第一章 奈米科技简介.ppt

1、第1章纳米技术简介，1.1前言1.2什么是纳米技术？什么是纳米技术？1.3工业革命和纳米技术1.4国内纳米技术相关动态简报1.5纳米国家科技项目1.1前言，最近流行的纳米技术不是新发明的技术或事物，而是指纳米技术和产品的研究，统称为纳米技术。纳米是大小的单位名词。纳米是纳米(十亿分之一)加米(米)，字面意思是十亿分之一米，即十的九次方。在日常生活中，大至米的东西，如家畜、猫和狗，以及大至1%米的东西，如昆虫和真空管，都是可以想象的。在毫米阶段，有半导体器件、微机电器件和大肠杆菌。当尺寸减小到微米(百万分之一米，负六次方十米)时，就有病毒、基因链、记忆(动态随机存取存储器)、单个电子元件等等。先

2、进到纳米大小，有氨基酸，碳纳米管和其他产品。如果你变小，你将到达分子和原子的阶段，它们是物质最基本的结构成分。纳米技术近年来兴起并变得流行的主要原因是，当半导体进入微米阶段时，它们将在0.13微米以下的制造过程中遇到技术瓶颈，而纳米技术旨在研发更精细的组件工艺，为半导体行业提供了突破性的可能性。对于其他行业来说，纳米技术不仅使物体变得更小，还改变了它们的物理特性，产生了许多新的结构和新的用途。近年来，电子、机械等相关行业发展起来的微精密制造技术可以制造微米甚至亚微米的零件和结构。微精密制造方法将加工范围缩小到微米级。通过使用光刻、LIGA、微放电加工、DIA刀加工和聚焦离子束加工，可以制造任意

3、微结构，例如微传感器、微马达、微冷却器、微机器人等。1.2纳米是什么？什么是纳米技术？在纳米尺度上，物质将表现出不同于宏观尺度的物理、化学和生物性质。所谓的纳米技术是利用这些知识将原子或分子结合成新的纳米结构，然后在此基础上设计、制造和组装新的材料、组件或系统。在半导体等传统精密工业中，纳米技术从自下而上到自上而下的过程在概念上是完全不同的。纳米技术的三个领域，纳米技术的应用(1/7)、材料和制造、纳米技术，改变了未来制造材料和器件的方式。挑战包括：设计材料的合成、生物和生物活性材料的开发、低成本大规模生产技术的开发，以及确定纳米材料失效的原因。它的应用包括：(a)不用机械加工就能制造出具有实

4、际形状的金属、陶瓷和聚合物纳米结构材料。(b)使用具有最佳染料和颜料特性的纳米级颗粒来改善印刷。(c)使用纳米粘结和电镀碳化物和纳米涂层作为电子、化学和结构应用的切割工具。(d)纳米尺寸测量标准。(e)在单个芯片上执行复杂的多功能高级纳米处理。纳米技术(2/7)纳米电子学和计算机技术的应用，(1)具有纳米结构的微处理装置将继续低能耗、低成本的发展趋势，从而将计算机的效率提高数百万倍。(二)传输频率高、频谱效率高的通信系统可将带宽提高至少10倍，可应用于商业、教育、娱乐和国防。(三)1,000 GB的小型和轻型存储组件的功能将比当前组件多几千倍。(4)纳米结构传感器系统具有体积小、重量轻和节能的

5、特点，具有收集、处理和传递大量信息的功能。由于新的巨磁电阻现象的发现，纳米技术将在未来十年完全取代旧的计算机磁记录头技术。其他潜在的突破包括：纳米技术的应用(3/7)、医学和健康，(a)快速有效的基因序列，在诊断和治疗中具有革命性的效果。通过使用远程控制或即时生活元素，提供有效和廉价的医疗服务。(c)新药的配方或递送途径。(d)更耐用的人造组织或器官。视觉或听觉辅助。(f)用于检测新出现的人类疾病的传感系统。生命系统受纳米尺度的分子行为控制。目前，化学、物理、生物和计算机模拟都在向纳米尺度发展。其潜在应用包括：纳米技术的应用(4/7)航空和空间探索，以及(a)低功耗和高抗辐射的高性能计算机。微

