自然辩证法期末跨学科角度浅谈科研创新

跨学科角度浅谈科研创新――纳米科技学生：刘燕学号：SC09023045Email:yanliu85@[摘要]长久以来，人们对自然界的认识由感性认识逐渐上升到了理性认识，尤其对于科学研究必须上升到理性认识的高度。科学研究与创新要求从直观科学描述的感性认识到达深入理论层次的理性认识，我们必须对科学事实进行理论思维的整理和加工，揭示客观现象的本质和规律，推动科学技术的前进。科技飞速发展的今天，利用单一学科领域的知识研究自然现象和自然规律未必是有效的探究手段，跨学科领域知识的互相促进尤其对于纳米学科是有利的研究方法。在半导体芯片集成度剧增和半导体器件按比例缩小的今天，微电子技术发展经历了很长时间的量变积累，在半导体器件特征尺寸的缩小受到半导体曝光工艺限制时，一次质变的飞跃将引导电子器件向纳米世界跨越，这次成功的飞跃需要材料学科，微电子学科以及量子物理学科的支持；这次由微电子学科向纳米学科从量变到质变的突破依旧体现了自然辩证法思想。[关键词]科学认识，半导体技术，纳米材料，纳米电子器件[正文]曾经有那样一个领域，非常小，即便用光学显微镜也很难分辨器特征。该领域中研究的是原子和分子，尺度都在纳米量级(1纳米＝十亿分之一米)。直到1981年扫描隧道显微镜(STM)发明后，诞生了一门以0.1到100纳米长度为研究分子世界，它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。纳米科学与技术主要包括：纳米体系物理学、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。这七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征这三个研究领域。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本文讨论的最重要的内容[1]。１.１纳米技术发展历程与意义人类能够用宏观的机器制造比其体积小的机器，而这较小的机器可以制作更小的机器，这样一步一步达到分子线度，即逐级地缩小生产装置，以至最后直接按意愿排列原子制造产品。著名的诺贝尔物理学奖获得者费曼在1959年曾说过：“当2000年人们回顾历史的时候，他们会为直到1959年才有人想到直接用原子，分子来制造机器而感到惊讶。”1974年塔里古驰最早使用纳米技术一词描述精细机械加工。1977年美国麻省理工学院德雷克斯勒教授提出，可以从模拟活细胞的生物分子的人工类似物――分子装置开始研究，并称之为纳米科技。他在70年代末在斯坦福大学建立第一个纳米科技研究小组。20世纪80年代初出现的扫描隧道显微镜(STM)极大促进了纳米科技的发展。1990年7月，在美国巴尔的摩召开了国际首届纳米科学技术会议，1996年，在中国召开了第四届纳米科技学术会议，世界上的科学家已经买入纳米领域研究单个原子、分子制造物质的科学技术。科学家们为我们勾勒了一幅若干年后的宏伟蓝图[2]：纳电子学将使量子元件代替微电子器件，巨型计算机就能装入口袋里；通过纳米化，易碎的陶瓷可以增强韧性，成为一种重要材料；世界上还将出现１微米以下的机械甚至机器人；纳米技术还能给药物的传输提供新的途径和方案(如：纳米药物在人体内的定点投放)；对基因进行定位等。正因如此，世界各国尤其是发达国家都从战略高度部署纳米科技研究。我们从一个新的领域纳米学科的诞生发现，纳米电子学将逐步取代微电子学科并传承微电子学科的主导思想使得集成电路在新领域快速发展；纳米材料学将引领人们在材料领域开辟出一块新的学科疆界，合成新型材料促进科技文明进步；纳米生物医药领域中，新的治疗方案和纳米药物的研制可以解决现代医学中尚不能解决的难题。因此，多学科交叉的纳米学科的发展具有重要意义。详首先，纳米罪科技将引发转人类认知的鱼革命。从人今类未来社会术发展的角度坦看，可持续思发展将是人用类社会进步凶的唯一选择请。纳米科技挥推动产品的抓微型化，高缘性能化和与钥环境友好化当，这将极大葱节约资源和云能源，减少寻人类对其过股分依赖，并果促进生态环讽境的改善。肥这将在新的赖层次上为可雁持续发展的犯理论变为现喘实提供物质衡和技术保证纹。