中国纳米技术发展概况

发布于：2007/4/19 8:56:46 | 457 次阅读

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十余年前开始发展起来的纳米科技，已成为目前受到广泛关注、最为活跃的前沿学科领域。纳米科技的发展，不仅可以使科学家在纳米尺度发现新现象、新规律，建立新理论，而且还将带来一场工业革命，成为21世纪经济增长的新动力。
　　在纳米科技的发展初期，中国的科学家已经开始关注这方面的研究。从1990年开始，中国就"纳米科技的发展与对策"、"纳米材料学"、"扫描探针显微学"、"微米／纳米技术"等方面，召开了数十个全国性的会议。中国科学院还在北京主持承办了第7届国际扫描隧道显微学会议(STM'93)和第4届国际纳米科技会议(Nano IV)。这些国际和国内会议的举办，为开展国际间和国内高校与科研单位间的学术交流与合作，起到了积极的促进作用。
　　中国的有关科技管理部门对纳米科技的重要性已有较高的认识，并给予了一定的支持。中国科学院(CAS)和国家自然科学基金委员会(NSFC)从80年代中期即开始支持扫描探针显微镜(SPM)的研制及其在纳米尺度上的科学问题研究(1987-1995)。国家科委(SSTC)于1990年至1999年通过"攀登计划"项目，连续10年支持纳米材料专项研究。1999年，科技部又启动了国家重点基础研究发展规划项目("973"计划)-"纳米材料与纳米结构"，继续支持纳米碳管等纳米材料的基础研究。国家"863"高技术计划，亦设立一些纳米材料的应用研究项目。
　　目前国内有50多所高校、20多个中科院研究所开展了纳米科技领域的研究工作。现有与纳米科技相关的企业已达300余家。国家科研机构和高等院校从事纳米科技的研究开发人员大约有3000人。整体上国内的纳米科技研究涉及领域比较宽、点多分散，尚未形成集中的优势。国内已有中国科学院、清华大学、北京大学、复旦大学、南京大学、华东理工大学等单位成立了与纳米科技有关的研究开发中心。纳米科技是多学科综合的新兴交叉学科，在多学科的集成方面，中科院、北京大学、清华大学、复旦大学等研究单位占有优势。
　　中国科学院在国内开拓了纳米科技领域的研究，具有突出的优势。从八十年代后期开始组织了物理所、化学所、感光所、沈阳金属所、上海硅酸盐所、合肥固体物理所以及中国科技大学等单位，积极投入纳米科学与技术的研究。支持方向有：激光控制下的单原子操纵和选键化学；分子电子学-分子材料和器件基础研究；巨磁电阻材料和物理纳米半导体光催化和光电化学研究；材料表面、界面和大分子扫描隧道显微学研究；碳纳米管及其它纳米材料研究；人造"超原子"体系结构和物性的研究等等。与此同时，主持或承担了多项重大项目。
　　2000年中国科学院组织了有11个研究所参与的"纳米科学与技术"重大项目，总投资2500万人民币。项目的主要研究内容是：发展或发明新的合成方法和技术；制备出有重要意义的新纳米材料及器件。希望通过项目的支持，在纳米材料和纳米结构的规模制备，纳米粉体中颗粒的团聚和表面修饰，纳米材料和纳米复合材料的稳定性，纳米尺度内物理、化学和生物学性质的探测及特异性质的来源以及纳米微加工技术等方面取得重要的进展。
　　中国科学院在2001年还成立了由其所属的19个研究所组成的中国科学院纳米科技中心，开通了隶属于中心的纳米科技网站，并在化学所建成纳米科技楼。纳米科技中心围绕纳米科技领域的重点问题和国家、院重大科技计划，组织分布在不同地域，不同单位的科技人员，利用纳米科技网站与纳米科技中心研究实体，实现有关科研信息、技术软件和仪器设备的共享，体现科研纽带、产业纽带、人才纽带、设备纽带的优势，加强不同学科的交叉与融合，促进自主知识产权成果向产业化的转化，加速复合型人才的培养，在统一规划协调下，充分发挥仪器设备的效用。
　　中国的纳米科技研究与国外几乎同时起步，在某些方面有微弱优势。从近期美国《科学引文索引》期刊查询，中国纳米科技论文总数位居世界前列。例如，有关纳米碳管方面的学术论文排在美、日之后位居世界第三。在过去的十年间，国家通过研究计划对纳米科技领域资助的总经费大约相当于700万美元，社会资金对纳米材料产业化亦有一定投入。但与发达国家相比，投入经费相差很大。由于条件所限，研究工作只能集中在硬件条件要求不太高的领域。纳米科技的其它基础研究相对薄弱，研究总体水平与发达国家相比还有不小差距，特别是在纳米器件及产业化方面。
