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科学研究动态监测快报2007年2月1日第3期(总第25期)先进制造与新材料科技专辑中国科学院国家科学图书馆武汉分馆主办中国科学院国家科学图书馆武汉分馆武汉市武昌区小洪山西25号邮编:430071电话:027-87199180电子邮件:jiance@mail.
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cn先进制造与新材料科技专辑2007年第3期(总25期)目录专题纳米制造技术进展与未来趋势(上)1短讯IBM公司研制出延缓硅片中光流动的光学器件9纳米聚合物初次亮相9形成聚合物表面区域图案的新方法9光调制扫描隧道谱揭示p-n结电流载荷动力学机制9电场诱导改良薄膜铁磁体磁性10欧洲一协会开展等离子体光学研究项目10向列费米液体10二元二十面Yb-Cd准晶体结构问题得到解决.
10包镀纳米粒子解决了粘膜给药问题11出版日期:2007年2月1日1专题纳米制造技术进展与未来趋势(上)编者按:本文主要译自塞浦路斯大学CharalabosC.
Doumanidis教授写的《纳米制造:技术进展、研究挑战和未来方向》一文,综述了纳米制造技术的关键性进展,对纳米制造技术进行了详细的案例分析,还提出了未来最有希望的纳米制造研究方向和基础设施需求.
同时还概述了欧盟、美国、日本等在纳米制造技术方面的战略.
希望本文能为我国纳米制造技术、未来发展方向以及相关政策方面提供有益的启示.
1纳米制造技术进展纳米制造涉及了所有的面向制造一维、二维和三维纳米结构、元件、装置和系统的材料、工艺和设备.
纳米制造技术融合了纳米结构组件自下而上的组装方法和节能器件与复杂功能系统自上而下的加工方法.
纳米尺度制造技术相当于传统工业的新产品,是技术革命的动力.
纳米制造技术的最新进展将加快纳米产品的商品化,如:性能改善的新型纳米结构材料;先进半导体、分子电子和自旋电子等信息技术纳米器件;诊断、植入、新药物及其治疗传递系统等方面的纳米生物技术与制药;制造方面的测量仪器与工具;传感器、吸附剂、过滤器、去污剂等高性能安全产品以及纳米机电系统(NEMS).
因此,先进材料行业,电子信息通讯行业,制药、生化、食品、能源与环境修复行业,医学、健康与安全行业,航空、自动化与器械行业,以及服务行业等都将得益于纳米制造技术的进展.
1.
1纳米制造技术关键进展近年来,纳米制造技术取得了许多关键性的、突破性的成果和进展.
(1)在实验室中制作出多种初级和中间标准组件通过近年来的研究和开发已经获得很多纳米尺度的初级和中间结构,但无论从数量上还是从质量上,大多结构只能限于实验室研究而通常不能用于工业制造.
这些结构包括:零维表面量子点和富勒烯;一维碳纳米管、聚合物与陶瓷纳米纤维、纳米线和纳米棒;二维超薄膜和鳞片状粘土;三维陶瓷纳米粉体、树枝状聚合物和蛋白质、DNA等复杂有机分子和生物分子以及模板共聚物、碳纳米管阵列等复合结构.
详见以下1、2、3、16、17、20、21等案例分析1.
(2)制作出多种异质纳米系统这些异质纳米系统包括由不同材料或成分构成的多尺度纳米结构,如自旋电子多层铁磁/顺磁半导体结构,分子电子半导体/有机单层结构,半导体衬底模板生物1编者注:由于篇幅原因,本期只给出了前13个案例分析,其它案例分析我们将在下期给出.
2分子支架,纳米颗粒分散或定向纳米管/纳米纤维加固物.
不仅在异质纳米系统制备方面,而且在其异质介面的表面性能认识方面也已经取得了进展.
详见以下4、5、13、14、17、18、22等案例分析.
(3)图案设计与模板制作纳米尺度的几何成形和结构化工艺是功能器件和多集成系统制造技术的核心.

