纳米技术论文例1

这类专利申请在撰写申请文件时，需要详细记载如何合成新的纳米材料，即纳米材料的制备方法，如果制备得到的纳米材料具有特殊的性能，需要在说明书中记载是因为反应的条件还是制备方法殊的反应方式得到的特殊的性能，并需要对该特殊的性能进行表征，可以通过电镜扫描或者其它方式进行证明，这一点尤为重要，否则会影响专利说明书是否公开充分。利用纳米材料的性能在农药领域可能的用途，需要通过活性实验进行验证，说明书中需要给出具体的实验效果举例进行说明。如果现有技术中已有类似纳米材料用作农药的技术方案，则新制备的纳米材料用作农药的用途需要比现有技术中已知的同类纳米材料具有更加优异的性能或者其他预料不到的效果才可能具有授权前景，比如提高了杀菌活性等，而如果是将已知的纳米材料与已知活性成分组合，则需要在说明书中记载纳米材料与活性成分之间的关系是功能上的互惠或表现出超越他们单独效果之和的组合效果。纳米材料用作农药使用时还要解决的技术问题是如何防止纳米材料对有益菌的杀灭作用，以及将纳米无机材料制成制剂后对环境的安全评价，如果能克服这些应用上的技术缺陷，也可能具备授权前景。

二、纳米生物农药

将生物农药纳米化后，可改善制剂中有效成分的粒径细度及稳定性，提高其速效性和防治效果，通过纳米工艺技术处理，将固体生物农药制成纳米级的微粒，要解决的关键技术问题是通过怎么样的制备方法将生物农药制备得到真正纳米级的颗粒，而将生物农药制备成纳米级颗粒的方法，使用该纳米生物农药的方法都属于专利保护的客体。由于生物农药一般都是已知的活性成分，一般需要将生物农药与助剂的组合物作为专利申请保护的主题，专利申请的主题名称为：一种农药组合物，其特征在于……（包含纳米生物农药）；一种农药组合物的制备方法，其特征在于……（纳米生物农药的制备方法，或将含有生物农药的农药组合物制成纳米生物农药的方法）；一种农药组合物用于防治病害的用途，其特征在于……（含有纳米生物农药）。

由于生物农药本身即具有杀虫活性，在专利申请文件撰写时，需要提交微生物的保藏证明；详细记载通过怎样的方法将生物农药制备成纳米生物农药，并且需要提供纳米生物农药稳定性的证明，纳米生物农药颗粒的表征数据；还需要提供纳米生物农药与生物农药的活性实验比较例，或者纳米生物农药与近似的生物农药制成纳米级生物农药后的比较例，以备用于证明技术方案的创造性。目前，真正将生物农药制成纳米级颗粒的方法较少，而如果能够攻克这一技术难点，相信生物农药的推广应用定能争夺更加广阔的市场空间。

三、纳米农药助剂农药

在制备成制剂时需要使用助剂，常规的助剂包括表面活性剂和载体，表面活性剂包括分散剂、润湿剂、乳化剂、稳定剂等。将一种或多种农药助剂制成纳米级颗粒的制备方法，合成或制备得到的纳米级助剂，如超级分散剂，使用纳米级的农药助剂与活性成分组合使用的组合物，纳米级的助剂在农药制剂加工中的应用等，都属于专利保护的客体。由于纳米颗粒表面的特殊性能，农药助剂制成纳米级的颗粒与活性成分组合使用，能够显著提高活性成分附着在靶标上的能力，渗透能力，提高助剂的载药量，提高活性成分的利用率，降低害虫对活性成分的抗性，减少活性成分的使用量，例如已有制备乙酰化木质素两亲聚合物纳米胶体球，能够改变活性成分在水溶液中的溶解度。

这类专利申请的主题名称为：一种适用于农药的纳米助剂，其特征在于……（限定助剂的结构和组成）；一种适用于农药的纳米助剂的制备方法，其特征在于……（包含纳米助剂具体的制备方法、工艺参数）；一种适用于农药的纳米助剂作为……（分散剂）……在农药制备中的用途。在撰写专利申请文件时，对纳米农药助剂的表征是确定该纳米助剂的结构和组成的重要参数，合成纳米助剂的反应中其反应条件的控制、工艺参数的设定都会影响纳米助剂的结构和组成，申请人需要详细的记载合成或制备方法，并对纳米助剂特殊的功能进行具体阐述，对可能的特殊性质进行表征分析。由于纳米农药助剂一般都是与农药活性成分组合使用制成制剂，申请人还需要提供使用纳米农药助剂制成的制剂具有的预料不到的技术效果，比如提高制剂的分散性、稳定性，提高制剂的防治效果，降低对原药的需求量，降低制剂使用所带来的环境污染和毒害以及对土地造成的毒害残留，降低农作物上的农药残留量等，还可以提供类似的纳米农药助剂与同一活性成分组合使用制成相同或相近制剂时的比较例。如果使用的纳米助剂与活性成分制成的制剂能够满足国家或FAO/WHO标准，也需要记载在说明书中。

四、纳米农药缓释剂

农药助剂中的载体一般是起缓释的作用，将活性成分吸附或包裹在载体中。缓释剂能有效控制药物释放速度，使高毒农药低毒化，降低农药的急性毒性，减轻残留及刺激性气味，减少对环境的污染和对农作物的药害，从而扩大农药的应用范围。但是，传统的缓释农药存在着自身的不足，如缓释剂大部分是合成高分子材料，且大多数生物降解性能差，易污染环境；同时在合成高分子控释材料时，也会对环境产生污染；再加上高分子控释剂颗粒一般比较大，在施药时颗粒大，容易施药不均且易脱落，最终不能达到保护环境、减少农药用量的目的。为了克服上述高分子材料的缺陷，控释载体的纳米化是一个重要的研究方向。将农药载体制成纳米级颗粒的制备方法，使用纳米级的载体颗粒吸附或包裹农药活性成分的组合物，使用纳米缓释剂缓释农药的方法，纳米级的载体颗粒在农药制剂加工中的应用等，都属于专利保护的客体。

纳米农药缓释剂包裹农药有两种方法，一种是先制得纳米溶液，再包裹农药；另一种是用农药缓控释薄膜，在农药表层形成纳米级微囊，得到该控释型纳米级农药。由于真菌生物农药在紫外光照射下，活性降低，纳米缓释材料也常被用作真菌生物农药的紫外保护剂。已知的纳米缓释剂包括空心多孔二氧化硅纳米颗粒、中空介孔纳米二氧化硅微球、双孔二氧化硅微粒、介孔纳米氧化铝固相吸附剂、纳米碳粉、二氧化钛纳米球或二氧化钛纳米线、改性纳米二氧化钛、纳米粉煤灰、壳聚糖纳米粒、壳聚糖的接枝共聚物、海藻酸钙纳米微球、粘土纳米复合缓释剂、二氧化钛和碳酸钙复合颗粒、多微孔纳米载体材料、生物可降解的聚乳酸-羟基乙酸共聚物。专利申请的主题名称为：一种制备纳米缓释剂的方法，其特征在于……（纳米缓释剂具体的制备方法）；一种适用于农药的纳米缓释剂，其特征在于……（限定具体的纳米缓释剂的结构和组成）；一种适用于农药的纳米缓释剂在农药制剂中的应用。

在撰写专利申请文件时，需要详细记载制备纳米缓释剂的方法，包括反应物、反应条件、生成物，以及最终得到的纳米缓释剂的表征；如果是将纳米缓释剂与活性成分组合制成制剂，不仅需要考虑纳米缓释剂在制剂中的缓释作用，还要考虑纳米缓释剂在制剂中的其它作用，并且需要对比实验证明纳米缓释剂的加入是否能够产生技术效果的改进。由于缓释剂的发展较快，研究者在关注缓释剂缓释的同时，需要注意到缓释带来的负面作用；如果新研究的缓释剂能够既有缓释的作用，又能克服活性成分在环境中长时间停留的危害，应该在专利申请文件中记载。申请人在记载不同的技术效果时，不仅要把具体的技术效果写清楚，更应该提供能够证明该技术效果的实施例或实验例。

五、纳米农药剂型液体

农药由于自身流动的特性，即使是纳米级的尺寸也呈球状，所以液体农药制成纳米级后一般都称为纳米球，也叫做纳米乳剂。纳米乳剂是一个由水、油两亲性物质（分子）组成的、光学上各向同性、热力学上稳定且经时稳定的外观透明或者近乎透明的胶体分散体系，微观上由表面活性剂界面膜所包覆的一种或两种液体的微滴构成，外观为“单相、透明或半透明的流动液体”。纳米乳剂可以改善农药溶于水的特性，两亲高分子包裹油溶性农药分子的纳米球，其在水相中有良好的分散性及稳定性，即将油溶性农药由油相转移至水相并稳定分散于水相，并可通过水相中溶解的少量农药的不断使用，使纳米球中的农药得以缓慢释放和使用。现有技术中制备纳米乳剂的关键技术问题是两亲高分子的替代技术，如果能够使用纳米材料代替两亲高分子材料用来制备纳米乳剂，则有望突破农药剂型创制的瓶颈。已知的能够代替两亲高分子材料或者与两亲高分子材料共同使用的纳米材料有纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、稀土掺杂纳米二氧化钛等，制备的农药水乳剂、微乳剂具有超稳定性。

固体农药易于制成纳米级的颗粒，将固体农药纳米化后特有的渗透性、分散性、均匀性、附着性等生物活性大大增强。将纳米级的固体农药与助剂混合，即可得到纳米级固体制剂，如可湿性粉剂、种衣剂、水分散粒剂、泡腾片剂等。一般的制备方法是将各种原料按配方称量配料；在配合料中加入少量水，使其溶解，并在搅拌机中进行搅拌混合；然后用电喷雾法干燥，制得纳米级活性成分干粉；将活性成分干粉与纳米材料或助剂配合，再加入到混料机中充分搅拌均匀，制得微粉，即为固体纳米制剂。由于水基化制剂是农药剂型发展的方向，曾有研究人员把固体原药颗粒低于100nm的水性分散体定义为纳米农药悬浮剂，把原药颗粒粒径在100~1000nm之间的水性分散体定义为亚纳米农药悬浮剂。分散理论认为：固体颗粒的粒径越小，则粒子表面自由能越高，越容易倾向于絮凝成大颗粒，分散稳定的难度就越大。而亚纳米级或纳米级的固体粒子，其表面自由能更是超高，难以在分散介质中以纳米尺寸分散稳定。以常规的小分子表面活性剂类的分散剂几乎不可能达成将固体颗粒分散稳定到亚纳米级，更不要提纳米级了。由小分子表面活性剂制得的农药悬浮剂（SC）或水乳剂（EW），其粒径或乳滴的极限值大约就在5微米左右，并且易于絮凝、分层、结块，贮存稳定性极差。需要克服的关键技术问题是如何将纳米级的固体农药稳定分散在制剂当中。由于固体纳米农药难以在水体中稳定，可以考虑使用微胶囊的形式将固体纳米农药或液体农药纳米球包裹在囊心中，制成纳米微胶囊制剂，或具有核壳复合结构的微囊悬浮剂。在农药制剂加工中，加工制备常规的微胶囊尺寸是相对容易的，为了降低微胶囊的大小，达到纳米级，又要保证所制备的纳米微胶囊对有效成分具有较高的包封率、载药率是需要付出创造性劳动的，需要对加工制备的工艺进行改进和优化。

使用农药活性成分与助剂组合制成纳米级的农药制剂，纳米农药制剂的制备方法、纳米农药制剂的应用都属于农药专利申请保护的客体。专利申请的主题名称为，一种纳米农药制剂，其特征在于……（限定具体的结构和组成）；一种纳米农药制剂的制备方法，其特征在于……（限定具体的制备方法，工艺参数等）；一种纳米农药制剂的应用，其特征在于……（限定应用的范围）。在撰写专利申请文件时，需要详细记载农药制剂的组成和制备方法，特别要清楚地记载制备的纳米农药制剂的方法和工艺参数，对制成的纳米农药制剂进行表征，以证明得到的纳米农药制剂确实是纳米级的制剂。需要提供制备的纳米农药制剂的稳定性、分散性、热储性等常规的制剂性能，以及使用纳米农药制剂的方式，提供杀虫活性实验数据，需要清楚记载制备的纳米制剂比常规的制剂具有哪些预料不到的技术效果，还应该记载纳米农药制剂与类似的纳米农药制剂有哪些技术进步等对比实验。如果制备的纳米制剂是由于使用了某一特殊的助剂带来的技术效果，需要在申请文件中提供未使用该助剂时制成制剂的对比实验效果。如果制备的纳米制剂能够符合FAO/WHO标准，或者超出该标准，也需要在原始申请文件中记载相应的技术功效。

六、纳米光触媒层

环境中的农药残留问题一直是农药使用的重要限制因素，近年来的食品安全问题更让农药残留备受关注。纳米材料既可以制成果蔬表面残留农药的清洗剂，纳米带电粒子与水雾结合形成的纳米带电水雾具有杀菌、分解有机农药功能，粒径分布在50到500纳米的颗粒制剂能够去除果蔬表面农药残留；又可以制成农药残留降解剂，缩短农药安全间隔期。已知的用于农药残留降解剂的纳米材料包括纳米二氧化铁、纳米二氧化钛、纳米氧化锌。纳米光触媒层在UV保鲜灯的照射下，表面形成电子-空穴对，在水的作用下，进一步形成羟基自由基，将蔬果中的农药氧化成水和二氧化碳，达到降解农药而不破坏蔬果本身组织和营养成分的有益效果；根据这一特性，纳米光触媒层可以制成果蔬消毒杀菌除农残装置。使用共沉淀合成具有光催化活性ZnO/TiO2复合纳米材料，在植物体上进行喷洒，利用太阳光照射对农药残留进行降解。微纳米气泡臭氧水作为土壤消毒剂。将光触媒材料的特溶胶浸渍在固体介质上，将该固体介质均匀地浸放在水中，在阳光或紫外线灯光一定时间的照射下，光触媒材料空穴作用产生（H+）和（OH-）等活性种，催化水体中农药降解。以载有纳米La2O3、Fe2O3和NiO复合氧化物的聚乙烯醇薄膜为载体催化剂，将此载体催化剂置于盛有待处理水溶液的光催化反应器中，在紫外光照射下，可将水中的双对氯苯基三氯乙烷农药迅速分解。纳米材料还能够作为促进农药废水中氨氮转化的催化剂，由纳米氧化铝胶体与重金属有机化合物等体积湿法混合的催化剂，实现了催化剂在不需高温高压条件下直接把农药废水中的氨氮转化为氮气。上述的将纳米材料用于分解或降解农药的各种用途均属于专利保护的客体。

