微纳技术的理解与应用探析

人类对自然界的认识和改造能力经过漫长历史的发展，已经由传统尺度迈向微纳尺度；工业产品的开发层次已经由传统宏观层次转向微纳观层次，达到微纳米量级。目前国际上已经开始了基因重组与编辑、光量子通信与计算、超导、碳纳米管与纳米结构自组装、微纳生物组装等前沿科技竞争。由于微纳技术关系到国家未来的发展与安全，因此各个发达国家不断投入巨资争夺微纳技术的战略制高点。

微纳技术是20世纪80年代末在美国、日本等发达国家兴起的高新科学技术。由于具有巨大的应用前景，自问世以来，微纳技术就受到了各国政府和学者的普遍重视，是当前科技界的热门研究领域之一。微纳技术涉及学科和领域很广，目前似乎还没有一个十分确切的定义。鉴于微米、纳米是一种长度计量单位，从狭义上看微纳技术就是对物质产品的可控尺度达到微纳米级的尺寸大小，而从广义上看则可以理解为：微纳技术对物质产品的认识尺度达到了微纳米级。换句话说，微纳技术是在微米、纳米尺度（从原子、分子到亚微米尺度之间）上研究物质的相互作用、组成、特性与制造方法的技术，是微米、纳米量级的材料、设计、制造、测量、控制和产品的研究、加工、制造及应用技术。

各行各业尖端前沿制造科技的发展，对加工精度要求日益苛刻，传统的加工精度已远远不能满足诸如硅芯片、大规模集成电路等高端制造的要求，因此，在微纳尺度领域就衍生发展出微纳级表面形貌测量技术，微纳级表层物理、化学、力学性能的检测技术，微纳级精度的加工技术，微纳级表层原子和分子的加工、去除、搬迁和重组技术，纳米级微传感器和控制技术，微型和超微型机械，微机电系统（micro electro mechanical system，MEMS）、纳米机电系统（nanoelectro mechanical system，NEMS）和其他综合系统，以及纳米材料、纳米生物学、纳米光学等诸多细分领域的微纳科学与技术。当今，微纳技术的应用也正在极速拓展，渗透到众多学科领域和行业应用中。

在2000年，美国制定了第一个正式的国家纳米技术的启动计划——the U.S.National Nanotechnology Initative（简称NNI），其中将纳米技术定义为：包含科学、工程和技术在内的对尺度在1 nm到100 nm之间的物质的理解与控制。纳米技术包含了与材料、器件和系统相关的具有纳米尺度结构和部件的新特性和新功能的研究和发展，并与信息技术、生物工程和认知科学等一起，将会发生深刻的变革和进步，涉及物理、化学、光学、医学、生物医疗、生态环保等诸多领域。纳米技术的研究与开展对世界经济、国家与领土的安全和发展具有重大的战略意义。(www.xing528.com)

微机电系统（MEMS）的典型尺寸一般在100 nm到1 mm之间，其加工制造主要是指在硅、聚合物或其他材料上，利用化学的湿法腐蚀、干法刻蚀，机械与物理的材料去除加工等方法来加工。

纳米尺度一般是指1～100 nm，纳米科学是研究纳米尺度范畴内原子、分子和其他类型物质运动和变化的科学，而在同样尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术则称为纳米技术。尺寸小于100 nm的加工系统被视作纳米机电系统（NEMS）。从生物体的角度来讲，构成人类一些结构单元的尺度都在微米、纳米尺度；从材料学科上讲，微纳技术涉及微米、纳米尺度材料的制备和物性的研究，如碳纳米管、纳米球、纳米带、硅微孔的制备，以及该尺度下微硬度、弹性、黏性、导电性等特性的研究；从观察与操作上来讲，微纳技术是将高分辨透射电子显微镜（transmission electron microscope，TEM）、扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope，STM）、原子力显微镜（atomic force microscope，AFM）等设备用于微纳尺度观察、检测和进行微纳米操作的研究技术；从微纳制造技术和应用的层面上来讲，微纳制造技术是指能够稳定、可重复、可控制地进行微米和纳米尺度结构制造的技术。