我國納米技術(shù)發(fā)展概況

我國納米技術(shù)發(fā)展概況

十余年前開始發(fā)展起來的納米科技，已成為目前受到廣泛關(guān)注、最為活躍的前沿學(xué)科領(lǐng)域。納米科技的發(fā)展，不僅可以使科學(xué)家在納米尺度發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、新規(guī)律，建立新理論，而且還將帶來一場工業(yè)革命，成為21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)增長的新動力。

　　在納米科技的發(fā)展初期，中國的科學(xué)家已經(jīng)開始關(guān)注這方面的研究。從1990年開始， 中國就"納米科技的發(fā)展與對策"、"納米材料學(xué)"、"掃描探針顯微學(xué)"、"微米／納米技術(shù)"等方面，召開了數(shù)十個全國性的會議。中國科學(xué)院還在北京主持承辦了第7屆國際掃描隧道顯微學(xué)會議(STM'93)和第4屆國際納米科技會議(Nano IV)。這些國際和國內(nèi)會議的舉辦，為開展國際間和國內(nèi)高校與科研單位間的學(xué)術(shù)交流與合作，起到了積極的促進(jìn)作用。

　　中國的有關(guān)科技管理部門對納米科技的重要性已有較高的認(rèn)識，并給予了一定的支持。中國科學(xué)院(CAS)和國家自然科學(xué)基金委員會(NSFC)從80年代中期即開始支持掃描探針顯微鏡(SPM)的研制及其在納米尺度上的科學(xué)問題研究(1987-1995)。國家科委(SSTC)于1990年至1999年通過"攀登計(jì)劃"項(xiàng)目，連續(xù)10年支持納米材料專項(xiàng)研究。1999年，科技部又啟動了國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目("973"計(jì)劃)-"納米材料與納米結(jié)構(gòu)"，繼續(xù)支持納米碳管等納米材料的基礎(chǔ)研究。國家"863"高技術(shù)計(jì)劃，亦設(shè)立一些納米材料的應(yīng)用研究項(xiàng)目。

　　目前國內(nèi)有50多所高校、20多個中科院研究所開展了納米科技領(lǐng)域的研究工作�，F(xiàn)有與納米科技相關(guān)的企業(yè)已達(dá)300余家。國家科研機(jī)構(gòu)和高等院校從事納米科技的研究開發(fā)人員大約有3000人。整體上國內(nèi)的納米科技研究涉及領(lǐng)域比較寬、點(diǎn)多分散，尚未形成集中的優(yōu)勢。國內(nèi)已有中國科學(xué)院、清華大學(xué)、北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、南京大學(xué)、華東理工大學(xué)等單位成立了與納米科技有關(guān)的研究開發(fā)中心。納米科技是多學(xué)科綜合的新興交叉學(xué)科，在多學(xué)科的集成方面，中科院、北京大學(xué)、清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等研究單位占有優(yōu)勢。

　　中國科學(xué)院在國內(nèi)最先開拓了納米科技領(lǐng)域的研究，具有突出的優(yōu)勢。從八十年代后期開始組織了物理所、化學(xué)所、感光所、沈陽金屬所、上海硅酸鹽所、合肥固體物理所以及中國科技大學(xué)等單位，積極投入納米科學(xué)與技術(shù)的研究。支持方向有：激光控制下的單原子操縱和選鍵化學(xué)；分子電子學(xué)-分子材料和器件基礎(chǔ)研究；巨磁電阻材料和物理納米半導(dǎo)體光催化和光電化學(xué)研究；材料表面、界面和大分子掃描隧道顯微學(xué)研究；碳納米管及其它納米材料研究；人造"超原子"體系結(jié)構(gòu)和物性的研究等等。與此同時，主持或承擔(dān)了多項(xiàng)國家級重大項(xiàng)目。

　　2000年中國科學(xué)院組織了有11個研究所參與的"納米科學(xué)與技術(shù)"重大項(xiàng)目，總投資2500萬人民幣。項(xiàng)目的主要研究內(nèi)容是：發(fā)展或發(fā)明新的合成方法和技術(shù)；制備出有重要意義的新納米材料及器件。希望通過項(xiàng)目的支持，在納米材料和納米結(jié)構(gòu)的規(guī)模制備，納米粉體中顆粒的團(tuán)聚和表面修飾，納米材料和納米復(fù)合材料的穩(wěn)定性，納米尺度內(nèi)物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)的探測及特異性質(zhì)的來源以及納米微加工技術(shù)等方面取得重要的進(jìn)展。

