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纳米技术的最新发展

时间: 2011-07-09 18:02 来源: 作者: 哈尔滨工业大学 袁哲俊 谢大纲点击:
技术一般指纳米级(0.1-100nm)的材料、设计、制造 、测量、控制和产品的技术。纳米技术主要包括:纳米级精度和表面形貌的测量;纳米级表层物理、化学、机械性能的检测;纳米级精度的加工和纳米级表层的加工原子和分子的去除、搬迁和重组;纳米材料;纳米级微传感器和控制技术;微型和超微型机械;微型和超微型机电系统和其他综合系统;纳米生物学等。

1 纳米级测量技术

纳米级测量技术包括:纳米级精度的尺寸和位移的测量 ,纳米级表面形貌的测量。纳米级测量技术主要有两个发展方向。光干涉测量技术可用于长度和位移的精确测量,也可用于表面显微形貌的测量。扫描探针显微测量技术主要用于测量表面的微观形貌和尺寸。它的原理是用极尖的探针(或类似的方法)对被测表面进行扫描(探针和被测表面实际并不接触),借助纳米级的三维位移定位控制系统测出该表面的三维微观立体形貌。用这原理的 测量方法有:扫描隧道显微镜(STM)、原子显微镜(AFM)等。为对这些纳米级测量方法的测量分辨率、测量精度、测量范围等性能有更好的对比了解 ,在附表中给出了几种主要的纳米级测量方法的测量性能对比。

表1 几种纳米级测量方法的对比

2 纳米级表层物理、力学性能的检测

各种材料的极薄表层的物理、化学、力学性能和材料内部的性能常有很大差异。而正是这极薄的表面材料在摩擦磨损、物理、化学、机械行为中起着主导作用。反映在现在“信息时代”的新型“智能型”材料的出现,如计算机磁盘、光盘等 ,要求表层不但有优良的电、磁、光性能,而且要求有良好的润滑性、摩擦小、耐磨损、抗化学腐蚀、组织稳定和优良的力学性能。因此 ,世界各国都非常重视材料的纳米级表层的物理、化学、机械性能及其检测方法的研究。

表层显微力学探针检测法是连续记录探针针尖加载、逐步压入和卸载、逐步退出试件表层的全过程的压痕深度变化。因其中包含试件表层的弹性变形、塑性变形、蠕变、变形速率等多种信息,所以通过这信息可测出表层材料的多项力学性能。

用显微力学探针法检测涂层材料的表层硬度等力学性能极为方便有效。这种方法还可检测界面的物理力学性能 ,对改善和发展新型材料极为有用。

随着20世纪80年代尖端技术的发展,特别是计算机磁盘的发展,提出并促进了纳米级摩擦磨损问题的研究和发展。人们要求极大地提高计算机磁盘的容量 ,并且要求软磁盘的磨损率小于一个原子层(0.1-0.3nm),硬磁盘的磨损率为零。由于工程实际的需要和测试技术的突破 ,如原子力显微镜、表面力测量仪 、垫层光干涉法等的应用 ,使纳米摩擦学获得很大的发展。纳米级摩擦副材料的研究发展 ,大大减少了材料表层的磨损。例如 ,固体表面加上单分子有序排列的LB膜 ,可使金属的动摩擦系数自0.8降到0.2。利用LB膜技术 ,磁记录体的薄膜润滑达到分子级水平 ,大大提高其耐磨性。

3 纳米级加工技术和微细加工技术

纳米级加工的含意是达到纳米级精度、包含纳米级尺寸精度、纳米级几何形状精度和纳米级表面质量。

3.1 纳米级机械加工

用金刚石刀具超精密切削加工和非金属、能获得Ra0.02-0.002µm的镜面。仔细研磨刀具时、可切1nm厚度的切屑。 这种方法用于平面、圆柱面和非球曲面的镜面切削加工。