已知的纳米光触媒层的材料包括纳米二氧化钛、金属离子掺杂纳米二氧化钛、ZnO/TiO2复合纳米材料。专利申请的主题名称为：一种降解农药的纳米光触媒层，其特征在于……（包括纳米材料）；一种降解农药残留的装置，其特征在于……（包括纳米材料）；一种制备降解农药的纳米光触媒层的方法，其特征在于……（具体纳米光触媒层的制备方法）；一种应用纳米光触媒层降解农药的应用，其特征在于……（包括具体的农药种类）。专利申请文件撰写时，首先，要对新纳米材料进行表征，如果是使用已知的纳米材料，需要考虑现有技术是否已有将该纳米材料用做纳米光触媒层的应用，若有类似的应用教导，则很难具备创造性，需要考虑将不同的纳米材料组合制成复合纳米光触媒层以提高技术方案的可专利性。其次，制备纳米材料的方法需要详细的记载，纳米光触媒层降解农药的效果需要试验数据进行验证，最好能够记载与类似的纳米材料制成的光触媒层降解农药的技术效果的对比实验。再次，如果制成的纳米光触媒层还有其它的预料不到的技术效果，也应该一并记载在原始申请文件中，并将形成该技术效果的技术特征撰写在权利要求中。

七、纳米探针检测农药

纳米材料应用于农药残留分析检测，使用纳米材料制作荧光探针，或者使用纳米材料对荧光探针进行改性修饰。荧光纳米量子点作为一种新型荧光探针与传统的有机荧光染料和荧光蛋白相比，量子点具有十分优越的光谱性质，如：激发光谱宽、发射光谱窄而对称、荧光量子产率高、荧光波长可调、抗光漂白性能强等。这些优越的光谱性质使量子点荧光探针广泛应用于生化分析检测领域，发挥了巨大的应用潜力。荧光纳米量子点探针具有荧光强度高、荧光稳定性好，检测过程简单方便，灵敏度高、检测限低，可实现实际样品中农药的快速检测。荧光纳米探针的材料组成（单一金属纳米颗粒，复合金属纳米颗粒，无机复合物纳米颗粒，金属与无机物复合、聚合物，金属-无机物-聚合物多重复合）是目前主要的研究热点，针对不同种类的材料检测不同种类的农药，研究者需要在制备不同的荧光纳米量子点探针上寻求突破，其相应的制备荧光纳米探针的方法也需要不断的补充和完善，对于纳米探针在检测具体农药残留的应用，如何使用纳米探针检测分析农药的方法等都属于专利保护的客体。使用纳米材料对酶生物传感器的玻碳电极进行修饰，如玻碳电极的工作面上还可以使用纳米二氧化锆修饰，检测农药的精度更高，范围更广，检测限更低，可实现小型、便捷、适用于现场检测的目的。

纳米技术论文例2

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

纳米科学和技术所涉及的是具有尺寸在1-100纳米范围的结构的制备和表征。在这个领域的研究举世瞩目。例如，美国政府2001财政年度在纳米尺度科学上的投入要比2000财政年增长83%，达到5亿美金。有两个主要的理由导致人们对纳米尺度结构和器件的兴趣的增加。第一个理由是，纳米结构（尺度小于20纳米）足够小以至于量子力学效应占主导地位，这导致非经典的行为，譬如，量子限制效应和分立化的能态、库仑阻塞以及单电子邃穿等。这些现象除引起人们对基础物理的兴趣外，亦给我们带来全新的器件制备和功能实现的想法和观念，例如，单电子输运器件和量子点激光器等。第二个理由是，在半导体工业有器件持续微型化的趋势。根据“国际半导体技术路向（2001）“杂志，2005年前动态随机存取存储器（DRAM）和微处理器（MPU）的特征尺寸预期降到80纳米，而MPU中器件的栅长更是预期降到45纳米。然而，到2003年在MPU制造中一些不知其解的问题预期就会出现。到2005年类似的问题将预期出现在DRAM的制造过程中。半导体器件特征尺寸的深度缩小不仅要求新型光刻技术保证能使尺度刻的更小，而且要求全新的器件设计和制造方案，因为当MOS器件的尺寸缩小到一定程度时基础物理极限就会达到。随着传统器件尺寸的进一步缩小，量子效应比如载流子邃穿会造成器件漏电流的增加，这是我们不想要的但却是不可避免的。因此，解决方案将会是制造基于量子效应操作机制的新型器件，以便小物理尺寸对器件功能是有益且必要的而不是有害的。如果我们能够制造纳米尺度的器件，我们肯定会获益良多。譬如，在电子学上，单电子输运器件如单电子晶体管、旋转栅门管以及电子泵给我们带来诸多的微尺度好处，他们仅仅通过数个而非以往的成千上万的电子来运作，这导致超低的能量消耗，在功率耗散上也显著减弱，以及带来快得多的开关速度。在光电子学上，量子点激光器展现出低阈值电流密度、弱阈值电流温度依赖以及大的微分增益等优点，其中大微分增益可以产生大的调制带宽。在传感器件应用上，纳米传感器和纳米探测器能够测量极其微量的化学和生物分子，而且开启了细胞内探测的可能性，这将导致生物医学上迷你型的侵入诊断技术出现。纳米尺度量子点的其他器件应用，比如，铁磁量子点磁记忆器件、量子点自旋过滤器及自旋记忆器等，也已经被提出，可以肯定这些应用会给我们带来许多潜在的好处。总而言之，无论是从基础研究（探索基于非经典效应的新物理现象）的观念出发，还是从应用（受因结构减少空间维度而带来的优点以及因应半导体器件特征尺寸持续减小而需要这两个方面的因素驱使）的角度来看，纳米结构都是令人极其感兴趣的。

II.纳米结构的制备———首次浪潮

有两种制备纳米结构的基本方法：build-up和build-down。所谓build-up方法就是将已预制好的纳米部件（纳米团簇、纳米线以及纳米管）组装起来；而build-down方法就是将纳米结构直接地淀积在衬底上。前一种方法包含有三个基本步骤：1）纳米部件的制备；2）纳米部件的整理和筛选；3）纳米部件组装成器件（这可以包括不同的步骤如固定在衬底及电接触的淀积等等）。“build-up“的优点是个体纳米部件的制备成本低以及工艺简单快捷。有多种方法如气相合成以及胶体化学合成可以用来制备纳米元件。目前，在国内、在香港以及在世界上许多的实验室里这些方法正在被用来合成不同材料的纳米线、纳米管以及纳米团簇。这些努力已经证明了这些方法的有效性。这些合成方法的主要缺点是材料纯洁度较差、材料成份难以控制以及相当大的尺寸和形状的分布。此外，这些纳米结构的合成后工艺再加工相当困难。特别是，如何整理和筛选有着窄尺寸分布的纳米元件是一个至关重要的问题，这一问题迄今仍未有解决。尽管存在如上的困难和问题，“build-up“依然是一种能合成大量纳米团簇以及纳米线、纳米管的有效且简单的方法。可是这些合成的纳米结构直到目前为止仍然难以有什么实际应用，这是因为它们缺乏实用所苛求的尺寸、组份以及材料纯度方面的要求。而且，因为同样的原因用这种方法合成的纳米结构的功能性质相当差。不过上述方法似乎适宜用来制造传感器件以及生物和化学探测器，原因是垂直于衬底生长的纳米结构适合此类的应用要求。

“Build-down”方法提供了杰出的材料纯度控制，而且它的制造机理与现代工业装置相匹配，换句话说，它是利用广泛已知的各种外延技术如分子束外延(MBE)、化学气相淀积（MOVCD）等来进行器件制造的传统方法。“Build-down”方法的缺点是较高的成本。在“build-down”方法中有几条不同的技术路径来制造纳米结构。最简单的一种，也是最早使用的一种是直接在衬底上刻蚀结构来得到量子点或者量子线。另外一种是包括用离子注入来形成纳米结构。这两种技术都要求使用开有小尺寸窗口的光刻版。第三种技术是通过自组装机制来制造量子点结构。自组装方法是在晶格失配的材料中自然生长纳米尺度的岛。在Stranski-Krastanov生长模式中，当材料生长到一定厚度后，二维的逐层生长将转换成三维的岛状生长，这时量子点就会生成。业已证明基于自组装量子点的激光器件具有比量子阱激光器更好的性能。量子点器件的饱和材料增益要比相应的量子阱器件大50倍，微分增益也要高3个量级。阈值电流密度低于100A/cm2、室温输出功率在瓦特量级（典型的量子阱基激光器的输出功率是5-50mW）的连续波量子点激光器也已经报道。无论是何种材料系统，量子点激光器件都预期具有低阈值电流密度，这预示目前还要求在大阈值电流条件下才能激射的宽带系材料如III组氮化物基激光器还有很大的显著改善其性能的空间。目前这类器件的性能已经接近或达到商业化器件所要求的指标，预期量子点基的此类材料激光器将很快在市场上出现。量子点基光电子器件的进一步改善主要取决于量子点几何结构的优化。虽然在生长条件上如衬底温度、生长元素的分气压等的变化能够在一定程度上控制点的尺寸和密度，自组装量子点还是典型底表现出在大小、密度及位置上的随机变化，其中仅仅是密度可以粗糙地控制。自组装量子点在尺寸上的涨落导致它们的光发射的非均匀展宽，因此减弱了使用零维体系制作器件所期望的优点。由于量子点尺寸的统计涨落和位置的随机变化，一层含有自组装量子点材料的光致发光谱典型地很宽。在竖直叠立的多层量子点结构中这种谱展宽效应可以被减弱。如果隔离层足够薄，竖直叠立的多层量子点可典型地展现出竖直对准排列，这可以有效地改善量子点的均匀性。然而，当隔离层薄的时候，在一列量子点中存在载流子的耦合，这将失去因使用零维系统而带来的优点。怎样优化量子点的尺寸和隔离层的厚度以便既能获得好均匀性的量子点又同时保持载流子能够限制在量子点的个体中对于获得器件的良好性能是至关重要的。

很清楚纳米科学的首次浪潮发生在过去的十年中。在这段时期，研究者已经证明了纳米结构的许多崭新的性质。学者们更进一步征明可以用“build-down”或者“build-up”方法来进行纳米结构制造。这些成果向我们展示，如果纳米结构能够大量且廉价地被制造出来，我们必将收获更多的成果。

在未来的十年中，纳米科学和技术的第二次浪潮很可能发生。在这个新的时期，科学家和工程师需要征明纳米结构的潜能以及期望功能能够得到兑现。只有获得在尺寸、成份、位序以及材料纯度上良好可控能力并成功地制造出实用器件才能实现人们对纳米器件所期望的功能。因此，纳米科学的下次浪潮的关键点是纳米结构的人为可控性。

III.纳米结构尺寸、成份、位序以及密度的控制——第二次浪潮

为了充分发挥量子点的优势之处，我们必须能够控制量子点的位置、大小、成份已及密度。其中一个可行的方法是将量子点生长在已经预刻有图形的衬底上。由于量子点的横向尺寸要处在10-20纳米范围（或者更小才能避免高激发态子能级效应，如对于GaN材料量子点的横向尺寸要小于8纳米）才能实现室温工作的光电子器件，在衬底上刻蚀如此小的图形是一项挑战性的技术难题。对于单电子晶体管来说，如果它们能在室温下工作，则要求量子点的直径要小至1-5纳米的范围。这些微小尺度要求已超过了传统光刻所能达到的精度极限。有几项技术可望用于如此的衬底图形制作。

—电子束光刻通常可以用来制作特征尺度小至50纳米的图形。如果特殊薄膜能够用作衬底来最小化电子散射问题，那特征尺寸小至2纳米的图形可以制作出来。在电子束光刻中的电子散射因为所谓近邻干扰效应（proximityeffect）而严重影响了光刻的极限精度，这个效应造成制备空间上紧邻的纳米结构的困难。这项技术的主要缺点是相当费时。例如，刻写一张4英寸的硅片需要时间1小时，这不适宜于大规模工业生产。电子束投影系统如SCALPEL（scatteringwithangularlimitationprojectionelectronlithography）正在发展之中以便使这项技术较适于用于规模生产。目前，耗时和近邻干扰效应这两个问题还没有得到解决。

—聚焦离子束光刻是一种机制上类似于电子束光刻的技术。但不同于电子束光刻的是这种技术并不受在光刻胶中的离子散射以及从衬底来的离子背散射影响。它能刻出特征尺寸细到6纳米的图形，但它也是一种耗时的技术，而且高能离子束可能造成衬底损伤。

—扫描微探针术可以用来划刻或者氧化衬底表面，甚至可以用来操纵单个原子和分子。最常用的方法是基于材料在探针作用下引入的高度局域化增强的氧化机制的。此项技术已经用来刻划金属（Ti和Cr）、半导体（Si和GaAs）以及绝缘材料（Si3N4和silohexanes），还用在LB膜和自聚集分子单膜上。此种方法具有可逆和简单易行等优点。引入的氧化图形依赖于实验条件如扫描速度、样片偏压以及环境湿度等。空间分辨率受限于针尖尺寸和形状（虽然氧化区域典型地小于针尖尺寸）。这项技术已用于制造有序的量子点阵列和单电子晶体管。这项技术的主要缺点是处理速度慢（典型的刻写速度为1mm/s量级）。然而，最近在原子力显微术上的技术进展—使用悬臂樑阵列已将扫描速度提高到4mm/s。此项技术的显著优点是它的杰出的分辨率和能产生任意几何形状的图形能力。但是，是否在刻写速度上的改善能使它适用于除制造光刻版和原型器件之外的其他目的还有待于观察。直到目前为止，它是一项能操控单个原子和分子的唯一技术。

—多孔膜作为淀积掩版的技术。多孔膜能用多种光刻术再加腐蚀来制备，它也可以用简单的阳极氧化方法来制备。铝膜在酸性腐蚀液中阳极氧化就可以在铝膜上产生六角密堆的空洞，空洞的尺寸可以控制在5-200nm范围。制备多孔膜的其他方法是从纳米沟道玻璃膜复制。用这项技术已制造出含有细至40nm的空洞的钨、钼、铂以及金膜。

—倍塞（diblock）共聚物图形制作术是一种基于不同聚合物的混合物能够产生可控及可重复的相分离机制的技术。目前，经过反应离子刻蚀后，在旋转涂敷的倍塞共聚物层中产生的图形已被成功地转移到Si3N4膜上，图形中空洞直径20nm，空洞之间间距40nm。在聚苯乙烯基体中的自组织形成的聚异戊二烯（polyisoprene）或聚丁二烯（polybutadiene）球（或者柱体）可以被臭氧去掉或者通过锇染色而保留下来。在第一种情况，空洞能够在氮化硅上产生；在第二种情况，岛状结构能够产生。目前利用倍塞共聚物光刻技术已制造出GaAs纳米结构，结构的侧向特征尺寸约为23nm,密度高达1011/cm2。