这些制造技术包括基于二维平行掩模"硬"光刻的极端紫外线和X射线(LIGA)技术,基于扫描射束的分子束外延、电子束和聚焦离子束方法,基于探针的原子力显微镜(AFM)、扫描隧道显微镜(STM)、双光子、近场光学等方法,以及基于纳米压印、成型和压纹的平行"软"光刻技术.
还包括立体光刻成层、静电/磁性/射流定向生长和喷出工艺的三维图案,以及光刻诱导的自组装模板.
辅助材料转换技术包括等离子/激光汽化、电泳和激光导向传输,以及热喷涂、烧结和熔融.
详见以下6、7、8、9、10、11、12、15、23、24等案例分析.
(4)跨尺度设计与开发多芯片模块和MEMS的研究表明实现纳米尺度产品所面临的主要挑战将是与微观和宏观尺度的结合能力.
因此,需要可靠、低本高效的可把不同类型、不同材料和不同大小的结构联合起来的跨尺度设计与开发.
详见以下7、8、13、23、24等案例分析.
(5)通过设计进行制造由于纳米尺度物质与工艺过程相互作用机制的特殊性,产品设计和制造工艺间的相互依赖性在纳米制造过程中更为突出,大尺度制作过程中所必需的综合方法也依然适用.
纳米器件的材料和形状设计适用于新型纳米制造技术,但要实现定制设计结构则需要开发一系列多元化工艺步骤和方案.
详见以下2、3、5、13、14、16、17、18、21、22等案例分析.
(6)制造的可伸缩性从对纳米现象的基本分析和认识(纳米科学)、实验室工程结构的合成或制备(纳米技术)到工业上集成系统的高速度、高质量生产(纳米制造),这一转变带来了一个新兴领域.
这些进展可归因于必备原材料和结构制作、不同成分的集成工艺、多维结构的几何造型、成品的生产条件以及纳米尺度制备与表征的硬件设施和模拟软件等领域的进展.
详见以下4、5、10、13、14、16、21、22等案例分析.
(7)先进分析仪器和模拟实验室实验用硬件分析设备,除了表征纳米结构的离线扫描探针和光谱显微镜外,还扩展至过程中度量技术,包括近场干涉法、纳米图像编码和实时成像方法,如并行聚焦离子束(FIB)/扫描电镜(SEM)成像等.
此外,计算机软件,如通常应用于结构特征在役分析的多尺度分子动力学模拟,正逐渐应用于制造加工过程中3工艺-结构研究.
详见以下9、10、11、12、13、15、19、23等案例分析.
(8)制造工艺和设备的验证模型对于纳米尺度的产品而言,制造工艺性能与产品性能的区别是相当模糊的.
随着目前精密机械产业的发展,纳米制造设备厂商必须向客户展示其设备的优良性能和额定误差,因此需要更为严格的性能测试指标.
详见以下1、3、9、11、12、15、24等案例分析.
1.
2纳米制造技术案例分析(1)等离子体压力成型法烧结纳米陶瓷和纳米复合材料(Sinteringofnanoceramicsandnanocompositesbyplasmapressurecompaction)研究人员开发出一种新的粉末固结技术,可以压制金属、金属间化合物和陶瓷的亚微细粒粉体和纳米粉体,该技术也可用作热等静压技术的一种替代技术.
等离子体压力成型(PlasmaPressureCompaction,P2C)利用等离子体来破坏烧结粉体的表面氧化物和杂质层,同时提供微粒内部清洁材料的微纳结合所需的部分活化能.
这样,必要的处理温度就得以降低,这对于防止烧结过程中的颗粒生长,从而保护颗粒的纳米尺寸属性来说至关重要.
这也有利于结合密度的提升和产品中氧气及其它气体杂质含量的降低.
这种方法也可以用于异性材料的反应结合和近净形元件(nearnetshapeparts)材料的反应合成,例如发动机活塞中用于提高强度/重量比率和抗高温、抗腐蚀性能的碳-碳复合材料.
这些产品将为燃料节约、维修以及污染和噪声防治带来实实在在的利益.
(2)透明纳米粉体分散技术(Transparentnanopowderdispersions)机械研磨、球磨、合金化、混合和分散等技术已经应用到了分散和悬浮纳米粉体的生产中,例如用于医药产品和化妆产品的各种霜.