最近新发展的金属结合剂砂轮的在线电解修整砂轮的ELID镜面磨削技术、可以加工出Ra0.02-0.002µm的镜面。

精密研磨抛光可以加工出Ra0.01-0.002µm的镜面。 目前、量块、光学平晶、集成电路的硅基片等、都是最后用精密研磨达到高质量表面的。

3.2 电子束和离子束加工

可用于刻蚀、打孔、切割、焊接、表面处理和表面改性等。

电子束加工时、被加速的电子将其能量转化成热能、以便去除穿透层表面的原子,因此不易得到高精度。 但电子束可以聚焦成很小的束斑(f0.1µm)照射敏感材料。用电子刻蚀,可加工出0.1µm的线条宽度、而在制造集成电路中实际应用。

离子束加工时,因离子直径为0.1nm数量级、故可以直接将工件表面的原子碰撞出去达到加工的目的,故理论上有可能达到较高的精度和效率。 用聚焦的离子束进行刻蚀,可以得到精确的形状和纳米级的线条宽度。 离子注射和沉积已成功地用于材料表面改性。

3.3 LIGA技术

这是最新发展的光刻、电铸和模铸的复合微细加工新技术。 它采用深度同步辐射X射线光刻,可以制造微型器件最大高度为1000µm、高宽比为200的立体微结构,加工精度可达0.1µm。 刻出的图形侧壁陡峭 、表面光滑。 加工微型器件可以批量复制、加工成本低。

目前、在LIGA工艺中再加入牺牲层的方法,使加工出的微器件一部分可以脱离母体而能转动或移动。这在制造微型电动机或其他驱动器时极为有用。LIGA技术对制造微型机械是非常有用的工艺方法。

4 扫描隧道显微加工技术

扫描隧道显微加工技术是纳米加工技术中的最新发展、可实现原子、分子的搬迁、去除、增添和排列重组,是实现极限的精加工或原子级的精加工。

近年来扫描隧道显微加工技术、即原子级加工技术获得了迅速的发展、取得了多项重要成果。1990年美国圣荷 塞IBM阿尔马登研究所的D.M.Eigler等人、在4K和超真空环境中,用STM将Ni(110)表面吸附的Xe(氙)原子逐一搬迁、最终以35个Xe原子排成IBM三个字母、每个字母高5nm。Xe原子间最短距离约为1nm。这种原子搬迁的方法就是使显微镜探针针尖对准选中的Xe原子、使针尖接近 Xe原子、使原子间作用力达到让Xe原子跟随针尖移动到指定位置而不脱离Ni的表面。 用这种方法可以排列密集的Xe原子链。

美国的D.M.Eigler等人在实现Xe原子搬迁后,又实现了分子的搬迁排列。 在铂单晶的表面上、将吸附的一氧化碳分子(CO)用STM搬迁排列起来、构成一个身高仅5nm的世界上最小的人的图样。 用来构成这图样的CO分子间距离仅为0.5nm, 人们称它为 "一氧化碳小人"。

将STM用于纳米级光刻加工时,它具有极细的光斑直径,可以达原子级,这样可使加工特征和加工工具处于同一尺度。其次是所产生的二次电子对线宽影响很小、并且成本较低、可以在大气甚至液体介质中工作。 美国IBM公司的M.A.McCord等、在Si片上均匀覆盖一层厚20nm聚甲基丙烯甲脂(PMMA),然后用STM进行光刻、得到10nm宽线条的图案。其后M.A.McCord等又相继研制成功13.5nm厚的AoPd合金薄膜电阻。

北京真空物理所报道了用STM在Si(111)7×7表面在直流偏压作用下获得原子级平直沟的成果。

5 微型机械和微型机电系统

5.1 原子开关和原子继电器

STM的探针针尖的原子,对准并接近试件表面的某原子时,产生隧道电流。电子将通过这相对的两原子,成为导通状态,通过电场可使这一隧道电流截止。这实际上就是一个原子级的电子开关。