—与倍塞共聚物图形制作术紧密相关的一项技术是纳米球珠光刻术。此项技术的基本思路是将在旋转涂敷的球珠膜中形成的图形转移到衬底上。各种尺寸的聚合物球珠是商业化的产品。然而，要制作出含有良好有序的小尺寸球珠薄膜也是比较困难的。用球珠单层膜已能制备出特征尺寸约为球珠直径1/5的三角形图形。双层膜纳米球珠掩膜版也已被制作出。能够在金属、半导体以及绝缘体衬底上使用纳米球珠光刻术的能力已得到确认。纳米球珠光刻术（纳米球珠膜的旋转涂敷结合反应离子刻蚀）已被用来在一些半导体表面上制造空洞和柱状体纳米结构。

—将图形从母体版转移到衬底上的其他光刻技术。几种所谓“软光刻“方法，比如复制铸模法、微接触印刷法、溶剂辅助铸模法以及用硬模版浮雕法等已被探索开发。其中微接触印刷法已被证明只能用来刻制特征尺寸大于100nm的图形。复制铸模法的可能优点是ellastometric聚合物可被用来制作成一个戳子，以便可用同一个戳子通过对戳子的机械加压能够制作不同侧向尺寸的图形。在溶剂辅助铸模法和用硬模版浮雕法（或通常称之为纳米压印术）之间的主要差异是，前者中溶剂被用于软化聚合物，而后者中软化聚合物依靠的是温度变化。溶剂辅助铸模法的可能优点是不需要加热。纳米压印术已被证明可用来制作具有容量达400Gb/in2的纳米激光光盘，在6英寸硅片上刻制亚100nm分辨的图形，刻制10nmX40nm面积的长方形，以及在4英寸硅片上进行图形刻制。除传统的平面纳米压印光刻法之外，滚轴型纳米压印光刻法也已被提出。在此类技术中温度被发现是一个关键因素。此外，应该选用具有较低的玻璃化转变温度的聚合物。为了取得高产，下列因素要解决：

1）大的戳子尺寸

2）高图形密度戳子

3）低穿刺（lowsticking）

4）压印温度和压力的优化

5）长戳子寿命。

具有低穿刺率的大尺寸戳子已经被制作出来。已有少量研究工作在试图优化压印温度和压力，但显然需要进行更多的研究工作才能得到温度和压力的优化参数。高图形密度戳子的制作依然在发展之中。还没有足够量的工作来研究戳子的寿命问题。曾有研究报告报道，覆盖有超薄的特氟隆类薄膜的模板可以用来进行50次的浮刻而不需要中间清洗。报告指出最大的性能退化来自于嵌在戳子和聚合物之间的灰尘颗粒。如果戳子是从ellastometric母版制作出来的，抗穿刺层可能需要使用，而且进行大约5次压印后需要更换。值得关心的其他可能问题包括镶嵌的灰尘颗引起的戳子损伤或聚合物中图形损伤，以及连续压印之间戳子的清洗需要等。尽管进一步的优化和改良是必需的，但此项技术似乎有希望获得高生产率。压印过程包括对准、加热及冷却循环等，整个过程所需时间大约20分钟。使用具有较低玻璃化转换温度的聚合物可以缩短加热和冷却循环所需时间，因此可以缩短整个压印过程时间。

IV．纳米制造所面对的困难和挑战

上述每一种用于在衬底上图形刻制的技术都有其优点和缺点。目前，似乎没有哪个单一种技术可以用来高产量地刻制纳米尺度且任意形状的图形。我们可以将图形刻制的全过程分成下列步骤：

1．在一块模版上刻写图形

2．在过渡性或者功能性材料上复制模版上的图形

3．转移在过渡性或者功能性材料上复制的图形。

很显然第二步是最具挑战性的一步。先前描述的各项技术，例如电子束光刻或者扫描微探针光刻技术，已经能够刻写非常细小的图形。然而，这些技术都因相当费时而不适于规模生产。纳米压印术则因可作多片并行处理而可能解决规模生产问题。此项技术似乎很有希望，但是在它能被广泛应用之前现存的严重的材料问题必须加以解决。纳米球珠和倍塞共聚物光刻术则提供了将第一步和第二步整合的解决方案。在这些技术中，图形由球珠的尺寸或者倍塞共聚物的成分来确定。然而，用这两种光刻术刻写的纳米结构的形状非常有限。当这些技术被人们看好有很大的希望用来刻写图形以便生长出有序的纳米量子点阵列时，它们却完全不适于用来刻制任意形状和复杂结构的图形。为了能够制造出高质量的纳米器件，不但必须能够可靠地将图形转移到功能材料上，还必须保证在刻蚀过程中引入最小的损伤。湿法腐蚀技术典型地不产生或者产生最小的损伤，可是湿法腐蚀并不十分适于制备需要陡峭侧墙的结构，这是因为在掩模版下一定程度的钻蚀是不可避免的，而这个钻蚀决定性地影响微小结构的刻制。另一方面，用干法刻蚀技术，譬如，反应离子刻蚀(RIE)或者电子回旋共振（ECR）刻蚀，在优化条件下可以获得陡峭的侧墙。直到今天大多数刻蚀研究都集中于刻蚀速度以及刻蚀出垂直墙的能力，而关于刻蚀引入损伤的研究严重不足。已有研究表明，能在表面下100nm深处探测到刻蚀引入的损伤。当器件中的个别有源区尺寸小于100nm时，如此大的损伤是不能接受的。还有就是因为所有的纳米结构都有大的表面-体积比，必须尽可能地减少在纳米结构表面或者靠近的任何缺陷。

随着器件持续微型化的趋势的发展，普通光刻技术的精度将很快达到它的由光的衍射定律以及材料物理性质所确定的基本物理极限。通过采用深紫外光和相移版，以及修正光学近邻干扰效应等措施，特征尺寸小至80nm的图形已能用普通光刻技术制备出。然而不大可能用普通光刻技术再进一步显著缩小尺寸。采用X光和EUV的光刻技术仍在研发之中，可是发展这些技术遇到在光刻胶以及模版制备上的诸多困难。目前来看，虽然也有一些具挑战性的问题需要解决，特别是需要克服电子束散射以及相关联的近邻干扰效应问题，但投影式电子束光刻似乎是有希望的一种技术。扫描微探针技术提供了能分辨单个原子或分子的无可匹敌的精度，可是此项技术却有固有的慢速度，目前还不清楚通过给它加装阵列悬臂樑能否使它达到可以接受的刻写速度。利用转移在自组装薄膜中形成的图形的技术，例如倍塞共聚物以及纳米球珠刻写技术则提供了实现成本不是那么昂贵的大面积图形刻写的一种可能途径。然而，在这种方式下形成的图形仅局限于点状或者柱状图形。对于制造相对简单的器件而言，此类技术是足够用的，但并不能解决微电子工业所面对的问题。需要将图形从一张模版复制到聚合物膜上的各种所谓“软光刻“方法提供了一种并行刻写的技术途径。模版可以用其他慢写技术来刻制，然后在模版上的图形可以通过要么热辅助要么溶液辅助的压印法来复制。同一块模版可以用来刻写多块衬底，而且不像那些依赖化学自组装图形形成机制的方法，它可以用来刻制任意形状的图形。然而，要想获得高生产率，某些技术问题如穿刺及因灰尘导致的损伤等问题需要加以解决。对一个理想的纳米刻写技术而言，它的运行和维修成本应该低，它应具备可靠地制备尺寸小但密度高的纳米结构的能力，还应有在非平面上刻制图形的能力以及制备三维结构的功能。此外，它也应能够做高速并行操作，而且引入的缺陷密度要低。然而时至今日，仍然没有任何一项能制作亚100nm图形的单项技术能同时满足上述所有条件。现在还难说是否上述技术中的一种或者它们的某种组合会取代传统的光刻技术。究竟是现有刻写技术的组合还是一种全新的技术会成为最终的纳米刻写技术还有待于观察。

另一项挑战是，为了更新我们关于纳米结构的认识和知识，有必要改善现有的表征技术或者发展一种新技术能够用来表征单个纳米尺度物体。由于自组装量子点在尺寸上的自然涨落，可信地表征单个纳米结构的能力对于研究这些结构的物理性质是绝对至关重要的。目前表征单个纳米结构的能力非常有限。譬如，没有一种结构表征工具能够用来确定一个纳米结构的表面结构到0.1À的精度或者更佳。透射电子显微术(TEM)能够用来研究一个晶体结构的内部情况，但是它不能提供有关表面以及靠近表面的原子排列情况的信息。扫描隧道显微术（STM）和原子力显微术（AFM）能够给出表面某区域的形貌，但它们并不能提供定量结构信息好到能仔细理解表面性质所要求的精度。当近场光学方法能够给出局部区域光谱信息时，它们能给出的关于局部杂质浓度的信息则很有限。除非目前用来表征表面和体材料的技术能够扩展到能够用来研究单个纳米体的表面和内部情况，否则能够得到的有关纳米结构的所有重要结构和组份的定量信息非常有限。

纳米技术论文例3

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

纳米科学和技术所涉及的是具有尺寸在1-100纳米范围的结构的制备和表征。在这个领域的研究举世瞩目。例如，美国政府2001财政年度在纳米尺度科学上的投入要比2000财政年增长83%，达到5亿美金。有两个主要的理由导致人们对纳米尺度结构和器件的兴趣的增加。第一个理由是，纳米结构（尺度小于20纳米）足够小以至于量子力学效应占主导地位，这导致非经典的行为，譬如，量子限制效应和分立化的能态、库仑阻塞以及单电子邃穿等。这些现象除引起人们对基础物理的兴趣外，亦给我们带来全新的器件制备和功能实现的想法和观念，例如，单电子输运器件和量子点激光器等。第二个理由是，在半导体工业有器件持续微型化的趋势。根据“国际半导体技术路向（2001）“杂志，2005年前动态随机存取存储器（DRAM）和微处理器（MPU）的特征尺寸预期降到80纳米，而MPU中器件的栅长更是预期降到45纳米。然而，到2003年在MPU制造中一些不知其解的问题预期就会出现。到2005年类似的问题将预期出现在DRAM的制造过程中。半导体器件特征尺寸的深度缩小不仅要求新型光刻技术保证能使尺度刻的更小，而且要求全新的器件设计和制造方案，因为当MOS器件的尺寸缩小到一定程度时基础物理极限就会达到。随着传统器件尺寸的进一步缩小，量子效应比如载流子邃穿会造成器件漏电流的增加，这是我们不想要的但却是不可避免的。因此，解决方案将会是制造基于量子效应操作机制的新型器件，以便小物理尺寸对器件功能是有益且必要的而不是有害的。如果我们能够制造纳米尺度的器件，我们肯定会获益良多。譬如，在电子学上，单电子输运器件如单电子晶体管、旋转栅门管以及电子泵给我们带来诸多的微尺度好处，他们仅仅通过数个而非以往的成千上万的电子来运作，这导致超低的能量消耗，在功率耗散上也显著减弱，以及带来快得多的开关速度。在光电子学上，量子点激光器展现出低阈值电流密度、弱阈值电流温度依赖以及大的微分增益等优点，其中大微分增益可以产生大的调制带宽。在传感器件应用上，纳米传感器和纳米探测器能够测量极其微量的化学和生物分子，而且开启了细胞内探测的可能性，这将导致生物医学上迷你型的侵入诊断技术出现。纳米尺度量子点的其他器件应用，比如，铁磁量子点磁记忆器件、量子点自旋过滤器及自旋记忆器等，也已经被提出，可以肯定这些应用会给我们带来许多潜在的好处。总而言之，无论是从基础研究（探索基于非经典效应的新物理现象）的观念出发，还是从应用（受因结构减少空间维度而带来的优点以及因应半导体器件特征尺寸持续减小而需要这两个方面的因素驱使）的角度来看，纳米结构都是令人极其感兴趣的。

II.纳米结构的制备———首次浪潮

有两种制备纳米结构的基本方法：build-up和build-down。所谓build-up方法就是将已预制好的纳米部件（纳米团簇、纳米线以及纳米管）组装起来；而build-down方法就是将纳米结构直接地淀积在衬底上。前一种方法包含有三个基本步骤：1）纳米部件的制备；2）纳米部件的整理和筛选；3）纳米部件组装成器件（这可以包括不同的步骤如固定在衬底及电接触的淀积等等）。“build-up“的优点是个体纳米部件的制备成本低以及工艺简单快捷。有多种方法如气相合成以及胶体化学合成可以用来制备纳米元件。目前，在国内、在香港以及在世界上许多的实验室里这些方法正在被用来合成不同材料的纳米线、纳米管以及纳米团簇。这些努力已经证明了这些方法的有效性。这些合成方法的主要缺点是材料纯洁度较差、材料成份难以控制以及相当大的尺寸和形状的分布。此外，这些纳米结构的合成后工艺再加工相当困难。特别是，如何整理和筛选有着窄尺寸分布的纳米元件是一个至关重要的问题，这一问题迄今仍未有解决。尽管存在如上的困难和问题，“build-up“依然是一种能合成大量纳米团簇以及纳米线、纳米管的有效且简单的方法。可是这些合成的纳米结构直到目前为止仍然难以有什么实际应用，这是因为它们缺乏实用所苛求的尺寸、组份以及材料纯度方面的要求。而且，因为同样的原因用这种方法合成的纳米结构的功能性质相当差。不过上述方法似乎适宜用来制造传感器件以及生物和化学探测器，原因是垂直于衬底生长的纳米结构适合此类的应用要求。