通过利用微粒的表面功能化和带电特性,这些方法解决了纳米粉体聚集成群的问题,从而使颗粒的有效尺寸达到最小,并使活跃表面积最大.
一个典型的例子就是含有氧化锌和二氧化钛纳米颗粒(直径约为100纳米)的防晒霜(如图3所示),它吸收和散射紫外线辐射的效率是传统产品的两倍.
其它应用包括油漆、添加剂、清漆等.
图1等离子体压力成型设备(MaterialsModificationInc.
)图2碳碳复合材料活塞(底特律柴油机公司)43、用静电纺丝纳米纤维制作非织造织物(Non-wovenfabricsfromelectrospunnanofibers)塑料和陶瓷纳米纤维的电纺丝制作工艺利用了强静电场中带电聚合物熔体液滴的流体不稳定性,现在已经用到了纳米纤维的工业化生产中.
纳米纤维拥有10-100nm范围的直径和宏观长度,比传统的纺织纤维和发丝细2-3个数量级,而且可以用蛋白质生物分子、胶原质等以及各种尼龙、聚酯、聚乙烯、丙烯酸树脂等原料来制作.
未经织造的纳米纤维束、膜和大体积结构的随意摆放组合显示出高度多孔性、空隙小、表面积很大等特性,这使得它们具有很强的吸附能力以及很强的与化学功能团反应能力.
纳米纤维线和像纸一样的薄膜的典型应用包括隔热织物、过滤织品和生物医学设备的制作等.
它们可进一步用于隔热、能量储存、轻质结构复合材料、高保持力过滤器以及新型绷带和尿布等产品.
(4)用于汽车部件的模塑纳米复合材料(Moldednanocompositesforautomotiveparts)以掺有纳米粘土填料的注模聚合体纳米复合材料为原料的汽车部件工业化生产取得了很多进展.
近来,原料范围又扩展到用微小云母颗粒、玻璃或碳纤维强化的热塑性聚烯烃(TPO)树脂.
新的制造技术使得蒙脱石粘土填料能够向纳米片(约1nm厚、100-1000nm长)中脱落并在聚合体中分散以避免集聚现象,从而使得它们与母体的交互表面和强化效应达到最大.
这样,与同样成本的传统TPO复合材料(含有15-20%的云母)相比,TPO纳米复合材料中很少的蒙脱石填料含量(2.
5-3%)就可以在保证近似强度(1000-1200兆帕)的前提下使重量减少20%,并可以提升低温延性强度.
由于填料含量更少,这些纳米复合材料显示出更大的生产能力、更好的油漆附着力和可回收性.
拥有周期短、表面缺陷少等特征的低温喷射模塑法已用于纳米复合材料货车脚踏板部件的生产(如图5所示),并有希望用于摇杆板、帆板等部件的生产.
(5)耐磨密封涂料(Abrasionresistantandhermeticnanocompositecoatings)含有纳米粉体添加剂的纳米复合聚合体涂料已经商业化用于一系列底层材料,图4纳米纤维衬托下的发丝(eSpinTechnologies公司)图5纳米复合材料货车脚踏板(通用和BlackhawkAutomotivePlastics公司)图3分散在防晒霜中的氧化锌粉体(EltaBlock公司)5其抗磨损性是传统防划伤涂料的四倍之多.
纳米颗粒对于涂料母体聚合物链起到交联和强化的作用,这种机制使得其可以抵挡机械划伤和某些化学反应.
同时,纳米颗粒的尺寸和分散可以控制有选择地吸收和散射可见光,这样就可以制成某些具有特定光学特征(例如减反射和特定折射等)的透明涂料,它们可用于头盔面罩、航行器座舱盖和智能窗等.
除了抗冲击外,上述机制让这些涂料可以更好地阻挡氧气和湿气的扩散,再加上其高度的可制造性、可回收性,使得它们适合用作食品和饮料的密封包装以及药品泡罩包装等.
(6)特大型电子灯(Jumbotronlamp)利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、脉冲激光沉积(PLD)等方法制作定向碳纳米管覆盖表面的近期进展利用了它们独特的电子发射特征.
