I.引言

納米科學(xué)和技術(shù)所涉及的是具有尺寸在1-100納米范圍的結(jié)構(gòu)的制備和表征。在這個(gè)領(lǐng)域的研究舉世矚目。例如，美國(guó)政府2001財(cái)政年度在納米尺度科學(xué)上的投入要比2000財(cái)政年增長(zhǎng)83%，達(dá)到5億美金。有兩個(gè)主要的理由導(dǎo)致人們對(duì)納米尺度結(jié)構(gòu)和器件的興趣的增加。第一個(gè)理由是，納米結(jié)構(gòu)（尺度小于20納米）足夠小以至于量子力學(xué)效應(yīng)占主導(dǎo)地位，這導(dǎo)致非經(jīng)典的行為，譬如，量子限制效應(yīng)和分立化的能態(tài)、庫(kù)侖阻塞以及單電子邃穿等。這些現(xiàn)象除引起人們對(duì)基礎(chǔ)物理的興趣外，亦給我們帶來(lái)全新的器件制備和功能實(shí)現(xiàn)的想法和觀念，例如，單電子輸運(yùn)器件和量子點(diǎn)激光器等。第二個(gè)理由是，在半導(dǎo)體工業(yè)有器件持續(xù)微型化的趨勢(shì)。根據(jù)“國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路向（2001）“雜志，2005年前動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）和微處理器（MPU）的特征尺寸預(yù)期降到80納米，而MPU中器件的柵長(zhǎng)更是預(yù)期降到45納米。然而，到2003年在MPU制造中一些不知其解的問(wèn)題預(yù)期就會(huì)出現(xiàn)。到2005年類似的問(wèn)題將預(yù)期出現(xiàn)在DRAM的制造過(guò)程中。半導(dǎo)體器件特征尺寸的深度縮小不僅要求新型光刻技術(shù)保證能使尺度刻的更小，而且要求全新的器件設(shè)計(jì)和制造方案，因?yàn)楫?dāng)MOS器件的尺寸縮小到一定程度時(shí)基礎(chǔ)物理極限就會(huì)達(dá)到。隨著傳統(tǒng)器件尺寸的進(jìn)一步縮小，量子效應(yīng)比如載流子邃穿會(huì)造成器件漏電流的增加，這是我們不想要的但卻是不可避免的。因此，解決方案將會(huì)是制造基于量子效應(yīng)操作機(jī)制的新型器件，以便小物理尺寸對(duì)器件功能是有益且必要的而不是有害的。如果我們能夠制造納米尺度的器件，我們肯定會(huì)獲益良多。譬如，在電子學(xué)上，單電子輸運(yùn)器件如單電子晶體管、旋轉(zhuǎn)柵門管以及電子泵給我們帶來(lái)諸多的微尺度好處，他們僅僅通過(guò)數(shù)個(gè)而非以往的成千上萬(wàn)的電子來(lái)運(yùn)作，這導(dǎo)致超低的能量消耗，在功率耗散上也顯著減弱，以及帶來(lái)快得多的開關(guān)速度。在光電子學(xué)上，量子點(diǎn)激光器展現(xiàn)出低閾值電流密度、弱閾值電流溫度依賴以及大的微分增益等優(yōu)點(diǎn)，其中大微分增益可以產(chǎn)生大的調(diào)制帶寬。在傳感器件應(yīng)用上，納米傳感器和納米探測(cè)器能夠測(cè)量極其微量的化學(xué)和生物分子，而且開啟了細(xì)胞內(nèi)探測(cè)的可能性，這將導(dǎo)致生物醫(yī)學(xué)上迷你型的侵入診斷技術(shù)出現(xiàn)。納米尺度量子點(diǎn)的其他器件應(yīng)用，比如，鐵磁量子點(diǎn)磁記憶器件、量子點(diǎn)自旋過(guò)濾器及自旋記憶器等，也已經(jīng)被提出，可以肯定這些應(yīng)用會(huì)給我們帶來(lái)許多潛在的好處?？偠灾?，無(wú)論是從基礎(chǔ)研究（探索基于非經(jīng)典效應(yīng)的新物理現(xiàn)象）的觀念出發(fā)，還是從應(yīng)用（受因結(jié)構(gòu)減少空間維度而帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)以及因應(yīng)半導(dǎo)體器件特征尺寸持續(xù)減小而需要這兩個(gè)方面的因素驅(qū)使）的角度來(lái)看，納米結(jié)構(gòu)都是令人極其感興趣的。