“Build-down”方法提供了杰出的材料纯度控制，而且它的制造机理与现代工业装置相匹配，换句话说，它是利用广泛已知的各种外延技术如分子束外延(MBE)、化学气相淀积（MOVCD）等来进行器件制造的传统方法。“Build-down”方法的缺点是较高的成本。在“build-down”方法中有几条不同的技术路径来制造纳米结构。最简单的一种，也是最早使用的一种是直接在衬底上刻蚀结构来得到量子点或者量子线。另外一种是包括用离子注入来形成纳米结构。这两种技术都要求使用开有小尺寸窗口的光刻版。第三种技术是通过自组装机制来制造量子点结构。自组装方法是在晶格失配的材料中自然生长纳米尺度的岛。在Stranski-Krastanov生长模式中，当材料生长到一定厚度后，二维的逐层生长将转换成三维的岛状生长，这时量子点就会生成。业已证明基于自组装量子点的激光器件具有比量子阱激光器更好的性能。量子点器件的饱和材料增益要比相应的量子阱器件大50倍，微分增益也要高3个量级。阈值电流密度低于100A/cm2、室温输出功率在瓦特量级（典型的量子阱基激光器的输出功率是5-50mW）的连续波量子点激光器也已经报道。无论是何种材料系统，量子点激光器件都预期具有低阈值电流密度，这预示目前还要求在大阈值电流条件下才能激射的宽带系材料如III组氮化物基激光器还有很大的显著改善其性能的空间。目前这类器件的性能已经接近或达到商业化器件所要求的指标，预期量子点基的此类材料激光器将很快在市场上出现。量子点基光电子器件的进一步改善主要取决于量子点几何结构的优化。虽然在生长条件上如衬底温度、生长元素的分气压等的变化能够在一定程度上控制点的尺寸和密度，自组装量子点还是典型底表现出在大小、密度及位置上的随机变化，其中仅仅是密度可以粗糙地控制。自组装量子点在尺寸上的涨落导致它们的光发射的非均匀展宽，因此减弱了使用零维体系制作器件所期望的优点。由于量子点尺寸的统计涨落和位置的随机变化，一层含有自组装量子点材料的光致发光谱典型地很宽。在竖直叠立的多层量子点结构中这种谱展宽效应可以被减弱。如果隔离层足够薄，竖直叠立的多层量子点可典型地展现出竖直对准排列，这可以有效地改善量子点的均匀性。然而，当隔离层薄的时候，在一列量子点中存在载流子的耦合，这将失去因使用零维系统而带来的优点。怎样优化量子点的尺寸和隔离层的厚度以便既能获得好均匀性的量子点又同时保持载流子能够限制在量子点的个体中对于获得器件的良好性能是至关重要的。

很清楚纳米科学的首次浪潮发生在过去的十年中。在这段时期，研究者已经证明了纳米结构的许多崭新的性质。学者们更进一步征明可以用“build-down”或者“build-up”方法来进行纳米结构制造。这些成果向我们展示，如果纳米结构能够大量且廉价地被制造出来，我们必将收获更多的成果。

在未来的十年中，纳米科学和技术的第二次浪潮很可能发生。在这个新的时期，科学家和工程师需要征明纳米结构的潜能以及期望功能能够得到兑现。只有获得在尺寸、成份、位序以及材料纯度上良好可控能力并成功地制造出实用器件才能实现人们对纳米器件所期望的功能。因此，纳米科学的下次浪潮的关键点是纳米结构的人为可控性。

III.纳米结构尺寸、成份、位序以及密度的控制——第二次浪潮

为了充分发挥量子点的优势之处，我们必须能够控制量子点的位置、大小、成份已及密度。其中一个可行的方法是将量子点生长在已经预刻有图形的衬底上。由于量子点的横向尺寸要处在10-20纳米范围（或者更小才能避免高激发态子能级效应，如对于GaN材料量子点的横向尺寸要小于8纳米）才能实现室温工作的光电子器件，在衬底上刻蚀如此小的图形是一项挑战性的技术难题。对于单电子晶体管来说，如果它们能在室温下工作，则要求量子点的直径要小至1-5纳米的范围。这些微小尺度要求已超过了传统光刻所能达到的精度极限。有几项技术可望用于如此的衬底图形制作。

—电子束光刻通常可以用来制作特征尺度小至50纳米的图形。如果特殊薄膜能够用作衬底来最小化电子散射问题，那特征尺寸小至2纳米的图形可以制作出来。在电子束光刻中的电子散射因为所谓近邻干扰效应（proximityeffect）而严重影响了光刻的极限精度，这个效应造成制备空间上紧邻的纳米结构的困难。这项技术的主要缺点是相当费时。例如，刻写一张4英寸的硅片需要时间1小时，这不适宜于大规模工业生产。电子束投影系统如SCALPEL（scatteringwithangularlimitationprojectionelectronlithography）正在发展之中以便使这项技术较适于用于规模生产。目前，耗时和近邻干扰效应这两个问题还没有得到解决。

—聚焦离子束光刻是一种机制上类似于电子束光刻的技术。但不同于电子束光刻的是这种技术并不受在光刻胶中的离子散射以及从衬底来的离子背散射影响。它能刻出特征尺寸细到6纳米的图形，但它也是一种耗时的技术，而且高能离子束可能造成衬底损伤。

—扫描微探针术可以用来划刻或者氧化衬底表面，甚至可以用来操纵单个原子和分子。最常用的方法是基于材料在探针作用下引入的高度局域化增强的氧化机制的。此项技术已经用来刻划金属（Ti和Cr）、半导体（Si和GaAs）以及绝缘材料（Si3N4和silohexanes），还用在LB膜和自聚集分子单膜上。此种方法具有可逆和简单易行等优点。引入的氧化图形依赖于实验条件如扫描速度、样片偏压以及环境湿度等。空间分辨率受限于针尖尺寸和形状（虽然氧化区域典型地小于针尖尺寸）。这项技术已用于制造有序的量子点阵列和单电子晶体管。这项技术的主要缺点是处理速度慢（典型的刻写速度为1mm/s量级）。然而，最近在原子力显微术上的技术进展—使用悬臂樑阵列已将扫描速度提高到4mm/s。此项技术的显著优点是它的杰出的分辨率和能产生任意几何形状的图形能力。但是，是否在刻写速度上的改善能使它适用于除制造光刻版和原型器件之外的其他目的还有待于观察。直到目前为止，它是一项能操控单个原子和分子的唯一技术。

—多孔膜作为淀积掩版的技术。多孔膜能用多种光刻术再加腐蚀来制备，它也可以用简单的阳极氧化方法来制备。铝膜在酸性腐蚀液中阳极氧化就可以在铝膜上产生六角密堆的空洞，空洞的尺寸可以控制在5-200nm范围。制备多孔膜的其他方法是从纳米沟道玻璃膜复制。用这项技术已制造出含有细至40nm的空洞的钨、钼、铂以及金膜。

—倍塞（diblock）共聚物图形制作术是一种基于不同聚合物的混合物能够产生可控及可重复的相分离机制的技术。目前，经过反应离子刻蚀后，在旋转涂敷的倍塞共聚物层中产生的图形已被成功地转移到Si3N4膜上，图形中空洞直径20nm，空洞之间间距40nm。在聚苯乙烯基体中的自组织形成的聚异戊二烯（polyisoprene）或聚丁二烯（polybutadiene）球（或者柱体）可以被臭氧去掉或者通过锇染色而保留下来。在第一种情况，空洞能够在氮化硅上产生；在第二种情况，岛状结构能够产生。目前利用倍塞共聚物光刻技术已制造出GaAs纳米结构，结构的侧向特征尺寸约为23nm,密度高达1011/cm2。

—与倍塞共聚物图形制作术紧密相关的一项技术是纳米球珠光刻术。此项技术的基本思路是将在旋转涂敷的球珠膜中形成的图形转移到衬底上。各种尺寸的聚合物球珠是商业化的产品。然而，要制作出含有良好有序的小尺寸球珠薄膜也是比较困难的。用球珠单层膜已能制备出特征尺寸约为球珠直径1/5的三角形图形。双层膜纳米球珠掩膜版也已被制作出。能够在金属、半导体以及绝缘体衬底上使用纳米球珠光刻术的能力已得到确认。纳米球珠光刻术（纳米球珠膜的旋转涂敷结合反应离子刻蚀）已被用来在一些半导体表面上制造空洞和柱状体纳米结构。

—将图形从母体版转移到衬底上的其他光刻技术。几种所谓“软光刻“方法，比如复制铸模法、微接触印刷法、溶剂辅助铸模法以及用硬模版浮雕法等已被探索开发。其中微接触印刷法已被证明只能用来刻制特征尺寸大于100nm的图形。复制铸模法的可能优点是ellastometric聚合物可被用来制作成一个戳子，以便可用同一个戳子通过对戳子的机械加压能够制作不同侧向尺寸的图形。在溶剂辅助铸模法和用硬模版浮雕法（或通常称之为纳米压印术）之间的主要差异是，前者中溶剂被用于软化聚合物，而后者中软化聚合物依靠的是温度变化。溶剂辅助铸模法的可能优点是不需要加热。纳米压印术已被证明可用来制作具有容量达400Gb/in2的纳米激光光盘，在6英寸硅片上刻制亚100nm分辨的图形，刻制10nmX40nm面积的长方形，以及在4英寸硅片上进行图形刻制。除传统的平面纳米压印光刻法之外，滚轴型纳米压印光刻法也已被提出。在此类技术中温度被发现是一个关键因素。此外，应该选用具有较低的玻璃化转变温度的聚合物。为了取得高产，下列因素要解决：

1）大的戳子尺寸

2）高图形密度戳子

3）低穿刺（lowsticking）

4）压印温度和压力的优化

5）长戳子寿命。

具有低穿刺率的大尺寸戳子已经被制作出来。已有少量研究工作在试图优化压印温度和压力，但显然需要进行更多的研究工作才能得到温度和压力的优化参数。高图形密度戳子的制作依然在发展之中。还没有足够量的工作来研究戳子的寿命问题。曾有研究报告报道，覆盖有超薄的特氟隆类薄膜的模板可以用来进行50次的浮刻而不需要中间清洗。报告指出最大的性能退化来自于嵌在戳子和聚合物之间的灰尘颗粒。如果戳子是从ellastometric母版制作出来的，抗穿刺层可能需要使用，而且进行大约5次压印后需要更换。值得关心的其他可能问题包括镶嵌的灰尘颗引起的戳子损伤或聚合物中图形损伤，以及连续压印之间戳子的清洗需要等。尽管进一步的优化和改良是必需的，但此项技术似乎有希望获得高生产率。压印过程包括对准、加热及冷却循环等，整个过程所需时间大约20分钟。使用具有较低玻璃化转换温度的聚合物可以缩短加热和冷却循环所需时间，因此可以缩短整个压印过程时间。IV．纳米制造所面对的困难和挑战

上述每一种用于在衬底上图形刻制的技术都有其优点和缺点。目前，似乎没有哪个单一种技术可以用来高产量地刻制纳米尺度且任意形状的图形。我们可以将图形刻制的全过程分成下列步骤：

1．在一块模版上刻写图形

2．在过渡性或者功能性材料上复制模版上的图形

3．转移在过渡性或者功能性材料上复制的图形。

很显然第二步是最具挑战性的一步。先前描述的各项技术，例如电子束光刻或者扫描微探针光刻技术，已经能够刻写非常细小的图形。然而，这些技术都因相当费时而不适于规模生产。纳米压印术则因可作多片并行处理而可能解决规模生产问题。此项技术似乎很有希望，但是在它能被广泛应用之前现存的严重的材料问题必须加以解决。纳米球珠和倍塞共聚物光刻术则提供了将第一步和第二步整合的解决方案。在这些技术中，图形由球珠的尺寸或者倍塞共聚物的成分来确定。然而，用这两种光刻术刻写的纳米结构的形状非常有限。当这些技术被人们看好有很大的希望用来刻写图形以便生长出有序的纳米量子点阵列时，它们却完全不适于用来刻制任意形状和复杂结构的图形。为了能够制造出高质量的纳米器件，不但必须能够可靠地将图形转移到功能材料上，还必须保证在刻蚀过程中引入最小的损伤。湿法腐蚀技术典型地不产生或者产生最小的损伤，可是湿法腐蚀并不十分适于制备需要陡峭侧墙的结构，这是因为在掩模版下一定程度的钻蚀是不可避免的，而这个钻蚀决定性地影响微小结构的刻制。另一方面，用干法刻蚀技术，譬如，反应离子刻蚀(RIE)或者电子回旋共振（ECR）刻蚀，在优化条件下可以获得陡峭的侧墙。直到今天大多数刻蚀研究都集中于刻蚀速度以及刻蚀出垂直墙的能力，而关于刻蚀引入损伤的研究严重不足。已有研究表明，能在表面下100nm深处探测到刻蚀引入的损伤。当器件中的个别有源区尺寸小于100nm时，如此大的损伤是不能接受的。还有就是因为所有的纳米结构都有大的表面-体积比，必须尽可能地减少在纳米结构表面或者靠近的任何缺陷。

随着器件持续微型化的趋势的发展，普通光刻技术的精度将很快达到它的由光的衍射定律以及材料物理性质所确定的基本物理极限。通过采用深紫外光和相移版，以及修正光学近邻干扰效应等措施，特征尺寸小至80nm的图形已能用普通光刻技术制备出。然而不大可能用普通光刻技术再进一步显著缩小尺寸。采用X光和EUV的光刻技术仍在研发之中，可是发展这些技术遇到在光刻胶以及模版制备上的诸多困难。目前来看，虽然也有一些具挑战性的问题需要解决，特别是需要克服电子束散射以及相关联的近邻干扰效应问题，但投影式电子束光刻似乎是有希望的一种技术。扫描微探针技术提供了能分辨单个原子或分子的无可匹敌的精度，可是此项技术却有固有的慢速度，目前还不清楚通过给它加装阵列悬臂樑能否使它达到可以接受的刻写速度。利用转移在自组装薄膜中形成的图形的技术，例如倍塞共聚物以及纳米球珠刻写技术则提供了实现成本不是那么昂贵的大面积图形刻写的一种可能途径。然而，在这种方式下形成的图形仅局限于点状或者柱状图形。对于制造相对简单的器件而言，此类技术是足够用的，但并不能解决微电子工业所面对的问题。需要将图形从一张模版复制到聚合物膜上的各种所谓“软光刻“方法提供了一种并行刻写的技术途径。模版可以用其他慢写技术来刻制，然后在模版上的图形可以通过要么热辅助要么溶液辅助的压印法来复制。同一块模版可以用来刻写多块衬底，而且不像那些依赖化学自组装图形形成机制的方法，它可以用来刻制任意形状的图形。然而，要想获得高生产率，某些技术问题如穿刺及因灰尘导致的损伤等问题需要加以解决。对一个理想的纳米刻写技术而言，它的运行和维修成本应该低，它应具备可靠地制备尺寸小但密度高的纳米结构的能力，还应有在非平面上刻制图形的能力以及制备三维结构的功能。此外，它也应能够做高速并行操作，而且引入的缺陷密度要低。然而时至今日，仍然没有任何一项能制作亚100nm图形的单项技术能同时满足上述所有条件。现在还难说是否上述技术中的一种或者它们的某种组合会取代传统的光刻技术。究竟是现有刻写技术的组合还是一种全新的技术会成为最终的纳米刻写技术还有待于观察。