目前已商业化生产的特大型电子灯(阴极射线管)呈二极管形状,它是利用纳米管发射的电子轰击镀磷表面从而产生光,其亮度是传统热离子灯的两倍,而且使用寿命长达8000个小时(如图7所示).
低电压使得能效得以提升,这种灯可以用于照明和大型户外显示.
碳纳米管场发射器有望代替不稳定的热电子发射器用于微波放大,也有望用于排气管装置进行过压保护.
更进一步的研究要改善纳米管场发射器和门电路三极管微型设备的制造,包括使用寿命、产量和成本等.
(7)纳米管场发射器和显示器(Nanotubefieldemittersanddisplays)基于纳米管场发射的平板显示器(flatpaneldisplays)正走向商业化生产,无论从亮度还是能效来看,都将是薄膜晶体管(thinfilmtransistor,TFT)屏幕的一种潜在的有利替代.
除了纳米管阵列发射外,研究人员还在高分辨率电子束装置中完图6纳米复合涂料在头盔面罩、药物包装和食品容器等中的应用图7基于纳米管的特大型电子灯(Y.
Saito教授)图6纳米复合涂料在头盔面罩、药物包装和食品容器等中的应用(美国粹通系统)图84.
5英寸纳米管场发射显示器(三星电子)6成了单个多壁碳纳米管(MWNT)的单色电子发射的演示.
目前,针对用于场发射电子显微镜的碳纳米管发射器制造和集成方面的研究也非常活跃.
(8)分子电子存储器和逻辑元件(Molecularelectronicmemoryandlogic)近来,纳米压印光刻技术和自组装膜(SAM)制作等领域的进展使得分子电子学向应用于存储器和逻辑电路的商业化生产又迈进了一步,成为传统硅工艺体系的竞争对手.
研究人员已经在不足1平方微米的区域上制作成了一个拥有多路信号分离逻辑的64位分子电子存储器原型(如图9所示).
这类基于分子电子学原理的静态随机存储器不易丢失数据,容量和性能都比硅存储器高出一个数量级,有望制成多层结构,而且制造成本也有望更低.
(9)探针阵列纳米制造(Probearraynanofabrication)大型悬臂探针阵列能通过热机械作用在聚合物薄膜上产生量子凹点(quantumdotindentation)(Millipede项目,P.
Vettiger,G.
Binnig等).
这种探针阵列已开发成功并应用于超高密度数据存储技术(一万亿比特每平方英寸,相当于在一张邮票大小的面积上存储25张DVD光盘的数据量,比磁存储密度高20倍).
开发中的平面阵列原型有4096个V形针头(长2微米),安装在70*0.
5微米的硅悬臂上,覆盖面积为7平方毫米.
每个针头通过热聚合物薄膜的电阻加热和形变产生直径10纳米的凹点,其频率在千赫兹至兆赫兹之间且功耗很低.
对于目标媒质,阵列具有高度平行、防振以及精确电磁横纵坐标扫描运动等特点,探针寻址采用时间复用电子技术.
Millipede技术不仅适用于高分辨率和高速柔性连续构图,同时还具有可擦除/重写入的能力以实现动态重塑和纠错,再加上表面拓扑的热电阻感应,使得这种技术非常适于成为一种具有反馈控制功能的普通平面纳米结构构建工具.
(10)溅射制备的巨磁电阻自旋阀磁头(SputteredGMRspinvalveheadsformagneticrecording)1988年,欧洲的P.
Gruenberg和A.
Fert在低温高磁场的条件下,在外延生长的多层膜中发现了巨磁电阻(GMR)效应.
此后的1997年,IBMAlmaden研究中心的S.
图964位分子电子存储器原型(惠普)图10Millipede纳米构图(IBM)7Parkin采用相对廉价的材料,通过溅射法制造出了在常温和普通磁场强度下功能性的GMR自旋阀结构.
这里面包含了很多关键性的制造问题,比如空间位置的精确性,溅射制备多层膜的可重复性,为实现操作过程中电阻变化的可重复而要求材料性质的均匀性,器件在使用期内的稳定性,以及生产过程的可靠性和成本等.