　　中國科學(xué)院在2001年還成立了由其所屬的19個研究所組成的中國科學(xué)院納米科技中心，開通了隸屬于中心的納米科技網(wǎng)站，并在化學(xué)所建成納米科技樓。納米科技中心圍繞納米科技領(lǐng)域的重點(diǎn)問題和國家、院重大科技計(jì)劃，組織分布在不同地域，不同單位的科技人員，利用納米科技網(wǎng)站與納米科技中心研究實(shí)體，實(shí)現(xiàn)有關(guān)科研信息、技術(shù)軟件和儀器設(shè)備的共享，體現(xiàn)科研紐帶、產(chǎn)業(yè)紐帶、人才紐帶、設(shè)備紐帶的優(yōu)勢，加強(qiáng)不同學(xué)科的交叉與融合，促進(jìn)自主知識產(chǎn)權(quán)成果向產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)化，加速高級復(fù)合型人才的培養(yǎng)，在統(tǒng)一規(guī)劃協(xié)調(diào)下，充分發(fā)揮儀器設(shè)備的效用。

　　中國的納米科技研究與國外幾乎同時起步，在某些方面有微弱優(yōu)勢。從近期美國《科學(xué)引文索引》核心期刊查詢，中國納米科技論文總數(shù)位居世界前列。例如，有關(guān)納米碳管方面的學(xué)術(shù)論文排在美、日之后位居世界第三。在過去的十年間，國家通過研究計(jì)劃對納米科技領(lǐng)域資助的總經(jīng)費(fèi)大約相當(dāng)于700萬美元，社會資金對納米材料產(chǎn)業(yè)化亦有一定投入。但與發(fā)達(dá)國家相比，投入經(jīng)費(fèi)相差很大。由于條件所限，研究工作只能集中在硬件條件要求不太高的領(lǐng)域。納米科技的其它基礎(chǔ)研究相對薄弱，研究總體水平與發(fā)達(dá)國家相比還有不小差距，特別是在納米器件及產(chǎn)業(yè)化方面。

　　中國的納米科技研究近些年取得了重大進(jìn)展，在以下方面具有自己的優(yōu)勢：

　　 1．納米材料

　　中國對納米材料的研究一直給予高度重視，取得了很多成果，尤其是在以碳納米管為代表的準(zhǔn)一維納米材料及其陣列方面做出了有影響的成果，在非水熱合成制備納米材料方面取得突破，在納米塊體金屬合金和納米陶瓷體材料制備和力學(xué)性能的研究、介孔組裝體系、納米復(fù)合功能材料、二元協(xié)同納米界面材料的設(shè)計(jì)與研究等方面都取得了重要進(jìn)展。

　　1）在納米碳管的制備方面，我國首先發(fā)明了控制多層碳管直徑和取向的模板生長方法，制備出離散分布、高密度和高強(qiáng)度的定向碳管，解決了常規(guī)方法中碳管混亂取向、互相糾纏或燒結(jié)成束的問題。1998年合成了世界上最長的納米碳管，創(chuàng)造了一項(xiàng)"3毫米的世界之最"，這種超長納米碳管比當(dāng)時的納米碳管長度提高1-2個數(shù)量級。他們在納米碳管的力學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)、發(fā)光性質(zhì)和導(dǎo)電性的研究中取得重要進(jìn)展。世界上最細(xì)的納米碳管也在2000年先后制造出來。先是物理所的同一小組合成出直徑為0．5nm的碳管，接著香港科技大學(xué)物理系利用沸石作模板制備了最細(xì)單壁碳納米管(O.4nm)陣列(與日本的一個小組的結(jié)果同時發(fā)表)，接著中科院物理所和北京大學(xué)在單壁碳納米管的電子顯微鏡研究中發(fā)現(xiàn)在電子束的轟擊下，能夠生長出直徑為0．33nm的碳納米管。

　　 2）清華大學(xué)首次利用碳納米管作模板成功制備出直徑為3-40nm、長度達(dá)微米級的發(fā)藍(lán)光的氮化鎵一維納米棒，在國際上首次把氮化鎵制備成一維納米晶體，并提出碳納米管限制反應(yīng)的概念。中科院固體物理所成功研制出納米電纜，有可能應(yīng)用于納米電子器件的連接。

　　中科院金屬研究所用等離子電弧蒸發(fā)技術(shù)成功地制備出高質(zhì)量的單壁碳納米管材料，研究了儲氫性能，質(zhì)量儲氫容量(Mass Capacity Of hydrogen storage in Carbon nanotube)可達(dá)4％。

　　3）在納米金屬材料方面，中科院金屬研究所的研究小組，在世界上首次發(fā)現(xiàn)納米金屬的"奇異"性能--超塑延展性，納米銅在室溫下竟可延伸50多倍而"不折不撓"，被譽(yù)為"本領(lǐng)域的一次突破，它第一次向人們展示了無空隙納米材料是如何變形的"。