其次，纳惕米科技将引川发一场新的颜工业革命。督纳米技术是度80年代初比迅速发展起配来的前沿科厉学，它使人隙们认识，改遍造微观世界湾的水平提高幼到了一个新现的高度。纳阅米科技将用夺于下一代的火微电子器件经即纳米电子竹器件，使未洋来的电脑，饲电视机，卫健星，机器人喷等的体积变搅得越来越小馅，可携带性尽更强。廊１.宝２纲父从微电子技款术到斑纳米垃电子浮技术威在微电子产滨业得到突飞具猛进的发展来的今天，芯葡片的面积逐诞渐缩小，电拆路的集成度苍逐渐增长，参晶圆的尺寸逗有200m度m到Int部el前不久灵公布的45星0mm直径喘的晶圆，器件件制造的主台流工艺－标厉准CMOS温工艺由0.廊13um发体展到32n参m，更甚至玉22nm标袭准CMOS援工艺的提出胜，无不说明亭了微电子由盲科研到产业乌发展的长久馅历程。在这悔个漫长的发湖展历程中，浪电路设计，箱半导体器件际模型，半导居体制造工艺尾伴随着每一充代的发展都市沿着摩尔定貌律功这条曲线轨焦迹都经历了资更新，改进猫的过程，当稿发展到极限茶水平即光刻婆工艺不可能宇满足器件特拳征尺寸的进尺一步缩小。渗1958年鞭Jack草Killy佩和Robe乞rtNo充yce分别篇向人们展示键了他们发明浴的集成电路哥。此后，集借成电路发展壤极其迅速。挂正如Int狱el公司的帽创始人之一肿戈登.摩尔白预言的哗那样，半导筑体芯片上的测晶体管数每扯18个月会排增加一倍。醉集成度的急介剧提高一半燃是由于芯片惹上器件的特功征尺寸的减硬小，另一半架是则是来自厅设计的不断叉改进。按照妹摩尔定律的尾发展趋势，凳这根曲线将紫会在尽头饱仔和停滞，因仪为半导体器旁件的按比例葱缩小，半导领体工艺朗节点逐步减滨小将使得以页硅为主的半嫩导体元件在灯集成化，布四线和高频线翅路方面将都礼达到极限。廊突破这一发第展瓶颈的唯杨一途径就是为，集成电路量的发展迈入捷另一个新的之领域纳米科觉技。曾有资史料显示，国宪际半导体协习会认为到2硬010年集嫁成电路芯片拿的特征尺寸棉将进一步减殖小到70n剃m。实际的喘半导体工艺史技术数据显犬示倘，现在(2浓010年)汇的工艺节点拦已经达到3洋2nm，由铅此可见半导坝体技术发展芳之飞速，加志快了我们探见究新领域解索决极限问题三的步伐。泰小于70n赠m的半导体怪器件，如纳事米晶体管，傲可能通过自既下而上的自严组装工艺实乳现，这就要薯依赖沸分子水平的脂合成和操纵迅技术，更需懂要认识分子责尺度的基本枝现象。置另外，原先再微电子技术易领域中的半凝导体器件模裁型在新的纳生米领域不再舌适用，由器件的尺寸吗迅速减小，丑量子限域效风应渐渐突现唤，微小的纳扎米晶体管中巧会出现霜一些物理效橡应，如互连铲线延迟商，短沟道效繁应，窄沟道汇效应，漂移吴速度饱和，逃二维量子化蔑，热载流子吊退化效应等勉。都总之，我们创需要寻找新问的纳米材料虚制备纳米晶接体管，需要份利用量子力货学知识建立迈新的器件模皱型来研究纳辛米领域的集址成电路，多需要发明新悼型的纳米操垃纵和组装技辫术来代替原调有的半导体抢工艺技术突裳破光刻工艺私极限制备纳僵米尺寸晶体队管。支撑纳赌米电子科技姻的发展的领丢域来自于不加同学科，如现材料学科，畅化学学科，奋物理学科，标微机械加工潜等。同时，伤纳米电子学奋科的发展也浊是沿着自然猪界的辩证法册思想卡[3]腊走下去的。局通俗的讲，本自然界的一青些事物发展亡都是有规律案的，各个产痛业的发展都俯是遵循新技迈术发明，新未产品研制，历再技术革新令来满足人类茄的更高需求绒，当这样的技量变积累到祥一定程度时伶就会达到极理限，就像摩来尔定律走到剧今天会邮遇到尽头，上而纳米科技寸这一新屠领域胃将来解决这胁一极限问题帽。筐１.长３趣伤从麦跨学科的角冈度物浅析命纳米术学科是纳米学科是塘传统学科的却交叉与综合稠学科。伴随拼着人类研究挑物质的尺度刚的逐级缩小劣，固态物理瘦学(sol稼idst殊atep圆hysic提s)中器件毁特征尺寸的猾减小，纳米陵生物学中自供组装技术造组出的具有多鹅功能的微缩阻单元，须化学中的分这子自组装技沉术都向着纳睁米科技迈进眉。如图１所词示的发展前境景，跨学科协的研究将解掘决本身学科茶的发展极限赢，同时引导迈新领域中的它科学发展。迅图羽１.1紧纳米学科贵是传统学科遥的交叉与综般合。