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、最為活躍的前沿學科領域。納米科技的發(fā)展，不僅可以使科學家在納米尺度發(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世紀經(jīng)濟增長的新動力。

　　在納米科技的發(fā)展初期，中國的科學家已經(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"、"掃描探針顯微學"、"微米／納米技術(shù)"等方面，召開了數(shù)十個全國性的會議。中國科學院還在北京主持承辦了第7屆國際掃描隧道顯微學會議(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術(shù)交流與合作，起到了積極的促進作用。

　　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識，并給予了一定的支持。中國科學院(CAS)和國家自然科學基金委員會(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問題研究(1987-1995)。國家科委(SSTC)于1990年至1999年通過"攀登計劃"項目，連續(xù)10年支持納米材料專項研究。1999年，科技部又啟動了國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃項目("973"計劃)-"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研究。國家"863"高技術(shù)計劃，亦設立一些納米材料的應用研究項目。

　　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域的研究工作�，F(xiàn)有與納米科技相關(guān)的企業(yè)已達300余家。國家科研機構(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域比較寬、點多分散，尚未形成集中的優(yōu)勢。國內(nèi)已有中國科學院、清華大學、北京大學、復旦大學、南京大學、華東理工大學等單位成立了與納米科技有關(guān)的研究開發(fā)中心。納米科技是多學科綜合的新興交叉學科，在多學科的集成方面，中科院、北京大學、清華大學、復旦大學等研究單位占有優(yōu)勢。

　　中國科學院在國內(nèi)最先開拓了納米科技領域的研究，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等單位，積極投入納米科學與技術(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；分子電子學-分子材料和器件基礎研究；巨磁電阻材料和物理納米半導體光催化和光電化學研究；材料表面、界面和大分子掃描隧道顯微學研究；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，主持或承擔了多項國家級重大項目。

　　2000年中國科學院組織了有11個研究所參與的"納米科學與技術(shù)"重大項目，總投資2500萬人民幣。項目的主要研究內(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聚和表面修飾，納米材料和納米復合材料的穩(wěn)定性，納米尺度內(nèi)物理、化學和生物學性質(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展。

　　中國科學院在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，并在化學所建成納米科技樓。納米科技中心圍繞納米科技領域的重點問題和國家、院重大科技計劃，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體，實現(xiàn)有關(guān)科研信息、技術(shù)軟件和儀器設備的共享，體現(xiàn)科研紐帶、產(chǎn)業(yè)紐帶、人才紐帶、設備紐帶的優(yōu)勢，加強不同學科的交叉與融合，促進自主知識產(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，國家通過研究計劃對納米科技領域資助的總經(jīng)費大約相當于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)達國家相比，投入經(jīng)費相差很大。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域。納米科技的其它基礎研究相對薄弱，研究總體水平與發(fā)達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性能的研究、介孔組裝體系、納米復合功能材料、二元協(xié)同納米界面材料的設計與研究等方面都取得了重要進展。

　　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"3毫米的世界之最"，這種超長納米碳管比當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、熱學性質(zhì)、發(fā)光性質(zhì)和導電性的研究中取得重要進展。世界上最細的納米碳管也在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，接著香港科技大學物理系利用沸石作模板制備了最細單壁碳納米管(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）清華大學首次利用碳納米管作模板成功制備出直徑為3-40nm、長度達微米級的發(fā)藍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的概念。中科院固體物理所成功研制出納米電纜，有可能應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"，被譽為"本領域的一次突破，它第一次向人們展示了無空隙納米材料是如何變形的"。

　　4）在納米無機材料合成方面，中國科技大學的科學家發(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)濟價值的技術(shù)路線。

　　5）在納米有機材料及高分子納米復合材料方面，中國科學院化學所在高聚物插層復合、分子電子學、富勒烯化學與物理以及二元協(xié)同納米界面材料方面取得顯著進展，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，已推出多項產(chǎn)品上市。華東理工大學在納米超細活性碳酸鈣3000噸／年的工業(yè)性實驗基礎上，建設1．5萬噸／年大規(guī)模生產(chǎn)線，填補國內(nèi)空白。北京科技大學在納米鎳粉制備取得成績，分別應用于國內(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)均為國際領先。天津大學研制納米鐵粉，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。

　　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，形成一支實力雄厚的研究力量。但應該指出，目前納米材料研究的基礎設施還相對薄弱，納米材料的設計與創(chuàng)新能力不強，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的工程化研究和納米材料的應用研究，鼓勵產(chǎn)業(yè)化有基礎和經(jīng)驗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，使實驗室技術(shù)盡快轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，為國民經(jīng)濟增長作出貢獻。

　　 2．納米器件概況

　　在量子電子器件的研究方面，我國科學家研究了室溫單電子隧穿效應，單原子單電子隧道結(jié)，超高真空STM室溫庫侖阻塞效應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、硅微馬達、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)。

　　中國科學院半導體所研制了量子阱紅外探測器(13-15um)和半導體量子點激光器(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。西安交通大學制作了碳納米管場致發(fā)射顯示器樣機，已連續(xù)工作了3800小時。

　　在有機超高密度信息存儲器件的基礎研究方面，中國科學院北京真空物理實驗室、中國科學院化學所和北京大學等單位的研究人員，在有機單體薄膜NBPDA上作出點陣，1997年，點徑為1．3nm，1998年，點徑為0．7nm，2000年，點徑為0．6nm，信息點直徑較國外報道的研究結(jié)果小近一個數(shù)量級，是現(xiàn)已實用化的光盤信息存儲密度的近百萬倍。北京大學采用雙組分復合材料TEA／TCNQ作為超高密度信息存貯器件材料，得到信息點為8nm的大面積信息點陣3μm×3μm。復旦大學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)的有機單分子材料作為有機納米集成電路的基礎材料。

　　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、清華大學、復旦大學、南京大學和中國科學院等研究基礎相對較好，設備設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)研究等基礎研究方面力量相對薄弱，納米器件的創(chuàng)新能力不強。為了在納米器件研究方面取得突破性進展，中國擬加大對納米器件基礎研究的投入，改善現(xiàn)有實驗設備與研究條件，鼓勵各研究單位合作研究，優(yōu)勢互補，多學科聯(lián)合攻關(guān)。

　　 3.納米結(jié)構(gòu)的檢測與表征

　　中國科學院化學所和中國科學院北京真空物理室在90年代已開始運用STM進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。中國科學院化學所先后研制了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和促進作用。最近化學所在單分子科學與技術(shù)及有機分子有序組裝方面有了很好的進展，并開始對分子器件進行探索性研究。中國科技大學進行了硅表面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顯微系統(tǒng)一近場光譜與常規(guī)光學聯(lián)用系統(tǒng)，并用此系統(tǒng)研究了癌細胞的結(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。應建立國家公用技術(shù)平臺，提高納米加工能力，并加強協(xié)調(diào)，組織力量進行多學科攻關(guān)。突破納米器件關(guān)鍵技術(shù)。在納米材料的研究工作中，應加強原創(chuàng)性工作，應用性研究、工程化研究應加大投入力度，使納米材料盡快產(chǎn)業(yè)化，成為國民經(jīng)濟新的經(jīng)濟增長點。 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|