納米科技研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢論文
人在實(shí)驗(yàn)室中成功地制備了超晶格和量子阱，并觀察到了許多全新的物理效應(yīng)，使超晶格和量子阱這一人工低維物理體系在以后的二十多年中成為半導(dǎo)體物理和理論物理中最熱門的研宄領(lǐng)域在該領(lǐng)域持續(xù)不斷的研宄導(dǎo)致了0維量子點(diǎn)或人工原子觀念的出現(xiàn)及其各種理論和實(shí)驗(yàn)處理法。在將來對納米粒子物理特性作深入的理論研究時(shí)，有些對量子點(diǎn)的理論處理方法必定可以移植使用。
1981年3月G.Binnig和H.Rohier在瑞士蘇黎世IBM研究實(shí)驗(yàn)室中研制成了掃描隧道電子顯微鏡,開辟了一條在原子水平研究物質(zhì)表面原子和分子結(jié)構(gòu)以及和電子行為相關(guān)的物理、化學(xué)性質(zhì)的全新途徑。STM以前所未有的“超能力”延長了人類的“手”和“眼”，使人類能直接按自己的意愿操縱和觀察原子。1990年在美國加州IBM公司的實(shí)驗(yàn)室中Eiger等科學(xué)家采用STM成功地在長和寬不超過一個(gè)病毒（~100nm)的范圍內(nèi)按自己的意志寫出了當(dāng)時(shí)世界上最小的公司名稱“mM”3個(gè)字母(見圖1)首次實(shí)現(xiàn)了R.P.Feynman所預(yù)言的人類對原子的直接的任意操縱。
這些發(fā)展導(dǎo)致在科學(xué)研究領(lǐng)域中誕生了一門名為納米科技的以0.1~100nm長度范圍中的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、特性、現(xiàn)象和應(yīng)用為研究對象的分支學(xué)科,納米科技的最終目標(biāo)是直接以原子、分子、原子簇等為基本構(gòu)件設(shè)計(jì)和制造具有特定性質(zhì)的產(chǎn)品。1993年M.F.Crommie等人用STM,在溫度為4K和超高真空條件下，對在清潔的Cu(111)面上由48個(gè)Fe原子圍成的半徑為7.13nm的量子圍欄中的電子態(tài)進(jìn)行了直接測量。實(shí)現(xiàn)了對原來停留在概念上的量子力學(xué)中定態(tài)波函數(shù)的觀測，從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了量子力學(xué)中重要的物理量一波函數(shù)一是物理實(shí)在而不是理論假設(shè)。由此可見，量子隧道效應(yīng)支持了STM,STM反過來又證實(shí)了量子力學(xué)中波函數(shù)的物理實(shí)在性。基礎(chǔ)理論和先進(jìn)技術(shù)間的密不可分的關(guān)系在此可見一斑。
最近幾年作為材料物理研究的熱點(diǎn)，納米材料研究的內(nèi)涵不斷擴(kuò)大，納米科技屬于多學(xué)科交叉和綜合的研究領(lǐng)域。其研究領(lǐng)域主要包括納米材料、納米電子學(xué)與器件、納米生物與醫(yī)藥、
納米檢測與表征等方面。目前世界各發(fā)達(dá)國家對具有重要戰(zhàn)略意義的納米科技都給以足夠的重視，從戰(zhàn)略高度部署納米材料及其相關(guān)研究。
歸納而言，目前各國納米科技研究人員感興趣的納米研究領(lǐng)域大致有下面五方面：
1)科學(xué)家試圖在不改變材料化學(xué)成分的前提下，利用在納米層次上電子和原子間的相互作用受到變化因素的影響，在納米層次上重新組織物質(zhì)的結(jié)構(gòu)以控制物質(zhì)的基本特性，如光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)特性和催化能力等。
2)由于在納米層次上生物系統(tǒng)具有整套系統(tǒng)的組織，科學(xué)家嘗試把人造組件和裝配系統(tǒng)放入細(xì)胞中，以制造出結(jié)構(gòu)經(jīng)過組織后的新材料，
使人類有可能模擬自然界自行組裝的特性。
3)納米組件具有很大的比表面，利用這一點(diǎn)M傭納米組件做理想的催化劑和吸收劑，并嘗試著在釋放電能和向人體細(xì)胞施藥方面的應(yīng)用。