击对于固态物倦理误(Soli纤dSta统tePh慌ysics裁)须中的电子器脊件，我们宝现今匀所建立的模叹型适用于微欧米尺度的微晒电子器件那（三维体材曲料）搏的研究栏，可以用最伞简单的自由肾电子模型来堂处理这个电晚子系统，结丘果显示电子亡系统的电子杨态密度与能端量的关系。需随着器件的科特征尺寸的平减小，旷低维结构材落料通常是指吉除瓜三维体材料硬以外的二维做（量子阱）霞，一维（量决子线）甚至次是零维（量胖子点）材料腊。利用低维疾的半导体材胀料制备电子企器件，如碳捐纳米管晶体前管(CNT恢FET)，摄单电子器件孝，纳米尺度撑的非挥发半掉导体存储器逢件(PCR喘AM)等诸杜如此类的技展术，成功的顿将电路，器椅件推动到了铁纳米领域，脱器件的按比乳例缩小得到左了延续。以宴纳米尺度下沸的非挥发半触导体存储器锄(PCRA辫M)为例，耻我们进一步舱讨论该器件阶诞生的必然集性。半导体此存储器是微阔电子产业中贱发展最迅速低的产业，低卷压低功耗，扎高速高密度君的存储一直拜是商业界和梯用户的最终粒目标。非挥倾发半导体存山储器PCA恶RM是群由颜最初ROM凤（只读存储提器），EP聋ROM（可袋擦除可编程霜存储器），染EEPRO芝M（电可擦个可编程存储扇器）以及后揪来的革新技报术Flas宰h（闪存）掏一步步的技悦术研发积累肚的过程中的妥必然产物。传当半导体工蓬艺发展到了蛛极限时，F摄lash技烟术也将走到掀尽头，栅氧起化层的厚度馒不可能无止昏尽的减小，恶量子效应的担逐步突现使鹿得这个在按族比例缩小的勿规律中淘汰裙，现在就必毁须有一样技龙术可以取而挨代之。那么残，非挥发相何变存储器(疏PCRAM棋)就是一个引最有发展前倚景的存储技翻术，虾新型的纳米爷相变材料使湖得器件的特直征尺寸在纳怜米领域继续罪缩小，海量锐存储得以实织现。电致相虾变的功耗逐祥渐减小，操缘作电压降低背，这些满足凝了低功耗电语路的需求。迹存储单元阵犬列的制备可祖以摆脱传统俘的光刻技术爪，而采用纳朱米线作为存扣储单元，微钥尺度的操纵湾将是主流的唤制备工艺。垒综上所述，业纳米科技将珠微电子产业皆引入了新的堂疆域，在纳深米世界中，脾半导体器件唯将朝着高性妥能的方向走曾的更远。症在纳米生物霉学方面，微则尺度的操作摊工艺就显得煤更为重要。更千百年来，渗花谢花开，织生老病死等驼自然现象测都是人类探块索的课题。亡然而由于受焦到科技发展丹的限制，这贷方面的研究蓬很长时间来乘无法达到分逐子水平，探独究生物细胞雁的行为，研御究病理受到也了极大的限月制。随着纳岛米技术的兴扁起，人类开坝始拥有从根猛本上了解和气利用生物分葱子的工具，涌微分析手段什为人类打开捏了探究生命购，研究病理趣的一扇窗户羡。纳米生物狠技术遣[2]饺主要是指用灯于研究生命钞现象的纳米循技术，它主多要包括两个疑方面：一是洲利用新兴的植纳米技术来始解决和研究迟生物学的问剪题；二是利津用生物大分残子制造分子型器件，模仿办和制造类似揉生物大分子意的生物机器站。一项鸦新兴的研究牵领域生物芯匹片的研究得供到了全世界田的广泛关注假。采用纳米振技术，操纵钻生物大分子败，研制DN节A芯片。D小NA芯片是赴根据DNA式双螺旋结构紫原理而发展冈的核酸链间拌分子杂交的氏技术，其机消理是汪在芯片表面掀制备成千上砖万的基因单炭元作为配基蚀，对待测基陈因进行筛选榜。DNA芯译片技术可以茫快速分析大铁量的基因信胀息，从而使夫人们可以收尼集并研究基耻因的表达和锈变异信息。长上述的两个魔研究领域也负存在共同点道，纳米领域损中的学科是纯相互交叉，何相互促进的扬。无论是纳爬米电子学，令还是是纳米执生物学都利据用了纳米材拢料学科的纳段米制备和纳完米合成技术轰，同时也需扭要化学和物盆理这样的传转统学科的支虏持。此外，朽微机械加工敬技术也是纳尸米领域中多飞数学科需要慎用到的技术破。由此得出默，跨学的交互叉促进了学旺科与学科之摔间的交流与钥促进推动，胜传统学科向辞新兴领域迈叫进的时候，凡学科之间的促交流会更紧接密，落在各个学科叉将观迸发炮出更多新的梅思想火花。[结论]狼纳米技术革志命正在被很夜多新的思想着，科学发展子和技术进步谣所推动。更左多的创新点女在这个新领被域中诞生，搂STM(扫严描隧道显微活镜)等显微饲测量和操纵肤原子分子的异仪器使得我趋们第一次看饺到了材料表进面的单个原丧子。接下来贺，制造更小狱的计算机芯