　　4）在納米無機(jī)材料合成方面，中國科技大學(xué)的科學(xué)家發(fā)展了溶劑熱合成技術(shù)，發(fā)明用苯熱法制備納米氮化鎵微晶，首次在300℃左右制成粒度達(dá)30nm的氮化鎵微晶。該小組還采用非水熱合成制備金剛石粉末，開辟了一條十分有經(jīng)濟(jì)價值的技術(shù)路線。

　　5）在納米有機(jī)材料及高分子納米復(fù)合材料方面，中國科學(xué)院化學(xué)所在高聚物插層復(fù)合、分子電子學(xué)、富勒烯化學(xué)與物理以及二元協(xié)同納米界面材料方面取得顯著進(jìn)展，發(fā)展了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，有些已開始走向產(chǎn)業(yè)化。

　　6）在納米顆粒、粉體材料的研究方面，中科院固體物理所自主開發(fā)的納米硅基氧化物Si02-x，具有很高的比表面積(-640m2／g)。他們與企業(yè)合作，已建成了百噸級生產(chǎn)線，并在納米抗菌銀粉、新型塑料添加劑、傳統(tǒng)涂料改性等方面發(fā)揮了重要效用，已推出多項(xiàng)產(chǎn)品上市。華東理工大學(xué)在納米超細(xì)活性碳酸鈣3000噸／年的工業(yè)性實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，建設(shè)1．5萬噸／年大規(guī)模生產(chǎn)線，填補(bǔ)國內(nèi)空白。北京科技大學(xué)在納米鎳粉制備取得成績，分別應(yīng)用于國內(nèi)最大的鎳氫電池公司和日本新日鐵公司。北京化工大學(xué)于1994年發(fā)展了超重力合成納米顆粒的研究方法，現(xiàn)已建立超重力法合成3000噸／年的納米顆粒生產(chǎn)線，其規(guī)模和技術(shù)均為國際領(lǐng)先。天津大學(xué)研制納米鐵粉，使我國成為第二個工業(yè)化生產(chǎn)納米金屬粉體材料的國家。青島化工學(xué)院在納米金屬銅催化劑的研究開發(fā)中已有成功的經(jīng)驗(yàn)。

　　7）目前納米材料粉體生產(chǎn)線噸級以上的有20多條，生產(chǎn)的品種有：納米氧化物(納米氧化鋅、納米氧化鈦、納米氧化硅、納米氧化鋯、納米氧化鎂、納米氧化鉆、納米氧化鎳、納米氧化鉻、納米氧化錳、納米氧化鐵等)、納米金屬和合金(銀、鈀、銅、鐵、鉆、鎳、欽、鋁、銀、銀-銅合金、銀-錫合金、銦-錫合金、鎳-鋁合金、鎳-鐵合金和鎳-鉆合金等)、納米碳化物(碳化鎢、碳粉、碳化硅、碳化鈦、碳化鉻、碳化鈮、碳化硼等)、納米氮化物(氮化硅、氮化鋁、氮化鈦、氮化硼等)。

　　從納米材料的研究情況來看，研究領(lǐng)域廣泛，投入人員較多，許多科研單位都參與了納米材料研究，形成一支實(shí)力雄厚的研究力量。但應(yīng)該指出，目前納米材料研究的基礎(chǔ)設(shè)施還相對薄弱，納米材料的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新能力不強(qiáng)，生產(chǎn)規(guī)模偏小，自主知識產(chǎn)權(quán)不多。為了真正使納米技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，應(yīng)加大納米材料產(chǎn)業(yè)化力量的投入，尤其要注重納米科學(xué)的工程化研究和納米材料的應(yīng)用研究，鼓勵產(chǎn)業(yè)化有基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)的研究單位與其他研究單位聯(lián)合或研究單位與企業(yè)聯(lián)合，使實(shí)驗(yàn)室技術(shù)盡快轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，為國民經(jīng)濟(jì)增長作出貢獻(xiàn)。

　　 2．納米器件概況

　　在量子電子器件的研究方面，我國科學(xué)家研究了室溫單電子隧穿效應(yīng)，單原子單電子隧道結(jié)，超高真空STM室溫庫侖阻塞效應(yīng)和高性能光電探測器以及原子夾層型超微量子器件。

　　清華大學(xué)已研制出100納米(0.1um)級MOS器件，研制出一系列硅微集成傳感器、硅微麥克風(fēng)、硅微馬達(dá)、集成微型泵等器件，以及基于微納米三維加工的新技術(shù)與新方法的微系統(tǒng)。

　　中國科學(xué)院半導(dǎo)體所研制了量子阱紅外探測器(13-15um)和半導(dǎo)體量子點(diǎn)激光器(O．7-2．Oum)。中科院物理所已經(jīng)研制出可在室溫下工作的單電子原型器件。西安交通大學(xué)制作了碳納米管場致發(fā)射顯示器樣機(jī)，已連續(xù)工作了3800小時。

