纳米技术及其应用

纳米技术及其应用（许桂华）

一、概述

随着现代科技的迅猛发展，以纳米技术为代表的新一代工程技术悄然崛起，使得作为信

息技术先导和基础的微电子技术面临着前所未有的挑战。

纳米是一个长度单位，1纳米等于10（负9次方）米（即十亿分之一米），约为10个原子

的长度，相当于一根头发直径的50万分之一。

所谓纳米技术，是指在0.1-100纳米尺度的空间里，研究电子、原子和分子内在运动规

律和特性的一项崭新的技术。科学家们在研究物质构成的过程中，发现在纳米尺度下隔离出

来的几个、几十个可数电子、原子或分子，显著地表现出许多新的特性，而利用这些特性制

造具有特定功能设备的技术，就称之为纳米技术。

纳米技术与微电子技术的主要区别是：纳米技术是以控制单个原子、电子来实现其特定

的功能，是利用电子的波动性来工作的；而微电子技术则通过控制成群的电子来实现其功能

，是利用电子的粒子性来工作的。人们研究和开发纳米技术的目的，就是要达到对单个原子

和分子的自由操纵、进而实现对整个微观世界的有效控制。

纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。1993年

，国际纳米科技指导委员会将纳米技术划分为6个分支学科：纳米电子学；纳米物理学；纳

米化学；纳米生物学；纳米加工学和纳米计量学。其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术

的基础理论，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。专家认为，纳米技术的发展必然会引

起新一轮的产业革命，首当其冲的便是以计算机为主的信息领域，接着是材料和生命科学领

域。

二、纳米技术的产生与发展

1.传统的电子器件

早在一个世纪以前，人们就知道了电子具有波粒二重性。人们利用电子的粒子性，已在

微电子领域取得了辉煌的成果。从1958年世界上第一块集成电路问世至今，微电子技术已走

过了小规模、中规模、大规模和超大规模集成时代，现已进入了极大规模时代。预计到21世

纪初，将出现1千兆的特大规模集成电路，一个芯片即可容纳100亿个元件，加工线宽达到

100纳米的水平。如今，微电子技术引发的新技术革命，正在改变着世界。正如美国摩托罗

拉公司的丹尼乐斯所说："到本世纪末、下世纪初，你接触到的每一件东西，都将装有芯片。

"到时，芯片上晶体管的数量几乎与天上的星星一样多。

2.微电子器件已趋于物理极限

随着半导体器件功能的不断增强以及结构的日趋复杂，其体积也越来越小，现已小到极

点。如果再小下去，现有的半导体就将趋近物理极限。也就是说，当蚀刻在半导体上的线条

宽度窄到0.1μm以下后，现有的集成电路将因散热、隧道效应和电子学理论的限制等方面的

原因，其晶体管不再具备原有功能；电路中穿行的将只是少数几个电子，而且会像任性的幽

灵一样跳来跳去，增加一个或者减少一个都造成很大的差异。由此，单个原子和电子的行为

成了紧要问题，纳米电子学也便应运而生。

3.纳米技术的发展

纳米技术的问世，具有划时代的意义。当前，为研制量子器件而开展的对单个原子、单

个电子的研究，已成为各国科学家关注的焦点。量子器件是种应用量子隧道穿透效应原理、

并采用纳米硅薄膜制作的电子器件。量子器件利用电子的波动性来实现其功能，其制作的关

键是超微细加工技术。它一般需要在超低温的环境下工作，使电子以波动形式来运动。Bell

实验室利用纳米技术，已经研制成功了突破微电子极限的新型量子器件----隧道三极管。它

的尺寸只有传统器件的1/100，功耗也只有传统器件的1/1000，而运算速度却提高了1000倍。

有报道称，IBM公司也研制出了单电子晶体管，只要控制一个电子就可以完成特定的功能。从

