 、 (c) 可知六边形纳米线的VBM和CBM分布具有三重轴对称性, 而NBs-Ⅲ的VBM和CBM分布沿着x方向对称, 这种电荷分布与其自身的结构对称性相符合。
在碲纳米结构中, 每个碲原子有2个最近邻, 但表面原子具有不同的次近邻数, 从而碲纳米结构呈现不同的对称性。在NBs-Ⅲ中, 表面原子不同的次近邻数, 导致结构两端的非对称性, 从而使得电子和空穴朝相反的方向运动, 实现电荷的内部分离, 电荷分布在纳米带的两端。电荷分离能够被表面结构的非对称性调控, 该发现有利于新型太阳能电池的设计。
2.2 碲纳米带上的原子和分子吸附
本研究主要考察NBs-Ⅲ纳米带上的吸附, 如图2所示 (1-9不同数字代表不同的吸附位置, 棕色球体代表碲原子, 白色球体代表吸附原子) ;通过对碲纳米带进行结构分析, 确定了9个不同的吸附位;通过理论计算得出最稳定吸附位, 同时还计算了不同倍数单胞的吸附。
2.2.1 H的吸附
通过依次在9个不同吸附位分别吸附1个H原子, 用第一性原理计算其总能 (NBs-Ⅲ为2倍单胞) , 比较得出当H吸附在2号位时, NBs-Ⅲ的能量最低且最稳定。之后分别计算了2倍、3倍、4倍和5倍单胞在最稳定位进行吸附时的吸附能Eads:
式中:Etot表示吸附后的总能, ETe表示吸附前碲纳米带的总能, EH表示氢分子能量的1/2。在实验中, 原子的吸附浓度非常低, 吸附的H原子之间没有相互作用, 但是直接模拟这个过程需要巨大的计算量。由图3 (a) 可知, 随着单胞数的增加, 吸附能逐渐降低, 最终趋于平缓, 且2倍和3倍单胞的吸附能差别很小。因此, 用2倍单胞进行吸附时H原子的作用可以忽略。另外, 吸附能为正值, 表示此吸附是一个吸热过程, 随着吸附能的降低, 结构更加稳定。
找到最稳定吸附位后, 需要研究吸附对碲纳米带电子性质的影响。由图3 (b) 可知, 碲纳米带是一个本征半导体。当在碲纳米带2号位置吸附1个H时, 能带结构中出现了缺陷能级, 这个缺陷能级离VBM的距离明显小于其与CBM之间的距离, 容易从VBM中获得电子, 碲纳米带呈现p型导电特性, 如图3 (c) 所示。
2.2.2 F的吸附
由H的吸附结果可知, 通过在碲纳米带上吸附原子能够改变碲纳米带的电子性质。接下来考虑另外一种化学性质更加活泼的原子F (F在形成化合物时容易获得电子) 。与吸附H一样, 在NBs-Ⅲ的9个不同位置分别进行F原子吸附 (NBs-Ⅲ是2倍单胞) , 通过理论计算得出在2位置进行吸附时能量最低, 即碲纳米带在吸附F时, 2位置也为最稳定位。同样在确定最稳定吸附位后, 也对2倍、3倍和4倍单胞分别进行吸附, 计算结果如图4所示。与吸附H一样, 碲纳米带的吸附能Eads随着单胞数的增加而逐渐降低, 最终接近实验中的情况。但与吸附H不同的是, 吸附F时, 吸附能是负值, 这就说明碲纳米带对F的吸附属于放热过程, 和H相比, 吸附F更加容易, 吸附后的结构也更加稳定。
本研究通过第一性原理计算研究碲纳米带吸附F后的电子性质。图4插图是计算出的能带结构图。由图4可知, 碲纳米带吸附F后, 能带结构中出现了缺陷能级, 且和吸附H相同, 此能级更加靠近VBM, 容易产生空穴和从VBM中获得电子, 导致碲纳米带呈p型特性。
2.2.3 H2O的吸附
