我国纳米科学与技术发展研究

我国纳米科学与技术发展研究

一、纳米科技的基本认识

纳米是物理学中一个长度计量单位，即纳米是1米的10亿分之一。纳米科技是在现代物理学和新兴的高新工程技术相互融合的基础上逐步兴起的新兴学科，与生物技术、信息技术并称为引领21世纪的三大高新技术。它主要是运用先进技术在纳米尺度(1nm到100nm 之间)上研究物质(包括原子、分子的操纵)的特性和相互作用（主要是量子特性），其最终目的是能够按照人类自己的意愿直接操纵单个原子、分子，设计和制造具有特定功能的产品，以实现生产方式的重大变革。纳米科学与技术主要包括物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等七个相对独立又相互渗透的学科以及纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征等三个重点研究领域。纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。扫描隧道显微镜(STM)在纳米科技中占有重要的地位，并贯穿于纳米科技各大分支领域中，其分析和加工手段占纳米科技工作一半以上。

由于纳米科学技术将在材料科学、机械制造、微电子学、计算机技术、生物技术、医学与健康、环境与能源、高分子化学、航空航天以及国家安全等领域有着广阔的应用前景，必将引发一场新的工业技术变革。与此同时，纳米科技还将推动产品的微型化、高性能化和环境友好化，极大地节约资源和能源，减少人类对资源的过分依赖，并促进生态环境的改善，将在新的层次为人类可持续发展提供物质和技术保证。世界范围内围绕纳米技术的世界性激烈竞争已经悄然开始。

二、纳米科技发展现状

（一）国外纳米科技产业化发展现状

20世纪末开始，纳米技术作为一种新技术逐渐成为世界关注热点。很多国家把纳米科技看成是最有可能取得突破的科学和工程领域。全世界大约有35个国家已经加入了“纳米”创新竞赛中。每年用于纳米科学和纳米技术的公共或私人研究项目预算能达到90亿美元。目前每年全球市场对纳米技术产品的需求已经达到几千亿美元，到2015年，纳米技术商品和服务据测甚至有可能高达1万亿美元。

2000年美国正式发布了“国家纳米技术计划”(NNI)，将纳米技术列入21世纪前10年关键领域之一，确保美国在这一新兴领域拥有主导地位。目前美国在纳米合成、纳米装置精密加工、纳米生物技术、纳米基础理论等多方面处于世界领先地位。

日本是开展纳米技术基础和应用研究最早的国家。早在1981年，日本科学技术厅推出了“先进技术的探索研究计划”(ERATO)。同时日本通产省先后实施了数个有关纳米技术的大型10年研究计划。日本80家大企业中，有大约40％的企业设置了专门的纳米科研机构。

20世纪90年代以来，欧盟制定了科技研发第4框架计划和第5框架计划。同时在“尤里卡计划”中就将纳米技术研究纳入其中。目前，欧洲在纳米微电子、纳米器件、纳米生物科技、纳米粒子以及纳米涂层和新仪器等应用方面取得了巨大成就。

（二）我国纳米科技产业化发展现状

我国是世界上少数几个从上世纪90年代就开始重视纳米材料研究的国家之一，在纳米材料及其应用、隧道显微镜分析和单原子操纵等方面和国际水平相接近，在某些领域内达到了世界先进水平。在过去的十年里，我国政府加强对纳米科技的支持，基础研究和应用研究方面的国家投入每年上升100％。从90年代开始，我国就“纳米科技的发展与对策”、“纳米材料学”、“扫描探针显微学”、“微米／纳米技术”等方面，召开了数十个全国性的会议。

我国科学院还在北京主持承办了第7届国际扫描隧道显微学会议(STM93)和第4届国际纳米科技会议(NanoIV)。我国的有关科技管理部门对纳米科技的重要性已有较高的认识，并给予了一定的支持。中国科学院(CAS)和国家自然科学基金委员会(NSFC)从80年代中期即开始支持扫描探针显微镜(SPM)的研制及其在纳米尺度上的科学问题研究)。国家科委(SSTC)通过“攀登计划”项目，连续10年支持纳米材料专项研究。1999年，科技部又启动了国家重点基础研究发展规划项目(“973”计划)-“纳米材料与纳米结构”，继续支持纳米碳管等纳米材料的基础研究。国家“863”高技术计划，亦设立一些纳米材料的应用研究项目。目前，国内有50多所高校、20多个中科院研究所开展了纳米科技领域的研究工作。现有与纳米科技相关的企业已达300余家。国家科研机构和高等院校从事纳米科技的研究开发人员大约有5000人。整体上国内的纳米科技研究涉及领域比较宽、点多分散，尚未形成集中的优势。国内已有中国科学院、清华大学、北京大学、复旦大学、南京大学、华东理工大学等单位成立了与纳米科技有关的研究开发中心。其中，中科院、北京大学、清华大学、复旦大学等研究单位占有优势。

我国的纳米科技研究与国外几乎同时起步，在某些方面较有优势。从近期美国《科学引文索引》核心期刊查询，中国纳米科技论文总数位居世界前列。例如，有关纳米碳管方面的学术论文排在美、日之后位居世界第三。在过去的十年间，国家通过研究计划对纳米科技领域资助的总经费大约相当于700万美元，社会资金对纳米材料产业化亦有一定投入。但与发达国家相比，投入经费相差很大。由于条件所限，研究工作只能集中在硬件条件要求不太高的领域。尽管这样，我国的纳米科技研究近些年取得了重大进展，在以下方面具有自己的优势：

1、纳米材料

我国对纳米材料的研究一直给予高度重视，取得了很多成果，尤其是在以碳纳米管为代表的准一维纳米材料及其阵列方面、非水热合成制备纳米材料方面在取得突破；在纳米块体金属合金和纳米陶瓷体材料制备和力学性能的研究、介孔组装体系、纳米复合功能材料、二元协同纳米界面材料的设计与研究等方面都取得了重要进展。

2、纳米器件

在量子电子器件的研究方面，我国科学家研究了室温单电子隧穿效应，单原子单电子隧道结，超高真空STM室温库仑阻塞效应和高性能光电探测器以及原子夹层型超微量子器件。清华大学研制出100纳米(0.1um)级MOS、硅微集成传感器、硅微麦克风、硅微马达、集成微型泵等器件，以及基于微纳米三维加工的新技术与新方法的微系统。中国科学院半导体所研制了量子阱红外探测器(13-15um)和半导体量子点激光器。中科院物理所研制出可在室温下工作的单电子原型器件。西安交通大学制作了碳纳米管场致发射显示器样机，可连续工作3800小时。

3、纳米结构的检测与表征

中国科学院化学所和中国科学院北京真空物理室在90年代开始运用STM进行纳米级乃至原子级表面加工，在晶体表面先后刻写出“CAS”、“中国”和“中国地图”等文字和图案。中国科学院化学所先后研制了STM、AFM、BEEM、LT-STM、UHV-STM、SNOM等纳米区域表征的仪器设备，具有知识产权。开发了表面纳米加工技术，为纳米科技的研究起到了先导和促进作用。最近化学所在单分子科学与技术及有机分子有序组装方面有了很大的进展，并开始对分子器件进行探索性研究。中国科技大学进行了硅表面C60单分子状态检测，为分子器件的研制提供了一些基本数据。。

综上所述，我国的纳米科技工作取得了一定的成绩，尤其是在以碳纳米管为代表的纳米材料的研究方面，已经步入世界先进行列。但纳米科技的很多领域研究工作才刚刚起步，受条件所限，研究力量比较薄弱，还应建立国家公用技术平台，提高纳米加工能力，并加强