　　在有機(jī)超高密度信息存儲器件的基礎(chǔ)研究方面，中國科學(xué)院北京真空物理實(shí)驗(yàn)室、中國科學(xué)院化學(xué)所和北京大學(xué)等單位的研究人員，在有機(jī)單體薄膜NBPDA上作出點(diǎn)陣，1997年，點(diǎn)徑為1．3nm，1998年，點(diǎn)徑為0．7nm，2000年，點(diǎn)徑為0．6nm，信息點(diǎn)直徑較國外報(bào)道的研究結(jié)果小近一個數(shù)量級，是現(xiàn)已實(shí)用化的光盤信息存儲密度的近百萬倍。北京大學(xué)采用雙組分復(fù)合材料TEA／TCNQ作為超高密度信息存貯器件材料，得到信息點(diǎn)為8nm的大面積信息點(diǎn)陣3μm×3μm。復(fù)旦大學(xué)成功制備了高速高密度存貯器用雙穩(wěn)態(tài)薄膜。并已經(jīng)初步選擇合成出幾種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的有機(jī)單分子材料作為有機(jī)納米集成電路的基礎(chǔ)材料。

　　從納米器件的研究情況來看，國內(nèi)研究納米器件的科研單位相對比較集中，研究單位主要集中在北京大學(xué)、清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、南京大學(xué)和中國科學(xué)院等研究基礎(chǔ)相對較好，設(shè)備設(shè)施相對齊全的高校及科研院所，但大部分研究單位還停留在納米器件用材料的制備和選擇，以及新的物理現(xiàn)象的研究上。在納米器件原理及結(jié)構(gòu)研究等基礎(chǔ)研究方面力量相對薄弱，納米器件的創(chuàng)新能力不強(qiáng)。為了在納米器件研究方面取得突破性進(jìn)展，中國擬加大對納米器件基礎(chǔ)研究的投入，改善現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備與研究條件，鼓勵各研究單位合作研究，優(yōu)勢互補(bǔ)，多學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)。

　　 3.納米結(jié)構(gòu)的檢測與表征

　　中國科學(xué)院化學(xué)所和中國科學(xué)院北京真空物理室在90年代已開始運(yùn)用STM進(jìn)行納米級乃至原子級的表面加工，在晶體表面先后刻寫出"CAS""中國"和中國地圖等文字和圖案。中國科學(xué)院化學(xué)所先后研制了STM、AFM、BEEM、LT-STM、UHV-STM、SNOM等納米區(qū)域表征的儀器設(shè)備，具有自己的知識產(chǎn)權(quán)。開發(fā)了表面納米加工技術(shù)，為納米科技的研究起到了先導(dǎo)和促進(jìn)作用。最近化學(xué)所在單分子科學(xué)與技術(shù)及有機(jī)分子有序組裝方面有了很好的進(jìn)展，并開始對分子器件進(jìn)行探索性研究。中國科技大學(xué)進(jìn)行了硅表面C60單分子狀態(tài)檢測，為分子器件的研制提供了一些基本數(shù)據(jù)。

　　北京大學(xué)自行研制了VHU-SEM-STM-EELS聯(lián)用系統(tǒng)和LT-SNOM系統(tǒng)。建立了完整的近場光學(xué)顯微系統(tǒng)一近場光譜與常規(guī)光學(xué)聯(lián)用系統(tǒng)，并用此系統(tǒng)研究了癌細(xì)胞的結(jié)構(gòu)形貌。

　　綜上所述，我國的納米科技工作取得了一定的成績，尤其是在以碳納米管為代表的納米材料的研究方面，已經(jīng)步入世界先進(jìn)行列。而在納米器件方面的研究工作剛剛起步，研究工作受條件所限，研究力量比較薄弱。應(yīng)建立國家公用技術(shù)平臺，提高納米加工能力，并加強(qiáng)協(xié)調(diào)，組織力量進(jìn)行多學(xué)科攻關(guān)。突破納米器件關(guān)鍵技術(shù)。在納米材料的研究工作中，應(yīng)加強(qiáng)原創(chuàng)性工作，應(yīng)用性研究、工程化研究應(yīng)加大投入力度，使納米材料盡快產(chǎn)業(yè)化，成為國民經(jīng)濟(jì)新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。 節(jié)能測試儀| 測長儀/測距儀| 輻射測試儀| 汽車檢測儀| 流速儀| 探測儀| 氣壓表| 電磁波測試儀| 激光隧道斷面檢測儀| 裂縫觀測儀| 橋梁撓度檢測儀| 粗糙度儀| 金屬探測器| 纜線故障定位儀|