4)利用納米科技制造出的材料與一般材料相比，在成分不變的情況下體積大大地縮小而強(qiáng)度和韌性卻會有很大的提高這一特性以制造強(qiáng)度大的復(fù)合材料。
5)與微電子結(jié)構(gòu)相比，納米結(jié)構(gòu)在空間上的數(shù)量級很小，因而互動(dòng)作用發(fā)生更快，利用這一特性人們嘗試著研究效率更高、性能更好的微系統(tǒng)。
2納米材料及其特性
納米材料體系是納米領(lǐng)域中的一個(gè)重要的分支學(xué)科，由于該體系奇特的物理現(xiàn)象及與下一代量子結(jié)構(gòu)器件的聯(lián)系，從而成為現(xiàn)在科學(xué)研究熱點(diǎn)。納米材料是以納米尺度的物質(zhì)為基礎(chǔ)按一定規(guī)律構(gòu)成的全新體系，它包括零維、一維、二維和三維體系。這些物質(zhì)單元包括納米微粒、穩(wěn)定的原子團(tuán)簇或人工原子(artificialatom)、納米管、納米棒、納米絲以及納米尺寸的多孔物質(zhì)。意大利科學(xué)家M.Rontani等人指出當(dāng)少數(shù)粒子局限于nm數(shù)量級時(shí)，其載流子狀態(tài)取決于它們的動(dòng)能和Coulomb關(guān)聯(lián)能間的平衡。在耦合人工原子中，通過改變?nèi)斯ぴ娱g的隧道效應(yīng)效果和相互作用可調(diào)整兩者間的平衡，并且該系統(tǒng)的特性由依賴于人工原子間耦合的不同自旋組態(tài)決定[18。正如人們所知，原子有序排列可形成有自身特點(diǎn)相對獨(dú)立的分支。納米材料體系大致可分為兩種:①人工納米結(jié)構(gòu)組裝體系:按人類的意愿，利用物理和化學(xué)方法人工地將納米尺度的物質(zhì)單元組裝、排列構(gòu)成零維、一維、二維和三維的納米體系，包括納米有序陣列和多孔復(fù)合體系等。②納米結(jié)構(gòu)自組裝體系:通過弱的和較小方向性的非共價(jià)鍵和弱離子鍵協(xié)同作用把原子、離子或分子連接在一起構(gòu)成納米材料。
在認(rèn)識納米材料和納米結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)持打破常規(guī)看事物的態(tài)度，從結(jié)構(gòu)和物性關(guān)聯(lián)這一物理直覺出發(fā)，納米材料與常規(guī)材料的不同是由于納米材料和重組納米結(jié)構(gòu)的特性所決定的。在納米材料和結(jié)構(gòu)中有以下一些基本物理效應(yīng)，而正是它們造就了納米材料和結(jié)構(gòu)的一系列不同于大塊物質(zhì)的物理和化學(xué)特性。
2.1表面效應(yīng)
球形顆粒的表面積與直徑的平方成正比，其體積與直徑的立方成正比，因此其比表面(表面積/體積）與直徑成反比。隨著顆粒的直徑變小，比表面會顯著增大，這表明表面原子所占的百分比顯著增加。對直徑大于0.1^m的顆粒表面效應(yīng)可忽略，當(dāng)尺寸小于0.1^m時(shí)，其表面原子百分?jǐn)?shù)顯著增長，這時(shí)表面效應(yīng)所造成的貢獻(xiàn)將不可忽略。超微顆粒的表面與大型物體的表面十分不同。龐大的比表面，鍵態(tài)嚴(yán)重失配，出現(xiàn)許多活性中心，表面臺階和粗糙度增加，出現(xiàn)非化學(xué)平衡、非整數(shù)配位的化學(xué)鍵，從而導(dǎo)致納米體系的化學(xué)性質(zhì)與化學(xué)平衡的體系有很大的差異。若用高倍率電子顯微鏡對金屬超微粒進(jìn)行觀察，會發(fā)現(xiàn)這些顆粒并沒有固定的形態(tài)，隨著時(shí)間的變化會自動(dòng)形成各種形狀，它既不同于一般固體，又不同于液體，可視作為一種準(zhǔn)固體。在電子顯微鏡的電子束照射下，表面原子仿佛進(jìn)入了“沸騰”狀態(tài)，用MD模擬Al團(tuán)簇表面，圖3顯示了沸騰的表面狀態(tài)。