与吸附H和F不同的是, 水分子的吸附有Te-H和TeO两种吸附模型。其中Te-H代表碲纳米带吸附水分子的H端, 而Te-O代表碲纳米带吸附水分子的O端。通过比较发现, Te-O构型对应的吸附能更低, 结构更加稳定。因此在接下来的讨论中都采用Te-O构型。
对于水分子的吸附, 除了需要确定稳定构型外, 还需要确定最稳定吸附位置。与H和F的吸附一样, 通过理论计算结果发现, 2号位置同样也是水分子最稳定吸附位。之后进一步对Te-O模型的电子性质进行了研究, 图5显示了吸附水分子后的能带图。由图5可知, 吸附水分子所产生的缺陷能级位于能带结构中深能级, 吸附后的结构仍然为半导体。水分子和碲纳米带是弱相互作用, 对碲纳米带的电子性质影响不大。
3 结论
本研究主要对碲纳米线和碲纳米带的电荷分布进行了考察, 并且重点关注了碲纳米带表面的原子和分子吸附特性。研究发现, 六边形纳米线的电荷分布呈三重轴对称性, 而对应的碲纳米带的电荷分布与结构自身的对称性相符。由于碲纳米带结构自身的非对称性, 导致内部电荷发生转移, 使得VBM和CBM分别分布在纳米带的两端。最重要的是, 不管碲纳米带上吸附H、F还是H2O分子, 碲纳米带上的2号位置都为吸附最稳定位, 对应的是CBM主要分布的位置, 且吸附H和F原子时, 碲纳米带呈现p型特性, 通过吸附原子改变了碲纳米带的电子性质。
参考文献
纳米光电子技术 篇10
关键词：二氧化钛纳米管,光电催化,降解,酸性橙,废水处理
偶氮类染料具有颜色品种齐全、色调鲜艳等特点,是目前常用的染料,如甲基橙、酸性橙等。但这类染料具有难降解、高毒性、高残留的缺点,任意排放会对人类生产生活用水造成较大危害。目前,偶氮类染料废水的处理方法有臭氧氧化法、超声降解法、辐射法和光催化氧化法等[1]。臭氧氧化法处理有机废水速率快、无二次污染,但存在臭氧利用率低、氧化能力不足及臭氧含量低等问题;超声降解法对含卤化合物的氧化效果显著,但仍处于实验室探索阶段[2];辐射法同样能够降解有害物质,但工艺要求高、能耗大、能量利用率低;而以TiO2为光催化剂的光催化氧化法具有光催化活性高、热稳定性好、无毒、价格低、可以利用太阳光作为能源等诸多优点受到极大关注[3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16]。但目前将Ti O2纳米管应用于光催化降解酸性橙染料的报道并不多见[17,18]。
本工作采用电化学阳极氧化法在金属钛表面制备锐钛矿型TiO2纳米管,并以TiO2纳米管薄膜为光催化剂,以酸性橙溶液模拟偶氮类染料废水,对以TiO2纳米管为光催化剂的光电催化降解酸性橙的反应条件进行了优化。
1 实验部分
1.1 试剂、材料和仪器
实验用试剂均为分析纯。
钛板、镍板:纯度99.6%,工业级。
WYK-505型直流电源:东方集团易事特公司;FA2104N型电子天平:上海民桥精密科学仪器有限公司;KQ-100B型数控超声波清洗器:昆山市超声仪器有限公司;JB-1A型磁力搅拌器:上海雷磁仪器厂;SX2-2.5-12型箱式电阻炉:天津市中环实验电炉有限公司;RSUV-500W型高压汞灯:主波长365 nm,天津瑞森特紫外线设备有限公司;LK3200A型电化学工作站:天津兰力科化学电子高技术有限公司;XD-3型XRD仪:激发光源为Cu Kα(λ=0.154 06 nm),靶电压35 kV,电流20 mA,连续扫描方式,2θ为5°~80°,入射光发散窄缝为0.1°,北京普析通用仪器责任有限公司;Zeiss Supra55型SEM:德国蔡司公司;CT-6023型酸度计:西安仪器仪表有限公司;SP-2102UV型紫外分光光度计:上海光谱仪器有限公司。
