2．1．3  全面理解内涵，纠正认识误区
    纳米材料不仅仅是颗粒尺寸减小的问题。一些人理解的纳米科技，认为与微米技术相比仅仅是尺寸缩小、精度提高的问题，检验一项技术成产品仅看它是否是纳米量级。判断纳米材料，不仅仅是看是否颗粒在纳米量级，而重要的是型检测它任这一尺寸下，是否发生了与传统材料或宏观物质相比较能的改变或十分显著的提高。纳米尺度和新物性是确定纳米材料的两个必备条件。
纳米材料的颗粒尺寸也应该均匀分市。如果颗粒尺寸分布的范围很广，甚至只有少部分颗粒尺寸在纳米级，材料整体性质就不会有显著变化。
    要全面理解纳米科技的内涵。纳米科技不仅仅是纳米材料的问题，同时应重视纳米器件的研发、纳米尺度的表征与检测，以及纳米基础科学的研究。要想实现纳米技术目标，尚有很多基础科举问题需要解答，如对分子自组装的理解，如何构造纳米器件，复杂纳米结构系统的运作等。只有在物理、化学、材料科学、电子工程学以及其他学科的很多方面得到充分发展的情况下，才能真正形成一项具体的纳米技术。
2．1．4  目前纳米材料的重点研究领域
    1)在纳米层次上，电子和原子的相互作用受到变化的因素。
    2)在纳米层次上，在不改变材料的化学性质的前提下，如何控制物质的磁性、蓄电能力和催化能力等基本特性。
    3)在纳米层次上，如何把人造组件和装配系统放入细胞中，使之与生物机体兼容。这样，人们就有可能进行模拟自然的自行装配，制造出新的纳米材料。
    4)鉴于纳米材料具有很大的表面积，如何使它们成为理想的催化剂和吸收剂，并在释放电能和向人体细胞施药方面发挥作用。
    5)如何利用颗粒非常小、表面不会产生缺陷、具有很高的表面能量的特性，研究制造高强度的复合材料。
2．2  纳米器件
    纳米科技的最终目的是以原子、分子为起点，去制造具有特殊功能的产品。因此，纳米器件的研制和应用水平是进入纳米时代的重要标志。
    以纳米器件制成的计算机，其计算能力可提高数百倍，而所需功率仅为目前的百万分之一；纳米光电子学可能使通信带宽增加百倍；利用纳米技术可使信息存储量成千倍提高(兆兆比特的存储器)。
     目前大规模集成电路的元件，其尺寸大于固态器件电子自由程，电子输运行为具有统计平均性质。描述这些性质的特性主要是宏观物理量，基本上不涉及量子力举理论，即只考虑电子的粒子性，而不考虑波动性。随着技术的不断进步，微电子技术由40年代厘米尺寸的真空管，50年代毫米尺寸的品体管，70年代几十微米尺寸的大规模集成电路，发展到90年代微米尺寸元件的超大规模集成电路。日前已可设计出在只有几平方厘米的硅片上，大约有1亿个三极管，其主要部件的大小为0.18μm、。按此速率，到2010年元件尺寸降到100nm以下，此时，宏观统计规律不再适用，载流子的波动特性及各种量子特性将起主导作用。
   集成度的提高与模具(包括掩模)尺度、光刻波长和材料(如光刻胶)本身等的限制有关。集成度愈高，解决的技术难度愈大，投资也愈多，这在经济上会遇到投资／效益比的极限。趋近极限时，元件制作遇到的主要困难有：
    1)微细导线制作有困难，改用电子束刻蚀也会有生产周期太长的问题；
    2)如果线宽太小，将使构成电路的绝缘层变薄，会发生电子隧穿，破坏绝缘效果，这将限制MOS器件作为开关器件的可能；
    3)靠得紧紧的元件升温和散热问题。
    以上这些是技术方面的困难。从原理上看，新障碍出之于载流子的波动特性和各种效应。发展出路应是利用这些特性和效应，寻找新工作原理的器件作为新一代电子技术的基础。因为这些新器件的尺寸(横向和纵向)都在纳米范围，因此可统称纳米器件，从而把以此为基础的电子学由微电子推向纳电子(Nanoelectronics)。纳电子学有两重意义，一是在现有的电子器件基础上把微电子器件尺寸推进到纳米范畴，另一是发展新原理的纳米器件。
