走向新世纪的纳米元件与纳米显示技术

　　摘 要：该文对纳米技术产业进行了科学预测，并对纳米元器件，纳米材料，纳米显示器，纳米电脑，纳米机器人等高新产品予以简介。

　　关键词：纳米技术 纳米材料 纳米产品 纳米元件 纳米显示技术

今年以来,世界纳米技术研究领域热气腾腾,硕果累累,一系列新颖的纳米元器件脱颖而出,十分引人注目。

　　所谓纳米技术,就是研究纳米尺度——0.1~100纳米这种微观范围内物质所具有的特异现象和特异功能,并且在这个基础上制造新材料,研究新工艺,生产新器件的方法和手段。纳米技术作为一门新兴的综合性边缘学科,将为21世纪的信息科学,生命科学,分子生物学,生态科学和材料科学的发展提供一个全新的技术界面。市场调查公司Dataquest
在一份新发布的预测报告中指出,未来世界科技发展的九大关键技术之一就是纳米技术。纳米技术的发展将引发一场产业革命,其深远意义堪与18世纪的工业革命相媲美。欧盟委员会新发布的一份报告指出,到2005年,纳米技术产业将成为仅次于芯片制造的世界第二大制造业,到2010年,世界纳米技术市场规模将达到500亿美元。

　　 一、纳米字母和元件微乎其微

　　纳米技术最早引起人们关注的是纳米技术的杰作--纳米字母。1989年,IBM公司的研究人员利用隧道扫描显微镜的探针移动氙原子,成功地将氙原子拼成了该公司的字母商标——“IBM”,紧接着,又成功地移动48个铁原子,排列组成了两个汉字--“原子”,1996年,IBM公司设在瑞士的苏黎世研究所又研制成功世界上最小的纳米算盘,它的算子仅有百万分之一毫米大小,是由碳原子连接成的球状分子碳60,他们发明的这种移动单个原子或者分子技术,为新一代电子元器件的研制开辟了无限美好的前景。

　　美国普林斯顿NEC研究所和赖斯大学的科学家成功地研制出纳米管,这是一种把碳气化之后用钴和镍进行处理而获得的长分子串,有很强的导电性,其强度比铜高100多倍,重量仅是铜的1/6。这种纳米管非常微小,5万个纳米管排列起来,也只有一根头发丝那么粗,纳米管是一种很理想的导体,是制造纳米元件、超微导线和超微开关的首选材料。采用体积缩小了几百倍的纳米管元件代替硅芯片,将引发计算机领域的革命。美国国家航天和宇航局艾姆斯研究中心的迪帕克·斯里瓦斯塔瓦正在研制一种连接纳米管的方法。用这种方法连接的纳米管可以用作芯片元件,发挥电子开关、放大和晶体管的功能。

　　斯里瓦斯塔瓦博士指出：“我们利用一种超级计算机模拟技术复制这些碳丝元件。实验表明,我们有望制造出这种全新的纳米元件。我们曾经使用量子分子力学方法,也就是使用一种全程跟踪变化的计算机模拟技术,成功地预测了分子结构。因此,纳米元件的制造成功是大有希望的。”

　　目前,尽管斯里瓦斯塔瓦博士提出的解决方案可能只存在于超级计算机模拟实验中,但是不能排除的可能性是,在传统的计算机中运行的芯片尺寸,被纳米元件取代后将会变得像头发丝那样细小。

　　二、纳米涂层显现管大显身手

　　在普通显现管或者显示管上涂一层纳米材料,可以有效地防止电视机和显示器的静电,眩光和辐射。我国以前使用的这种纳米涂层材料全部依赖进口,山东烟台佳隆实业有限公司研制了一种新型纳米材料,打破了国外在该领域的垄断。国产纳米涂层材料将会大大降低彩电显现管的生产成本,增强国际市场竞争力,近年来,在国际市场上新兴的绿色环保型纯平彩管,促进了防静电,防眩光和防辐射的纳米涂层材料的研制。我国目前已建和正在兴建的彩管生产线,对纳米涂层材料的年需求量近千吨,市场价值超过2亿元。