II.納米結(jié)構(gòu)的制備———首次浪潮

有兩種制備納米結(jié)構(gòu)的基本方法：build-up和build-down。所謂build-up方法就是將已預(yù)制好的納米部件（納米團(tuán)簇、納米線以及納米管）組裝起來(lái)；而build-down方法就是將納米結(jié)構(gòu)直接地淀積在襯底上。前一種方法包含有三個(gè)基本步驟：1）納米部件的制備；2）納米部件的整理和篩選；3）納米部件組裝成器件（這可以包括不同的步驟如固定在襯底及電接觸的淀積等等）?！癰uild-up“的優(yōu)點(diǎn)是個(gè)體納米部件的制備成本低以及工藝簡(jiǎn)單快捷。有多種方法如氣相合成以及膠體化學(xué)合成可以用來(lái)制備納米元件。目前，在國(guó)內(nèi)、在香港以及在世界上許多的實(shí)驗(yàn)室里這些方法正在被用來(lái)合成不同材料的納米線、納米管以及納米團(tuán)簇。這些努力已經(jīng)證明了這些方法的有效性。這些合成方法的主要缺點(diǎn)是材料純潔度較差、材料成份難以控制以及相當(dāng)大的尺寸和形狀的分布。此外，這些納米結(jié)構(gòu)的合成后工藝再加工相當(dāng)困難。特別是，如何整理和篩選有著窄尺寸分布的納米元件是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題，這一問(wèn)題迄今仍未有解決。盡管存在如上的困難和問(wèn)題，“build-up“依然是一種能合成大量納米團(tuán)簇以及納米線、納米管的有效且簡(jiǎn)單的方法?？墒沁@些合成的納米結(jié)構(gòu)直到目前為止仍然難以有什么實(shí)際應(yīng)用，這是因?yàn)樗鼈內(nèi)狈?shí)用所苛求的尺寸、組份以及材料純度方面的要求。而且，因?yàn)橥瑯拥脑蛴眠@種方法合成的納米結(jié)構(gòu)的功能性質(zhì)相當(dāng)差。不過(guò)上述方法似乎適宜用來(lái)制造傳感器件以及生物和化學(xué)探測(cè)器，原因是垂直于襯底生長(zhǎng)的納米結(jié)構(gòu)適合此類的應(yīng)用要求。

“Build-down”方法提供了杰出的材料純度控制，而且它的制造機(jī)理與現(xiàn)代工業(yè)裝置相匹配，換句話說(shuō)，它是利用廣泛已知的各種外延技術(shù)如分子束外延(MBE)、化學(xué)氣相淀積（MOVCD）等來(lái)進(jìn)行器件制造的傳統(tǒng)方法?！癇uild-down”方法的缺點(diǎn)是較高的成本。在“build-down”方法中有幾條不同的技術(shù)路徑來(lái)制造納米結(jié)構(gòu)。最簡(jiǎn)單的一種，也是最早使用的一種是直接在襯底上刻蝕結(jié)構(gòu)來(lái)得到量子點(diǎn)或者量子線。另外一種是包括用離子注入來(lái)形成納米結(jié)構(gòu)。這兩種技術(shù)都要求使用開有小尺寸窗口的光刻版。第三種技術(shù)是通過(guò)自組裝機(jī)制來(lái)制造量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。自組裝方法是在晶格失配的材料中自然生長(zhǎng)納米尺度的島。在Stranski-Krastanov生長(zhǎng)模式中，當(dāng)材料生長(zhǎng)到一定厚度后，二維的逐層生長(zhǎng)將轉(zhuǎn)換成三維的島狀生長(zhǎng)，這時(shí)量子點(diǎn)就會(huì)生成。業(yè)已證明基于自組裝量子點(diǎn)的激光器件具有比量子阱激光器更好的性能。量子點(diǎn)器件的飽和材料增益要比相應(yīng)的量子阱器件大50倍，微分增益也要高3個(gè)量級(jí)。閾值電流密度低于100A/cm2、室溫輸出功率在瓦特量級(jí)（典型的量子阱基激光器的輸出功率是5-50mW）的連續(xù)波量子點(diǎn)激光器也已經(jīng)報(bào)道。無(wú)論是何種材料系統(tǒng)，量子點(diǎn)激光器件都預(yù)期具有低閾值電流密度，這預(yù)示目前還要求在大閾值電流條件下才能激射的寬帶系材料如III組氮化物基激光器還有很大的顯著改善其性能的空間。目前這類器件的性能已經(jīng)接近或達(dá)到商業(yè)化器件所要求的指標(biāo)，預(yù)期量子點(diǎn)基的此類材料激光器將很快在市場(chǎng)上出現(xiàn)。量子點(diǎn)基光電子器件的進(jìn)一步改善主要取決于量子點(diǎn)幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。雖然在生長(zhǎng)條件上如襯底溫度、生長(zhǎng)元素的分氣壓等的變化能夠在一定程度上控制點(diǎn)的尺寸和密度，自組裝量子點(diǎn)還是典型底表現(xiàn)出在大小、密度及位置上的隨機(jī)變化，其中僅僅是密度可以粗糙地控制。自組裝量子點(diǎn)在尺寸上的漲落導(dǎo)致它們的光發(fā)射的非均勻展寬，因此減弱了使用零維體系制作器件所期望的優(yōu)點(diǎn)。由于量子點(diǎn)尺寸的統(tǒng)計(jì)漲落和位置的隨機(jī)變化，一層含有自組裝量子點(diǎn)材料的光致發(fā)光譜典型地很寬。在豎直疊立的多層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)中這種譜展寬效應(yīng)可以被減弱。如果隔離層足夠薄，豎直疊立的多層量子點(diǎn)可典型地展現(xiàn)出豎直對(duì)準(zhǔn)排列，這可以有效地改善量子點(diǎn)的均勻性。然而，當(dāng)隔離層薄的時(shí)候，在一列量子點(diǎn)中存在載流子的耦合，這將失去因使用零維系統(tǒng)而帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)。怎樣優(yōu)化量子點(diǎn)的尺寸和隔離層的厚度以便既能獲得好均勻性的量子點(diǎn)又同時(shí)保持載流子能夠限制在量子點(diǎn)的個(gè)體中對(duì)于獲得器件的良好性能是至關(guān)重要的。