2．3  纳米结构的表征和检测
    为在纳米尺度上研究材料和器件的结构及性能，发现新现象，发展新方法，创造新技术，必须建立纳米尺度的检测与表征手段。这包括在纳米尺度上原位研究各种纳米结构的电、力、磁、光学特性，纳米空间的化学反应过程，物理传输过程，以及研究原子和分子的排列、组装月奇异物性的关系。
应十分重视纳米尺度的表征和检测工作。在当前纳米科技概念中，似乎忽视了纳米尺度的表征和检测。但是，这项工作是纳米科技研究和发展、理论和实验的重型基础。纳米尺度是如此之小，石不见，模不到。没有重要的工具和系统的表征、检测，纳米科技研究只能是一句空话，伪纳米产品也会乘虚而入。

崛起的纳米科学
       纳米科学(NanoSecience)是指人们研究纳米尺度，即100 nm到0.1nm范围之内的物质所具有的特异现象和特异功能的科学，而纳米技术是在此基础之上制造新材料、研究新工艺的方法和手段。纳米科学技术不是某一举科的延伸，也不是某一工艺革新的产物，而是基础理论学科与当代高新技术的结晶。它以物理、化学的微观研究理论为基础，以当代精密仪器和先进的分析技术为手段，是一个内容广阔的崭新的高科技多华科群。按照目前的研究领域纳米科学大致可以分为纳米物理学、纳米电子学、纳米光子学、纳米材料学、纳米医学、纳米生物学、纳米生物电子学、纳米制造学、纳米光学、纳米动力学、纳米化学、纳米光电子举、纳米摩擦学、纳米机械学、纳米磁学、纳米计量学、纳米地质天文学、纳米测量学、纳米显微学、飞秒纳米光子学、纳米信息学、纳米微电子学、分子电子学、介观物理学和纳米药物学等，是一门基础研究与应用探索相融合的新兴科学技术。而其中的每一门又都是跨学科的边缘科学。
    纳米技术作为一门新兴的综合性边缘学科，将为21世纪的信息科学、生命科学、分子生物牧、生态科学和材料学的发展提供一个全新的技术界面。应用纳米科学技术可以引发环保、微电子、光屯子、工业、医学、生物、军事、能源等诸多领域的革命，并导致自然物质、社会组织、人类生活入式的变革。纳米材料涵盖了新科学、新技术、现代科学与技术的丰富内容。回顾科技的发展历史可见，每一顶至大技术的出现都推动着社会经济的腾飞。蒸汽机的出现使得人们告别了手上作坊而进入蒸汽时代，爆发了第一次工业革命。电的发明使整个世界亮起来，
又爆发了第二次工业革命。晶体管的发明导致了电脑和网络的出现，使人类进入了信息时代，把整个世界坐成了“地球村”。纳米科技的出现又彻底改变人们的生存方式和整个世界。在21世纪，纳米科学技术将对世界人民的健康、财富和安全产生重大影响。因此，近年来世界各国包括我国均把纳术科技列为重要的开发领域。这里仅概述纳米科学的现状的发展。
    纳米科举技术正式“外宗立派”是在1990年。这一年，美国成功地举行广第一届纳米科技大会，并且正式创办了《纳米技术》杂志。虽然纳米科学技术出现的时间不长，但是它带来的冲击是明显的，越来越多的科举家相信，这门新兴的学科将带来一轮新的革命，人们将会迈入一个奇妙的世界。
l  纳米科学概述
1．1  纳米电子学
    纳米电子学是微电子技术向纵深发展的直接结果。现代集成电路的生产使用的是一种叫做平面处理的工艺过程。由于这种方法需要在涂有光刻胶的基片上进行曝光，所以这种方法的分辨率受到可见光波氏的限制。分辨率越高，集成器件的密度越大，集成电路的功能也就越强。目前，最好的光刻机已接近最高分辨率，也就是大约O.12μm。因此，如果在制作工艺上没有重大的突破，集成电路即将走向历史的终点。纳米电子学就是在这一背景下诞生。