1.2 TiO2纳米管的制备
将厚度为0.3 mm的钛片切成10 mm×20 mm的长方形,经丙酮、异丙醇、甲醇、蒸馏水各超声处理10 min。自然干燥后在V(HF)∶V(HNO3)∶V(H2O)=1∶3∶4的水溶液中抛光处理2 min,经去离子水清洗后,在空气中自然干燥。
以经预处理后的钛片作为阳极,镍片作为阴极,以NH4F质量分数为0.5%、H2O体积分数为8%的乙二醇为电解液。用磷酸调节体系pH至4.5,在电压为60 V的条件下阳极氧化2 h。氧化反应结束后用去离子水冲洗钛片,干燥后在马弗炉中以10℃/min的升温速率升温至450℃,并保温2 h。降至室温后得到直接在钛片上生长的纳米管薄膜,即Ti O2纳米管。
1.3 TiO2纳米管光电催化降解酸性橙
将制备的TiO2纳米管固定在自制圆柱夹套光电催化反应器(φ=4 cm)中,以80 mL质量浓度为10 mg/L的酸性橙溶液为反应液,一定浓度的NaCl溶液为电解液。利用盐酸或NaOH溶液调节pH,在光电催化反应器的电极两端施加一定阳极偏压,室温下暗室搅拌1 h后,打开循环冷却水和曝气装置(空气流量为3.0 L/min),持续搅拌,同时开启紫外灯,间隔一定时间取样测定溶液吸光度。
1.4 分析方法
采用SEM观察TiO2纳米管的表面形貌;采用XRD仪测定Ti O2纳米管的晶型结构;采用酸度计测定溶液pH;采用紫外分光光度计在酸性橙最大吸收波长486 nm下测定酸性橙溶液的吸光度,计算酸性橙降解率。
2 结果与讨论
2.1 TiO2纳米管的表征
TiO2纳米管的SEM照片见图1。TiO2纳米管薄膜的XRD谱图见图2。由图1可见,纳米管结构高度有序,管轮廓清晰,管壁光滑,管径大小均一(约160 nm),管壁厚约7 nm,管长约4μm。
由图2可见:2θ在38.19°、39.95°、52.81°、70.46°处的衍射峰是钛基底的特征峰,这是因为TiO2纳米管长度较短,因此可以检测到钛基底;在2θ为25.07°、47.84°和62.76°处出现锐钛矿型TiO2的特征峰,表明试样经过450℃退火后具有锐钛矿相。
2.2 不同降解方式对酸性橙降解率的影响
不同降解方式对酸性橙降解率的影响见图3。由图3可见:当只通过紫外线照射或只通过电催化方式处理酸性橙溶液时,4 h内酸性橙只降解了5.90%和4.56%;通过光催化降解酸性橙,降解率有所提高,4 h后降解率可达58.98%;采用光电催化的方式降解酸性橙,降解率大幅提高,2 h内酸性橙基本完全降解。这是由于外加偏压能够有效抑制光生载流子复合,更多光生空穴能够在偏压作用下迁移至Ti O2表面参加反应,提高了光催化效率。
2.3 溶液pH对光催化降解酸性橙降解率的影响
溶液pH对光催化降解酸性橙降解率的影响见图4。由图4可见:酸性橙降解率在中性条件下最低,在偏酸性或偏碱性条件下较高;当溶液pH为3.0时,光催化降解4 h后酸性橙降解率达58.98%。这主要是受到TiO2等电点和自由基影响,一般认为水溶液中TiO2等电点为6.6[19]。当溶液pH>6.6时,TiO2表面带负电,对溶液中显负电性的酸性橙以及OH-产生一定的排斥作用;当溶液pH<6.6时,TiO2表面带正电,极易吸附溶液中显负电性的酸性橙以及OH-,这样紫外光激发产生的光生空穴能够及时与羟基生成羟基自由基,进而与吸附在催化剂表面的酸性橙进行反应。酸性橙中偶氮键在羟基自由基的作用下更容易发生开裂,偶氮键开裂后生成中间产物苯酚,苯酚极易被氧化成苯醌,醌式结构在酸性条件下更容易开环成小分子物质[20]。