　　中国的纳米科技研究近些年取得了重大进展，在以下方面具有自己的优势：
　　 1．纳米材料
　　中国对纳米材料的研究一直给予高度重视，取得了很多成果，尤其是在以碳纳米管为代表的准一维纳米材料及其阵列方面做出了有影响的成果，在非水热合成制备纳米材料方面取得突破，在纳米块体金属合金和纳米陶瓷体材料制备和力学性能的研究、介孔组装体系、纳米复合功能材料、二元协同纳米界面材料的设计与研究等方面都取得了重要进展。
　　1）在纳米碳管的制备方面，我国首先发明了控制多层碳管直径和取向的模板生长方法，制备出离散分布、高密度和高强度的定向碳管，解决了常规方法中碳管混乱取向、互相纠缠或烧结成束的问题。1998年合成了世界上最长的纳米碳管，创造了一项"3毫米的世界之最"，这种超长纳米碳管比当时的纳米碳管长度提高1-2个数量级。他们在纳米碳管的力学、热学性质、发光性质和导电性的研究中取得重要进展。世界上最细的纳米碳管也在2000年先后制造出来。先是物理所的同一小组合成出直径为0．5nm的碳管，接着香港科技大学物理系利用沸石作模板制备了最细单壁碳纳米管(O.4nm)阵列(与日本的一个小组的结果同时发表)，接着中科院物理所和北京大学在单壁碳纳米管的电子显微镜研究中发现在电子束的轰击下，能够生长出直径为0．33nm的碳纳米管。
　　 2）清华大学首次利用碳纳米管作模板成功制备出直径为3-40nm、长度达微米级的发蓝光的氮化镓一维纳米棒，在国际上首次把氮化镓制备成一维纳米晶体，并提出碳纳米管限制反应的概念。中科院固体物理所成功研制出纳米电缆，有可能应用于纳米电子器件的连接。
　　中科院金属研究所用等离子电弧蒸发技术成功地制备出高质量的单壁碳纳米管材料，研究了储氢性能，质量储氢容量(Mass Capacity Of hydrogen storage in Carbon nanotube)可达4％。
　　3）在纳米金属材料方面，中科院金属研究所的研究小组，在世界上首次发现纳米金属的"奇异"性能--超塑延展性，纳米铜在室温下竟可延伸50多倍而"不折不挠"，被誉为"本领域的突破，它次向人们展示了无空隙纳米材料是如何变形的"。
　　4）在纳米无机材料合成方面，中国科技大学的科学家发展了溶剂热合成技术，发明用苯热法制备纳米氮化镓微晶，首次在300℃左右制成粒度达30nm的氮化镓微晶。该小组还采用非水热合成制备金刚石粉末，开辟了一条十分有经济价值的技术路线。
　　5）在纳米有机材料及高分子纳米复合材料方面，中国科学院化学所在高聚物插层复合、分子电子学、富勒烯化学与物理以及二元协同纳米界面材料方面取得显著进展，发展了具有自主知识产权的技术，有些已开始走向产业化。
　　6）在纳米颗粒、粉体材料的研究方面，中科院固体物理所自主开发的纳米硅基氧化物Si02-x，具有很高的比表面积(-640m2／g)。他们与企业合作，已建成了百吨级生产线，并在纳米抗菌银粉、新型塑料添加剂、传统涂料改性等方面发挥了重要效用，已推出多项产品上市。华东理工大学在纳米超细活性碳酸钙3000吨／年的工业性实验基础上，建设1．5万吨／年大规模生产线，。北京科技大学在纳米镍粉制备取得成绩，分别应用于国内的镍氢电池公司和日本新日铁公司。北京化工大学于1994年发展了超重力合成纳米颗粒的研究方法，现已建立超重力法合成3000吨／年的纳米颗粒生产线，其规模和技术均为国际。天津大学研制纳米铁粉，使我国成为第二个工业化生产纳米金属粉体材料的国家。青岛化工学院在纳米金属铜催化剂的研究开发中已有成功的经验。
　　7）目前纳米材料粉体生产线吨级以上的有20多条，生产的品种有：纳米氧化物(纳米氧化锌、纳米氧化钛、纳米氧化硅、纳米氧化锆、纳米氧化镁、纳米氧化钻、纳米氧化镍、纳米氧化铬、纳米氧化锰、纳米氧化铁等)、纳米金属和合金(银、钯、铜、铁、钻、镍、钦、铝、银、银-铜合金、银-锡合金、铟-锡合金、镍-铝合金、镍-铁合金和镍-钻合金等)、纳米碳化物(碳化钨、碳粉、碳化硅、碳化钛、碳化铬、碳化铌、碳化硼等)、纳米氮化物(氮化硅、氮化铝、氮化钛、氮化硼等)。