　　 三、纳米级新型电路设计

　　在现代电子设计中,由于电子电路变得越来越紧凑,许多导线紧密地缠绕在一起,彼此之间的信号相互干扰,导致整个电路的运行速度减慢,严重时甚至会发生短路。为了解决这个问题,美国珀杜大学电气与计算机工程系副教授考希克·罗发明了一种新颖的纳米级电路,能够显著减少导线之间的干扰,大大提高电路运行效率,并且降低电路制作成本。

　　与传统的电路设计不同的是这种新的设计巧妙地避免了产生干扰的两种主要因素：一种是纤细的金属导线经常重叠；另一种是两根紧紧相邻的平行导线内的电流方向相反。正是这两种因素使得线间电容量,也就是存储在导线绝缘材料之间的无用电量增加了,从而影响了整个电路的运行,降低电路的运行速度,甚至会在某个条件下导致电路故障。在新一代电路设计中,电容问题已经成为瓶颈之一,因为这些电路的功率比常规电路更低,为此,设计中采用了轻型电池,一次充电可以运行较长时间,由于导线之间的互相干扰而引发的故障率比常规电路更高。

　　考希克·罗在设计电路时,将线圈的紧密度降低,并且将平行导线内的电流运动方向改为同一方向,从而使导线之间的电容量大为降低。考希克·罗将这种技术用来设计纳米级电路,大获成功。他还设计出一种计算机模块来预测电路设计效果,引起了同行们的瞩目,认为这种纳米级新型电路设计是一种极具应用前景的新设计方法。

　　四、DNA连接纳米电子器件

　　在实验室制造纳米电子器件时,遇到最困难的问题是如何制造细小的纳米金属导线,以便用这种极其细小的金属导线把纳米元件连接起来。

　　在制造纳米金属导线时遇到困难之后,科学家们另辟蹊径,找到了用DNA分子连接纳米电子器件的新方法。

　　以色列技术研究所的科学家们最近发现,DNA链可用作生长微型电线的模板,科学家们使用一个DNA分子就能够成功地将一根银导线吊装在两个金电极之间的微小间隙上,这种新技术可用于生产纳米级电子器件。

　　DNA模板可解决生产纳米电子器件中最大的难题,这是因为纳米电子器件的一个重要特性是能够实现自装配,即这种DNA桥可以自动粘附到电极的粘端。特定的粘端可用于在特定电极间吊装导线,使纳米工程师可完全控制元件的连线,正确连线往往是工程师们遇到的最棘手问题之一。

　　目前科学家们面临的挑战是如何采用最有效,最廉价的方法制造出纳米器件。科学家们认为最好的方法是自组装,即原子和分子按照一定的方式自行排列,形成某种功能。如果原子和分子能够自行组合排列,就不必动用巨大而又复杂的机器设备对原子逐个进行排列,以使它们形成这种结构,从而达到“讨好而又不费力”的效果。


　　DNA金属来导电,但银导线的导电性能尚不能尽如人意,可能是由于沉淀颗粒太大的缘故。这个研究小组的科学家们正在实验用各种不同的金属,不同的生长条件和各种后生长处理来改善金属的导电性,以便能够顺利地制造出更多的纳米电子器件。

　　五、纳米技术芯片控制元件

　　德国埃森大学两名科学家通过通过控制金原子团的二维有序结构,日前研制成功一款世界上最小的微电子芯片控制元件,这项成果可以大大提高芯片的集成度,降低芯片能耗,这是纳米技术在微电子应用领域的重大突破。

　　微电子技术发展至今,其芯片控制元件最小的尺寸是180纳米,是目前微电子材料技术工艺可以达到的极限。为了研制出未来结构所需要的更小的控制元件,科学家们开始将注意力转移到金属原子团所呈现的量子效应的电子特性,制造出更小的纳米级控制元件。