2.4 外加偏压对光电催化降解酸性橙降解率的影响
外加偏压对光电催化降解酸性橙降解率的影响见图5。由图5可见:当外加偏压从0.4 V增至2.5V时,酸性橙降解率逐渐升高;外加偏压为2.5 V时,2 h内酸性橙基本完全降解;继续增加偏压降解率略有下降。这是因为TiO2空间电荷层的厚度有限,当光强固定时光生电子的数量也是一定的,外加阳极偏压到达一定值时,空穴与电子已经充分分离形成饱和光电流[21],在光电流接近饱和状态时,继续增大外加偏压对光电催化降解率影响不明显。
2.5 NaCl浓度对光电催化降解酸性橙降解率的影响
NaCl浓度对光电催化降解酸性橙降解率的影响见图6。由图6可见:当NaCl浓度由0增至0.05mol/L时,酸性橙降解率逐渐升高;NaCl浓度为0.05 mol/L时,反应30 min后,降解率达99.99%;继续增加NaCl浓度,酸性橙降解率反而下降。电解质的加入可以显著增强溶液导电能力,电荷转移加速,捕获光致空穴能力提高,反应速率加快。另外,Cl-能够被迁移至TiO2表面的光生空穴以及羟基自由基氧化成Cl2、HClO和ClO-等氧化性物种[22],这些含氯活性物种能够将有机物氧化,间接提高了光电催化反应活性。
2.6 TiO2纳米管重复利用性
重复利用性是催化剂的一项重要性能指标,高重复利用率可降低实际工艺成本。在溶液pH为3.0、外加偏压为2.5 V、Na Cl浓度为0.05 mol/L的最佳实验条件下,Ti O2纳米管的重复使用次数对光电催化降解酸性橙降解率的影响见图7。由图7可见,重复使用25次后酸性橙降解率仍可达94.57%,相比初次使用时的酸性橙降解率只出现了小幅下降,说明Ti O2纳米管的重复利用性能很好。
3 结论
a)采用电化学阳极氧化法制备的TiO2纳米管具有高度有序结构,管径160 nm、管壁厚7 nm、管长4μm;经过450℃退火处理后,呈锐钛矿型。
b)以TiO2纳米管作为光催化剂,光电催化降解酸性橙,在溶液pH为3.0、外加偏压为2.5 V、NaCl浓度为0.05 mol/L的最佳实验条件下,反应30 min,酸性橙降解率可达99.99%。
纳米技术改变世界 篇11
纳米，从未远离。它一直和其他技术相结合包装在层层“外衣”下，默默为人类提供着便利。未来，纳米科技有望在信息技术、生物医药、能源环境等领域，给人类带来更多福祉，甚至成为未来世界的改变者。
颠覆性变革印刷业
对于公众来说，纳米技术似乎远不如3D打印技术那么“看得见摸得着”，也不如智慧城市那样耳熟能详。它似乎被束之高阁，仅仅停留在实验室里。
事实真的如此吗？不久前，记者随同中科院北京综合研究中心工作人员到位于怀柔科教园区的中科纳新印刷技术有限公司，与印刷领域的纳米科技来了一次“面对面”接触。
“我们的核心技术是纳米材料绿色制版技术，这是一种非感光、无污染、低成本的新型印刷制版技术，”在中科纳新工作的中科院化学所博士纪艺琼介绍，“如果进一步推广，它必将引发整个印刷业颠覆性的变革。”