很清楚納米科學(xué)的首次浪潮發(fā)生在過(guò)去的十年中。在這段時(shí)期，研究者已經(jīng)證明了納米結(jié)構(gòu)的許多嶄新的性質(zhì)。學(xué)者們更進(jìn)一步征明可以用“build-down”或者“build-up”方法來(lái)進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)制造。這些成果向我們展示，如果納米結(jié)構(gòu)能夠大量且廉價(jià)地被制造出來(lái)，我們必將收獲更多的成果。

摘要:在過(guò)去的十年里納米科學(xué)的首次浪潮澎湃而過(guò)。在此期間，國(guó)際、國(guó)內(nèi)以及香港的學(xué)者已向世人證實(shí)他們可以采用“build-up”或“build-down”的辦法制造大量的納米管、納米線以及納米團(tuán)簇。這些努力已經(jīng)表明，如果納米結(jié)構(gòu)能夠低廉地制造，那我們就會(huì)有更豐碩的收獲。尺度小于20納米的結(jié)構(gòu)會(huì)展現(xiàn)非經(jīng)典的性質(zhì)，這提供給我們一個(gè)用全新的想法來(lái)制造功能器件的基礎(chǔ)。在半導(dǎo)體工業(yè)，制造結(jié)構(gòu)尺寸小于70納米器件的能力允許器件的持續(xù)微型化。在下一個(gè)10年中，納米科學(xué)和技術(shù)的另次浪潮將可能來(lái)臨。在這個(gè)新時(shí)期，科學(xué)家和工程師需要展示人們對(duì)納米結(jié)構(gòu)的期待功能以及證實(shí)他們的進(jìn)一步的潛力，擁有在納米結(jié)構(gòu)實(shí)際器件的尺寸、組份、有序和純度上的良好控制能力將實(shí)現(xiàn)人們期望的功能。在本文中，我們將討論納米科學(xué)和技術(shù)在新時(shí)期里發(fā)展所面對(duì)的困難和挑戰(zhàn)。一系列新的方法將被討論。我們還將討論倘若這些困難能夠被克服我們可能會(huì)有的收獲。

關(guān)鍵詞：納米科學(xué)納米技術(shù)納米管納米線納米團(tuán)簇半導(dǎo)體

NanoscienceandNanotechnology–theSecondRevolution

Abstract:Thefirstrevolutionofnanosciencetookplaceinthepast10years.Inthisperiod,researchersinChina,HongKongandworldwidehavedemonstratedtheabilitytofabricatelargequantitiesofnanotubes,nanowiresandnanoclustersofdifferentmaterials,usingeitherthe“build-up”or“build-down”approach.Theseeffortshaveshownthatifnanostructurescanbefabricatedinexpensively,therearemanyrewardstobereaped.Structuressmallerthan20nmexhibitnon-classicalpropertiesandtheyofferthebasisforentirelydifferentthinkinginmakingdevicesandhowdevicesfunction.Theabilitytofabricatestructureswithdimensionlessthan70nmallowthecontinuationofminiaturizationofdevicesinthesemiconductorindustry.Thesecondnanoscienceandnantechnologyrevolutionwilllikelytakeplaceinthenext10years.Inthisnewperiod,scientistsandengineerswillneedtoshowthatthepotentialandpromiseofnanostructurescanberealized.Therealizationisthefabricationofpracticaldeviceswithgoodcontrolinsize,composition,orderandpuritysothatsuchdeviceswilldeliverthepromisedfunctions.Weshalldiscusssomedifficultiesandchallengesfacedinthisnewperiod.Anumberofalternativeapproacheswillbediscussed.Weshallalsodiscusssomeoftherewardsifthesedifficultiescanbeovercome.