另一项挑战是，为了更新我们关于纳米结构的认识和知识，有必要改善现有的表征技术或者发展一种新技术能够用来表征单个纳米尺度物体。由于自组装量子点在尺寸上的自然涨落，可信地表征单个纳米结构的能力对于研究这些结构的物理性质是绝对至关重要的。目前表征单个纳米结构的能力非常有限。譬如，没有一种结构表征工具能够用来确定一个纳米结构的表面结构到0.1À的精度或者更佳。透射电子显微术(TEM)能够用来研究一个晶体结构的内部情况，但是它不能提供有关表面以及靠近表面的原子排列情况的信息。扫描隧道显微术（STM）和原子力显微术（AFM）能够给出表面某区域的形貌，但它们并不能提供定量结构信息好到能仔细理解表面性质所要求的精度。当近场光学方法能够给出局部区域光谱信息时，它们能给出的关于局部杂质浓度的信息则很有限。除非目前用来表征表面和体材料的技术能够扩展到能够用来研究单个纳米体的表面和内部情况，否则能够得到的有关纳米结构的所有重要结构和组份的定量信息非常有限。

纳米技术论文例4

2纳米技术在环境污染防治中的应用探讨

2.1在汽车尾气净化方面的应用

在目前汽车尾气处理方面，三效汽车尾气催化转换器运用得最为广泛，而遗憾的是，尽管其在汽车尾气处理方面发挥一定的作用，但其在汽车尾气处理方面也存在着诸多缺陷与不足。例如，这种催化转换器在使用时对燃油及发动机的设计有着较为严苛的要求；此外，随着贵金属价格的上涨，这种催化转换器的价格也将进一步上涨，这无疑将会在一定程度上提高厂家的生产成本，进而给厂家带来一定的压力；最后，这种贵金属转换器的使用也将会对环境造成一定的污染，进而给环境带来更大的压力。而要使这种状况得到进一步的改善，我们可以选用通过纳米技术研发的复合稀土化合物粉体作用净化汽车尾气的催化剂。这种纳米粉体较强的氧化还原性能不仅可以更为彻底地解决汽车尾气排放中有害气体对空气环境的污染，同时其在氧化有害气体的同时还能对这些有害气体进行还原，使之最终转化成对环境无害的相关气体再进行排放。另外，与其他催化剂相比，纳米粉体这种催化剂的吸附能力更强。

2.2在燃料脱硫方面的应用

燃料油使用过程中所产生的二氧化硫一直都是造成环境污染的重要因素之一，这些二氧化硫的排放主要来源于燃料油中的含硫化合物。为此，要进一步降低燃料使用过程中二氧化硫的排放量，在石油的提炼过程中我们就应采取一定的措施来降低其含硫比例和数量。而运用纳米技术研制出的纳米钛酸锌等粉体就可以在很大程度上实现脱硫的目的，可以说，这种粉体是一种较好的石油脱硫催化剂。经过这种纳米粉体的催化作用，燃料油中硫含量将不超过百分之零点零一，也就是说，经过纳米粉体的催化作用之后，燃料油中硫含量将符合相关国际标准。此外，在煤使用过程中，如果其得不到充分的燃烧，不仅会在一定程度上造成资源的浪费，同时还会产生二氧化硫等有害气体，进而造成空气环境的污染，而如果在煤燃烧过程中加入相应的纳米助燃催化剂就可以在很大程度上改善这种现状。

2.3在室内空气净化方面的应用

随着房屋装饰的蓬勃发展，室内涂料及油漆的用量越来越多，室内污染也随之越来越严重。为此，近年来，室内污染越来越受到人们的关注及重视。有关调查及研究证实，刚装修过的房屋内的有机物含量远远超过室外有机物含量，更有甚者超过工业区有机物的含量，而这些有机物含量大多数都会对人体造成一定的伤害，甚至一些有机物可能引发癌症的产生。而运用纳米技术研发的合成稀土光催化剂在降解这些有害物质方面则有着较为突出的表现，这其中有些纳米光催化剂可以使有害物质的降解程度达到百分之百。这种纳米光催化剂的运用原理主要是在光照环境下通过对室内有害物质的有效分解进而达到去除有害气体、改善室内空气质量的效果与目的。此外，这种纳米光催化剂的运用不仅可以在保持原有大气状态的前提下去除掉空气所含有的有害物质，同时还可以在一定程度上使得室内空气中的含氧量得到一定的提升。

2.4在净化水方面的应用

纳滤技术作为在环境污染水处理中一种较为成熟的技术，其在净化水方面发挥着不可替代的作用和功效。纳滤膜因其分离时所达到的渗透压低于发渗透膜，又被称为低压反渗透。纳滤膜使用的优点主要表现在其能够对大分子有机物和多价离子进行有效截留，同时实现小分子有机物和单价离子的顺利通过，这一特性主要得益于其膜表面或膜中间含有一定量的带电基团，进而使得其在某种程度上具备了荷电膜的相关特性。纳滤膜这些鲜明的特性使其在污水处理中具备了不可多得的优势，为此，其在工业污水处理中一直发挥着重要的作用，可以说，纳滤膜的研制及使用为环境污染的治理做出了突出的贡献。

2.5在固体废弃物处理方面的应用

与传统固体废弃物污染处理相比，纳米技术在固体废弃物处理方面的优势显而易见。首先，就分解速度而言，纳米处理剂对于固体废弃物的降解更为迅速，也就是说，运用纳米处理剂对固体废弃物进行分解将更加节约时间。有关实验证明，一些纳米材料降解固体废弃物的速度可以达到传统材料降解固体废弃物速度的十倍，由此可想而知纳米材料在固体废弃物分解方面的巨大优势。此外，运用纳米技术不仅可以将一些固体废弃物的杂质除去，同时还可以将其转换为一些可重复和循环利用的较细粉末。为此可以说，纳米技术在改善固体废弃物给环境造成污染方面发挥着积极的作用。

2.6在控制噪声方面的应用

尽管噪声污染一直不被人们所重视，但有关研究证明，一定的噪声污染将会在很大程度上给人体造成一定的伤害，更为严重地，甚至导致死亡现象。依据噪声污染的来源，我们可以运用纳米技术降低机械设备在运转过程中所产生的摩擦及撞击声。具体而言，我们可以通过对纳米剂的研制及运用使得相关机械设备的表面形成一种较为光滑的保护膜，在机械设备进行运转时发挥一定的作用，进而使得相应的摩擦系数进一步降低，从而达到减少摩擦力、降低噪音的目的，同时还使得相应机械设备的使用寿命在某种程度上进一步延长。

纳米技术论文例5

高亮LED在朝高质量低成本的大规模量产过程中遇到了一些技术性的挑战，这为突破性的方案创造了良好的机会，特别是对那些具“突破性思维”的初创公司来说，他们正在尝试一些有趣的纳米技术方案。创新的重要方面在于材料，量子点和衬底中的受限晶体结构可能具有获得更高效率、更低成本的潜力。当然，一些较成熟的公司也同样具有一些突破性的方案，例如利用射频波取代可见光波来测试芯片，获得更好的良率控制反馈。从高亮LED中获得更多理想暖白光的一种方法是采用量子点取代红色荧光体来进行光转换。QD Vision称其半导体纳米晶体可根据粒子大小和材料来调整至特定的窄带光波，使LED光的每瓦流明数较使用荧光体转换方案时提高30%。灯具制造商使用量子点薄膜覆盖在LED灯上，来微调光的颜色。QD Vision目前已向灯具制造商大规模出货。该公司CTO兼联合创始人Seth Coe-Sullivan介绍道，目前公司也对LED背光市场投入兴趣，已计划明年推出相关产品。对于背光产品，涂有纳米晶墨的涂层可以直接用于蓝光LED，替代荧光体，可改善显示性能，也可使更多的光通过，提高电能效率三分之一左右。Coe-Sullivan称推出了不含镉的完整量子点系列，产品可以持续发射20-30mW/cm2光强而没有变化。初创公司晶能光电在硅衬底上制造出商用高亮蓝光LED中国初创公司Lattice Power（中国南昌）正在硅衬底上制造高亮LED，小型蓝光和绿光用于显示的器件已投入量产，液晶背光以及大尺寸芯片的通用照明产品也即将推出。其独特的技术来自南昌大学江风益教授及其研究小组的科研成果，将GaN层沉积在硅上而不是蓝宝石或SiC上能更好地控制热失配和晶格失配。近期Lattice获得一些专利，并在一些技术会议上发表研究进展，其中一款产品从1×1mm蓝光芯片中在350mA的电流下获得100流明冷色白光，衬底是在(111)2英寸硅衬底上沉积的InGaN/GaN。研究人员称加速寿命测试结果显示该产品的可靠性与蓝宝石上的LED相近。Lattice Power研究人员也正在更大的硅晶圆上进行研发，可进一步提高成本效益。Inlustra Technologies非极化GaN衬底准备就绪UC Santa Barbara的分离公司Inlustra Technologies正采用改良的HVPE化学方法直接生长非极化和半极化GaN衬底，试图从不同途径来影响激光和LED衬底领域。CEO Benjamin Haskell称已试制出2英寸和3英寸产品。现在还在产出样品，预计在2011年早期开始大规模量产。最先的应用很可能是绿蓝激光二极管，这在通常的晶向上很难制造，且价格敏感度比照明要低。但随着产量增长这些最初的应用开始降价，Haskell预计该技术也可为固态照明降低成本。尽管该公司通过使用简化的设备及减少材料损耗降低了GaN衬底的制造成本，但Haskell还强调最终器件成本将下降更多，因为在GaN上制造 LED使整个制造工艺更为简化，包括外延沉积及器件工艺的简化。由于效率损耗较普通的极化LED有所降低而光输出量提高，LED芯片可以变得更小，而且对于同样的光输出，需要的芯片量也减少了。Haskell称，通过非极化GaN器件和衬底使性能得到数量级的改善是可能的，因为改变晶向消除了普通晶向上垂直器件(如目前的LED和LD)固有极化场所带来的影响。在通常晶面上制作的器件必须克服这些内建电场(约在兆伏每厘米的数量级)才能开启器件；效率损失和色彩迁移是这些电场的两个负面影响。但如果器件制作在非极化表面，这种极性仍会留存在生长

纳米技术论文例6

2使用磁性纳米粒子的体内基因靶向传递

磁性靶向传递技术是1978年被首次提出来的,这种方法类似于药物传递，对治疗基因的传递有着巨大的潜力，尽管该技术的应用必须适应核酸分子的大小和电荷数。有趣的是，磁性传递为解决当前基因治疗中的有效传递问题提供了很大的可能性。例如，将磁性纳米粒子与基因载体混合，治疗基因通过外部磁场被选择性地输送到肿瘤部位，增加了治疗基因的浓度，同时也减少了治疗基因在身体其它部位的停留。

2.1局部给药系统临床试验中肿瘤靶向给药一直是在肿瘤内或肿瘤附近注射给药，磁转染在肿瘤局部给药中有两个可能的优势：第一、它能增加注射部位细胞对药物的吸收和滞留；Bhattarai等人通过直接在空肠和气管内注射的方法向体内传递经过修饰的腺病毒载体表达结合了磁性纳米粒子的LacZ基因，发现在磁性组中的肺部和空肠内β-半乳糖苷酶的活性明显高于对照组。这表明在外部磁场下基因的滞留和表达都有所增强。虽然这种方法可能不适用于非侵入性肿瘤的治疗，但也显示了磁转染有提高注射基因在肿瘤内的滞留效果的可能。在局部传递中磁转染的另一个优势就是对肿瘤的穿透性。目前的传递方法不能有效的将治疗基因传递到肿瘤块的所有区域，尤其是低氧中心，部分是由于许多肿瘤内部有复杂的脉管系统。另外，这被认为是一个进步，考虑到耐药性的问题。已证明磁转染粒子的局部传递能增加靶组织内的基因积累和基因对肿瘤内较小动脉的穿透力。Krotz等人采用靶向提睾肌的股动脉注射带有荧光标记的寡聚脱氧核苷酸后发现磁性组的荧光强度增加，此外，在较小动脉内有很强的荧光。较小动脉内的荧光增强显示磁靶向能增加基因和药物的组织渗透性，说明了这种方法可能会增加经血液传递给肿瘤组织的基因和药物的渗透力。

2.2全身给药系统全身给药系统是研发新的传递技术的最终目标，因为它能被广泛的应用于各种临床适应症，也方便治疗。此外，小鼠的人类肿瘤移植模型提供了一种在活体内测试靶向给药以及在外部控制磁转染的简单方法。尽管人类移植肿瘤能提供宝贵的信息，便于深入了解全身给药系统的效果，但是这些模型可能大大低估了在病人体内靶向给药的复杂性。迄今，已被验证的磁转染作为活体内癌症治疗最有前途的应用是在人类肿瘤移植的小鼠模型中。用磁性纳米粒子-脂质体复合物传递荧光素酶质粒，Namiki等人发现外部有磁铁并经过纳米粒子处理的动物组有很强的荧光素酶活性，传递相同剂量基因的其他的对照组却没有明显的表达。这个结果在肿瘤组织匀浆中的二次试验得到证实，那个实验是用siRNA干扰磁性组中的EGF受体，而在非磁性组中没用siRNA。与有外部磁铁靶向的控制组相比，对照组中肿瘤块EGF受体的siRNA传递减少了50%。还有一项研究也显示了不同的纳米复合物组分与疗效之间的差异。相比于之前使用的磁性复合物，新配方在非目标器官中siRNA的积累量减少10倍，提出增加配方的选择性可以提高对器官的靶向性。这可能是由于新配方的尺寸较小的缘故。总之，这些结果都是磁转染具有明确疗效强有力的证据，除了用传递报告基因来证实外。单核细胞由于其具有与肿瘤细胞天然的亲和力，也被用来作为癌症治疗的基因载体。一种方法是先将单核细胞在体外转染，再经过血液注射将治疗基因传递到肿瘤组织。这种方法虽然避免了非内源性载体引起的组织毒性，但问题一直是没有靶向足够数目的肿瘤细胞。Muthana等人最新的研究检查了传递磁性纳米粒子基因的单核细胞在肿瘤组织中的生长能力。作者发现磁性组中16.9±4.2%的肿瘤细胞表达GFP，而在非磁性组中肿瘤细胞GFP的表达大量增加，增量超过4.9±3.5%。没有数据显示这是否会导致单核细胞在肝脏中的减少，这项研究也没有显示任何治疗效果，它传递的是一个标志基因，它证明了磁性纳米粒子能被用于改善细胞作为基因载体的功能。