控制成群电子的晶体管发展到控制单个电子的晶体管，器件响应速度提高了1000-10000倍，

而功耗却降低到1/1000-1/10000，其优越性显而易见。

由于量子器件是通过控制单个电子的运动实现其特定功能的，因此能够实现1千兆位或更

多位的集成化，可以成千倍地提高工作速度、降低功率消耗。不久的将来，随着千兆位超LSI

集成电路的实用化，传统的半导体器件将逐步消失，并最终被纳米器件所取代。

三、纳米技术的应用前景

近年来，对纳米技术的应用研究不断取得突破性进展，并显示出革命性的产业前景。纳米

技术的发展，不仅开创了一个科学技术的新时代，还将引起社会经济、军事等领域发生重大变

革。

1.纳米技术的发展将推动其它高技术群的进步

纳米技术在电子器件制造、加工及新材料合成等方面，显示出独特的优势。目前，人们已

经可以利用纳米技术把一个个原子排布起来，这就为制造特殊的电子器件乃至高集成度的集成

电路创造了条件。利用纳米技术制成的新材料具有传统材料无法比拟的良好特性：用铁钻合金

和氮化铁制成的纳米技术材料作磁记录介质时，不仅信噪比高，音质、图像非常清晰，而且记

录密度也比通常所用的材料高出10倍；纳米技术材料 还可以被用来加光盘模具。光盘一旦进

入纳米级，其信息存储量将是现在光盘的10倍，可以存储300亿个汉字。在一张不足巴掌大的5

英寸光盘上，至少可以储存30个北京图书馆的全部藏书。

利用纳米加工技术，还可以对材料表面进行纳米修饰，包括原子操纵、纳米光刻布线和纳

米尺度的常规加工等。其中，原子操纵是纳米加工学的主要内容。所谓原子操纵，就是通过扫

描隧道显微镜，对纳米空间材料表面的原子进行提取、植入和转移。不同的物质有不同的原子

结构，原子操纵可以将某一物质的原子取出，再将新的原子植入，从而人工制造出某些新物质

，实现物种再构。

2.纳米技术对军事领域将产生重大影响

（1）纳米技术可使武器装备控制系统的性能大幅度提高。由于量子器件的工作速度比半导

体器件高出1000倍，故用量子器件取代半导体器件，可以大大提高武器装备控制系统信息传输

、存储和处理的能力，从而使武器装备控制系统的性能产生质的飞跃。例如：用纳米技术可以

使现有雷达的体积缩小到1/10，其信息处理能力提高数百倍；可以把超高分辨合成孔径雷达安

放在卫星上，进行高精度对地侦察：可以制造出全新原理的全固态化、智能化的微型惯性导航

系统，使制导武器的隐蔽性、机动性和生存能力大幅度提高等。

（2）纳米技术可使军用电子信息系统的体积、重量和功耗大大减小。纳米技术可以把现代

作战飞机上的全部电子信息系统集成在一块芯片上，可以使目前需车载、机载的通信及电子对

抗设备缩小至可由单兵携带，从而大大提高战场通信及电子对抗的能力。利用纳米技术还可以生

产重量小于0.1公斤的卫星，使一枚火箭一次即可发射数百乃至数午颗卫星，完成覆盖全球的战

略侦察和信息转发任务。

（3）纳米技术可使武器装备表面变得更"灵巧"。利用动态特性可调的纳米材料制作的"蒙皮

"，可以察觉到极其细微的外界"刺激"。例如，用纳米材料制作的潜艇"蒙皮"，可以灵敏地'感觉

'水流、水温和水压的细微变化，并及时反馈给中央计算机，以适时调整潜艇的运行状态，最大

限度地降低噪声、节约能源。利用纳米技术，还可制成一种由传感系统、处理和自主导航、杀伤

机制、通信系统和电源系统5部分组成的微型攻击机器人。当它接近目标时，能迅速"感觉"到敌

方电子系统的准确位置，并自动渗入实施攻击。

（4）纳米技术还可导致战争形态及作战样式发生变革。纳米技术在军事领域的发展和应用，

必将加速武器装备小型化、智能化、信息化和一体化进程，并最终促使武器装备性能发生质的变

化，这无疑会导致战争形态及作战样式发生变革。

摘自《数据通信》