GMR自旋阀技术为超大容量的磁盘制造带来了革命,现在市场上95%的磁盘采用的都是这种技术.
(11)与电子显微镜技术相结合的电子束光刻技术(ElectronBeamLithographyfabricationintegratedtoelectronicmicroscopy)电子束光刻(EBL)技术与扫描电子显微镜(SEM)以及聚焦离子束装置等的结合,大大改进了利用电子束纳米光刻大规模制造纳米级标准模板的技术.
EBL进行纳米级刻蚀的能力、过程中原位成像的能力以及小范围分步重复曝光的能力三者相结合,加强了对实时过程的监视与控制,提高了分辨率,提高了如量子线/阱和标准晶体管等工具与器件的可重复性和制造速度.
(12)纳米压印光刻(Nanoscaleimprintinglithography)机械纳米压印光刻方法,通过在适当温度和压力下的直接印刷与压模,可以在热硬化材料或紫外光固化材料上印出小于10纳米的图形,并且对微电子器件、微电机系统(MEMS)、生物流体(biofluidic)等器件来说,这种方法的成本比受限于光衍射极限的光刻法要低.
这种方法包括纳米压印(NIL)技术、步进快闪式压印光刻(SFIL)技术以及纳米转印技术(nTP)等,并且已有各自商业系统出现在市场上并对产品应用进行了测试.
与此同时,关于表面抛光和取向膜(layeralignment)、多层结构中的压力、流变学以及高深宽比结构中固体主体与压印树脂的表面粘着等问题的研究也正在进行之中.
图11GMR自旋阀磁头(IBM)图12SEM/EBL系统(德国RaithGmbh公司)图13SFIL机器(美国MolecularImprints公司)8(13)碳纳米管纤维织物与纳米复合材料(Carbonnanotubefiberfabricsandnanocomposites)除了碳纳米管的低成本大规模生产(例如,通过液相自调节弧光放电使碳氢化合物分解)之外,从水溶性聚乙烯醇(PVA)碳纳米束中抽出纳米纤维也取得了一定进展.
这种进展的关键在于制备出足够长的纤维,制造过程是利用纺丝管口(spinningpipeorifice)帮助纤维聚结(fibercoalescence),从管口中抽出凝胶状纤维(R.
Baughman等).
这样得到的强化碳纳米管纤维的韧度是蜘蛛丝的4倍,Kevlar纤维的17倍,刚度是钢丝的2倍,强度是钢丝的20倍,这使该纤维适合用作防弹材料.
这种纤维也具有导电性,因此适用于电子、传感器和通讯器件.
在能源系统中,纤维的双绞线排列还显示出优异的电荷存储能力.
此外,碳纳米管还与石墨纤维整合成为纳米复合物,在体育用品如网球球拍中得到应用,具有很高的刚度和减震性能.
不过,碳纳米管的制造成本依然是此类应用的一个限制性因素.
冯瑞华马廷灿姜山黄可编译自http://www.
isnm2006.
org/forms/NanoManufacturing_review.
pdf检索日期:2007年1月15日图14碳纳米管纤维织物(德克萨斯大学达拉斯分校)9短讯IBM公司研制出延缓硅片中光流动的光学器件IBM公司宣布他们研制出一种光学器件,可以延缓硅片中光的流动,这是使计算机利用光通信实现更好性能所必需的.
利用光信号取代电信号在计算机中传输数据能够大大提高计算机的性能,因为光信号能更快地传递信息.
然而,芯片中"减缓"或临时保持数据是控制信息流的关键.
因此,这也是要对光信号所做的工作.

IBM宣布的这种光学器件具备减缓芯片中光信号的能力.
黄可摘译自http://domino.
research.
ibm.
com/comm/pr.
nsf/pages/news.
20061222_ringresonator.
html检索日期:2007年1月29日纳米聚合物初次亮相美国研究人员首次制作成一种被称为"纳米聚合物"(nanopolymers)的新型材料——相当于聚合物的纳米囊.