    纳米电子举的主题有两个，一是开发具有纳米量级分辨率的工艺以取代现有集成电路生产工艺，二是研究纳米器件的运行规律。因为在纳米尺度上，经典电子器件运行的理论基础已经不再适用，必须考虑量子效应的影响，建立新的理论，为新一代计算机的实现打下基础。
    包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光／电性质、纳米电子材料的表征，以及原子操纵和原子组装等。如现有的硅和砷化镓器件的响应速度最高只能达到10-12s，功耗最低只能降至1μW。而量子器件在响应速度和功耗方面可以比这个数据优化l 000倍—10 000倍。由于器件尺寸为纳米级，集成度大幅度提高，同时还具有器件结构简单、可靠性强、成本低等诸多优点。因此，纳米电子学的发展，可能会在电子领域中引起一次新的电子技术革命，从而把电子上业技术推问更高的发展阶段。
    迄今为止，作为电子器件只利用了电子波粒二象性的粒子性，其次，各种传统电子元器件部是通过控制电子数量来实现信息处理的。随着集成度的提高，功耗、速度成为严重的问题。现有的肢和砷化嫁器件无论怎样改进，其响应速度最高只能达到10-12s，功耗最低只能降到1μW。
利用电子的量子效应原理制作的器件称为量子器件或纳米器件，也叫单电子器件晶体管。在量子器件中，只要控制一个电子的行为即可完成特定的功能，即量子器件不单纯通过控制电子数目的多少，主要是通过控制波动的相位来实现某种功能的。因此，量子器件具有更高的响应速度和更低的功能，从根本上解决日益严重的功耗问题。
要实现量子效应，在工艺上要实施制作厚度和宽度都只有几纳米到几十纳米的微小导电区域(称为势阱)。这样，当电子被关闭在此纳米导电区域中时，才有可能产生量子效应。这也是制作量子器件的关键所在。
    如果制作苦干纳米级导电区域之间形成薄薄的势垒区，由于屯子的波动件质，可以从某势阱芽越势垒进入另一势阱，这就是量子隧道效应。
    势阱中形成电子能级，当电子受激励时，将从低能级跃迁到高能级，而当电子从高能级向低能级弛豫时，会发射一定颜色的光。这样一些量子效应在纳米技术中将得到有效的应用。制作量子势阱的方法有分子束外延(MBE)、原子层外延(ALE)、等离子体增强化学汽相淀积(PECVD)和金属有机化学汽相淀积(MOCVD)等方法。
    所以，纳米技术是指在0.1nm，—100 nm尺度空间内，研究电子、原子和分子运动规律和特性的高新技术学科，它的最终目标是人类按照白己的意志直接操纵单个原子，制造具有特定功能的产品，它包括纳米电子学、纳米物理学、纳米材料学、纳米机械学、纳米制造学、纳米生物学、纳米显微学和纳米计量学等。它是现代物理举与先进工程技术相结合的基础上诞生的，是一门基础研究与应用探索紧密联系的新则科学技术。
1．2  纳米物理学
纳米物理学是深入揭示物质在纳米空间的物理过程和物质表征的新型科学。它已以纳米固体为研究对象，对其结构的奇异性、光学性质、特殊的导电机理等重要物理问题进行研究，以开发物质的潜在信息和结构潜力，并将对电子技术产生重大影响。
    纳米材料具有许多奇异性能，已广为人知。只要控制材料结构颗粒的大小，就能制造出强度、颜色和可塑性都能满足要求的纳米相材料来，它具有很大的商业价值。据英刊报道，目前已制成一种尺寸只有4nm的复杂分子，它具有“开”和“关”的特性，可由激光驱动。它的开关时间很短，因此为光计算机的研制提供了物质与技术基础，超细颗粒铁表面覆盖一层5nm到20nm厚的聚合物，可以固定大量蛋白质或酶，在控制生物反应和酶工程中将起重要作用。
1．3  制造微型装置的纳米机械学