超微顆粒的表面具有很高的活性，在空氣中金屬顆粒會迅速氧化和燃燒，即自燃甚至爆炸。若需要防止自燃則可采用表面包裹或有意識地控制氧化率，使其緩慢氧化生成一層極薄而致密的氧化層，確保表面穩(wěn)定性。另外，利用表面活性，金屬超微粒可望成為新一代的高效催化劑和儲氧材料以及低熔點(diǎn)材料。目前世界上有許多研究組利用納米粒子表面效應(yīng)所引起的特性，制造國防中急需的新式高能固體推進(jìn)燃料。P.Mukheq'ee對CdSxSe1-x(x=0.3)摻雜的SiO2的光學(xué)吸收譜以及考慮表面效應(yīng)對介電特性的影響,對納米晶粒的消光系數(shù)和光學(xué)密度進(jìn)行了分析。
2.2宏觀量子隧道效應(yīng)
原子模型與量子力學(xué)采用能級的觀念，對各種原子具有特定光譜線這一事實(shí)作了合理的解釋:27。由無數(shù)（~1023/cm3)原子構(gòu)成固體時(shí)，單獨(dú)原子的能級合并成能帶，由于電子數(shù)目很多，能帶中的能級間距S很小，從而可以看成是連續(xù)的。能帶理論成功地解釋了大塊金屬、半導(dǎo)體、絕緣體間的區(qū)別和聯(lián)系[28。對介于原子、分子與大塊固體之間的超微顆粒而言，由于量子尺寸效應(yīng)14],大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級。例如.導(dǎo)電的金屬在超微顆粒時(shí)可以變成絕緣體，磁矩的大小和顆粒中的電子是奇數(shù)還是偶數(shù)有關(guān)。比熱也會出現(xiàn)反常變化，光譜線會產(chǎn)生向短波方向的移動(dòng)，這是量子尺寸效應(yīng)的宏觀表現(xiàn)。因此，對超微顆粒在低溫條件下必須考慮量子效應(yīng)，原有的宏觀規(guī)律已不再成立。
微觀粒子如電子具有波粒二象性，因而存在隧道效應(yīng)。近年來人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀物理量，如微顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量等亦顯示出隧道效應(yīng)，通常稱為宏觀量子隧道效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)將是未來微電子、光電子器件的基礎(chǔ)，或者可以說它指出了現(xiàn)有微電子器件進(jìn)一步小型化的物理極限，當(dāng)微電子器件進(jìn)一步微型化時(shí)必須考慮上述的量子效應(yīng)。如在制造半導(dǎo)體集成電路時(shí)，當(dāng)電路的尺寸接近波長時(shí)，電子借助于隧道效應(yīng)而溢出器件，器件便無法正常工作。經(jīng)典電路的物理極限尺寸大約為0.25nm。目前研制的量子共振隧穿晶體管是利用量子效應(yīng)而制成的新一代器件。
2.3量子尺寸效應(yīng)
隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。一般而言，如果某種結(jié)構(gòu)的某一方向的線度小于Fermi面上的deBroglie波的波長(deBroglie波的波長與材料中的電子濃度相關(guān))，則在該方向上量子尺寸效應(yīng)就極其明顯。由于納米材料尺寸小到與物理特征量相差不多，即可與電子的deBroglie波長、超導(dǎo)相干波長、磁場穿透深度以及激子Bohr半徑相比擬，電子被局域于一個(gè)體積極小的納米空間，其輸運(yùn)受到限制，平均自由程變得很短，電子的局域性和相干性增強(qiáng)。幾何線度下降使納米體系所包含的原子數(shù)大大減少，根據(jù)久保理論，電子能級間隔S大于kBT,即宏觀固體的準(zhǔn)連續(xù)能帶消失，能量取分立值，電子結(jié)構(gòu)類似于原子的分立的能級，量子尺寸效應(yīng)十分顯著。同時(shí)由于粒子尺寸變小，比表面顯著增加，大的比表面使處于表面態(tài)的原子、電子與處于粒子內(nèi)部的原子、電子的行為有很大的差別。這就使得納米體系的光、熱、電、磁等物理性質(zhì)與常規(guī)材料有很大的不同，即使得納米體系具有同樣材質(zhì)的宏觀大塊物體不具備的新物理特性，從而產(chǎn)生下面一系列新奇的特性：
