中国纳米科学技术的基础研究和应用研究

中国纳米科学技术的基础研究和应用研究

自上世纪80年代以来，这家领先的半电影工业（hdd）面临着从规模到纳米级设备的挑战。工程技术人员在努力克服了一个个微加工技术难题的同时,也深切地感受到目前使用的制造工艺和器件技术已接近经典物理的适用极限,未来更加集成化的电子元器件必将基于新的物理工作原理。除了信息技术进一步发展的迫切需求之外,在纳米尺度上物质所呈现出的许多新颖性质为科学家和工程师提供了新的研究领域。历经20余年的发展和探索,一个由物理、化学、材料、生物和工程等学科高度交叉形成的纳米科学技术已成为目前最为活跃的前沿学科领域。在世界范围内,无论是发达国家还是发展中国家,各国政府都已认识到纳米科技的发展将成为21世纪经济增长的新动力,因而不断加强对纳米科技研发的投入。根据第三世界科学院在2005年7月发表的报告显示,美国、日本和欧盟这三大世界经济实体计划在2005-2008年度对纳米科技的投入分别达到37亿、30亿和17亿美元以上,研究项目覆盖了能源、药物、微电子工业、材料、环境等众多领域。作为发展中国家,中国应该如何参与到纳米科技的国际竞争中?2001年,由科技部、国家计委、教育部、中国科学院和国家自然科学基金委员会等单位成立了全国纳米科技指导协调委员会,统筹规划全国的纳米科技研究方向。在2001年7月联合下发的《国家纳米科技发展纲要》中提出,今后5-10年我国纳米科技发展的主要目标是:在纳米科学前沿取得重大进展,奠定发展基础;在纳米技术开发及其应用方面取得重大突破;逐步形成精干的、具有交叉综合和持续创新能力的纳米科技骨干队伍。在这份发展计划中还规划了建立全国性的纳米科技研究发展中心和以企业为主体的产业化基地,以促进基础研究、应用研究和产业化的协调发展。在2006年初国务院制定的《2006-2020年国家中长期科学和技术发展规划》中将纳米科学列入了这段时期内基础科学研究的四个主要方向之一,将纳米材料和纳米器件作为发展先进材料的重点目标。与纳米技术相关的重点研发项目有:纳米电子学和纳米生物学的核心技术;新功能材料的研发及工业化;发展亚微米尺度上的微纳电子机械系统。在“十五”期间,中国在纳米科学和纳米技术的研究开发中已经取得了长足的进步。由中国的研究人员撰写的与纳米科技有关的论文数以年均30%左右的速度增长。近年据美国《科学引文索引》核心期刊发表论文数统计显示,中国纳米科技论文总数已位居世界前列,其中不乏在《科学》和《自然》等世界著名科技期刊上发表的研究结果。据不完全统计,国内目前已有50多所大学,以及中国科学院的20多个研究所和300多个企业在从事与纳米科技相关的研发,并有一支来自研究所、大学和企业的3000多人的研究队伍。随着纳米科技研究领域取得的一系列实质性进展,对由学术界和工业界组成的具有技术孵化功能的多学科交叉研究平台的需求变得更为强烈。为此,中国建立了若干跨学科研究中心,通过资源的共享,促进和加强从事不同领域研究机构之间的合作。在北京成立的国家纳米科学中心和在上海成立的国家纳米技术工程中心是对跨学科合作研究和促进技术转化的重要补充。与国际学术界和工业界间的交流与合作也促进了我国的纳米科技发展。在过去的15年中,我国已主办了几十个有关纳米科技的国际、国内会议,如2005年6月召开的“ChinaNano2005”吸引了来自国内外的1000多名科研人员参加。其他合作形式包括双边专题讨论会、共同研究项目等。例如,2006年德国BASF公司与中国的35个大学和研究单位签署了51个有关大分子材料、工业催化剂研究、纳米技术和生物技术的研究课题;国家纳米科学中心和日本三菱公司以及德国Merck公司合作发展复合材料项目;2005年北京化工大学和新加坡纳米材料技术公司共建的纳米技术研究中心正在与BASF、3M等国际著名公司开展合作研究。在纳米科技的国际竞争舞台上,中国的研究人员在基础研究方面取得了一系列重要的进展:1.碳纳米管的制备和结构控制研究取得了显著成就在纳米材料中,电子的运动受到束缚,因此常显示出与常规块体材料不同的光、电、热、磁等物理性质。纳米科技发展的基础是获得具有新奇特性的纳米材料。中国对功能性纳米材料的研究一直给予了高度重视,在许多研究领域取得了世界上有影响的前沿研究成果。例如,在碳纳米管的制备方面,由中国科学院物理研究所解思深院士领导的科研小组首次发明了一种将纳米催化剂颗粒担载在多孔二氧化硅衬底的微孔中以控制多层碳管直径和取向的模板生长方法,可以制备出离散分布、高密度和高强度的定向碳管,解决了常规方法中碳管混乱取向、互相纠缠或烧结成束的问题。