纳米技术论文例7

2纳米技术在机械中的应用

随着现代的机械制造业大力发展，纳米的加工技术包含的方面也越来越广泛，越来越受到各国的关注。微型机械的纳米加工技术总体可以归结为以下几个方面：第一，微加工技术，此项技术对于环境的要求较高，需要较为清洁的环境，主要是微型机械的零件刻蚀技术上的应用。第二，控制方面，比如微型传感器的应用，驱动器和控制器在传感器的作用下，可以协调的进行工作。第三，微装配技术，这项技术主要是把微型机械所用到的微型机构、微型执行机构等结合起来，成为一个有机的整体。下面是一些纳米技术在机械应用方面的例子。无摩擦微型纳米轴承最新的世界纳米技术成果是美国科学家研究出的接近无摩擦的纳米轴承，它的直径仅为头发的直径大小。这种新技术下的轴承在进行使用时基本上实现了无磨损和无撕裂，这将被投入到微型装置的原件使用中。微型机械本身的尺寸就相当于头发的直径，而纳米几点系统的尺寸更小，接近1nm，是普通微型机械的千分之一。在微型的机电中摩擦问题是一大难题，新型的纳米轴承基本上解决了这一难题，达到了最小摩擦的极限。纳米陶瓷刀具我国某工业大学材料学院就完成了我国地方重大的纳米项目，研究出了金属陶瓷刀具的制作技术，并且这一技术已经通过认定，这将是一项利用纳米技术进行材料制作的新标志。纳米磁性液体密封磁性液体是一种新型的材料，它同时具有磁性和流动性，是世界上很多发达国家目前使用较多的一种密封技术.普通的材料根本无法达到同时具有这两种性质。这种新型的材料满足了一些高硬度物料超细粉体的密封要求，在密封时利用磁场将磁性的液体固定在要密封处，此时就会形成一个磁液圈，这样不仅使得污染和浪费都减少了，还提高了效率。

3纳米材料在阀片上的应用

我国中科院上海硅酸盐研究所同上海电瓷厂共同研究出的特殊功能的阀片，主要应用于功能陶瓷材料中，这里可以提高阀片的绝缘强度，也即提高了阀片大电流耐受力。这也是我国纳米技术的一项在机械方面的应用。纳米发动机材料纳米复合氧化锆是纳米材料中应用于工业方面比较成功的材料之一。纳米复合锆材料能够实现导氧及储氧的功能，同时它的耐高温性也很强，主要被应用到最新的汽车发动机及尾气排放等的系统中。纳米技术马达纳米技术马达是由美国研制，在中国首次面世的一项纳米技术。纳米技术马达体积很小，是传统电磁马达的0.05倍，长度是平常使用火柴的3/4，负载能力是4kg以上，与传统的马达相比，寿命也高了很多。主要用在玩具和汽车的一些电动设施中。纳米燃油装置我国的专家成功的研制出具有世界先进技术水平的纳米燃油装置。这种装置与传统的装置相比，燃油更加充分。主要应用到了极地车辆中。纳米剂技术的产生很好地解决了摩擦和机械磨损。纳米剂的发明使得很大一部分零件不再需要频繁的更换，同时这些机械的使用寿命有了很大程度的提高。

4纳米技术在机械应用中的优势

与传统的机械工程相比，纳米技术在机械应用中体现出了很多方面的优势，在不断的发展中获得了明显的成果。纳米技术的尺寸效应优势纳米技术使传统的一些使用部件的尺寸缩小了很多，将过去的毫米级别的进化到了纳米级别。纳米技术在机械应用中，降低了机械体积，这也促进机械方面形成一种心动的机械：微型机械。微型机械不仅仅是在尺寸上减小了很多，在微机构、微驱动器、微能源以及微传感器等装置都有了改进，形成了一整套微型机电系统。这些微型机电构置都是纳米技术的研究成果。这种技术远远超出了传统机械的范畴，是现代的一种创新思维下的科技纳米技术成果。纳米技术的多元化应用纳米材料的特殊性，使得纳米技术的应用多元化。纳米材料在纳米技术下形成的产品，不仅形态更加微小，而且功能更加强大。对于传统材料无法完成的功能，纳米材料产品可以完成，而且还在不断的发明出更多新型的材料。纳米材料可以将微量元素融入到基础材料当中，从而达到更好的功能效果。纳米材料摩擦性能的提升纳米技术在机械应用中最为突出的应用是解决机械摩擦的性能。再继续额运动中，轴承间的摩擦是无法消除的。过去的轴承在使用当中摩擦问题是一个难题。当纳米技术出现后，一方面使得各类机械结构尺寸减小了很多，零件尺寸越小摩擦力的影响越大，如果摩擦力过大，那么更严重的还会磨损到零件，影响到正常的使用。但是纳米技术也解决了这一问题，纳米材料实现了机械的最小摩擦极限，达到了理想的运行状态。纳米技术节能效果纳米技术不仅实现了体积上的减小、功能上的强大，还能实现环保节能，真正实现了集功能、实用、环保于一体。随着纳米技术的不断发展，很多新型的材料也被研发出来，这些新型的材料实现了材料的节约目标，所以传统的机械工程中有些需求量较大的材料使用率大大降低了，对于原材料的节省，起到了很大的节约作用。

5纳米加工技术与微型机械

纳米加工技术的出现和不断发展为微型机电系统的发展提供了条件，使微型机电系统进入了一个全新的领域。微型机械现在世界上的微型机械的研究已经发展到了一个很高的水平，已经能够制造出很多类型的微型机构和微型零部件。在三维的机械构件上已经有了很多研制品，比如微齿轮、微轴承、微弹簧等。其中微执行器是相对较为复杂的微型器件，但是也研制出了微开关、微电动机、微泵等器件。微型机电系统微型机电系统就是相对比较复杂的机电系统，比如微型机器人，它可以用于搜集情报、窃听等。微型机电系统在医学上也有荷藕使用的意义，比如微型医学机器人可以进入人体的血管进行一些操作。总之这些微型机电系统越来越接近实用化，接近人的生活。在航空航天上微型机电系统也有很重要的使用，比如惯性仪表，它具有体积小，重量轻、精度高等优点。现在微型器件的发展也有了一定的应用水平，加上微电子的工业集成电路的经验可以应用到这个新的方面，所以纵观各方面的技术和经验，现在MEMS的发展条件已具备。

纳米技术论文例8

    由于纳米技术对国家未来经济、社会发展及国防安全具有重要意义，世界各国（地区）纷纷将纳米技术的研发作为21世纪技术创新的主要驱动器，相继制定了发展战略和计划，以指导和推进本国纳米科技的发展。目前，世界上已有50多个国家制定了部级的纳米技术计划。一些国家虽然没有专项的纳米技术计划，但其他计划中也往往包含了纳米技术相关的研发。    

   （1）发达国家和地区雄心勃勃    

    为了抢占纳米科技的先机，美国早在2000年就率先制定了部级的纳米技术计划（nni），其宗旨是整合联邦各机构的力量，加强其在开展纳米尺度的科学、工程和技术开发工作方面的协调。2003年11月，美国国会又通过了《21世纪纳米技术研究开发法案》，这标志着纳米技术已成为联邦的重大研发计划，从基础研究、应用研究到研究中心、基础设施的建立以及人才的培养等全面展开。    

    日本政府将纳米技术视为“日本经济复兴”的关键。第二期科学技术基本计划将生命科学、信息通信、环境技术和纳米技术作为4大重点研发领域，并制定了多项措施确保这些领域所需战略资源（人才、资金、设备）的落实。之后，日本科技界较为彻底地贯彻了这一方针，积极推进从基础性到实用性的研发，同时跨省厅重点推进能有效促进经济发展和加强国际竞争力的研发。    

    欧盟在2002—2007年实施的第六个框架计划也对纳米技术给予了空前的重视。该计划将纳米技术作为一个最优先的领域，有13亿欧元专门用于纳米技术和纳米科学、以知识为基础的多功能材料、新生产工艺和设备等方面的研究。欧盟委员会还力图制定欧洲的纳米技术战略，目前，已确定了促进欧洲纳米技术发展的5个关键措施：增加研发投入，形成势头；加强研发基础设施；从质和量方面扩大人才资源；重视工业创新，将知识转化为产品和服务；考虑社会因素，趋利避险。另外，包括德国、法国、爱尔兰和英国在内的多数欧盟国家还制定了各自的纳米技术研发计划。    

   （2）新兴工业化经济体瞄准先机    

    意识到纳米技术将会给人类社会带来巨大的影响，韩国、中国台湾等新兴工业化经济体，为了保持竞争优势，也纷纷制定纳米科技发展战略。韩国政府2001年制定了《促进纳米技术10年计划》，2002年颁布了新的《促进纳米技术开发法》，随后的2003年又颁布了《纳米技术开发实施规则》。韩国政府的政策目标是融合信息技术、生物技术和纳米技术3个主要技术领域，以提升前沿技术和基础技术的水平；到2010年10年计划结束时，韩国纳米技术研发要达到与美国和日本等领先国家的水平，进入世界前5位的行列。    

    中国台湾自1999年开始，相继制定了《纳米材料尖端研究计划》、《纳米科技研究计划》，这些计划以人才和核心设施建设为基础，以追求“学术卓越”和“纳米科技产业化”为目标，意在引领台湾知识经济的发展，建立产业竞争优势。    

（3）发展中大国奋力赶超    

    综合国力和科技实力较强的发展中国家为了迎头赶上发达国家纳米科技发展的势头，也制定了自己的纳米科技发展战略。中国政府在2001年7月就了《国家纳米科技发展纲要》，并先后建立了国家纳米科技指导协调委员会、国家纳米科学中心和纳米技术专门委员会。目前正在制定中的国家中长期科技发展纲要将明确中国纳米科技发展的路线图，确定中国在目前和中长期的研发任务，以便在国家层面上进行指导与协调，集中力量、发挥优势，争取在几个方面取得重要突破。鉴于未来最有可能的技术浪潮是纳米技术，南非科技部正在制定一项国家纳米技术战略，可望在2005年度执行。印度政府也通过加大对从事材料科学研究的科研机构和项目的支持力度，加强材料科学中具有广泛应用前景的纳米技术的研究和开发。    

2、纳米科技研发投入一路攀升    

    纳米科技已在国际间形成研发热潮，现在无论是富裕的工业化大国还是渴望富裕的工业化中国家，都在对纳米科学、技术与工程投入巨额资金，而且投资迅速增加。据欧盟2004年5月的一份报告称，在过去10年里，世界公共投资从1997年的约4亿欧元增加到了目前的30亿欧元以上。私人的纳米技术研究资金估计为20亿欧元。这说明，全球对纳米技术研发的年投资已达50亿欧元。    

    美国的公共纳米技术投资最多。在过去4年内，联邦政府的纳米技术研发经费从2000年的2.2亿美元增加到2003年的7.5亿美元，2005年将增加到9.82亿美元。更重要的是，根据《21世纪纳米技术研究开发法》，在2005～2008财年联邦政府将对纳米技术计划投入37亿美元，而且这还不包括国防部及其他部门将用于纳米研发的经费。     

    日本目前是仅次于美国的第二大纳米技术投资国。日本早在20世纪80年代就开始支持纳米科学研究，近年来纳米科技投入迅速增长，从2001年的4亿美元激增至2003年的近8亿美元，而2004年还将增长20%。    

    在欧洲，根据第六个框架计划，欧盟对纳米技术的资助每年约达7.5亿美元，有些人估计可达9.15亿美元。另有一些人估计，欧盟各国和欧盟对纳米研究的总投资可能两倍于美国，甚至更高。    

    中国期望今后5年内中央政府的纳米技术研究支出达到2.4亿美元左右；另外，地方政府也将支出2.4亿～3.6亿美元。中国台湾计划从2002～2007年在纳米技术相关领域中投资6亿美元，每年稳中有增，平均每年达1亿美元。韩国每年的纳米技术投入预计约为1.45亿美元，而新加坡则达3.7亿美元左右。    

    就纳米科技人均公共支出而言，欧盟25国为2.4欧元，美国为3.7欧元，日本为6.2欧元。按照计划，美国2006年的纳米技术研发公共投资增加到人均5欧元，日本2004年增加到8欧元，因此欧盟与美日之间的差距有增大之势。公共纳米投资占gdp的比例是：欧盟为0.01%，美国为0.01%，日本为0.02%。    

    另外，据致力于纳米技术行业研究的美国鲁克斯资讯公司2004年的一份年度报告称，很多私营企业对纳米技术的投资也快速增加。美国的公司在这一领域的投入约为17亿美元，占全球私营机构38亿美元纳米技术投资的46%。亚洲的企业将投资14亿美元，占36%。欧洲的私营机构将投资6.5亿美元，占17%。由于投资的快速增长，纳米技术的创新时代必将到来。    

3、世界各国纳米科技发展各有千秋    

    各纳米科技强国比较而言，美国虽具有一定的优势，但现在尚无确定的赢家和输家。    

   （1）在纳米科技论文方面日、德、中三国不相上下    

    根据中国科技信息研究所进行的纳米论文统计结果，2000—2002年，共有40370篇纳米研究论文被《2000—2002年科学引文索引（sci）》收录。纳米研究论文数量逐年增长，且增长幅度较大，2001年和2002年的增长率分别达到了30.22%和18.26%。    

    2000—2002年纳米研究论文，美国以较大的优势领先于其他国家，3年累计论文数超过10000篇，几乎占全部论文产出的30%。日本（12.76%）、德国（11.28%）、中国（10.64%）和法国（7.89%）位居其后，它们各自的论文总数都超过了3000篇。而且以上5国2000—2002年每年的纳米论文产出大都超过了1000篇，是纳米研究最活跃的国家，也是纳米研究实力最强的国家。中国的增长幅度最为突出，2000年中国纳米论文比例还落后德国2个多百分点，到2002年已经超过德国，位居世界第三位，与日本接近。    

    在上述5国之后，英国、俄罗斯、意大利、韩国、西班牙发表的论文数也较多，各国3年累计论文总数都超过了1000篇，且每年的论文数排位都可以进入前10名。这5个国家可以列为纳米研究较活跃的国家。    

    另外，如果欧盟各国作为一个整体，其论文量则超过36%，高于美国的29.46%。    

    （2）在申请纳米技术发明专利方面美国独占鳌头    

    据统计：美国专利商标局2000—2002年共受理2236项关于纳米技术的专利。其中最多的国家是美国（1454项），其次是日本（368项）和德国（118项）。由于专利数据来源美国专利商标局，所以美国的专利数量非常多，所占比例超过了60%。日本和德国分别以16.46%和5.28%的比例列在第二位和第三位。英国、韩国、加拿大、法国和中国台湾的专利数也较多，所占比例都超过了1%。    