光學(xué)特性方面:當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長的尺寸時(shí)，就失去原有的光澤而呈現(xiàn)黑色。事實(shí)上，所有的金屬在超細(xì)微顆粒的狀態(tài)都呈黑色。尺寸愈小，顏色愈黑。由此可見，金屬超細(xì)微顆粒對光的反射率很低，填充可低于1%，大約幾微米的厚度就能完全消失。利用這個(gè)特性可以作為高效率的光熱、光電等變換材料，可以高效地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋㈦娔堋４送庥钟锌赡軕?yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等，這一點(diǎn)在軍事裝備現(xiàn)代化方面會特別有用。
納米氧化物和氮化物在低頻條件下，介電常數(shù)e有很大的增強(qiáng)效應(yīng)，可增大幾倍，甚至增大一個(gè)數(shù)量級。納米氧化物對紅外、微波有良好的吸收特性。當(dāng)納米粒子的尺寸小到一定值時(shí)可在一定波長的光激發(fā)下發(fā)光。其物理原因大致為當(dāng)粒子的粒徑小到某一程度時(shí)，發(fā)生對稱性破缺，平移對稱性消失，從而出現(xiàn)發(fā)光現(xiàn)象。作為微電子學(xué)的明星材料，Si表現(xiàn)出半導(dǎo)體的特性，由于Si是間接型半導(dǎo)體，在動(dòng)量空間中導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂間的直接躍遷屬于禁戒躍遷，通常情況下沒有發(fā)光現(xiàn)象，但當(dāng)Si的尺寸達(dá)到納米級(大致為6nm)時(shí)，在近可見光范圍內(nèi)，出現(xiàn)較強(qiáng)的光致發(fā)光現(xiàn)象。多孔Si的發(fā)光現(xiàn)象也與尺度達(dá)到納米級有關(guān)。在納米Al2O3、TiO2、SiO2.Z1O2中，也觀測到在常規(guī)材料中根本觀測不到的發(fā)光現(xiàn)象。
波蘭物理學(xué)家I.V.Kilyk利用兩相互同步的脈沖YAG:Nd激光器和N脈沖激光器，在尺度為10至20nm的非晶SiC中觀察到了PISHG非線性光學(xué)現(xiàn)象[38,且發(fā)現(xiàn)隨N脈沖激光器功率增加，PISHG輸出信號增加并在N脈沖激光器的光子通量為6GW/cm2時(shí)達(dá)到其最大值，此時(shí)二階非線性光學(xué)系數(shù)為1.2pm/V，PISHG輸出信號隨試樣的溫度下降而增加。他同時(shí)也對PISHG的時(shí)間依賴性進(jìn)行了測量，分析表明納米SiC六角結(jié)構(gòu)在PISHG現(xiàn)象中起了關(guān)鍵的作用。俄國VI.A.Magulis等人考慮納米碳管的Gaussian、矩形和三角形三個(gè)不同的分布，對納米碳管陣列的三階光學(xué)非線性系數(shù)（THG)研究發(fā)現(xiàn)[39存在增幅的展寬和強(qiáng)度的增強(qiáng)以及在THG譜中三聲子共振峰的紅移，且共振峰的幅度依賴于納米碳管的具體分布。這樣人們就可以通過測量THG找出試樣中占優(yōu)勢的分布，得出被測對象有效的結(jié)構(gòu)信息。Nishio等人對9X9Si納米線陣列的光學(xué)吸收特性研究發(fā)現(xiàn)，在能量低于3.4eV時(shí)光子吸收主要發(fā)生在Si納米線陣列內(nèi)部區(qū)域中的Si原子，而且當(dāng)表面的Si遷入到內(nèi)部位置時(shí)，其對陣列的光吸收起增大作用，物理起因在于表面邊界條件引起靠近價(jià)帶頂?shù)哪芗壊ê瘮?shù)被局域于Si原子中心處所致。
寬頻帶強(qiáng)吸收:納米粒子大的比表面導(dǎo)致了平均配位數(shù)下降，不飽和鍵和懸鍵增多，與常規(guī)大塊材料不同，沒有一個(gè)單一的擇優(yōu)鍵振動(dòng)模，而是存在一個(gè)較寬的鍵振動(dòng)模的分布。在紅外光場作用下，他們對紅外吸收的頻率也就存在一較寬的分布，從而導(dǎo)致納米粒子對紅外吸收帶的寬化[41]。許多納米粒子（如ZnO,Fe2O3TiO2等)，對紫外光還有強(qiáng)吸收作用，它們對紫外光的吸收主要來源于它們的半導(dǎo)體性質(zhì)，即在紫外光的照射下，電子被入射光子激發(fā)由價(jià)帶向?qū)кS遷從而引起紫外光吸收。