走进生产车间，几台看似不起眼的制版机躺在中间，几名工作人员正将一张铝板放进机器内，不多时，一张制好的版材就从机器尾端出口“跑”了出来。没有刺鼻的化学药水味，没有排污管道，甚至没有大的噪音，报纸、杂志制版过程轻而易举完成了。
“喷墨是手段，纳米是我们的核心技术，用纳米手段来实现亲水亲油区域的自由调控。”据纪艺琼介绍，纳米科技给印刷技术带来新的突破，不但环保，还可节约成本，“用这样的印刷设备，可节约30%左右的成本”。
据了解，该项技术的产业化正稳步推进，目前山东等地的报社已开始利用中科纳新的设备大规模印刷报纸。不产生废水，不造成重金属污染，印刷业革命已成为现实。
“纳米”就在我们生活中
除了印刷制版，纳米科技其实早已应用于人们的日常生活之中。只不过，它如同春雨一般，“随风潜入夜，润物细无声”，以至于公众都忽视了它的存在。
“拿纳米钢皂来说，其实技术早就成熟了，在很多地方也买得到。”据国家纳米科学技术指导协调委员会专家组秘书长、国家纳米科学中心科技管理部副主任任红轩介绍，纳米钢皂最早在德国生产出来，近年国内也出现同类产品。这种不锈钢肥皂，能有效去除鱼腥味等多种异味，但由于价格高昂并未进入超市销售，而主要在大商场贩卖。
“纳米科技早就无孔不入了。”在办公室里，任红轩拿起一部苹果手机向记者比画了一下，“这里面的芯片都是利用纳米技术制造出来的，但一般人谁知道？”
在芯片制造领域，纳米科技进步意义重大。每一台电脑、智能手机的生产都离不开芯片。目前，英特尔最先进的移动SoC（系统级芯片）采用22纳米工艺，高通的高端SoC采用28纳米工艺。采用纳米级较低的工艺生产芯片，可提高芯片的性能和能耗效率。最新消息是，英特尔将公布14纳米制造工艺，并表示将利用这项新工艺生产新一代智能手机和平板电脑芯片。毫无疑问，这将带来智能手机、平板电脑性能的新飞跃。
“前两年红火的纳米衣服，在技术上也有了新发展。”据任红轩介绍，国家纳米科学中心正在帮助一家企业研制一种耐高温、透气的纳米衣服，可用于高温下作业的特种行业，“我们提供材料和技术支持，他们生产”。
在医疗领域，纳米科技也早已应用多年。但相对于治疗，目前纳米科技主要在疾病检测领域发挥作用。科学家针对不同病情设计出不同试纸，“最简单的应用就是检查女性是否怀孕的试纸，用的也是纳米技术。”任红轩说。
据了解，2011年，国家纳米科学中心和检验检疫部门合作，研发了用于快速检测植物病毒的试剂盒，目前这种试剂盒已被海关部门投入使用。中科院生物物理所研究员阎锡蕴也向记者介绍，纳米科技在医学成像、农药检测等领域用途很广。她曾利用纳米模拟酶发展了肿瘤诊断新技术。该技术简便、快捷，突破了免疫组化法依赖于昂贵抗体的限制。
人们日常生活中必须用到的电池、手机显示屏等，也离不开纳米技术。“碳纳米管被用作导电材料，已经用于锂离子电池中，且实现了产业化；利用碳纳米管场发射性质制造的显示屏，在手机上的运用效果非常好，也已实现了产业化。”任红轩告诉记者，每当人们打开手机享受其带来的便利时，就已在不自觉地享受着纳米科技带给人类的福祉了。
下一次工业革命的核心？
1991年，碳纳米管为人类发现，此后被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等研究中。1999年，纳米技术逐步走向市场，全年基于纳米产品的营业额达500亿美元……