    专利反映了研究成果实用化的能力。多数国家纳米论文数与专利数所占比例的反差较大，在论文数最多的20个国家和地区中，专利数所占比例超过论文数所占比例的国家和地区只有美国、日本和中国台湾。这说明，很多国家和地区在纳米技术研究上具备一定的实力，但比较侧重于基础研究，而实用化能力较弱。    

   （3）就整体而言纳米科技大国各有所长    

    美国纳米技术的应用研究在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪等领域快速发展。随着纳米技术在癌症诊断和生物分子追踪中的应用，目前美国纳米研究热点已逐步转向医学领域。医学纳米技术已经被列为美国国家的优先科研计划。在纳米医学方面，纳米传感器可在实验室条件下对多种癌症进行早期诊断，而且，已能在实验室条件下对前列腺癌、直肠癌等多种癌症进行早期诊断。2004年，美国国立卫生研究院癌症研究所专门出台了一项《癌症纳米技术计划》，目的是将纳米技术、癌症研究与分子生物医学相结合，实现2015年消除癌症死亡和痛苦的目标；利用纳米颗粒追踪活性物质在生物体内的活动也是一个研究热门，这对于研究艾滋病病毒、癌细胞等在人体内的活动情况非常有用，还可以用来检测药物对病毒的作用效果。利用纳米颗粒追踪病毒的研究也已有成果，未来5～10年有望商业化。    

    虽然医学纳米技术正成为纳米科技的新热点，纳米技术在半导体芯片领域的应用仍然引人关注。美国科研人员正在加紧纳米级半导体材料晶体管的应用研究，期望突破传统的极限，让芯片体积更小、速度更快。纳米颗粒的自组装技术是这一领域中最受关注的地方。不少科学家试图利用化学反应来合成纳米颗粒，并按照一定规则排列这些颗粒，使其成为体积小而运算快的芯片。这种技术本来有望取代传统光刻法制造芯片的技术。在光学新材料方面，目前已有可控直径5纳米到几百纳米、可控长度达到几百微米的纳米导线。    

    日本纳米技术的研究开发实力强大，某些方面处于世界领先水平，但尚未脱离基础和应用研究阶段，距离实用化还有相当一段路要走。在纳米技术的研发上，日本最重视的是应用研究，尤其是纳米新材料研究。除了碳纳米管外，日本开发出多种不同结构的纳米材料，如纳米链、中空微粒、多层螺旋状结构、富勒结构套富勒结构、纳米管套富勒结构、酒杯叠酒杯状结构等。    

    在制造方法上，日本不断改进电弧放电法、化学气相合成法和激光烧蚀法等现有方法，同时积极开发新的制造技术，特别是批量生产技术。细川公司展出的低温连续烧结设备引起关注。它能以每小时数千克的速度制造粒径在数十纳米的单一和复合的超微粒材料。东丽和三菱化学公司应用大学开发的新技术能把制造碳纳米材料的成本减至原来的1／10，两三年内即可进入批量生产阶段。    

    日本高度重视开发检测和加工技术。目前广泛应用的扫描隧道显微镜、原子力显微镜、近场光学显微镜等的性能不断提高，并涌现了诸如数字式显微镜、内藏高级照相机显微镜、超高真空扫描型原子力显微镜等新产品。科学家村田和广成功开发出亚微米喷墨印刷装置，能应用于纳米领域，在硅、玻璃、金属和有机高分子等多种材料的基板上印制细微电路，是世界最高水平。    

    日本企业、大学和研究机构积极在信息技术、生物技术等领域内为纳米技术寻找用武之地，如制造单个电子晶体管、分子电子元件等更细微、更高性能的元器件和量子计算机，解析分子、蛋白质及基因的结构等。不过，这些研究大都处于探索阶段，成果为数不多。    

    欧盟在纳米科学方面颇具实力，特别是在光学和光电材料、有机电子学和光电学、磁性材料、仿生材料、纳米生物材料、超导体、复合材料、医学材料、智能材料等方面的研究能力较强。    

    中国在纳米材料及其应用、扫描隧道显微镜分析和单原子操纵等方面研究较多，主要以金属和无机非金属纳米材料为主，约占80%，高分子和化学合成材料也是一个重要方面，而在纳米电子学、纳米器件和纳米生物医学研究方面与发达国家有明显差距。    

4、纳米技术产业化步伐加快    

    目前，纳米技术产业化尚处于初期阶段，但展示了巨大的商业前景。据统计：2004年全球纳米技术的年产值已经达到500亿美元，2010年将达到14400亿美元。为此，各纳米技术强国为了尽快实现纳米技术的产业化，都在加紧采取措施，促进产业化进程。    

    美国国家科研项目管理部门的管理者们认为，美国大公司自身的纳米技术基础研究不足，导致美国在该领域的开发应用缺乏动力，因此，尝试建立一个由多所大学与大企业组成的研究中心，希望借此使纳米技术的基础研究和应用开发紧密结合在一起。美国联邦政府与加利福尼亚州政府一起斥巨资在洛杉矾地区建立一个“纳米科技成果转化中心”，以便及时有效地将纳米科技领域的基础研究成果应用于产业界。该中心的主要工作有两项：一是进行纳米技术基础研究；二是与大企业合作，使最新基础研究成果尽快实现产业化。其研究领域涉及纳米计算、纳米通讯、纳米机械和纳米电路等许多方面，其中不少研究成果将被率先应用于美国国防工业。

    美国的一些大公司也正在认真探索利用纳米技术改进其产品和工艺的潜力。ibm、惠普、英特尔等一些it公司有可能在中期内取得突破，并生产出商业产品。一个由专业、商业和学术组织组成的网络在迅速扩大，其目的是共享信息，促进联系，加速纳米技术应用。    

    日本企业界也加强了对纳米技术的投入。关西地区已有近百家企业与16所大学及国立科研机构联合，不久前又建立了“关西纳米技术推进会议”，以大力促进本地区纳米技术的研发和产业化进程；东丽、三菱、富士通等大公司更是纷纷斥巨资建立纳米技术研究所，试图将纳米技术融合进各自从事的产业中。    

纳米技术论文例9

由于纳米技术对国家未来经济、社会发展及国防安全具有重要意义，世界各国（地区）纷纷将纳米技术的研发作为21世纪技术创新的主要驱动器，相继制定了发展战略和计划，以发表和推进本国纳米科技的发展。目前，世界上已有50多个国家制定了部级的纳米技术计划。一些国家虽然没有专项的纳米技术计划，但其他计划中也往往包含了纳米技术相关的研发。

（1）发达国家和地区雄心勃勃

为了抢占纳米科技的先机，美国早在2000年就率先制定了部级的纳米技术计划（NNI），其宗旨是整合联邦各机构的力量，加强其在开展纳米尺度的科学、工程和技术开发工作方面的协调。2003年11月，美国国会又通过了《21世纪纳米技术研究开发法案》，这标志着纳米技术已成为联邦的重大研发计划，从基础研究、应用研究到研究中心、基础设施的建立以及人才的培养等全面展开。

日本政府将纳米技术视为“日本经济复兴”的关键。第二期科学技术基本计划将生命科学、信息通信、环境技术和纳米技术作为4大重点研发领域，并制定了多项措施确保这些领域所需战略资源（人才、资金、设备）的落实。之后，日本科技界较为彻底地贯彻了这一方针，积极推进从基础性到实用性的研发，同时跨省厅重点推进能有效促进经济发展和加强国际竞争力的研发。

欧盟在2002—2007年实施的第六个框架计划也对纳米技术给予了空前的重视。该计划将纳米技术作为一个最优先的领域，有13亿欧元专门用于纳米技术和纳米科学、以知识为基础的多功能材料、新生产工艺和设备等方面的研究。欧盟委员会还力图制定欧洲的纳米技术战略，目前，已确定了促进欧洲纳米技术发展的5个关键措施：增加研发投入，形成势头；加强研发基础设施；从质和量方面扩大人才资源；重视工业创新，将知识转化为产品和服务；考虑社会因素，趋利避险。另外，包括德国、法国、爱尔兰和英国在内的多数欧盟国家还制定了各自的纳米技术研发计划。

（2）新兴工业化经济体瞄准先机

意识到纳米技术将会给人类社会带来巨大的影响，韩国、中国台湾等新兴工业化经济体，为了保持竞争优势，也纷纷制定纳米科技发展战略。韩国政府2001年制定了《促进纳米技术10年计划》，2002年颁布了新的《促进纳米技术开发法》，随后的2003年又颁布了《纳米技术开发实施规则》。韩国政府的政策目标是融合信息技术、生物技术和纳米技术3个主要技术领域，以提升前沿技术和基础技术的水平；到2010年10年计划结束时，韩国纳米技术研发要达到与美国和日本等领先国家的水平，进入世界前5位的行列。

中国台湾自1999年开始，相继制定了《纳米材料尖端研究计划》、《纳米科技研究计划》，这些计划以人才和核心设施建设为基础，以追求“学术卓越”和“纳米科技产业化”为目标，意在引领台湾知识经济的发展，建立产业竞争优势。

（3）发展中大国奋力赶超

综合国力和科技实力较强的发展中国家为了迎头赶上发达国家纳米科技发展的势头，也制定了自己的纳米科技发展战略。中国政府在2001年7月就了《国家纳米科技发展纲要》，并先后建立了国家纳米科技发表协调委员会、国家纳米科学中心和纳米技术专门委员会。目前正在制定中的国家中长期科技发展纲要将明确中国纳米科技发展的路线图，确定中国在目前和中长期的研发任务，以便在国家层面上进行发表与协调，集中力量、发挥优势，争取在几个方面取得重要突破。鉴于未来最有可能的技术浪潮是纳米技术，南非科技部正在制定一项国家纳米技术战略，可望在2005年度执行。印度政府也通过加大对从事材料科学研究的科研机构和项目的支持力度，加强材料科学中具有广泛应用前景的纳米技术的研究和开发。

2、纳米科技研发投入一路攀升

纳米科技已在国际间形成研发热潮，现在无论是富裕的工业化大国还是渴望富裕的工业化中国家，都在对纳米科学、技术与工程投入巨额资金，而且投资迅速增加。据欧盟2004年5月的一份报告称，在过去10年里，世界公共投资从1997年的约4亿欧元增加到了目前的30亿欧元以上。私人的纳米技术研究资金估计为20亿欧元。这说明，全球对纳米技术研发的年投资已达50亿欧元。

美国的公共纳米技术投资最多。在过去4年内，联邦政府的纳米技术研发经费从2000年的2.2亿美元增加到2003年的7.5亿美元，2005年将增加到9.82亿美元。更重要的是，根据《21世纪纳米技术研究开发法》，在2005～2008财年联邦政府将对纳米技术计划投入37亿美元，而且这还不包括国防部及其他部门将用于纳米研发的经费。

日本目前是仅次于美国的第二大纳米技术投资国。日本早在20世纪80年代就开始支持纳米科学研究，近年来纳米科技投入迅速增长，从2001年的4亿美元激增至2003年的近8亿美元，而2004年还将增长20%。

在欧洲，根据第六个框架计划，欧盟对纳米技术的资助每年约达7.5亿美元，有些人估计可达9.15亿美元。另有一些人估计，欧盟各国和欧盟对纳米研究的总投资可能两倍于美国，甚至更高。

中国期望今后5年内中央政府的纳米技术研究支出达到2.4亿美元左右；另外，地方政府也将支出2.4亿～3.6亿美元。中国台湾计划从2002～2007年在纳米技术相关领域中投资6亿美元，每年稳中有增，平均每年达1亿美元。韩国每年的纳米技术投入预计约为1.45亿美元，而新加坡则达3.7亿美元左右。

就纳米科技人均公共支出而言，欧盟25国为2.4欧元，美国为3.7欧元，日本为6.2欧元。按照计划，美国2006年的纳米技术研发公共投资增加到人均5欧元，日本2004年增加到8欧元，因此欧盟与美日之间的差距有增大之势。公共纳米投资占GDP的比例是：欧盟为0.01%，美国为0.01%，日本为0.02%。

另外，据致力于纳米技术行业研究的美国鲁克斯资讯公司2004年的一份年度报告称，很多私营企业对纳米技术的投资也快速增加。美国的公司在这一领域的投入约为17亿美元，占全球私营机构38亿美元纳米技术投资的46%。亚洲的企业将投资14亿美元，占36%。欧洲的私营机构将投资6.5亿美元，占17%。由于投资的快速增长，纳米技术的创新时代必将到来。

3、世界各国纳米科技发展各有千秋

各纳米科技强国比较而言，美国虽具有一定的优势，但现在尚无确定的赢家和输家。

（1）在纳米科技论文方面日、德、中三国不相上下

根据中国科技信息研究所进行的纳米论文统计结果，2000—2002年，共有40370篇纳米研究论文被《2000—2002年科学引文索引（SCI）》收录。纳米研究论文数量逐年增长，且增长幅度较大，2001年和2002年的增长率分别达到了30.22%和18.26%。

2000—2002年纳米研究论文，美国以较大的优势领先于其他国家，3年累计论文数超过10000篇，几乎占全部论文产出的30%。日本（12.76%）、德国（11.28%）、中国（10.64%）和法国（7.89%）位居其后，它们各自的论文总数都超过了3000篇。而且以上5国2000—2002年每年的纳米论文产出大都超过了1000篇，是纳米研究最活跃的国家，也是纳米研究实力最强的国家。中国的增长幅度最为突出，2000年中国纳米论文比例还落后德国2个多百分点，到2002年已经超过德国，位居世界第三位，与日本接近。

在上述5国之后，英国、俄罗斯、意大利、韩国、西班牙发表的论文数也较多，各国3年累计论文总数都超过了1000篇，且每年的论文数排位都可以进入前10名。这5个国家可以列为纳米研究较活跃的国家。

另外，如果欧盟各国作为一个整体，其论文量则超过36%，高于美国的29.46%。（2）在申请纳米技术发明专利方面美国独占鳌头

据统计：美国专利商标局2000—2002年共受理2236项关于纳米技术的专利。其中最多的国家是美国（1454项），其次是日本（368项）和德国（118项）。由于专利数据来源美国专利商标局，所以美国的专利数量非常多，所占比例超过了60%。日本和德国分别以16.46%和5.28%的比例列在第二位和第三位。英国、韩国、加拿大、法国和中国台湾的专利数也较多，所占比例都超过了1%。

专利反映了研究成果实用化的能力。多数国家纳米论文数与专利数所占比例的反差较大，在论文数最多的20个国家和地区中，专利数所占比例超过论文数所占比例的国家和地区只有美国、日本和中国台湾。这说明，很多国家和地区在纳米技术研究上具备一定的实力，但比较侧重于基础研究，而实用化能力较弱。