Keywords:Nanoscience,Nanotechnology,Nanotubes,Nanowires,Nanoclusters,“build-up”,“build-down”,Semiconductor

I.引言

摘要:在過(guò)去的十年里納米科學(xué)的首次浪潮澎湃而過(guò)。在此期間，國(guó)際、國(guó)內(nèi)以及香港的學(xué)者已向世人證實(shí)他們可以采用“build-up”或“build-down”的辦法制造大量的納米管、納米線以及納米團(tuán)簇。這些努力已經(jīng)表明，如果納米結(jié)構(gòu)能夠低廉地制造，那我們就會(huì)有更豐碩的收獲。尺度小于20納米的結(jié)構(gòu)會(huì)展現(xiàn)非經(jīng)典的性質(zhì)，這提供給我們一個(gè)用全新的想法來(lái)制造功能器件的基礎(chǔ)。在半導(dǎo)體工業(yè)，制造結(jié)構(gòu)尺寸小于70納米器件的能力允許器件的持續(xù)微型化。在下一個(gè)10年中，納米科學(xué)和技術(shù)的另次浪潮將可能來(lái)臨。在這個(gè)新時(shí)期，科學(xué)家和工程師需要展示人們對(duì)納米結(jié)構(gòu)的期待功能以及證實(shí)他們的進(jìn)一步的潛力，擁有在納米結(jié)構(gòu)實(shí)際器件的尺寸、組份、有序和純度上的良好控制能力將實(shí)現(xiàn)人們期望的功能。在本文中，我們將討論納米科學(xué)和技術(shù)在新時(shí)期里發(fā)展所面對(duì)的困難和挑戰(zhàn)。一系列新的方法將被討論。我們還將討論倘若這些困難能夠被克服我們可能會(huì)有的收獲。

關(guān)鍵詞：納米科學(xué)納米技術(shù)納米管納米線納米團(tuán)簇半導(dǎo)體

NanoscienceandNanotechnology–theSecondRevolution

Abstract:Thefirstrevolutionofnanosciencetookplaceinthepast10years.Inthisperiod,researchersinChina,HongKongandworldwidehavedemonstratedtheabilitytofabricatelargequantitiesofnanotubes,nanowiresandnanoclustersofdifferentmaterials,usingeitherthe“build-up”or“build-down”approach.Theseeffortshaveshownthatifnanostructurescanbefabricatedinexpensively,therearemanyrewardstobereaped.Structuressmallerthan20nmexhibitnon-classicalpropertiesandtheyofferthebasisforentirelydifferentthinkinginmakingdevicesandhowdevicesfunction.Theabilitytofabricatestructureswithdimensionlessthan70nmallowthecontinuationofminiaturizationofdevicesinthesemiconductorindustry.Thesecondnanoscienceandnantechnologyrevolutionwilllikelytakeplaceinthenext10years.Inthisnewperiod,scientistsandengineerswillneedtoshowthatthepotentialandpromiseofnanostructurescanberealized.Therealizationisthefabricationofpracticaldeviceswithgoodcontrolinsize,composition,orderandpuritysothatsuchdeviceswilldeliverthepromisedfunctions.Weshalldiscusssomedifficultiesandchallengesfacedinthisnewperiod.Anumberofalternativeapproacheswillbediscussed.Weshallalsodiscusssomeoftherewardsifthesedifficultiescanbeovercome.

Keywords:Nanoscience,Nanotechnology,Nanotubes,Nanowires,Nanoclusters,“build-up”,“build-down”,Semiconductor

I.引言

摘要:在過(guò)去的十年里納米科學(xué)的首次浪潮澎湃而過(guò)。在此期間，國(guó)際、國(guó)內(nèi)以及香港的學(xué)者已向世人證實(shí)他們可以采用“build-up”或“build-down”的辦法制造大量的納米管、納米線以及納米團(tuán)簇。這些努力已經(jīng)表明，如果納米結(jié)構(gòu)能夠低廉地制造，那我們就會(huì)有更豐碩的收獲。尺度小于20納米的結(jié)構(gòu)會(huì)展現(xiàn)非經(jīng)典的性質(zhì)，這提供給我們一個(gè)用全新的想法來(lái)制造功能器件的基礎(chǔ)。在半導(dǎo)體工業(yè)，制造結(jié)構(gòu)尺寸小于70納米器件的能力允許器件的持續(xù)微型化。在下一個(gè)10年中，納米科學(xué)和技術(shù)的另次浪潮將可能來(lái)臨。在這個(gè)新時(shí)期，科學(xué)家和工程師需要展示人們對(duì)納米結(jié)構(gòu)的期待功能以及證實(shí)他們的進(jìn)一步的潛力，擁有在納米結(jié)構(gòu)實(shí)際器件的尺寸、組份、有序和純度上的良好控制能力將實(shí)現(xiàn)人們期望的功能。在本文中，我們將討論納米科學(xué)和技術(shù)在新時(shí)期里發(fā)展所面對(duì)的困難和挑戰(zhàn)。一系列新的方法將被討論。我們還將討論倘若這些困難能夠被克服我們可能會(huì)有的收獲。