该结果在1996年美国《科学》杂志上发表后,得到国内外学术界的广泛认可。该研究小组在1998年合成了3mm长的碳纳米管,这种超长碳纳米管比当时其他制备方法获得的碳纳米管长度提高1-2个数量级。2000年,他们又对管径仅为0.5纳米的极小直径纳米碳管的力学、热学性质、发光性质和导电性质进行了系统研究。清华大学的范守善院士等科研人员首次利用碳纳米管做模板,成功地制备出直径为3-40纳米、长度达微米级的发蓝光的氮化镓一维纳米棒,在国际上首次把半导体氮化镓制备成一维纳米晶体,并提出碳纳米管限制反应的概念。2002年该课题组又合成出超顺排碳纳米管阵列,此阵列可以连续地抽出碳纳米管线来,如同蚕茧抽丝一般。在适当的热处理之后,这些纯碳纳米管纱有望被使用在多种宏观材料中,如防弹背心和电磁屏蔽材料等。针对碳纳米管的结构控制制备,中国科学院金属研究所的研究人员提出了一种高效制备单壁碳纳米管的流动催化剂化学气相沉积法。实验中还发现,利用等离子电弧蒸发技术成功地制备出的高质量的单壁碳纳米管材料具有优异的储氢性能,质量储氢容量可达4%。中国科学院金属研究所在纳米块体金属合金和纳米陶瓷体材料制备和力学性能的研究中取得了诸多突破性进展。他们在世界上首次发现纳米金属“奇异”的超塑延展性———纳米铜在室温下冷轧可延伸50多倍而“不折不挠”,第一次向人们展示了无空隙纳米材料是如何变形的。2004年该研究组又提出了利用纳米尺寸的生长孪晶强化金属的新途径,以实现材料的超高强度和高导电性。实验中获得的纯铜样品的拉伸强度高达1068MPa(是普通纯铜的十倍以上,达到高强度钢或铜晶须的强度水平),而室温电导率与无氧高导铜(OFHC)相当,这种同时具有超高强度和高导电的特性未曾在其他材料中实现过。这个实验结果非常成功地展示了通过在纳米尺度上的结构设计可以从本质上优化材料的性能。在纳米无机材料合成方面,中国科学技术大学的研究者发展了溶剂热合成技术,发明用苯热法制备纳米氮化镓微晶,首次在300℃左右制成粒度达30纳米的氮化镓纳米晶体。为了调控材料在纳米介观尺度上的结构,清华大学的李亚栋教授研究组提出了一种“液体-固体-溶液”相转移、相分离的机制。作为一种通用的纳米晶体合成策略,该方法克服了已有合成路线中采用大量有机溶剂所带来的成本及环境污染问题,突破了现有合成方法通常只能适用于某些单一或有限种类纳米材料的局限。此外,复旦大学的研究人员设计合成了一系列大范围有序排列的纳米多孔材料,如具有高度有序的、六角形纳米尺度孔的SBA-15硅基材料,在介孔材料的可控合成领域有着广泛的影响。在纳米有机材料及高分子纳米复合材料方面,中国科学院化学研究所在高聚物插层复合、分子电子学、富勒烯化学与物理以及二元协同纳米界面材料方面取得显著进展,发展了具有自主知识产权的技术,有些已开始走向产业化。2.stm微成像技术20世纪80年代初出现的纳米科技研究的重要手段——扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)等微观表征和操纵技术对纳米科技的发展起到了积极的促进作用。这种纳米世界中的“眼”和“手”引起了中国科技界的浓厚兴趣。1988年前后,中国科学院化学研究所先后研制成功了扫描隧道显微镜(STM)、激光原子力显微镜、弹道电子发射显微镜等多种表界面纳米区域的表征仪器设备,具有自主的知识产权。同期,中国科学院电子显微镜开放实验室研制成功大气下的STM,北京大学物理系自行研制了UHV-SEM-STM-EELS联用系统和LT-SNOM系统,建立了完整的近场光学显微系统——近场光谱与常规光学联用系统。使用STM技术,中国科学院化学研究所纳米实验室的研究人员系统地研究了有机分子在固体表面自组装形成的纳米有序结构。这种在平衡条件下由分子自发形成的、结构确定的稳定聚集体成为“自下而上”(bottomup)技术路线中理想的构筑单元。STM针尖附近的局域电场为了解分子的内部结构、分子-分子间以及分子-基底间的复杂相互作用力提供了一种有效手段。在表面吸附单分子的研究中,中国科学技术大学的研究人员精确地测定了硅表面C60单分子的吸附取向和电子状态,为设计构筑分子器件提供了一些基本数据。最近,侯建国院士和朱清时院士领导的课题组利用STM诱导了分子的化学结构变化,观察到由单个磁性分子所引起的近藤效应,成功地实现了对单分子自旋态的控制。