这项突破是由麻省理工学院的FrancescoStellacci和她的同事们共同完成的,其中包括在球形金属纳米粒子表面的两个相对的区域引入缺口,结果使二价粒子链接在一起形成独立的薄膜.
黄可摘译自http://physicsweb.
org/articles/news/11/1/17/1检索日期:2007年1月29日形成聚合物表面区域图案的新方法应用科学家运用聚焦离子束验证了一种形成聚合物表面区域图案的新方法.
通过控制离子束的方向和强度,研究人员能够在聚二甲基硅氧烷(硅基有机聚合物)平坦的区域刻上图案.
该技术可能用于生物传感器和微流控芯片,也为组织工程学中细胞模板的定制提供了新的途径.
这项研究是由美国哈佛大学和韩国汉城国立大学的科学家们共同完成的.
黄可摘译自http://www.
eurekalert.
org/pub_releases/2007-01/hu-asc011607.
php检索日期:2007年1月29日光调制扫描隧道谱揭示p-n结电流载荷动力学机制随着硅芯片体积的不断缩小,了解其原子水平级的运行则变得越来越重要.
日本筑波大学(Universityoftsukuba)研究人员利用光调制扫描隧道谱直接揭示载流电荷在半导体晶体中的动力学机制.
虽然首次结果与标准理论一致,但这种方法是10否对于更小尺度器件的芯片设计师有用还有待进一步证明.
该成果发表于《物理评论快报》上(Phys.
Rev.
Lett.
98,026802,2007).
冯瑞华摘译自http://focus.
aps.
org/story/v19/st2检索日期:2007年1月29日电场诱导改良薄膜铁磁体磁性利用应用电场改变材料磁性的能力对于低功耗和快速记忆装置具有很大的潜力.
法国研究人员利用浸过干燥碳酸电解质的铁磁金属薄膜制成了三层结铁磁体.

加上电压后,铁磁体的磁性可改进.
该成果发表于2007年1月19日的《科学》上(Science,Vol.
315.
no.
5810,pp.
349–351).
冯瑞华摘译自http://www.
sciencemag.
org/cgi/content/short/315/5810/349检索日期:2007年1月29日欧洲一协会开展等离子体光学研究项目为寻求欧洲光子产业的发展,欧洲学术与工业科学家协会开展了280万欧元的等离子体增强光子学(PlasmonEnhancedPhotonics,PLEAS)项目.
该项目的实施将极大地影响从手机到安全应用的光检测器,也会使照相机更便宜、功能更强大,使发光二极管(LED)能效提高从而减少温室气体排放.
冯瑞华摘译自http://www.
eetimes.
eu/france/196901850;jsessionid=YA4HTJO5QXINQQSNDLSCKHA检索日期:2007年1月29日向列费米液体有关锶钌方面的前期研究已经揭示了一种受磁场驱动的量子相变临界点的存在.
Borzi等人的研究表明,外加磁场的方向决定了电流的易轴和难轴,而且这种各向异性打破了晶体结构的四角对称性.
研究者称他们的结果与近期预料的物质(即向列费米液体)的量子位相一致.
姜山摘译自http://www.
sciencemag.
org/content/vol315/issue5809/twis.
dtl#315/5809/158c检索日期:2007年1月29日二元二十面Yb-Cd准晶体结构问题得到解决据报道,日本研究者首度完全解决了二十面相准晶体材料的原子结构问题.
在同步X射线衍射和超空间结晶学(一种多维的计算与建模技术)的基础上,研究者11解决了YbCd5.
7二十面准晶体的原子结构问题.
姜山摘译自http://pubs.
acs.
org/cen/news/85/i03/8503notw8.
html检索日期:2007年1月29日包镀纳米粒子解决了粘膜给药问题人体中为保护敏感组织而存在的粘膜也有它不利的一面:它们也将帮助性的药物拒之门外.
现在研究者们通过在纳米粒子外包覆一层化学物质,以帮助它们通过这种粘膜障碍.
通过对这些包镀纳米粒子的实验,研究者还发现粘膜上的孔比预想的要大得多,这就使那些更大的、作用时间更长的药剂更容易到达患处.