藍(lán)移和紅移現(xiàn)象:所謂藍(lán)移即吸收邊朝短波方向移動(dòng)。納米微粒的吸收帶藍(lán)移主要是由于量子尺寸效應(yīng)，顆粒的尺寸下降使能隙變寬;又由于表面效應(yīng)納米粒子顆粒小，大的表面張力使晶格畸變，晶格常數(shù)變小。鍵長的縮短導(dǎo)致納米微粒的鍵本征振動(dòng)頻率增大，使紅外吸收帶移向了高波數(shù)。在一些情況下，粒徑減小到納米級時(shí)，可觀察到光吸收帶相對粗晶材料呈現(xiàn)紅移現(xiàn)象。即吸收帶移向長波長。這是因?yàn)楣馕諑У奈恢檬怯捎绊懛逦坏乃{(lán)移因素和紅移因素共同作用所致。如前者的影響大于后者，吸收帶藍(lán)移，反之則紅移。隨著粒徑的減小，量子尺寸效應(yīng)會導(dǎo)致吸收帶的藍(lán)移，但粒徑減小的同時(shí)，顆粒內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力會增加，從而導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)的變化，電子波函數(shù)重疊加大，結(jié)果帶隙、能級間距變狹，導(dǎo)致電子由低能級向高能級及半導(dǎo)體電子由價(jià)帶向?qū)кS遷引起的光吸收帶和吸收邊發(fā)生紅移。
量子限域效應(yīng):當(dāng)半導(dǎo)體的粒徑r小于激子的玻爾半徑時(shí)，電子的平均自由程受小粒徑的限制，局限在很小的范圍，空穴很容易與電子形成激子，造成電子和空穴波函數(shù)重疊，產(chǎn)生激子吸收帶。重疊因子隨粒徑的減小而增加，激子帶的吸收系數(shù)增加，出現(xiàn)激子吸收增強(qiáng)并且藍(lán)移，此稱為量子限域效應(yīng)：4344。增強(qiáng)的量子限域效應(yīng)是納米半導(dǎo)體微粒的光學(xué)性質(zhì)不同于通常半導(dǎo)體材料的重要原因之一。印度研究小組通過利用光聲子譜儀對由量子限域效應(yīng)所引起的閃鋅礦結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體CdS納米結(jié)構(gòu)中的激子躍遷現(xiàn)象研究，指出隨著納米粒子線度減小，躍遷的起始位置發(fā)生藍(lán)移[45。C.D.Simserides[46等人對于納米粒子的局域吸收譜的研究表明，三維限域?qū)е翪oulomb關(guān)聯(lián)增強(qiáng)，譜依賴于探頭的線度。由于Coulomb關(guān)聯(lián)，作為分辨率函數(shù)的光學(xué)峰強(qiáng)度會現(xiàn)出非單調(diào)行為。G.Broket等人采用EELS法對III族氮化物半導(dǎo)體納米材料的介電特性測量表明，該方法由于有優(yōu)于10nm的空間分辨率和0.35eV的能量分辨率以及基本上不受表面因素影響等優(yōu)點(diǎn)，適合于研究局域行為，如局域缺陷和邊界等對于介電特性的作用。C.Delerue等人最近還分析了量子限域效應(yīng)對多孔Si和Si納米團(tuán)簇的光學(xué)能帶隙的影響，指出了其對具體結(jié)構(gòu)的依賴性。
電學(xué)和磁學(xué)特性方面:金屬納米粒子的電阻隨線度下降而增大，電阻溫度系數(shù)下降甚至出現(xiàn)負(fù)值;反之，原來是絕緣體的氧化物當(dāng)達(dá)到納米級時(shí)，電阻反而下降，作者認(rèn)為Mott相變的'概念和理論處理方法在對納米粒子的這一電學(xué)特性的研究中必有其用武之地。納米非晶化合物還存在隨測量頻率減少介電常數(shù)急劇上升的反常介電現(xiàn)象[50。10至25nm的鐵磁金屬微粒矯頑力比相同的宏觀材料大1000倍，而當(dāng)顆粒的尺寸小于10nm時(shí)，矯頑力變?yōu)榱悖憩F(xiàn)為超順磁性。超細(xì)微顆粒磁性與大塊材料顯著不同。利用磁性超細(xì)微顆粒具有高矯頑力的特性，人們已做成高儲存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙等方面。利用超順磁性，人們已將磁性超細(xì)微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。最近由S.A.Solin領(lǐng)導(dǎo)的美國普林斯頓NEC研究所的一研究小組基于異常磁阻(EMR)現(xiàn)象，成功地用Si-InSb研制出了納米級無磁磁盤讀出頭，其閱讀密度可達(dá)1Tb/in2。