中国科学院物理研究所的薛其坤院士等研究人员利用具有原子级平整度且在宏观范围内均匀的铅薄膜,制备出了一个近似理想的、势阱宽度可调的一维方势阱体系。通过扫描隧道谱和输运测量等技术观察到了量子阱态的形成对费米能级附近电子态密度和电声子耦合强度的调制行为,并发现Pb薄膜超导转变温度随薄膜厚度的振荡现象。此外,研究表明这种量子阱态对薄膜表面吸附分子的化学行为也具有显著影响。在电子显微镜中加装微探针是一项进行纳米材料电学性质原位测量的新技术。中国科学院物理研究所和北京大学的研究小组分别使用这一技术测量了碳纳米管的电输运特性。3.在材料加工方面的应用和发展纳米科技的一个最重要的应用方向是发展基于新原理的纳米尺度功能器件。在对量子电子器件的探索过程中,我国科学家研究了室温单电子隧穿效应、单原子单电子隧道结、室温库仑阻塞效应、高性能光电探测器,以及原子夹层型超微量子器件。中国科学院物理研究所报道了可在室温下工作的单电子原型器件。中国科学院半导体研究所先后研制出了量子阱红外探测器(13-15微米)和半导体量子点激光器(0.7-2.0微米)。此外,国内的许多研究组还探索了使用碳纳米管和其他半导体纳米线作为沟道材料构建场效应晶体管器件的可行性。一些纳米半导体材料也被尝试用于太阳能转化器件中。西安交大和清华大学等单位还使用高质量碳纳米管阵列研制了场发射像素管和平面显示器样品。中国科学院化学所有机固体实验室在利用有机半导体材料制备微纳场效应晶体管的研究方面,取得许多重要的研究成果并申请了多项发明专利。最近,他们采用晶核原位外延的方法得到了紧贴SiO2基板生长的取向控制的有机半导体单晶纳米带,得到了平行的、交叉的等各种基于有机半导体单晶的纳米复杂结构,为进一步开展有机半导体单晶纳米电路的研究打下了基础。在有机超高密度信息存储器件的基础研究方面,中国科学院物理研究所和化学研究所的研究人员在轮烷分子固体薄膜上记录下点阵结构,在分子尺度上诱导了两个数量级的导电特性转变,是现已实用化的光盘信息存储密度的近百万倍,为超高密度信息存储研究提供了一类新型的材料。中国的微加工技术条件也在得到不断改善,如清华大学-富士康纳米科技中心已具有了较为齐全的微加工和检测设备,国家纳米科学中心的微加工平台也正在建设中。利用微纳米三维加工的新技术与新方法,清华大学研制出一系列硅微集成传感器、硅微麦克风、硅微马达、集成微型泵等。4.对中国纳米器件的研究与检测研究发现纳米材料与生命体中的许多物质,如DNA、蛋白等都有着较强的相互作用,因而可能产生独特的生物学效应。上海硅酸盐所的研究人员发现一种几百纳米大小的颗粒可以在外磁场的引导下在血管中承载和输运药物到指定区域再可控释放,这将大大提高药物的疗效并且降低毒副作用。与此同时,中国科学院高能物理研究所、生物物理所和军事医学科学院正在合作开展有关富勒烯和纳米颗粒的毒理研究。这些研究直接关系到使用纳米材料作为药物载体的安全性,以及大量使用纳米粉体材料对环境和人体的影响。纵观我国纳米科技各研究领域的发展状况可以看出,我国在纳米材料的制备领域已形成一支实力雄厚的研究力量,投入的人员和物力较大,研究内容广泛。在合成制备了众多新型纳米材料的同时,也发现和掌握了一些纳米材料独特的生长机制和规律。但应该指出,目前我国纳米材料研究的基础设施还相对薄弱,纳米材料的设计与创新能力不强,自主知识产权不多。在对纳米新材料的物性检测和表征,以及纳米器件的探索方面,我国的研究工作受条件所限,研究力量还比较薄弱。国内的研究工作主要集中在北京大学、清华大学、复旦大学、南京大学和中国科学院等研究基础相对较好、设备设施相对齐全的高等学校及科研院所。虽然我国已有约1000余所大学和研究机构发表了与纳米科技有关的论文,但是绝大多数研究成果仅来自20多所著名的大学和研究单位,工业界对纳米科技研发的重视程度还亟待加强。为了真正使纳米技术转化为生产力,我国应加大纳米材料产业化的投入,尤其要注重纳米科学的工程化研究和纳米材料的应用研究,鼓励在产业化方面有基础和经验的研究单位与其他研究单位联合或研究单位与企业联合。国家也在不断加大对纳米器件基础研究的投入力度,改善现有实验设备与研究条件。为使中国纳米科技向前发展并更具有竞争力,需要鼓励各研究单位开展合作研究,优势互补,多学科联合攻关。另一个需要提及的重要方面是纳米标准的制定。由于纳米科学技术是一门新兴的综合性学科,社会公众对纳米科技的认识并不全