6、型航天器的纳米设备。纳米结构传感器和纳米电子仪器可以促进航空电子设备的发展。(d)隔热和耐磨的耐大米结构涂层。纳米结构材料可用于设计和制造重量轻、强度高和热稳定性高的飞机、火箭、空间站和空间探索基地。此外，低重力和高真空的空间环境有助于开发无法在地球上制造的纳米结构或系统。这些应用包括：纳米技术的应用(5/7)环境和能源，以及(a)纳米催化剂的使用，这可以大大提高化学工业的生产率。孔径约为10-100纳米的介孔材料在石油工业中广泛用于去除精细污染物。纳米颗粒增强聚合物材料可以替代汽车工业中结构金属部件的应用。纳米级无机粘土或聚合物材料可用于制造更加环保和耐磨的轮胎。纳米技术在能源效率、储存和生

7、产方面具有巨大潜力。例如，纳米技术的应用(6/7)在生物技术和农业中，生命的基本要素，如蛋白质、核酸、脂肪、糖等。因为它们在纳米尺度上具有不同的尺寸和类型，所以具有独特的性质。生物合成和生物过程提供了制造新化合物和药物的新方法。纳米技术对农业发展的直接帮助包括能够滋养作物和防止昆虫的纳米分子工程化合物、动植物基因改造工程、动物基因和药物传播以及纳米阵列的DNA检测技术。纳米技术的应用(7/7)国家安全，(a)通过纳米电子技术提供各种连续的信息。(二)利用纳米计算机技术设计更复杂的虚拟现实仿真系统，提供更有效的培训。大量先进的自动化和机器人被用来减少部队所需的人力和危险，并提高车辆的性能。实现军

8、用平台要求的更高性能，同时降低故障率和生命周期成本。提高化学、生物和核传感能力以及灾害保护。设计一个改进的核扩散监督和管理系统。(g)连接纳米和微机械部件，以控制核防御系统。纳米技术在国家安全中的主要应用包括：1.3工业革命和纳米技术。工业革命(1840)实际上是一场技术革命，它表明机器取代了人力，由大型机器生产，因此工厂取代了手工生产，这不仅大大降低了生产成本，而且提高了劳动效率。从18世纪早期到19世纪中期，它被称为第一次工业革命，以蒸汽机为主要标志。随着热力学和电磁学的物理理论的发展，19世纪后期的工业革命主要是用内燃机和发电机代替蒸汽机，这被称为第二次工业革命。20世纪中后期，人类开始

9、使用计算机。第一台计算机是宾夕法尼亚大学在1945年成功开发的，也被称为计算机。文明进化的速度变得更加猛烈，这是自那时以来的第三次工业革命浪潮。纳米技术是21世纪的工业革命，是第四次工业革命浪潮。世界将纳米技术视为下一轮工业技术革命和下一阶段制造业的核心领域。它还将重新绘制未来全球高科技竞争的地图，更有可能给人类生活带来不可避免的影响。新纳米公司，1.4国内纳米技术相关动态简报2002/01年，ITRI指出纳米技术具有量子和表面的新物理效应，这将彻底改变传统产业和技术产业。ITRI光电技术研究所宣布将投资纳米存储，未来将会有容量比现在的DVD光盘高几百倍的纳米光盘。此外，ITRI电子研究所宣布

10、使用纳米电子技术来提高现有芯片的密度和速度，并降低功耗。寻求更快、更低的能耗和更小的元件是世界集成电路发展的共同目标。ITRI电子研究所指出，目前纳米电子技术的发展包括四个主题：自旋电子学、新介电材料、碳纳米管器件和量子器件。2002/02年，经济部工业局为了配合纳米国家科技计划，实施纳米技术在产业中的应用，将协助传统产业培养更多纳米技术人才，鼓励传统产业抢占纳米技术快车。加拿大代表处科学团队表示，加拿大在纳米材料、集成电路设计和纳米医疗仪器开发方面具有前瞻性能力，而台湾具有强大的制造和快速工业化生产能力，并积极参与纳米技术研发。台湾集成电路公司指出，台湾有机会在半导体纳米技术领域领先世界。2

11、002年3月，ITRI能源研究所指出，染料敏化太阳能电池的发电技术主要是通过纳米染料层吸收阳光并将其转化为电能。由于发电效率的提高和成本的降低，如果将来能与建筑物的外墙和窗户材料结合，建筑物就能提供自己的电能，具有很大的发展价值。染料敏化太阳能电池以玻璃为基础，利用多孔纳米结构电极层表面积的特点，大大提高了光电转换效率。据ITRI经济研究中心称，纳米技术在新一代工业中的应用可应用于电子、磁性材料和光电工业，有九种应用，如化学机械抛光、磁记录介质、光纤、导电涂层、磁流体油封、多层陶瓷电容器、荧光物质、太阳能电子和量子光学器件。2002/04年，中国科学院物理研究所指出，为了有效地将学术研究与产业