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摘要:在過(guò)去的十年里納米科學(xué)的首次浪潮澎湃而過(guò)。在此期間，國(guó)際、國(guó)內(nèi)以及香港的學(xué)者已向世人證實(shí)他們可以采用“build-up”或“build-down”的辦法制造大量的納米管、納米線以及納米團(tuán)簇。這些努力已經(jīng)表明，如果納米結(jié)構(gòu)能夠低廉地制造，那我們就會(huì)有更豐碩的收獲。尺度小于20納米的結(jié)構(gòu)會(huì)展現(xiàn)非經(jīng)典的性質(zhì)，這提供給我們一個(gè)用全新的想法來(lái)制造功能器件的基礎(chǔ)。在半導(dǎo)體工業(yè)，制造結(jié)構(gòu)尺寸小于70納米器件的能力允許器件的持續(xù)微型化。在下一個(gè)10年中，納米科學(xué)和技術(shù)的另次浪潮將可能來(lái)臨。在這個(gè)新時(shí)期，科學(xué)家和工程師需要展示人們對(duì)納米結(jié)構(gòu)的期待功能以及證實(shí)他們的進(jìn)一步的潛力，擁有在納米結(jié)構(gòu)實(shí)際器件的尺寸、組份、有序和純度上的良好控制能力將實(shí)現(xiàn)人們期望的功能。在本文中，我們將討論納米科學(xué)和技術(shù)在新時(shí)期里發(fā)展所面對(duì)的困難和挑戰(zhàn)。一系列新的方法將被討論。我們還將討論倘若這些困難能夠被克服我們可能會(huì)有的收獲。

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NanoscienceandNanotechnology–theSecondRevolution

Abstract:Thefirstrevolutionofnanosciencetookplaceinthepast10years.Inthisperiod,researchersinChina,HongKongandworldwidehavedemonstratedtheabilitytofabricatelargequantitiesofnanotubes,nanowiresandnanoclustersofdifferentmaterials,usingeitherthe“build-up”or“build-down”approach.Theseeffortshaveshownthatifnanostructurescanbefabricatedinexpensively,therearemanyrewardstobereaped.Structuressmallerthan20nmexhibitnon-classicalpropertiesandtheyofferthebasisforentirelydifferentthinkinginmakingdevicesandhowdevicesfunction.Theabilitytofabricatestructureswithdimensionlessthan70nmallowthecontinuationofminiaturizationofdevicesinthesemiconductorindustry.Thesecondnanoscienceandnantechnologyrevolutionwilllikelytakeplaceinthenext10years.Inthisnewperiod,scientistsandengineerswillneedtoshowthatthepotentialandpromiseofnanostructurescanberealized.Therealizationisthefabricationofpracticaldeviceswithgoodcontrolinsize,composition,orderandpuritysothatsuchdeviceswilldeliverthepromisedfunctions.Weshalldiscusssomedifficultiesandchallengesfacedinthisnewperiod.Anumberofalternativeapproacheswillbediscussed.Weshallalsodiscusssomeoftherewardsifthesedifficultiescanbeovercome.

Keywords:Nanoscience,Nanotechnology,Nanotubes,Nanowires,Nanoclusters,“build-up”,“build-down”,Semiconductor

I.引言

在充滿生機(jī)的21世紀(jì)，信息、生物技術(shù)、能源、環(huán)境、先進(jìn)制造技術(shù)和國(guó)防的高速發(fā)展必然對(duì)材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存儲(chǔ)和超快傳輸?shù)葘?duì)材料的尺寸要求越來(lái)越??；航空航天、新型軍事裝備及先進(jìn)制造技術(shù)等對(duì)材料性能要求越來(lái)越高。新材料的創(chuàng)新，以及在此基礎(chǔ)上誘發(fā)的新技術(shù)。新產(chǎn)品的創(chuàng)新是未來(lái)10年對(duì)社會(huì)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)振興、國(guó)力增強(qiáng)最有影響力的戰(zhàn)略研究領(lǐng)域，納米材料將是起重要作用的關(guān)鍵材料之一。納米材料和納米結(jié)構(gòu)是當(dāng)今新材料研究領(lǐng)域中最富有活力、對(duì)未來(lái)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展有著十分重要影響的研究對(duì)象，也是納米科技中最為活躍、最接近應(yīng)用的重要組成部分。近年來(lái)，納米材料和納米結(jié)構(gòu)取得了引人注目的成就。例如，存儲(chǔ)密度達(dá)到每平方某時(shí)400G的磁性納米棒陣列的量子磁盤、成本低廉、發(fā)光頻段可調(diào)的高效納米陣列激光器、價(jià)格低廉高能量轉(zhuǎn)化的納米結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池和熱電轉(zhuǎn)化元件、用作軌道炮道軌的耐燒蝕高強(qiáng)高韌納米復(fù)合材料等的問(wèn)世，充分顯示了它在國(guó)民經(jīng)濟(jì)新型支柱產(chǎn)業(yè)和高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用的巨大潛力。正像美國(guó)科學(xué)家估計(jì)的“這種人們?nèi)庋劭床灰?jiàn)的極微小的物質(zhì)很可能給予各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)一場(chǎng)革命”。納米材料和納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)用將對(duì)如何調(diào)整國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的布局、設(shè)計(jì)新產(chǎn)品、形成新的產(chǎn)業(yè)及改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)注入高科技含量提供新的機(jī)遇。

