纳米器件研究进展

纳米器件研究进展

摘要：纳米科技是近年发展起来的新兴发展领域，纳米器件是由纳米级材料制作成的，纳米科学研究的对象是在纳米尺度内，当材料与器件的尺寸缩减到纳米量级，就会出现许多以前未曾见过的现象，纳米器件就是在这一基础上得到科学家们的青睐。本文将简要介绍近年来纳米器件的研究成果以及研究进展。

关键词：纳米科技纳米器件纳米器件的研究进展纳米科技的发展前景

引言

纳米科技是融介观体系物理、量子力学等现代科学为一体并与超微细加工、计算机、扫描隧道显微镜等先进工程技术相结合的基础上．于20世纪80年代迅速形成和发展起来的一门在纳米缎的规模上构筑的前沿科学技术。它是在纳米尺度空间内(0．1～100nm)研究电子、原子和分子的内在运动规律和特性，从而研究在纳米尺度范围的物质所具有的理化性质、功能及其应用的高新科学技术。它的产品，纳米器件是它的最终目标，即按照人类自己的意愿直接操纵单十原子，制造具有特定功能的产品。

纳米科技已经渗透入我们的生活，在信息技术、生物医药技术、新材料技术等方面尤为突出。下面，本文将通过对一些纳米器件研究成果及进展的介绍，揭开纳米科技在日常生活中神秘的面纱。

信息技术中纳米器件的研究成果及进展

信息技术的基础是半导体集成电路技术，即微电子技术。科学界普遍认为50nm是半导体工艺的极限，而纳米科技的出现就很好的解决了这一问题。1998年，IBM公司与日本NEC公司合作，在实验室里用一根半导体性的碳纳米管制成了场效应管。2001年8月，IBM又宣布使用碳纳米管制成了输入为0时，输入为1的非门逻辑器件。

单电子晶体管也是研究较多的纳米电子器件。单电子器件就是依靠控制单个电子的运动来实现功能的器件。但是为了提高单电子晶体管的工作温度，必须使量子点的尺寸小于10纳米，目前世界各实验室都在想各种办法解决这个问题，此问题的突破定能创造纳米科技的历史。

存储器件在利用纳米技术方面也取得了很大进展。1998年美国明尼苏达大学成功制造了量子磁盘，核心部分是纳米钴棒组成的微阵列，每平方英寸包含了1011—1012根钴棒，存储密度达到了465×109bit/in2，存储效率是现有磁盘的10万倍。美国还先后研制成功了接近1000G（1G=109bit/in2）的高密度磁盘。

生物医药技术中纳米器件的研究成果及进展

纳米生物学在上世纪90年代起就显示出了其广阔的前景。纳米结构在生物中发挥作用众多，在蛋白质、基因片段、细胞质等生物或医药界中，均需要纳米技术的参与。

在医学领域中，纳米材料最引人注目的成功应用是作为药物载体和制作人体材料。

纳米人工红细胞可以应用于贫血症的局部治疗、人工呼吸、肺功能丧失和体育运动需要的额外

耗氧等。Robert Freitas初步设计的人工微米红细胞是一个金刚石的氧气容器，内部有1000个大气压，泵动力来自血清葡萄糖，它输送氧的能力是同等体积天然红细胞的233倍，并具有生物炭活性。

四川大学研制的纳米人工眼球可以像真眼睛一样同步移动，通过电脉冲刺激大脑神经，“看”到精彩世界。纳米眼球外壳主要是由纳米晶体制成的活性复合材料制作，里面放置微型摄像机与集成电脑芯片，通过这两个部件将影像信号转化成电脉冲来刺激大脑的枕叶神经，实现可视功能。

纳米技术在临床医疗中也发挥着越来越重要的作用。纳米材积的药物大大提高了药物的吸收度和生物利用度；以纳米材料为载体与药物形成的复合物提高了药物的靶向性。而在基因治疗中，利用DNA复制过程中碱基互补法则的专一性、碱基的单纯性、遗传信息的多样性及双螺旋结构的拓扑靶向性，结合纳米技术，操纵单个原子、分子，制出与生命过程中每一个环节相类似的各种功能的纳米有机-无机复合机器，给基因治疗提供了更大的空间和可能。

新材料技术中纳米器件的研究成果及进展

纳米材料的小尺寸、表面效应、量子尺寸效应赋予纳米材料一些特殊的性质，将带动传统材料产业发生革命。

碳纳米管是由石墨中六方点阵排列的碳原子层卷曲而成的管状的材料，碳纳米管的直径、长度以及结构随不同的制备方法及条件的变化而不同，从而影响到碳纳米管的物理性质。碳纳米管是典型的一维量子运输材料，用金属性单层碳纳米管制成的三极管在低温下表现出典型的库仑阻塞和量子电导效应。碳纳米管既可作为最细的导线被用在纳米电子学器件中，也可以被制成新一代的量子器件。碳纳米管还可用作扫描隧道显微镜或原子力显微镜的探针。尤其是碳纳米管的顶端很尖锐，有利于电子的发射，它可用做电子发射源，可以用在显示及微波器件中。

初步的研究表明，在今后人类文明基于纳米技术和纳米结构的革命化过程中，碳纳米管将起重要的作用，特别是在微电子方面。比如原子力显微镜或扫描隧道显微镜在内的各种扫描探针显微镜。

此外，碳纳米管的应用还有很多。利用碳纳米管做模板，对其进行填充、包敷和空间限制反应可合成其他一维纳米结构的材料。基于碳纳米管的优良力学性能可将其作为结构复合材料的增强剂。碳纳米管还可作产能和贮能材料。

纳米科技的发展前景

现在纳米材料研究的基本特征是以实际应用为导向，一纳米材料与相关科学的交叉融合为手段，重点解决纳米材料应用的关键技术问题。纳米材料属于上游产品，一方面用于传统产品的升级，两一方面用于纳米科技新产品的开发，而要在下游产品中体现纳米材料的优越性能就必须以纳米制造技术作为支撑。

近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新５年科技基本计划的研发重点；德国专门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从2001年的4.97亿美元增加到2010年的22.65亿美元。

白春礼说，“纳米研究目前还有许多基础研究在进行中，在纳米尺度上还有大量原理性问题尚待研究，纳米科技现在的发展水平大概相当于计算机技术在20世纪50年代的发展水平，人类最终进入纳米时代还需要30到50年的时间，50年后纳米科技有可能像今天计算机技术一样普及。”无论怎样，