原子级开关可以使原子通过或去除,相当于“写入 ”与 “ 存储 ”信息。

随着单原子操纵的进展,通过控制单原子实现原子器件功能的研究工作也积极进行。1993年日本日立公司的 Y.Wada提出做原子继电器的设想。 在一维原子链中嵌入开关原子,可用作和它垂直的原子链的栅极,即通过电场使开关原子进入或退出原子链,使被控制的原子链呈导通或截止状态。 这原子继电器实际上具备了一定程度的晶体管的功能,由栅极控制其导通或截止。

5.2 微型机械

1959年就有科学家提出微型机械的设想。1962年制成第一个硅微型压力传感器。 现在微型机械的研究已达到较高水平,已能制造多种微型零件和微型机构。

现在已研制成功的三维微型机械构件有微膜、微梁、微针、微齿轮、微凸轮、微弹簧、微沟道、微喷嘴、微锥体、微轴承、微连杆等。

已研制成功多种微型传感器,其敏感量为位置、速度、加速度、压力、力、力矩、流量、磁场、温度、气体成分、湿度、PH值、离子浓度等。

微执行器是比较复杂、难度大的微形器件,研制成功的有微阀、微、微开关、微扬声器、微谐振器、微电动机等。 微执行器是具有一定功能的微型部件,也可算是一个比较简单的微型机电系统。

5.3 微型机电系统(MEMS)

MEMS在各部门中应用和发展情况如下。

5.3.1 专用集成微型仪器

这是微机电系统在微电子工业中的应用,如带有压力传感器的压力监控系统、带有测温传感器的温控系统等。 它的体积小,工作可靠,价格低,故有较大应用前景。

5.3.2 微型机器人

微型机器人是一个非常复杂的机电系统,现在已有不少单位在研制小型和微型机器人。

美国Dwkane公司小型机器人分部,制造了一种AL5010小型机器人系统。 这台装配机器人,能够完成单位模光导纤维引线的复杂操作。

日本名古屋大学研制成功不需电缆的管道微型移动机器人,可用管道外的电磁线圈控制其运动,随管外的磁力线而移动。 它可用于小尺寸管道检测,在生物医学领域的小空间内作微小工作。 一种微型单向运动模型直径为 6mm。

日本早稻田大学用薄层可逆TiNi形状记忆合金制成了微型机器人。 因可逆形状记忆合金可作双向全圆活动,故每一个自由度只有一片这种记忆合金制成的主要弯曲架,非常适宜于作微形机器人的工作臂。10µm厚度的可逆TiNi记忆合金薄片其频响约为5Hz。

美国MIT人工智能实验室正在研制一种“蚊子机器人”用于收集情报和窃听。

医用超微型机器人是最有发展前途的应用领域。超微型机器人可以进入人的血管,从主动脉管壁上刮去堆积的脂肪,疏通患脑血栓病人的阻塞的血管。 外科医生可以遥控微型机器人作毫米级的眼网膜手术。 日本制定了采用“机器人外科医生”的计划,并正在开发能在人体血管中穿行、用于发现并杀死癌细胞的超微型机器人。

5.3.3 微型惯性仪表

惯性仪表是指陀螺仪、加速度表和惯性测量平台。它是航空、航天、航海中指示方向的导航仪器。 由于航空航天迫切需要体积小、重量轻、精度高和工作可靠的导 航 仪,因此它将是MEMS未来发展应用的理想领域。
现在国外已有微型加速度计和微型硅陀螺仪的商品生产,体积和重量均甚小,但尚需提高精度。

惯性测量平台是包含三个方向正交的加速度计。三个陀螺仪和一台坐标转换计算机系统,可提供运动物体的空间姿态、位置和速度信息,是航空、航天用的导航仪器。 惯性测量平台(IMU)制造技术的进步,可用诺思罗普公司的三代产品来说明。1974年“鱼叉”导弹系统的 IMU的 质量为3.2kg,1980年“不死鸟”导弹系统的IMU的质量降为1.8kg,1985年“先进中程空空”导弹系统的 IMU的质量进一步降到为1.4kg。这种趋势还在继续。预计在微光学陀螺技术成熟时,IMU的质量可以降到70g。