研究納米材料和納米結(jié)構(gòu)的重要科學(xué)意義在于它開辟了人們認(rèn)識(shí)自然的新層次，是知識(shí)創(chuàng)新的源泉。由于納米結(jié)構(gòu)單元的尺度（1～100urn）與物質(zhì)中的許多特征長(zhǎng)度，如電子的德布洛意波長(zhǎng)、超導(dǎo)相干長(zhǎng)度、隧穿勢(shì)壘厚度、鐵磁性臨界尺寸相當(dāng)，從而導(dǎo)致納米材料和納米結(jié)構(gòu)的物理、化學(xué)特性既不同于微觀的原子、分子，也不同于宏觀物體，從而把人們探索自然、創(chuàng)造知識(shí)的能力延伸到介于宏觀和微觀物體之間的中間領(lǐng)域。在納米領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，認(rèn)識(shí)新規(guī)律，提出新概念，建立新理論，為構(gòu)筑納米材料科學(xué)體系新框架奠定基礎(chǔ)，也將極大豐富納米物理和納米化學(xué)等新領(lǐng)域的研究?jī)?nèi)涵。世紀(jì)之交高韌性納米陶瓷、超強(qiáng)納米金屬等仍然是納米材料領(lǐng)域重要的研究課題；納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，異質(zhì)、異相和不同性質(zhì)的納米基元（零維納米微粒、一維納米管、納米棒和納米絲）的組合。納米尺度基元的表面修飾改性等形成了當(dāng)今納米材料研究新熱點(diǎn)，人們可以有更多的自由度按自己的的意愿合成具有特殊性能的新材料。利用新物性、新原理、新方法設(shè)計(jì)納米結(jié)構(gòu)原理性器件以及納米復(fù)合傳統(tǒng)材料改性正孕育著新的突破。

1研究形狀和趨勢(shì)

納米材料制備和應(yīng)用研究中所產(chǎn)生的納米技術(shù)很可能成為下一世紀(jì)前20年的主導(dǎo)技術(shù)，帶動(dòng)納米產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。世紀(jì)之交世界先進(jìn)國(guó)家都從未來(lái)發(fā)展戰(zhàn)略高度重新布局納米材料研究，在千年交替的關(guān)鍵時(shí)刻，迎接新的挑戰(zhàn)，抓緊納米材料和柏米結(jié)構(gòu)的立項(xiàng)，迅速組織科技人員圍繞國(guó)家制定的目標(biāo)進(jìn)行研究是十分重要的。

納米材料誕生州多年來(lái)所取得的成就及對(duì)各個(gè)領(lǐng)域的影響和滲透一直引人注目。進(jìn)入90年代，納米材料研究的內(nèi)涵不斷擴(kuò)大，領(lǐng)域逐漸拓寬。一個(gè)突出的特點(diǎn)是基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的銜接十分緊密，實(shí)驗(yàn)室成果的轉(zhuǎn)化速度之快出乎人們預(yù)料，基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究都取得了重要的進(jìn)展。美國(guó)已成功地制備了晶粒為50urn的納米Cu的決體材料，硬度比粗晶Cu提高5倍；晶粒為7urn的Pd，屈服應(yīng)力比粗晶Pd高5倍；具有高強(qiáng)度的金屬間化合物的增塑問(wèn)題一直引起人們的關(guān)注，晶粒的納米化為解決這一問(wèn)題帶來(lái)了希望，納米金屬間化合物FqsAJZCr室成果的轉(zhuǎn)化，到目前為止，已形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的幾家納米粉體產(chǎn)業(yè)，睦次鸚米氧化硅。氧化鈦、氮化硅核區(qū)個(gè)文的易實(shí)他借個(gè)緲陽(yáng)放寬在納米添加功能陶瓷和結(jié)構(gòu)陶瓷改性方面也取得了很好的效果。

根據(jù)納米材料發(fā)展趨勢(shì)以及它在對(duì)世紀(jì)高技術(shù)發(fā)展所占有的重要地位，世界發(fā)達(dá)國(guó)家的政府都在部署本來(lái)10～15年有關(guān)納米科技研究規(guī)劃。美國(guó)國(guó)家基金委員會(huì)（NSF）1998年把納米功能材料的合成加工和應(yīng)用作為重要基礎(chǔ)研究項(xiàng)目向全國(guó)科技界招標(biāo)；美國(guó)DARPA（國(guó)家先進(jìn)技術(shù)研究部）的幾個(gè)計(jì)劃里也把納米科技作為重要研究對(duì)象；日本近匕年來(lái)制定了各種計(jì)劃用于納米科技的研究，例如Ogala計(jì)劃、ERATO計(jì)劃和量子功能器件的基本原理和器件利用的研究計(jì)劃，1997年，納米科技投資1．28億美元；德國(guó)科研技術(shù)部幫助聯(lián)邦政府制定了1995年到2010年15年發(fā)展納米科技的計(jì)劃；英國(guó)政府出巨資資助納米科技的研究；1997年西歐投資1．2億美元。據(jù)1999年7月8日《自然》最新報(bào)道，納米材料應(yīng)用潛力引起美國(guó)白宮的注意；美國(guó)總統(tǒng)克林頓親自過(guò)問(wèn)納米材料和納米技術(shù)的研究，決定加大投資，今后3年經(jīng)費(fèi)資助從2．5億美元增

