1、納米科學(xué)技術(shù)(簡稱Nano ST)是1990年才正式誕生的一門具有廣闊前景的新技術(shù)，是在0.1100nm尺度空間內(nèi)研究電子、原子、分子特性和技術(shù)應(yīng)用的高科技學(xué)科。它的最終目標(biāo)是人類按自己的意志直接操縱單個原子或分子，制造具有特定功能的產(chǎn)品。納米科學(xué)技術(shù)起源于1981年美國IBM公司、瑞士蘇黎世研究實(shí)驗室的賓尼格(GBinnig)和羅赫爾(HRohrer)發(fā)明的掃描隧道顯微鏡(簡稱STM)，在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了對單個原子的控制與操作。為此，他們與顯微鏡發(fā)明人蜀斯卡分享了1986年諾貝爾物理學(xué)獎。 掃描隧道顯微鏡是根據(jù)量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)原理，通過探測固體表面原子中電子的隧道電流來分辨固體表面形貌的新型

2、顯微裝置。根據(jù)量子力學(xué)原理，由于電子的隧道效應(yīng)，金屬中的電子并不完全局限于金屬表面之內(nèi)，電子云密度并不是在表面邊界處突變?yōu)榱恪Ｔ诮饘俦砻嬉酝猓娮釉泼芏瘸手笖?shù)衰減，衰減長度約為1nm。用一個極細(xì)的、只有原子線度的金屬針尖作為探針，將它與被研究物質(zhì)(稱為樣品)的表面作為兩個電極，當(dāng)樣品表面與針尖非常靠近(距離1nm)時，兩者的電子云略有重疊，如圖1所示。若在兩極間加上電壓U，在電場作用下，電子就會穿過兩個電極之間的勢壘，通過電子云的狹窄通道流動，從一極流向另一極，形成隧道電流 I 。隧道電流 I 的大小與針尖和樣品間的距離 s 以及樣品表面平均勢壘的高度有關(guān)，其關(guān)系為 ，式中A為常量。 如果s以

3、nm為單位，以eV為單位，則在真空條件下，A 1，。由此可見，隧道電流 I 對針尖與樣品表面之間的距離 s 極為敏感，如果 s 減小0.1nm，隧道電流就會增加一個數(shù)量級。當(dāng)針尖在樣品表面上方掃描時，即使其表面只有原子尺度的起伏，也將通過其隧道電流顯示出來。借助于電子儀器和計算機(jī)，在屏幕上即顯示出樣品的表面形貌。一般說來，掃描隧道顯微鏡由掃描隧道顯微鏡主體、控制電路、控制計算機(jī)(測量軟件和數(shù)據(jù)處理軟件)三大部分組成。掃描隧道顯微鏡主體包括針尖的平面掃描機(jī)構(gòu)、樣品與針尖間距控制調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及系統(tǒng)與外界振動的隔離裝置。常用的STM針尖安放在一個可進(jìn)行三維運(yùn)動的壓電陶瓷支架上， Lx、Ly、Lz分別控制

4、針尖在x、y、z方向上的運(yùn)動。在Lx、Ly上施加電壓，便可使針尖沿表面掃描；測量隧道電流 I ，并以此反饋控制施加在Lz上的電壓Vz；再利用計算機(jī)的測量軟件和數(shù)據(jù)處理軟件將得到的信息在屏幕上顯示出來。STM有兩種工作方式。一種稱為恒電流模式。利用一套電子反饋線路控制隧道電流 I ，使其保持恒定。再通過計算機(jī)系統(tǒng)控制針尖在樣品表面掃描，即是使針尖沿x、y兩個方向作二維運(yùn)動。由于要控制隧道電流 I 不變，針尖與樣品表面之間的局域高度也會保持不變，因而針尖就會隨著樣品表面的高低起伏而作相同的起伏運(yùn)動，高度的信息也就由此反映出來。這就是說，STM得到了樣品表面的三維立體信息。這種工作方式獲取圖象信息全

5、面，顯微圖象質(zhì)量高，應(yīng)用廣泛。 另一種工作模式是恒高度工作。在對樣品進(jìn)行掃描過程中保持針尖的絕對高度不變；于是針尖與樣品表面的局域距離 s 將發(fā)生變化，隧道電流I的大小也隨著發(fā)生變化；通過計算機(jī)記錄隧道電流的變化，并轉(zhuǎn)換成圖像信號顯示出來，即得到了STM顯微圖像。這種工作方式僅適用于樣品表面較平坦、且組成成分單一(如由同一種原子組成)的情形。 從STM的工作原理可以看到：STM工作的特點(diǎn)是利用針尖掃描樣品表面，通過隧道電流獲取顯微圖像，而不需要光源和透鏡。這正是得名掃描隧道顯微鏡的原因。由于STM所具有的原子級高分辨率等顯著優(yōu)點(diǎn)，以及結(jié)構(gòu)小巧、操作方便等特點(diǎn)，而產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。STM引發(fā)了一

6、系列新的科學(xué)技術(shù)，納米電子學(xué)、納米材料學(xué)、納米顯微學(xué)、表面科學(xué)、納米生物學(xué)、納米機(jī)械學(xué)等, STM已成為納米科學(xué)技術(shù)的主要工具。下面僅以兩例加以說明。1. 納米電子學(xué) 制造大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，要求進(jìn)一步縮小器件的尺寸，而100nm被認(rèn)為是微電子技術(shù)發(fā)展的極限；納米電子學(xué)則是開發(fā)研究結(jié)構(gòu)尺寸為納米級的器件和電子設(shè)備的一門科學(xué)，是納米科學(xué)技術(shù)重要的技術(shù)新領(lǐng)域。納米器件(也稱量子器件)是利用電子的量子效應(yīng)原理制作的器件，其工作原理主要基于電子的波動性、電子的量子隧道效應(yīng)、電子能級的不連續(xù)性、量子尺寸效應(yīng)和統(tǒng)計漲落等特性。工藝上即是實(shí)施制作厚度和寬度都只有幾到幾十納米的微小導(dǎo)電區(qū)域(稱為勢阱)。

