大学物理：纳米技术探索

纳米技术是指在0.1～100nm尺度上的基础研究和技术应用的一门新的科学技术。它的最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子，制造具有特定功能的产品。纳米技术是在现代物理学与先进工程技术相结合的基础上诞生的，是一门基础研究与应用探索紧密联系的新型科学技术，它必将对全人类的生产方式和生活方式产生深远的影响。下面从几个主要的新领域简单介绍纳米技术的发展状况。

1.纳米材料学

纳米材料又称超微颗粒材料，其颗粒的大小范围为0.1～100nm，为原子半径的1～1000倍，其内有102～104个原子。目前，用20nm左右的超微磁性颗粒制成的金属磁带、磁盘具有记录密度高、低噪声和高信噪比等优点。纳米微粒在一定条件下加压成型得到纳米固体，包括纳米金属、陶瓷、非晶态材料及复相材料。纳米材料在声、光、电磁、热力学等方面有一些奇异的特征。例如，纳米微粒对光的吸收能力极强，任何金属的纳米微粒都呈黑色。纳米固体在较宽的频谱范围内显示出对光的均匀吸收性，利用它可制造出具有一定频宽的微波纳米吸收材料。这种材料用于电磁波屏蔽，如制造隐形军事侦察飞机，这种飞机能吸收雷达发射的微波，有效地躲避雷达的侦察。纳米强磁性微粒具有高矫顽力的特点，具有良好的热稳定性、工艺稳定性和耐腐蚀性等优点，因此被广泛用于磁性信用卡、磁性钥匙、磁卡车票。在通常情况下，陶瓷是脆性材料，这就大大限制了陶瓷材料的应用范围。而纳米陶瓷进行表面处理后，使材料内部保持韧性，但表面仍具有较高的硬度和抗腐蚀性。

2.纳米电子学

纳米电子学是研究结构尺寸为纳米级的电子器件和电子设备的一门科学。在纳米空间尺度0.1～100nm上，电子不能被视为简单的粒子，其波动性将明显地显示出来，原有的微电子技术面临严峻的挑战，代之以量子力学为理论基础的纳米电子技术应运而生。

传统的晶体管是控制成群电子的运动状态，形成开关、振荡和放大等功能的。例如，开关器件是以控制电子流的有或无来实现电路通断的；放大器件则是通过控制通过电子的数量多少来完成放大功能的。与此不同，单电子晶体管这一量子器件只是控制单个电子的运动状态，它主要是通过控制电子波动的相位来实现特定功能的。因此，单电子晶体管比传统的晶体管具有更高的响应速度和更低的功耗。

传统的电子器件无论怎样改进，其响应速度最高只能达到10-12s，功耗最低只能降低到1μW。然而量子器件的响应速度和功耗比这个数据优1000倍。(www.xing528.com)

这就从根本上解决了日益严重的功耗问题。另外，由于量子器件尺度为纳米数量级，集成幅度大大提高，同时量子器件还具有结构简单、可靠性高、成本低等优点。

3.纳米加工与原子操作

利用计算机控制STM的针尖，在某些特定部位加大隧道电流的强度或使针尖尖端直接接触到表面，使针尖做有规律的移动，就会刻画出纳米级超微细线条，线条的宽度只有10nm。因此，利用STM进行纳米加工对于研究高密度信息存储技术具有重要而深远的意义。

用STM针尖吸附在金属表面上的氙（Xe）原子的过程如图10—6所示。图中1～5表示针尖的位置。在状态1，针尖距氙原子较远，不产生什么影响。当把针尖向氙原子逼近到位置2时（其间距约为0.3nm），在针尖与原子之间产生一个吸引力，其大小约等于原子与金属基底之间的吸附力，但又不足以使氙原子脱离基底表面吸附到STM针尖上。这时，把针尖向右移动，就会拖着氙原子在表面滑动从位置2经由位置3移动到位置4。在位置4将针尖上升到位置5，氙原子就被留在了该位置上。这样便可按照人们的意志移动并重新排布原子。

图10—6　用STM移动原子的原理图