熱學(xué)、力學(xué)及其他特性方面:固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時(shí)，其熔點(diǎn)是固定的，超細(xì)微化后其熔點(diǎn)卻顯著降低，當(dāng)顆粒小于10納米量級時(shí)尤其顯著。因此超細(xì)銀粉制成的導(dǎo)電漿料可以進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)，此吋元件的基板不必采用耐高溫的陶瓷材料，甚至可以用塑料。采用超細(xì)銀粉漿料，可以使膜厚均勻，覆蓋面積大，既節(jié)省材料又具有高質(zhì)量。通常陶瓷材料呈脆性，而由納米超細(xì)微粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。因?yàn)榧{米材料具有大的界面，界面的原子排列相當(dāng)混亂，原子在外力的作用下很容易遷移，因此表現(xiàn)出很好的韌性和一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學(xué)性質(zhì)。氧化氟鈣納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。有研究表明，人的牙齒之所以具有很高的強(qiáng)度，是因?yàn)樗怯闪姿徕}等納米材料構(gòu)成的。成納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗金屬硬3至5倍。至于金屬陶瓷等復(fù)合納米材料則可在更大的范圍內(nèi)改變材料的力學(xué)性質(zhì)，應(yīng)用前景十分寬廣。超微顆粒的量子尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在超導(dǎo)電性、介電性能、聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等方面。
上述特殊的物理效應(yīng)以及非定域量子相干、多體關(guān)聯(lián)和非線性等效應(yīng)及其由它們所造就的納米粒子和結(jié)構(gòu)的一系列物理特性充分表明，納米體系的出現(xiàn)豐富了凝聚態(tài)物理學(xué)的研究內(nèi)容，并且向凝聚態(tài)物理學(xué)提出了許多新的具有挑戰(zhàn)性的理論課題，為凝聚態(tài)物理學(xué)的發(fā)展和拓展凝聚態(tài)物理學(xué)對自然界的認(rèn)識層次提供了很大的機(jī)遇。隨著對納米科技研究的深入，必將促進(jìn)物理理論的進(jìn)一步發(fā)展和人類對周圍世界認(rèn)識的提高。
3納米材料的應(yīng)用
納米材料研究是目前材料科學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。納米科技被公認(rèn)為是本世紀(jì)最具前途的科學(xué)研究領(lǐng)域它拓寬了人類認(rèn)識自然的范疇，增強(qiáng)了人類觀察自然和改造自然的能力使人類能夠從納米粒子這一基本結(jié)構(gòu)出發(fā)，根據(jù)自己的意愿設(shè)計(jì)出在自然界中本不存在的具有全新功能的新材料，為克服材料科學(xué)研究領(lǐng)域中長期未能解決的問題以及為設(shè)計(jì)具有新功能、新特性的新材料、新器件開辟了新天地，為人類改造自然提供了極大的機(jī)遇。目前納米科技主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：