7、若干個這種納米級導(dǎo)電區(qū)相互靠近，導(dǎo)電區(qū)域之間形成薄薄的勢壘區(qū)。由于隧道效應(yīng)，電子可以從某一勢阱穿越勢壘進(jìn)入另一勢阱。電子受激勵時發(fā)生能級躍遷，在向低能級返回時便發(fā)出一定顏色的光。納米電子技術(shù)將有效地應(yīng)用電子的這些量子效應(yīng)。在納米器件中，最有特色的是單電子器件。 單電子器件的典型結(jié)構(gòu)是納米粒子，其電子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是一個勢阱內(nèi)具有分立能級的量子點(diǎn)。若處于量子點(diǎn)內(nèi)的電子能量高于熱起伏，就可以檢測到單電子隧道效應(yīng)。如單電子晶體管就是將一個微結(jié)構(gòu)用隧道結(jié)與金屬導(dǎo)線弱連結(jié)起來形成的電子器件。這種器件的主要電荷遷移機(jī)制就是非連續(xù)的單電子隧道效應(yīng)。圖10示意地說明了單電子晶體管的構(gòu)造，其中陰影線部分代表連接庫侖島

8、與金屬導(dǎo)線的隧道結(jié)，一般面積為。整個器件的工作原理類似于普通的場效應(yīng)晶體管，但它比通常使用的場效應(yīng)晶體管對電荷的靈敏度高6倍，可以利用這個性質(zhì)制成高精度電流計。如果能以一個單電子編譯一個比特(bit,電腦存貯單位)，那么其信息的儲存量會大大增加。目前市場上銷售芯片的元件密度為，實(shí)驗研制的為。當(dāng)功能元件的尺寸為納米級時，其密度將達(dá)到。這就是納米器件的集成度。按IBM公司給出的數(shù)據(jù)推算，在這個集成度下，現(xiàn)今的一塊計算機(jī)用3.5大小的盤可存入500萬本圖書。可以預(yù)言，單電子晶體管將發(fā)展成為未來數(shù)字電腦的標(biāo)準(zhǔn)部件，納米器件的集成電路將有驚人的功能，會產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。2納米生物學(xué)納米生物學(xué)的主要內(nèi)容是在納

9、米尺度上了解生物大分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)與生物大分子功能的聯(lián)系；在納米尺度上獲取生命信息，利用STM獲得細(xì)胞膜和細(xì)胞器表面的結(jié)構(gòu)信息；進(jìn)行納米機(jī)器人的研制。目前生物學(xué)在基因工程及分子生物學(xué)方面已取得了重大成就。在這個基礎(chǔ)上，納米生物學(xué)提出在分子水平上對微生物、植物及動物等不同種屬之間的基礎(chǔ)進(jìn)行隨意的剪切拼接的設(shè)想。 人類將按要自己的意志將不同的種屬個體的基因任意重組傳遞，設(shè)計合成新的蛋白質(zhì)，制造出新的物種。事實(shí)上，基因工程技術(shù)培養(yǎng)出的能生產(chǎn)人工胰島素和抗體的轉(zhuǎn)基因植物已經(jīng)是這一設(shè)想成為現(xiàn)實(shí)的前奏。納米生物學(xué)中最具誘惑力的是研制可編程的分子機(jī)器人，也稱納米機(jī)器人。第一代納米機(jī)器人是生物系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的有

10、機(jī)結(jié)合體，如酶和納米齒輪的結(jié)合體。這種機(jī)器人可以注入人體血管內(nèi)，可進(jìn)行全身健康檢查，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪淀積物，吞噬病毒，殺死癌細(xì)胞。第二代納米機(jī)器人是直接從原子或分子裝配成的具有特定功能的納米尺度分子裝置。第三代納米機(jī)器人將包含有納米計算機(jī)。這是一種可以進(jìn)行人機(jī)對話的裝置。這種納米機(jī)器人一旦研制成功，有可能在1秒鐘內(nèi)完成10億次操作。人類的勞動方式將產(chǎn)生徹底的變革。事實(shí)上，納米生物學(xué)和納米電子學(xué)是相輔相成的，納米計算機(jī)是它們交叉共存的新技術(shù)。由于納米技術(shù)能夠提供一種神奇的撥動原子的能力，因而經(jīng)過專門設(shè)計的用于傳遞信息的分子可以引入只有細(xì)胞那么大的納米計算機(jī)中。試想，如果將存儲了人類全部知識的納米計算機(jī)安放在人腦中，則它們將像所有神經(jīng)元那樣代替人的思維。可見，納米生物學(xué)展示了誘人的發(fā)展前景。眾多的實(shí)驗已經(jīng)證明，繼STM問世以后，人類實(shí)現(xiàn)了當(dāng)今最微小的操作，人類按照自己的意愿操縱原子已不再是夢想。實(shí)現(xiàn)原子級操縱和原子級加工，是目前國際科學(xué)界公認(rèn)的21世紀(jì)高新技術(shù)。我國科學(xué)家在這一領(lǐng)域的許多方面均已取得了突破性成果。1994年初，中國科學(xué)院真空物理實(shí)驗室的研究人員成功地利用一種新的表面原子操縱方法，通過STM在硅單晶表面上直接提走硅原子，形成平均寬度為2納米(3至4個原子)的線條。從STM獲得的照片上可以清