如今，纳米技术与信息技术、生物技术共同构成当今世界高新技术三大支柱。包括美国、日本、欧盟、俄罗斯等50多个国家和地区都有各自明确的纳米科技发展战略，并投入巨资抢占战略制高点。美国甚至将纳米计划视为下一次工业革命的核心。
“从我国对纳米技术的支持力度看，纳米研究一直是热点。”据任红轩介绍，近年国家在这方面投入的经费基本上每年在10亿元以上。此外，地方政府也有相应投入。当前及未来纳米科技热点在哪里？任红轩称主要集中在以石墨烯为代表的纳米材料、生物医药、信息技术、能源环境几个方面。
“石墨烯是由单层碳原子组成的二维晶体，可是制备功耗更小、速率更高的新一代纳米电子元件的重要基础性材料。它的发现是纳米科技发展史上，距现在最近的一个里程碑事件。”任红轩表示。
在生物医药方面，尽管纳米科技用于新药研发成功的案例不多，但这并非纳米本身的原因，而是因为世界上对药品的研发、上市有着严格审定程序。实际上，科学家们已在实验室研发出很多种新药，在临床数据的表现都很好，但因为审批的原因，正式上市尚需时日。任红轩举例说，经过10多年努力，一种名为“富勒烯包钆”的药物被研发出来，可用于治疗各种肿瘤。它的原理是可在肿瘤组织外围形成一个包围圈，阻断肿瘤组织与外界物质交换，从而实现抑制其生长的目的。目前，研究人员通过实验发现，它在治疗乳腺癌、胰腺癌方面疗效显著，已申请了三个国际专利和20多个附属专利，并通过了动物实验阶段，未来如果能够走入市场，可能会改变目前现有的肿瘤治疗方式。
在信息技术方面，纳米科技对提高每平方英寸存储器的存储密度、提高中央处理器的计算速度有着至关重要的作用。目前，中科院上海微系统所在纳米相变存储器的产业化关键技术上已取得重大突破。“时下流行的可穿戴智能设备，其芯片、材料将来都离不开纳米技术。纳米技术的进步将推进这些智能设备的发展。”任红轩说。
对于中国纳米科技未来的发展，任红轩称和国外主要区别是，我国企业在纳米科技创新方面所承担的角色不同。国内发展纳米科技的主体是科研院所和高校，大型企业参与较少，导致很多技术“沉淀”在机构与院校。“科技创新本来就应以企业为主体，如果没有企业参与，国家的投入再多都没有用。”
此外，纳米技术也亟须建立标准以及认证、认可制度。现在国内在纳米试纸、纳米太阳镜等部分成形的产品生产方面有相关企业标准，但谈不上国家标准，更多产品则缺乏标准，行业有些混乱。任红轩认为有关方面应在产业规范方面作出更多努力。
纳米光电子技术 篇12
柔性仿生传感器是一种用于实现仿人类触觉、嗅觉、味觉、听觉、视觉等感知功能的人造柔性电子器件, 该类器件在消费电子、军事、医疗健康等产业领域具有极大的应用潜力。随着柔性电子学的发展, 近年来, 新型可贴附、可穿戴、便携式、可折叠的柔性电子学器件的研究受到国内外研究者广泛关注, 并逐渐成为当前重要的前沿研究领域之一。
据了解, 该电子皮肤的原理是结合了具有微纳米结构的柔性基底和高灵敏度的导电纳米材料, 利用导电材料受微小压力或触觉引起的电信号变化来检测人体各项生理指标, 从而实现人体健康状况的实时诊断与评估。
张珽研究员课题组在前期碳纳米管导电薄膜可控制备的基础上, 巧妙地以低成本的丝绸为模板代替昂贵且制备工艺复杂的硅基模板, 实现了具有微纳米结构柔性导电薄膜的可控制备, 构筑出具有高灵敏度 (1.8Kpa-1) 、低检出限 (0.6Pa) 和高稳定性 (>67500 次) 的柔性仿生电子皮肤。