1)醫(yī)學(xué)、醫(yī)藥和環(huán)保領(lǐng)域:利用納米微粒進(jìn)行了細(xì)胞分離，用純凈的納米粒子進(jìn)行定位病變治療，以減少副作用等。另外，利用納米顆粒作為載體的病變病毒誘導(dǎo)物已經(jīng)已取得了突破性進(jìn)展。研究納米技術(shù)在生命醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，可以在納米尺度上了解生物大分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其與功能的關(guān)系，獲得生命的信息。設(shè)想利用納米技術(shù)制造出分子機(jī)器人，在血液中循環(huán)，對身體各部位進(jìn)行檢測、實(shí)施治療等。使用納米技術(shù)可使藥品生產(chǎn)過程愈來愈精細(xì)，并在納米材料的尺度上直接利用原子、分子的排序制造具有特定功能的藥品。納米材料粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便。如用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體后可以主動(dòng)搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)病灶。利用納米材料制作功能獨(dú)特的納米膜、器件能探測到化學(xué)和生物制劑造成的污染，并能對它們進(jìn)行過濾而消除污染。納米金屬氧化物粒子對生化武器可起到凈化作用，例如，用磁性氧化物做成的散播于空氣中納米粒子，在室溫下可殺死在空氣中散播的耐熱炭疽桿菌擬形體同樣也可以殺死大腸埃舍利希氏桿菌，這對戰(zhàn)場上軍事戰(zhàn)斗人員有極大的好處，可有效地減小生化武器對他們的殺傷力。納米、微米以及介觀多孔介質(zhì)也可用于空氣凈化和滅齋。納米氧化物也可以作為光催化劑在波^385nm的光照射下對污染的空氣、水和物體表面進(jìn)行凈化，圖4所示的納米碳管具有光催化凈化作用。
2)微電子和光電領(lǐng)域：納米電子及光電子學(xué)和技術(shù)立足于最新的物理理論和技術(shù)用全新的技術(shù)來制造新電子和光電子系統(tǒng)，開發(fā)物質(zhì)潛在能力和處理信息的能力，可為信息采集和處理能力帶來革命性變革。倘若用納米材料做電腦芯片和存儲器以及其它電子器件，如開關(guān)、傳輸線等可使電腦體積大為減小。科學(xué)家正利用納米技術(shù)將各種電子器件微型化。V.M.Balzani等人發(fā)現(xiàn)了如圖5所示的目前世界上最小的具有很高靈敏度和效率的開關(guān)一分子開關(guān)。由于納米線和納米管可有效地帶電和載有激子，因而是潛在的納米電子器件和納米光電子器件的基本構(gòu)件，用碳納米管可以做場效應(yīng)和單電子晶體管。Park等人制作了單原子晶體管，觀測到了單原子晶體管中的單電子現(xiàn)象并研究了其中的Coulomb阻塞和Kondo效應(yīng)，為人們提供了另一條用化學(xué)方法制造和設(shè)計(jì)單原子器件及其中的電子態(tài)的途徑，以及在研究納米體系物理特性時(shí)重要的對單原子電子器件的測量手段。納米技術(shù)的發(fā)展，使微電子和光電子的結(jié)合更加緊密，在光電子信息傳輸、儲存、處理、運(yùn)算和顯示等方面，使光電器件的性能大大提高。將納米技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)有雷達(dá)信息處理上，也可以使其能力提高十至幾百倍，甚至可以將超高分辯率納米孔徑雷達(dá)放到衛(wèi)星上進(jìn)行高精度的對地偵察。
3)機(jī)械領(lǐng)域:X對機(jī)械零件的金屬表面用納米粉處理后可以提高機(jī)械零件的耐磨性、硬度和使用壽命。最簡單有趣的分子機(jī)械的傳動(dòng)部件為分子齒輪。圖6是直徑為2nm的作為納米機(jī)械傳動(dòng)部件的納米碳管齒輪，該齒輪的軸是單壁納米碳管，而齒輪的齒部是與納米碳管相結(jié)合的苯分子。
4)陶瓷領(lǐng)域：在傳統(tǒng)陶瓷材料中摻入納米粒子可以克服陶瓷材料的脆性使其能像金屬一樣柔和以便加工。在此技術(shù)的關(guān)鍵是在納米陶瓷燒結(jié)過程中，不能讓納米粒子發(fā)生團(tuán)聚以及有效控制納米粒子的分布和尺度;在經(jīng)濟(jì)上降低納米粒子的生產(chǎn)成本則有望在生產(chǎn)成本不高的條件下改進(jìn)陶瓷材料的力學(xué)性能。研究表明摻納米氧化鈦粒子以及摻納米氧化鋁粒子的陶瓷材料具有很高的延展性,這種特性可以用晶界滑移模型來解釋。