5.3.4 小型、微型和纳米卫星

微型机电系统的小型卫星中的应用,将使卫星微型化。 微型和纳米卫星的设想如下。

(1) 小型卫星 能用小型运载火箭发射的常规航天器,重量范围10-500kg。

(2) 微型卫星 在所有的系统和分系统中,全部体现微型制造技术成果,并能执行全部卫星应有的功能,重量范围约为0.1-10kg。

(3) 纳米卫星 依靠一种分布式的体系结构完成自身功能,并将尺度减小到最小的微型卫星,重量范围小于 0.1kg。

纳米卫星的应用设想是,布设成局部星团和分布式星座。 为使卫星能覆盖全地球,可在等间隔的18个太阳同步轨道上设放纳米卫星,每轨道面上等间隔设放36颗纳米卫星,总共648颗这样的纳米卫星就可保证在任何时刻、对地球上任一点连续覆盖。

6 纳米材料

纳米材料是超微粒材料,被称为“21世纪新材料”,具有许多特异性能。例如用纳米级金属微粉烧结成的材料,强度和硬度大大高于原来的金属,纳米金属居然由导电体变成绝缘体。 一般的强度低并且很脆。 但纳米级微粉烧结成的陶瓷不但强度高并且有良好的韧性。纳米材料的熔点会随超细粉的直径的减小而降低。例如金的熔点为1064°C,但10nm的金粉熔点降低到940°C,5nm的金粉熔点降低到830°C,因而烧结温度可以大大降低。纳米陶瓷的烧结温度大大低于原来的陶瓷。纳米级的催化剂加入汽油中。 可提高内燃机的效率。加入固体燃料可使火箭的速度加快。药物制成纳米微粉。 可以注射到血管内顺利进入微血管。

7 纳米生物

纳米生物学是以纳米尺度研究细胞内部各种细胞器的结构和功能。 研究细胞内部、细胞内外之间以及整个生物体的物质、能量和信息交换。纳米生物学的研究集中在下列方面。

(1)遗传物质DNA的研究 这方面的研究在形貌观察、特性研究和基因改造三个方面有不少进展。

(2) 脑功能的研究 研究工作目标是弄清人类的记忆、思维、语言和学习这些高级神经功能和人脑的信息处理功能。

(3) 仿生学的研究 这也是纳米生物学的热门研究内容。 近年取得不少成果。 是纳米技术中有希望获得突破性巨大成果的部分。

世界上最小的马达是一种生物马达——鞭毛马达。它是细菌的运动器官。 能象螺旋桨那样旋转驱动鞭毛旋转。该马达通常由10种以上的蛋白质群体组成,其构造如同人工马达。 由相当的定子、转子、轴承、万向接头等组成。它的直径只有30nm,转速可以高达15,000r/min,可在1µs内进行右转或左转的相互切换。利用外部电场可实现加速或减速。转动的动力源,是细菌内支撑马达的薄膜内外的氢氧离子浓度差。实验证明。 细菌体内外的电位差也可驱动鞭毛马达。现在人们正在探索设计一种能用电位差驱动的人工鞭毛马达驱动器。

日本三菱公司已开发出一种能模拟人眼处理视觉形象功能的视网膜芯片。该芯片以砷化镓半导体作为片基。每个芯片内含4096个传感元。 可望进一步用于机器人。

有人提出制作类似环和杆那样的分子机械。 把它们装配起来构成计算机的线路单元。单元尺寸仅1nm,可组装成超小型计算机,仅有数微米大小,就能达到现在常用计算机的同等性能。

(4) 纳米结构自组装的研究 复杂微型机电系统制造中,很大的难题是系统中各部件的组装。系统愈先进、愈复杂,组装的问题也愈难解决。自然界各种生物、生物体内的蛋白质、DNA、细胞等都是极为复杂的结构。它们的生成、组装都是自动进行的。如能了解并控制生物大分子的自组装原理,人类对自然界的认识和改造必然会上升到一个全新的更高的水平。

纳米结构自组装技术的发展,将会使纳米机械、纳米机电系统和纳米生物学产生突破性的飞跃。

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