科學(xué)界普遍認(rèn)為，納米技術(shù)是21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的一臺(tái)主要的發(fā)動(dòng)機(jī)，其作用可使微電子學(xué)在20世紀(jì)后半葉對(duì)世界的影響相形見(jiàn)絀，納米技術(shù)將給醫(yī)學(xué)、制造業(yè)、材料和信息通信等行業(yè)帶來(lái)革命性的變革。因此，近幾年來(lái)，納米科技受到了世界各國(guó)尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家的極大青睞，并引發(fā)了越來(lái)越激烈的競(jìng)爭(zhēng)。

1、各國(guó)競(jìng)相出臺(tái)納米科技發(fā)展戰(zhàn)略和計(jì)劃

由于納米技術(shù)對(duì)國(guó)家未來(lái)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展及國(guó)防安全具有重要意義，世界各國(guó)（地區(qū)）紛紛將納米技術(shù)的研發(fā)作為21世紀(jì)技術(shù)創(chuàng)新的主要驅(qū)動(dòng)器，相繼制定了發(fā)展戰(zhàn)略和計(jì)劃，以指導(dǎo)和推進(jìn)本國(guó)納米科技的發(fā)展。目前，世界上已有50多個(gè)國(guó)家制定了國(guó)家級(jí)的納米技術(shù)計(jì)劃。一些國(guó)家雖然沒(méi)有專項(xiàng)的納米技術(shù)計(jì)劃，但其他計(jì)劃中也往往包含了納米技術(shù)相關(guān)的研發(fā)。

（1）發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)雄心勃勃

為了搶占納米科技的先機(jī)，美國(guó)早在2000年就率先制定了國(guó)家級(jí)的納米技術(shù)計(jì)劃（NNI），其宗旨是整合聯(lián)邦各機(jī)構(gòu)的力量，加強(qiáng)其在開展納米尺度的科學(xué)、工程和技術(shù)開發(fā)工作方面的協(xié)調(diào)。2003年11月，美國(guó)國(guó)會(huì)又通過(guò)了《21世紀(jì)納米技術(shù)研究開發(fā)法案》，這標(biāo)志著納米技術(shù)已成為聯(lián)邦的重大研發(fā)計(jì)劃，從基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究到研究中心、基礎(chǔ)設(shè)施的建立以及人才的培養(yǎng)等全面展開。

日本政府將納米技術(shù)視為“日本經(jīng)濟(jì)復(fù)興”的關(guān)鍵。第二期科學(xué)技術(shù)基本計(jì)劃將生命科學(xué)、信息通信、環(huán)境技術(shù)和納米技術(shù)作為4大重點(diǎn)研發(fā)領(lǐng)域，并制定了多項(xiàng)措施確保這些領(lǐng)域所需戰(zhàn)略資源（人才、資金、設(shè)備）的落實(shí)。之后，日本科技界較為徹底地貫徹了這一方針，積極推進(jìn)從基礎(chǔ)性到實(shí)用性的研發(fā)，同時(shí)跨省廳重點(diǎn)推進(jìn)能有效促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和加強(qiáng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的研發(fā)。

一、納米材料研究的現(xiàn)狀

自70年代納米顆粒材料問(wèn)世以來(lái)，80年代中期在實(shí)驗(yàn)室合成了納米塊體材料，至今已有20多年的歷史，但真正成為材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理研究的前沿?zé)狳c(diǎn)是在80年代中期以后。從研究的內(nèi)涵和特點(diǎn)大致可劃分為三個(gè)階段。

第一階段（1990年以前）主要是在實(shí)驗(yàn)室探索用各種手段制備各種材料的納米顆粒粉體，合成塊體（包括薄膜），研究評(píng)估表征的方法，探索納米材料不同于常規(guī)材料的特殊性能。對(duì)納米顆粒和納米塊體材料結(jié)構(gòu)的研究在80年代末期一度形成熱潮。研究的對(duì)象一般局限在單一材料和單相材料，國(guó)際上通常把這類納米材料稱納米晶或納米相材料。

第二階段（1994年前）人們關(guān)注的熱點(diǎn)是如何利用納米材料已挖掘出來(lái)的奇特物理、化學(xué)和力學(xué)性能，設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料，通常采用納米微粒與納米微粒復(fù)合，納米微粒與常規(guī)塊體復(fù)合及發(fā)展復(fù)合材料的合成及物性的探索一度成為納米材料研究的主導(dǎo)方向。

第三階段（從1994年到現(xiàn)在）納米組裝體系、人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)的材料體系越來(lái)越受到人們的關(guān)注，正在成為納米材料研究的新的熱點(diǎn)。國(guó)際上，把這類材料稱為納米組裝材料體系或者稱為納米尺度的圖案材料。它的基本內(nèi)涵是以納米顆粒以及它們組成的納米絲和管為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系，基保包括納米陣列體系、介孔組裝體系、薄膜嵌鑲體系。納米顆粒、絲、管可以是有序或無(wú)序地排列。