5)化工與紡織領(lǐng)域：大氣中的紫外線的主圖6納米碳管齒輪。齒輪的軸是單壁納米碳管，
要波段是在300至400nm范圍內(nèi)，太陽對人體齒是與納米碳管相結(jié)構(gòu)的苯分子有傷害的紫外線也在此波段。研究表明,納Fig-6Carbonnanotuberbasedgearswithbenzeneteeth.Shaftsare米ZnO、納米TiO2、納米SiO2、納米Al2O3等都對singlrwalled-onn-sandgearteeth^benzene
moleculesbondedontothenanotube此波段中紫外線有吸收。將納米TiO2等粉末按一定的比例摻入到化妝品中，可有效地抵抗紫外輻射。將金屬納米粒子摻到化纖制品或紙張中，又可大大地降低靜電作用。用納米材料制成的多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外線等作用。在合成纖維中添加納米SiO2、納米ZnO、納米SiO2、納米Al2O3和納米FttO3等復(fù)合粉體材料，可得到抗紫外和對人體紅外線有強(qiáng)吸收功能的纖維，這樣既可以屏蔽人體紅外線的輻射，在戰(zhàn)場上起到隱蔽作用，又可提高保暖作用，同時(shí)可以減輕衣服的重量增加戰(zhàn)斗人員的有效負(fù)重能力，在改善和提高我國軍事裝備方面極有應(yīng)用價(jià)值。
6)分子組裝:如何合成有一定尺寸、粒度均勻又無團(tuán)聚的納米材料是需要解決的問題。基于對單原子的操作，可以實(shí)現(xiàn)按意愿對分子組裝。軟化學(xué)和主客體模板化學(xué)方法，以及與超分子化學(xué)相結(jié)合的技術(shù)正在成為分子組裝和裁剪的主要手段。R.W.Wagner等人以六方液晶為模板合成了直徑為1至5nm的CdS納米線。也有人提出采用生物分子和自組裝合成納米晶和納米管。
納米粒子具有特別高的表面區(qū)，因此這些粒子組裝在一起時(shí)就具有很大的界面區(qū)。我們不僅要詳細(xì)了解這些界面的結(jié)構(gòu).而且需要詳細(xì)了解局部的化學(xué)性質(zhì)和納米級構(gòu)件與其環(huán)境之間的隔離效應(yīng)與相互作用，更需要了解納米結(jié)構(gòu)大小的控制、大小分布、組合與組裝。在某些應(yīng)用中，對這些參量有嚴(yán)格的要求，在其他應(yīng)用中，則不太嚴(yán)格，因此必須搞清楚所研制納米材料的特殊性。同時(shí)必須重視由此制得的納米結(jié)構(gòu)材料和器件的熱、化學(xué)、和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性在材料應(yīng)用中是至關(guān)重要的因素。
4結(jié)論
以0.1~100nm長度范圍中的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、特性、現(xiàn)象和應(yīng)用為研究對象的納米科技，為人類在這一小尺度范圍內(nèi)提供了一個(gè)認(rèn)識世界和改造世界的大舞臺。納米體系在維度上的限制使其中的電子態(tài)、元激發(fā)和各種相互作用過程表現(xiàn)出與大塊三維體系十分不同的特性。在納米體系中，表面、量子、非定域量子相干、多體關(guān)聯(lián)和非線性等效應(yīng)都顯得至關(guān)重要，對這些新奇的物理效應(yīng)和特性的研究，必使人們重新認(rèn)識和定義現(xiàn)有的物理理論和規(guī)律，必將導(dǎo)致新物理概念的引入和新物理規(guī)律的建立。納米科技作為一種最具有市場應(yīng)用潛力的新興科技，其重要性和乃至徹底改變?nèi)祟惉F(xiàn)有生活質(zhì)量和方式的巨大潛力是不容置疑的。現(xiàn)在在很多方面已顯端倪。隨著對納米科技研究的深入，必將在本世紀(jì)引起一場新的工業(yè)革命，對人類的生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
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