　　用金属原子团制成的一个晶体管元件仅有10纳米大小,在它里面的金原子团微乎其微,只有1.4纳米大小。目前市场上计算机芯片最小的晶体管尺寸是180纳米,每个元件控制过程通过的电子数量约为10万个以上,而现在采用金属原子团制造的晶体管元件,其控制过程仅通过1个电子,因而能够极大地降低能耗,具有广阔的应用前景。


　　六、纳米粒子显示器呼之欲出

　　高清晰度平面屏彩电拥有极佳的图像质量,但是其高昂的价格却令人望而却步。不过这种情况很快就会改观,这是因为基于纳米粒子（粒径50nm）的几款新型纳米显示器即将走向成熟。纳米粒子显示器不仅价格低廉,而且显示屏很薄,所现实的图像比现有的PDF,LCD的清晰度和亮度更高。

　　美国正在开发的纳米粒子显示器,采用氧化钆或氧化钇制成栅网屏,这些氧化物中所含的稀土元素在电场作用下会发出亮光,如果含铕会发出红光,含铽会发出绿光,含铥会发出蓝光。另一种显示技术则是用纳米粒子制成发光二极管薄模显示器,拟用于军用飞机。在这种情况下,研究人员发现,纳米粒子的长度尺寸则可影响发光的颜色,由鎘和碲组成的2nm粒子会发出绿光,而其5nm的粒子则会发出红光。

　　为了使纳米粒子显示器实用化,可以一种尺寸比头发丝的十万分之一还要细小的纳米管来传送电子,以取代传统平板显示器中所用的笨重的电子枪。密执根州立大学的科学家在每个像素上装上了大量的纳米管,每个纳米管都可以向该像素发射一个电子。

　　无论采用哪一种方法,纳米粒子发光体都可以收到节能的效果。纳米粒子发光体的能量利用率高达90%,而传统的平板显示器仅为17%。DVD机如果采用纳米粒子显示器,由于节能效果很高,它每充电一次就可连续放映两三部电影。

　　七、纳米电脑不是梦

　　据美国迈特公司（Mitre）的纳米技术权威詹姆斯·埃伦博根最近所作的预测语惊四座：“在不久的将来,可以通过重新排列磁盘上的分子制造出分子芯片,并且在这个基础上进一步研制出体积只有针头大小的纳米计算机,这种纳米计算机的各个部件比我们现今用于在磁盘驱动器上装载信息的物理结构小得多。因此,在不久的某一天,我们将能够像今天下载软件一样从网络上下载硬件。”

　　纳米技术的一个分支是分子电子学。由洛杉矶加利福尼亚大学和惠普实验室组成的研究小组找到了一种自行组装的所谓的逻辑门。惠普实验室研究人员菲利普·库克斯说,“这个研究小组下一步的目标是缩小芯片上的线路。旨在生产出“单边为100纳米的芯片”。他还说：“目前的生产成本之所以非常昂贵,是因为生产机械需要有极高的精确度。但是采用化学方法制造,我们可以生产出长卷,然后只需切成小块就行了”。

　　迈特公司埃伦博根领导的研究人员在8月中旬取得的最新成果是设计出一种用于组装纳米制造系统的微型机器人。其长度约为5毫米,但是,假设能利用纳米制造技术使这种机器人的体积不断缩小,它最终的体积可能不会超过灰尘的微粒。

　　体积如此微小的机器人可以用于操纵单个原子,并启发人们作出如下的种种假设：成群的肉眼看不见的微型机器人在地毯上或书架上爬行,把灰尘分解成原子,使原子复原成餐巾,肥皂或纳米计算机等诸如此类的东西。

　　按照科学家们目前掌握的技术来看,虽然用原子制造计算机仍然是一个相当遥远的梦想,但是埃伦博根认为很快就能取得一定的进展,在几年内会获得重大突破。那么,是否埃伦博根所言不虚,人们将拭目以待。