如果說(shuō)第一階段和第二階段的研究在某種程度上帶有一定的隨機(jī)性，那么這一階段研究的特點(diǎn)更強(qiáng)調(diào)人們的意愿設(shè)計(jì)、組裝、創(chuàng)造新的體系，更有目的地使該體系具有人們所希望的特性。著名諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者，美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)曼曾預(yù)言“如果有一天人們能按照自己的意愿排列原子和分子…，那將創(chuàng)造什么樣的奇跡”。就像目前用STM操縱原子一樣，人工地把納米微粒整齊排列就是實(shí)現(xiàn)費(fèi)曼預(yù)言，創(chuàng)造新奇跡的起點(diǎn)。美國(guó)加利福尼亞大學(xué)洛倫茲伯克力國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家在《自然》雜志上，指出納米尺度的圖案材料是現(xiàn)代材料化學(xué)和物理學(xué)的重要前沿課題?？梢?jiàn)，納米結(jié)構(gòu)的組裝體系很可能成為納米材料研究的前沿主導(dǎo)方向。

納米材料（又稱超細(xì)微粒、超細(xì)粉未）是處在原子簇和宏觀物體交界過(guò)渡區(qū)域的一種典型系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)既不同于體塊材料，也不同于單個(gè)的原子。其特殊的結(jié)構(gòu)層次使它具有表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等，擁有一系列新穎的物理和化學(xué)特性，在眾多領(lǐng)域特別是在光、電、磁、催化等方面具有非常重大的應(yīng)用價(jià)值。

納米材料在結(jié)構(gòu)、光電和化學(xué)性質(zhì)等方面的誘人特征，引起物理學(xué)家、材料學(xué)家和化學(xué)家的濃厚興趣。80年代初期納米材料這一概念形成以后，世界各國(guó)對(duì)這種材料給予極大關(guān)注。它所具有的獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，使人們意識(shí)到它的發(fā)展可能給物理、化學(xué)、材料、生物、醫(yī)藥等學(xué)科的研究帶來(lái)新的機(jī)遇。納米材料的應(yīng)用前景十分廣闊。近年來(lái)，它在化工生產(chǎn)領(lǐng)域也得到了一定的應(yīng)用，并顯示出它的獨(dú)特魅力。

1.在催化方面的應(yīng)用

催化劑在許多化學(xué)化工領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用，它可以控制反應(yīng)時(shí)間、提高反應(yīng)效率和反應(yīng)速度。大多數(shù)傳統(tǒng)的催化劑不僅催化效率低，而且其制備是憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，不僅造成生產(chǎn)原料的巨大浪費(fèi)，使經(jīng)濟(jì)效益難以提高，而且對(duì)環(huán)境也造成污染。納米粒子表面活性中心多，為它作催化劑提供了必要條件。納米粒于作催化劑，可大大提高反應(yīng)效率，控制反應(yīng)速度，甚至使原來(lái)不能進(jìn)行的反應(yīng)也能進(jìn)行。納米微粒作催化劑比一般催化劑的反應(yīng)速度提高10～15倍。

納米微粒作為催化劑應(yīng)用較多的是半導(dǎo)體光催化劑，特別是在有機(jī)物制備方面。分散在溶液中的每一個(gè)半導(dǎo)體顆粒，可近似地看成是一個(gè)短路的微型電池，用能量大于半導(dǎo)體能隙的光照射半導(dǎo)體分散系時(shí)，半導(dǎo)體納米粒子吸收光產(chǎn)生電子——空穴對(duì)。在電場(chǎng)作用下，電子與空穴分離，分別遷移到粒子表面的不同位置，與溶液中相似的組分進(jìn)行氧化和還原反應(yīng)。

光催化反應(yīng)涉及到許多反應(yīng)類型，如醇與烴的氧化，無(wú)機(jī)離子氧化還原，有機(jī)物催化脫氫和加氫、氨基酸合成，固氮反應(yīng)，水凈化處理，水煤氣變換等，其中有些是多相催化難以實(shí)現(xiàn)的。半導(dǎo)體多相光催化劑能有效地降解水中的有機(jī)污染物。例如納米TiO2，既有較高的光催化活性，又能耐酸堿，對(duì)光穩(wěn)定，無(wú)毒，便宜易得，是制備負(fù)載型光催化劑的最佳選擇。已有文章報(bào)道，選用硅膠為基質(zhì)，制得了催化活性較高的TiO／SiO2負(fù)載型光催化劑。Ni或Cu一Zn化合物的納米顆粒，對(duì)某些有機(jī)化合物的氫化反應(yīng)是極好的催化劑，可代替昂貴的鉑或鈕催化劑。納米鉑黑催化劑可使乙烯的氧化反應(yīng)溫度從600℃降至室溫。用納米微粒作催化劑提高反應(yīng)效率、優(yōu)化反應(yīng)路徑、提高反應(yīng)速度方面的研究，是未來(lái)催化科學(xué)不可忽視的重要研究課題，很可能給催化在工業(yè)上的應(yīng)用帶來(lái)革命性的變革。