（3）就整体而言纳米科技大国各有所长

美国纳米技术的应用研究在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪等领域快速发展。随着纳米技术在癌症诊断和生物分子追踪中的应用，目前美国纳米研究热点已逐步转向医学领域。医学纳米技术已经被列为美国国家的优先科研计划。在纳米医学方面，纳米传感器可在实验室条件下对多种癌症进行早期诊断，而且，已能在实验室条件下对前列腺癌、直肠癌等多种癌症进行早期诊断。2004年，美国国立卫生研究院癌症研究所专门出台了一项《癌症纳米技术计划》，目的是将纳米技术、癌症研究与分子生物医学相结合，实现2015年消除癌症死亡和痛苦的目标；利用纳米颗粒追踪活性物质在生物体内的活动也是一个研究热门，这对于研究艾滋病病毒、癌细胞等在人体内的活动情况非常有用，还可以用来检测药物对病毒的作用效果。利用纳米颗粒追踪病毒的研究也已有成果，未来5～10年有望商业化。

虽然医学纳米技术正成为纳米科技的新热点，纳米技术在半导体芯片领域的应用仍然引人关注。美国科研人员正在加紧纳米级半导体材料晶体管的应用研究，期望突破传统的极限，让芯片体积更小、速度更快。纳米颗粒的自组装技术是这一领域中最受关注的地方。不少科学家试图利用化学反应来合成纳米颗粒，并按照一定规则排列这些颗粒，使其成为体积小而运算快的芯片。这种技术本来有望取代传统光刻法制造芯片的技术。在光学新材料方面，目前已有可控直径5纳米到几百纳米、可控长度达到几百微米的纳米导线。

日本纳米技术的研究开发实力强大，某些方面处于世界领先水平，但尚未脱离基础和应用研究阶段，距离实用化还有相当一段路要走。在纳米技术的研发上，日本最重视的是应用研究，尤其是纳米新材料研究。除了碳纳米管外，日本开发出多种不同结构的纳米材料，如纳米链、中空微粒、多层螺旋状结构、富勒结构套富勒结构、纳米管套富勒结构、酒杯叠酒杯状结构等。

在制造方法上，日本不断改进电弧放电法、化学气相合成法和激光烧蚀法等现有方法，同时积极开发新的制造技术，特别是批量生产技术。细川公司展出的低温连续烧结设备引起关注。它能以每小时数千克的速度制造粒径在数十纳米的单一和复合的超微粒材料。东丽和三菱化学公司应用大学开发的新技术能把制造碳纳米材料的成本减至原来的1／10，两三年内即可进入批量生产阶段。

日本高度重视开发检测和加工技术。目前广泛应用的扫描隧道显微镜、原子力显微镜、近场光学显微镜等的性能不断提高，并涌现了诸如数字式显微镜、内藏高级照相机显微镜、超高真空扫描型原子力显微镜等新产品。科学家村田和广成功开发出亚微米喷墨印刷装置，能应用于纳米领域，在硅、玻璃、金属和有机高分子等多种材料的基板上印制细微电路，是世界最高水平。

日本企业、大学和研究机构积极在信息技术、生物技术等领域内为纳米技术寻找用武之地，如制造单个电子晶体管、分子电子元件等更细微、更高性能的元器件和量子计算机，解析分子、蛋白质及基因的结构等。不过，这些研究大都处于探索阶段，成果为数不多。

欧盟在纳米科学方面颇具实力，特别是在光学和光电材料、有机电子学和光电学、磁性材料、仿生材料、纳米生物材料、超导体、复合材料、医学材料、智能材料等方面的研究能力较强。

中国在纳米材料及其应用、扫描隧道显微镜分析和单原子操纵等方面研究较多，主要以金属和无机非金属纳米材料为主，约占80%，高分子和化学合成材料也是一个重要方面，而在纳米电子学、纳米器件和纳米生物医学研究方面与发达国家有明显差距。

4、纳米技术产业化步伐加快

目前，纳米技术产业化尚处于初期阶段，但展示了巨大的商业前景。据统计：2004年全球纳米技术的年产值已经达到500亿美元，2010年将达到14400亿美元。为此，各纳米技术强国为了尽快实现纳米技术的产业化，都在加紧采取措施，促进产业化进程。

美国国家科研项目管理部门的管理者们认为，美国大公司自身的纳米技术基础研究不足，导致美国在该领域的开发应用缺乏动力，因此，尝试建立一个由多所大学与大企业组成的研究中心，希望借此使纳米技术的基础研究和应用开发紧密结合在一起。美国联邦政府与加利福尼亚州政府一起斥巨资在洛杉矾地区建立一个“纳米科技成果转化中心”，以便及时有效地将纳米科技领域的基础研究成果应用于产业界。该中心的主要工作有两项：一是进行纳米技术基础研究；二是与大企业合作，使最新基础研究成果尽快实现产业化。其研究领域涉及纳米计算、纳米通讯、纳米机械和纳米电路等许多方面，其中不少研究成果将被率先应用于美国国防工业。

美国的一些大公司也正在认真探索利用纳米技术改进其产品和工艺的潜力。IBM、惠普、英特尔等一些IT公司有可能在中期内取得突破，并生产出商业产品。一个由专业、商业和学术组织组成的网络在迅速扩大，其目的是共享信息，促进联系，加速纳米技术应用。

日本企业界也加强了对纳米技术的投入。关西地区已有近百家企业与16所大学及国立科研机构联合，不久前又建立了“关西纳米技术推进会议”，以大力促进本地区纳米技术的研发和产业化进程；东丽、三菱、富士通等大公司更是纷纷斥巨资建立纳米技术研究所，试图将纳米技术融合进各自从事的产业中。

纳米技术论文例10

中图分类号：N04；TB3　文献标识码：　A

文章编号：1673－8578(2011)05－0052－04

纳米科技是研究纳米尺度(1纳米=10-9米)内，原子、分子和其他类型物质的运动和变化的科学与技术。1990年首届国际纳米科技会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科技的诞生。经过二十余年飞速的发展，纳米科技已派生了纳米材料学、纳米物理学、纳米化学、纳米电子学、纳米计量学、纳米机械学、纳米生物学、纳米力学等主流的学科分支。值得注意的是，近几年来，一门与纳米科技紧密结合的学科――纳米艺术学，也悄然兴起，并逐渐吸引了艺术家与科学家的眼球。

目前，媒体上关于纳米艺术的话题不断增多。在谷歌(Google)上以“纳米艺术”或“Nanoart”为关键词进行搜寻，会得到70余万条海量的信息；国际纳米艺术作品展也由一个自称为“Nanoart21”的组织主办，连续举行了6届。作为一位纳米艺术的积极倡导者，笔者早在2006年创办了国内第一个纳米艺术网；先后在《艺术科技》《科技奖励》《百科知识》等刊物上发表纳米艺术的文章；2010年成功参与组织／举办了首届国际纳米艺术展暨首届国际纳米艺术论坛；出版了国内外第一本关于纳米艺术理论方面的专著。令人欣慰的是，现在，纳米艺术已经被越来越多的科学家、艺术家乃至老百姓所接受；尽管如此，笔者也深深地感觉到，纳米艺术这门新学科的发展任重道远，许多相关的概念、术语都比较含糊，需尽快确定下来。为此，本文对近年来出现的一些纳米艺术新概念和新术语进行探讨。

一什么是纳米艺术

纳米艺术是如此“年轻”，以至于尚未形成公认的定义。2010年11月13日，首届国际纳米艺术科普展暨首届国际纳米艺术论坛开幕。当日，该次艺术展的发起人之一时东陆教授在谈及纳米艺术的定义时表示：“纳米艺术就是利用艺术的想象而对纳米科学的结果进行再创造和图解……因为纳米科学涉及化学、物理、生命、医学、工程等许多学科，只要是在纳米尺度上在这些领域里利用科学元素进行的艺术创作都可以定义为纳米艺术……”在随后的国际纳米艺术论坛中，纳米领域科学家与艺术家广泛交流了意见，时教授有关纳米艺术的定义基本上得到了认同。

在首届国际纳米艺术展开幕之际，《纳米艺术概论》一书也现场正式发售。在该著作中，作者描述了纳米艺术作品的三个特征，即1)纳米艺术作品所反映的事物尺度很小，作品细节为纳米量级；2)纳米艺术作品的制作或表象过程中应用到了纳米技术；3)纳米艺术作品要给人以“美”的感受。在本次纳米艺术展上的百余件作品中，上述特征得到了彰显，说明了书中纳米艺术内涵阐述的正确性。

二光学显微镜成像不属于纳米艺术范畴

为了洞察微观世界，到目前为止，人类已经先后发明了光学显微镜、电子显微镜和扫描探针显微镜等显微工具。其中，受到可见光光源波长与分辨率的限制，光学显微镜只能观察到微米尺度(1微米等于1000纳米)以上的微观结构，也就是说，用光学显微镜是根本无法观察到纳米绘画等纳米艺术品的。和光学显微镜相比，电子显微镜的分辨率更高，已达到纳米级，因此，成为纳米艺术品成像的重要工具。三种显微镜中，扫描探针显微镜的分辨率最高，可以达原子、分子尺度，故也是纳米艺术品欣赏的主要设备。这里需要补充的是，扫描探针显微镜实际上指的是一大类显微技术，它包括扫描隧道显微镜、原子力显微镜、磁力显微镜等设备。总之，就目前的纳米艺术现状而言，要将一件纳米画或纳米雕塑成像并呈现给观众，通常需要借助高倍的电子显微镜或扫描探针显微镜。

三纳米雕塑与纳米画

纳米艺术品是多种多样、多姿多彩的，就其形式而言，主要包括纳米绘画、纳米塑像、纳米视频(纳米题材的短片、动画等)和纳米音乐等。在传统艺术中，雕塑是三维的，而画通常是二维的，极容易区分。然而在纳米艺术中，纳米绘画和纳米雕塑，特别是纳米画和纳米浮雕的界限已经变得模糊。比如说，一个基体材料表面上用数个原子、分子摆成的图形或图像，有人可能认为它是绘画，但有人可能会认为它们是浮雕。因此，一件立体程度较小的纳米艺术作品到底属于绘画，还是浮雕，往往要依靠个人的感觉和判断。

现在，纳米绘画和纳米塑像在纳米艺术品中占据了很大比例。此外，纳米绘画、纳米塑像在呈现过程中常需要用到计算机做后期的图像处理，如着色、修饰等。

四纳米视频与纳米音乐

和纳米雕塑、纳米画相比，纳米视频艺术作品较少，而真正的纳米音乐作品则更为罕见。

20世纪80年代以来，生物技术、计算机技术与微机电系统的兴起，使得一大批反映生物医药、微机械原理和概念的视频作品不断涌现。这些视频作品的制作很多都借助了计算机，一部分带有预言性质和科幻成分，以微纳米生物机器人，纳米、分子机械等题材为主；而另外一部分纳米视频短片则常借助动画的形式来演示纳米科技的相关知识或原理，具有科普意义。近年来，借助纳米工程与分子模拟软件，在进行科学研究与理论模拟时，有时也可得到具有一定艺术欣赏性的纳米视频作品。总之，纳米视频艺术主要指的就是上述纳米题材的短片和动画。

严格地讲，目前还很难列举出真正可以称得上纳米艺术的音乐作品。然而随着纳米技术的不断发展，以及人们对纳米结构、分子振动、核磁共振、DNA(脱氧核糖核酸)、化学键的形成与断裂等课题的不断深入研究，让纳米结构振动、频率转换、发声，让分子歌唱，已初见端倪。

五

DNA艺术

作为纳米科技的研究热点之一，基因工程近些年来发展得如火如荼。在基因工程中，DNA是生物学家关注的焦点，它精确地携带着每种生物的遗传信息。DNA分子的双螺旋结构是如此神奇，诱发了科学家们无限的艺术遐想。现在，科学家已经使用相关的纳米技术，开展了许多DNA纳米艺术的创作活动。这主要包括：

1)使用美国加州理工学院保罗・罗斯蒙德(Paul Rothemund)开发的“DNA折纸术(DNA origa-mi technique)”，像折叠一条长带子那样，把一条DNA长链反复折叠，形成需要的图形，就像用一根单线条绘制出整幅图画，代表作有“DNA纳米笑脸”等；

2)使用美国伯阳翰(Brigham Young)大学科学家的DNA模板印刷技术，在材料基体表面印刷出纳米尺度的图形；

3)利用DNA双螺旋结构中碱基对的排序，和音符相对应，进行DNA谱曲；

4)利用图像学方法，实现生物DNA中G、A、T、C四种碱基信息的可视化与图形化；

5)其他DNA艺术，如DNA状旋转楼梯、DNA状纹身等。

利用这些技术，DNA不仅可以绘画，还可以谱曲，为人们提供了高层次高品位的纳米艺术享受。

六碳纳米管与富勒烯艺术

作为准一维及准零维的碳同素异形体，碳纳米管和富勒烯具有规则而又对称的分子结构。因此，它们经常被作为纳米艺术创作的题材。概括起来，碳纳米管与富勒烯艺术创作的内容主要包括：

1)利用催化剂诱导气相化学沉积法，在机体表面形成具有艺术欣赏价值的纳米图案，代表作有“纳米奥巴马”等；

2)借助各种计算机量子化学软件，利用碳纳米管和富勒烯规则的几何构型，在虚拟环境中搭建各种奇特的构型(纳米机械／纳米机器)；

3)将碳纳米管和富勒烯分子绘在墙壁上或做成立体宏观造型，进行室内外装饰，甚至可以在建筑上引入碳纳米管或富勒烯分子的元素；

4)借助碳纳米管或富勒烯这种“明星分子”，对纳米科技进行科普宣传。

七计算机辅助纳米艺术

近年来，采用计算机模拟手段开展纳米科学理论研究已表现出了强劲的发展势头。分子模拟、纳米工程设计均在纳米科学的理论探索中取得了应用，一些预言家还采用视频动画的形式来勾勒纳米科技的美好前景。事实上，不管是分子模拟、纳米工程设计，还是纳米科技的科幻视频短片，它们都有可能成为计算机辅助纳米艺术创作的源泉。

从现在纳米艺术的发展趋势来看，计算机在纳米艺术创作的主要方式和形式包括：1)分子模拟中蕴含的纳米艺术，如量子化学软件构建人形的莆田分子、分形分子等；2)利用XPLORER等纳米工程设计软件来进行纳米机器、纳米器件构造；3)利用计算机开发纳米题材的视频短片；4)对黑白电子显微镜、扫描探针显微镜艺术照片进行着色、修饰等后处理。

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