纳米科技及其应用

2013大学生课外研学论文

纳米科技及其应用

王晨（04011344）

（东南大学 信息科学与工程学院 南京 211100）

摘 要： 本文主要讨论什么是纳米科技，纳米科技的发展状况以及前景，然后举出纳米科技在纳米电子学、能源与环境、医疗护理等领域的应用。 关键词：

纳米科技；应用；纳米电子学；能源；环境；医疗护理

Nanotechnology and Its Applications

Wang chen

( Southeast University Institute of information science and technology Nanking 211100 )

Abstract: This thesis mainly talks about what is nanotechnology, and the current and potential development of it, then some

applications of Nanotechnology in Nano-electronics, Energy and Environment, and Healthcare will be provided. Key word:

Nanotechnology; Applications; Nano-electronics; Energy; Environment; Healthcare

一、纳米科技（Nanotechnology）简介 1.概念

纳米科技的定义：纳米科技是研究由尺寸0.1～100nm之间的物质组成的体系的运动规

律和相互作用以及实际作用中的技术问题的科学技术。

纳米科技作为一门新兴技术，它以许多现代先进科学技术为基础，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、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，纳米科技又将引发一系列新的科学技术，例如纳米电子学（Nano-electronics）、纳米材科学、纳米机械学等。纳米科技是一门应用科学，其目的在于研究于纳米尺寸时，物质和设备的设计方法、组成、特性以及应用。

纳米科技是学习纳米尺度下的现象以及物质的掌控，尤其是现存科技在纳米尺度下的延伸。纳米科技的世界为原子、分子、高分子、量子点和高分子集合，并且被表面效应所掌控，如范德瓦耳斯力、氢键、电荷、离子键、共价键、疏水性、亲水性和量子穿隧效应等，而惯性和湍流等宏观效应则小得可以被忽略掉。

对微观世界的持续探究已使得新的工具诞生，如原子力显微镜和扫描隧道显微镜等。结合如电子束微影之类的精确程序，这些设备得使人类可以精密地运作并生成纳米结构。纳米材质，不论是由上至下制成(将块材缩至纳米尺度)，主要方法是从块材开始通过切割、蚀刻、研磨等办法得到尽可能小的形状（比如超精度加工，难度在于得到的微小结构必须精确）。或由下至上制成(由一颗颗原子或分子来组成较大的结构)，主要办法有

化学合成，自组装(self assembly)和定点组装(positional assembly)（难度在于宏观上要达到高效稳定的质量），都不只是进一步的微小化而已。

纳米科技的神奇来自于其在纳米尺度下所拥有的量子和表面现象，并因此可能可以有许多重要的应用和制造许多有趣并实用的材质。

2.历史渊源

纳米科技是尖端科技，却早就存在身旁。举例来说，就是莲花表面的出污泥而不染的特性。莲花表面的细致结构和粗糙度大小都在纳米尺度的范围内，所以不易吸附污泥灰尘。莲花的出污泥而不染是自然天成，这比人类的任何清洁技术还高明。这种莲花表面纳米化结构，自我清洁的物理现象，就被称作莲花效应(lotus effect)。其实大自然中有很多纳米科技的神奇的应用，从这种意义上讲，纳米科技历史悠久。

其实，人类对于纳米技术的认识，灵感来自于已故物理学家Richard Feynman1959年所作的一次题为“There is Plenty of Room at the Bottom”的演讲。这位当时在加州理工大学任教的教授向同事们提出了一个新的想法。从石器时代开始，人类从磨尖箭头到光刻芯片的所有技术，都与一次性地削去或者融合数以亿计的原子以便把物质做成有用的形态有关。Feynman质问道，为什么我们不可以从另外一个角度出发，从单个的分子甚至原子开始进行组装，以达到我们的要求？他说：“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。”

此外，扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）的发明为人类从有想法到具体实践开辟了道路。

3.发展现状及前景 （1）现状

纳米技术发展才短短几十年，却取得了许

多惊人的成果。纳米科技方面取得的初步成果已引起各发达国家的极大重视，美国最早

2013大学生课外研学论文

成立了纳米科技研究中心，开展了预研究。许多大学的研究室、公司研究，STM等纳米技术产品已初步实现产业化，并已将纳米加工列为国家关键技术。日本制定了庞大的国家计划开展纳米技术的研究，创办了“原子工厂”，将利用原子、分子直接构造产品这个战略付诸行动。

我国也对纳米科技予以足够的重视。政府制定了纳米科技发展战略对策，对发展我国纳米科技进行了部署，其中将纳米材料的制造科学和性能研究列入“八五”重点项目。我国纳米科技已取得重大进展。如中科院化学所研制出了STM,并用其进行了石墨表面刻蚀；中科院北京物理实验研究室研究了一种新的表面原子操纵方法，成功地在单晶硅表面上提走硅原子，形成宽度为2nm的线条等等。这些技术的突破是我国纳米科学的重大进展，在高密度信息储存、纳米电子器件、量子阱器件、新型材料的组成和物种再选等方面有广泛的应用前景。

（2）发展前景

纳米科技是21世纪科技产业革命的重要内容之一,纳米技术会将人类带入一个奇迹层出不穷的时代，一个技术大爆炸的时代。科学家们预计，纳米技术在新世纪中的应用前景广阔，已经涵盖了材料、测量、机械、电子、光学、化学、生物等众多领域，信息技术与纳米技术的关系已密不可分。纳米技术作为第四次工业革命的先导，将推进和改变人类社会的发展。

既然人类对纳米技术如此的重视并寄予厚望，那么在展望未来前景的同时，下文将讨论目前已发展起来的纳米科技在纳米电子学、能源、环境、医疗护理等领域的最新应用。

二、纳米科技的应用 1.纳米电子学领域

纳米科技中具有主导或牵头作用的便是纳米电子学，它是微电子学发展的下一代。纳

米电子学来自电子工业，它立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储存和处理信息的能力，实现信息采集和处理能力的革命性突破，纳米电子学或将成为未来信息技术的核心和支柱。

①新型电子元器件

近年来，纳米电子研究步伐加快，新型电子元器件不断涌现。

2009年10月，美国耶鲁大学与韩国光州科学技术研究院合作利用单个苯分子制成世界上首个分子晶体管。2010年11月，美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室和加州大学将10nm半导体砷化铟层集成在硅衬底上，制造出一块纳米晶体管。2011年12月，美国德克萨斯A&M 大学研制出首个能在高温下工作的自旋场效应晶体管（FET）。2012年9月，美国匹兹堡大学制造出了核心组件直径只有1.5nm的超小型单电子晶体管“Sketch ET”，将成为制造下一代低功耗、高密度超大规模集成电路的理想器件。

未来10～20年电子元器件技术将迅猛发展，新型电子元器件将不断走向实用。单电子器件、共振隧穿电子器件、纳米场效应晶体管、纳米尺度MOS器件、分子电子器件、自旋量子器件、单原子开关等新型信息器件的研究将不断取得突破，促使纳米电子技术向着延续、扩展摩尔定律和超 …… 此处隐藏：7872字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……