12、发展相结合，提升成熟的科技产业，所需的纳米技术R&D技术，未来的学术研究团队和产品R&D团队将定期举行双向研讨会，将创新研究成果产业化，并进行可行性评估和技术转让。ITRI化学工程研究所指出，纳米技术在塑料工业中的应用可以大大提高整个表面的能量；然而，纳米高分子材料可以提高耐热性和刚性，并具有阻气性、低吸湿性和阻燃性的特点。目前，纳米尼龙6的聚合技术已经成熟并商业化。经济部技术司表示，纳米技术可以改善传统工业产品的功能，并革命性地应用于新兴产业，或者为应用提供更高技术水平的产品，从而为传统产业的升级寻找新的机遇。在美国、日本、欧洲等国家，纳米技术的前瞻性研发比台湾早了十多年。专家们都认为，此时

13、此刻，台湾有幸知道纳米技术的重要性。ITRI纳米技术中心有两个重要的切入点，一个是保持技术平台的水平，另一个是跟上材料探索和测试的发展，这将在核心技术的培养中发挥关键作用据经济部工业局称，通过纳米技术产业化能力的建立、相关激励措施和周边环境的建设，预计2008年纳米技术衍生和应用产值将达到新台币3000亿元，800多家厂商生产和投入使用，这将为台湾纳米技术产业化奠定基础。据台湾大学物理系介绍，光盘容量的提高主要在于缩短读写光源的波长，增加读写头聚焦透镜孔径的光学方法，从而减少读写光斑，达到增加记录密度和容量的目的。台湾师范大学化学系表示，纳米元件在工业领域的应用需要五到二十年的时间。如果用DN

14、A来计算化学领域，这只是一个理想，而且还有很长的路要走；然而，纳米材料和检测仪器已经得到应用，纳米材料已经出现在油漆粉末中。TSMC的研发也进入了纳米尺度，这可以给台湾在世界上带来竞争优势。ITRI表示，与成大合作的微纳技术R&D中心将成为与南方学术界合作的窗口，南方各大学将通过这一机制与ITRI开展合作与交流。国立成功大学指出，包括中兴大学在内的中国南方的26所大学和技术学院已经加入了这个团队。近期将向微纳R&D中心提出16项计划，获批后将推动更多的技术发展。ITRI微机电技术集团指出，R&D中心未来将有大规模项目，主要方向是光、声、通讯信息的合作研发。ITRI位于南站，其研发领域包括光电研

15、究所、机械研究所、电信研究所、电子研究所、能源研究所和环境安全中心等相关技术，还将推动纳米列车的研发进入南站。2002/2006年，ITRI工业材料研究所指出，五年内，台湾的纳米技术可以让手机电池在袖手旁观使用50到100天，而且充电只需要几秒钟。在手机普及率居世界首位的台湾，人们将来会使用手机，所以他们不用担心不打电话。ITRI经济研究中心指出，与医疗器械相关的技术日新月异。纳米机械元件、可穿戴化学传感器、家庭保健医疗设备等未来产品已成为未来医疗器械的代表产品，将为医疗单位、医生、护理人员和患者创造双赢和互利。2002/2007年，ITRI化学工程研究所指出，碳纳米球具有特殊的光学、电学和磁

16、学性质，其应用包括光电、纳米和生物医学领域，很可能成为21世纪最重要的材料之一。因此，该技术不仅可以制备高纯度的碳纳米球，还可以开发分子组分的“短碳纳米管”。中央研究院数学科学组表示，台湾并不缺乏优秀的科技人才，但纳米一代需要创新人才，因此有必要从现阶段的基础教育推动改革。通过黎齐各界的合作，台湾在未来15年成为纳米产业的制造王国并不是一个非常困难的目标，我们不应该局限于此，而应该专注于成为世界级的创新领导者和全球纳米创造的源泉。2002/2008年，经济事务部指出，工业科技研发是促进产业结构升级的重要因素。科技项目是促进中国工业技术研发的最重要的政策工具。长期以来，学术界缺乏与产业界的长期大规模互动。希望通过学术界固定的R&D团队，研究中心e国家纳米科技计划的目的是整合生产、教育和研究力量，建立中国卓越学术和相关应用产业发展所需的纳米技术平台，加快纳米技术人才培养，为中国纳米技术奠定坚实基础；全力推进创新和整合，充分利用纳米技术带来的创新机遇，结合我国在高技术制造业的优势和研究/科研机构长期积累的R&D能源，注重纳米技术创新前瞻性的研究，结合现有的快速产业化能力，期待纳米技术引领各相关行业的新技术和新产品创新，打造中国以技术创新和