　　从纳米材料的研究情况来看，研究领域广泛，投入人员较多，许多科研单位都参与了纳米材料研究，形成一支实力雄厚的研究力量。但应该指出，目前纳米材料研究的基础设施还相对薄弱，纳米材料的设计与创新能力不强，生产规模偏小，自主知识产权不多。为了真正使纳米技术转化为生产力，应加大纳米材料产业化力量的投入，尤其要注重纳米科学的工程化研究和纳米材料的应用研究，鼓励产业化有基础和经验的研究单位与其他研究单位联合或研究单位与企业联合，使实验室技术尽快转化为生产力，为国民经济增长作出贡献。
　　 2．纳米器件概况
　　在量子电子器件的研究方面，我国科学家研究了室温单电子隧穿效应，单原子单电子隧道结，超高真空STM室温库仑阻塞效应和高性能光电探测器以及原子夹层型超微量子器件。
　　清华大学已研制出100纳米(0.1um)级MOS器件，研制出一系列硅微集成传感器、硅微麦克风、硅微马达、集成微型泵等器件，以及基于微纳米三维加工的新技术与新方法的微系统。
　　中国科学院半导体所研制了量子阱红外探测器(13-15um)和半导体量子点激光器(O．7-2．Oum)。中科院物理所已经研制出可在室温下工作的单电子原型器件。西安交通大学制作了碳纳米管场致发射显示器样机，已连续工作了3800小时。
　　在有机超高密度信息存储器件的基础研究方面，中国科学院北京真空物理实验室、中国科学院化学所和北京大学等单位的研究人员，在有机单体薄膜NBPDA上作出点阵，1997年，点径为1．3nm，1998年，点径为0．7nm，2000年，点径为0．6nm，信息点直径较国外报道的研究结果小近一个数量级，是现已实用化的光盘信息存储密度的近百万倍。北京大学采用双组分复合材料TEA／TCNQ作为超高密度信息存贮器件材料，得到信息点为8nm的大面积信息点阵3μm×3μm。复旦大学成功制备了高速高密度存贮器用双稳态薄膜。并已经初步选择合成出几种具有自主知识产权的有机单分子材料作为有机纳米集成电路的基础材料。
　　从纳米器件的研究情况来看，国内研究纳米器件的科研单位相对比较集中，研究单位主要集中在北京大学、清华大学、复旦大学、南京大学和中国科学院等研究基础相对较好，设备设施相对齐全的高校及科研院所，但大部分研究单位还停留在纳米器件用材料的制备和选择，以及新的物理现象的研究上。在纳米器件原理及结构研究等基础研究方面力量相对薄弱，纳米器件的创新能力不强。为了在纳米器件研究方面取得突破性进展，中国拟加大对纳米器件基础研究的投入，改善现有实验设备与研究条件，鼓励各研究单位合作研究，优势互补，多学科联合攻关。
　　 3.纳米结构的检测与表征
　　中国科学院化学所和中国科学院北京真空物理室在90年代已开始运用STM进行纳米级乃至原子级的表面加工，在晶体表面先后刻写出"CAS""中国"和中国地图等文字和图案。中国科学院化学所先后研制了STM、AFM、BEEM、LT-STM、UHV-STM、SNOM等纳米区域表征的仪器设备，具有自己的知识产权。开发了表面纳米加工技术，为纳米科技的研究起到了先导和促进作用。最近化学所在单分子科学与技术及有机分子有序组装方面有了很好的进展，并开始对分子器件进行探索性研究。中国科技大学进行了硅表面C60单分子状态检测，为分子器件的研制提供了一些基本数据。
　　北京大学自行研制了VHU-SEM-STM-EELS联用系统和LT-SNOM系统。建立了完整的近场光学显微系统一近场光谱与常规光学联用系统，并用此系统研究了癌细胞的结构形貌。
　　综上所述，我国的纳米科技工作取得了一定的成绩，尤其是在以碳纳米管为代表的纳米材料的研究方面，已经步入世界先进行列。而在纳米器件方面的研究工作刚刚起步，研究工作受条件所限，研究力量比较薄弱。应建立国家公用技术平台，提高纳米加工能力，并加强协调，组织力量进行多学科攻关。突破纳米器件关键技术。在纳米材料的研究工作中，应加强原创性工作，应用性研究、工程化研究应加大投入力度，使纳米材料尽快产业化，成为国民经济新的经济增长点。（责编范红梅）（审洪山）作者：窦振波

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