    现在工程师们已用极小的部件组装成了一辆只有米粒大小、能够运转的汽车，直径只有1nm—2nm的静电发动机，体积只有普通机床的1／10000，能够转动的车床，只有黄蜂大小且能升空的直升机，肉眼几乎看不见的发动机等。纳米机械学的发展可以在硅片上刻写仅几个纳米宽的线条，表明信息存储密度可提高几个数量级。
1．4  探索纳米科技的有力工具——纳米显微学
    IBM公司苏黎世研究所的Bining G和Bohrer H于1981年发明的扫描隧道显微镜(SIM)，可以实时测量物体表面的空间三维图象。其测量分辨率在平行和垂直于表面方向分别为0.1nm和0.01nm。这就可以实现人类长期以来所追求的直接观察原子真面目的原型。利用SIM还可以刻划纳米级微细线条，移动原子。因此，它已成为研究纳米科学技术的有力工具。
1 .5  纳米生物学中最具有诱惑力的纳米机器人
    第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，它可进入人体的血管里，清除心脏动脉脂肪淀积物，杀灭病毒和癌细胞。第二代纳米机器人是直接由原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置。第三代纳米机器人将包含有纳米计算机的装置，它可能在1秒钟内完成数十亿次操作。
1．6  纳米医学和生物学
    从蛋白质、DNA、RNA到病毒，都在1nm—100 nm的尺度范围，从而纳米结构也是生命现象中基本的东西。细胞中的细胞器和其它的结构单元都是执行某种功能的“纳米机械”，细胞就象一个个“纳米车间”，植物中的光合作用等都是“纳米工厂”的典型例子。遗传基因序列的自组装排列做到了原子级的结构精确，神经系统的信息传递和反馈等都是纳米科技的完美典范。生物合成和生物过程已成为启发和制造新的纳米结构的源泉，研究人员正效法生物特性来实现技术上的纳米级控制和操纵。
    纳米微粒的尺寸常常比生物体内的细胞、红血球还要小，这就为医学研究提供了新的契机。日前已得到较好应用的实例有：利用纳米Siq微粒实现细胞分离的技术，纳米微粒特别是纳米金(Au)粒子的细胞内部染色，表面包覆磁性纳米微粒的新型药物或抗体进行局部定向治疗等。
    正在研制的生物芯片包括细胞芯片、蛋白质芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等，都具有集成、并行和快速检测的优点，已成为纳米生物工程的前沿科技。将直接应用于临床诊断、药物开发和人类遗传诊断。植入人体后可使人们随时随地都可享受医疗，而且．可在动态检测中发现疾病的先兆信息，使早期诊断和预防成为可能。
    纳米生物材料也可以分为两类。一类是适合于生物体内的纳米材料，如各式纳米传感器，用于疾病的早期诊断、监测和治疗。各式纳米机械系统可以快速地辨别病区所在，并定向地将药物注入病区而不伤害正常的组织或清除心脑血管中的血栓、脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。另一类是利用生物分子的活性而研制的纳米材料，它们可以不被用于生物体，而被用于其它纳米技术或微制造。
1．7  纳米光学
    纳米光学是纳米科学和纳米技术的新方向，它使用的光限定在尺寸(为波长)或体积内。它应用激光与原子、分子、团簇和纳米结构的线性或非线性、经典或量子相互作用的新的改型的已知效应。这一领域的实际发展以激光和可将光局限在极小尺寸的亚微米结构(纳米孔、纳米缝、
纳米针等)的纳米技术为基础。
    纳米光学具有以下基本特点。
    1)为了以纳米空间分辨率研究物质的结构，激光能够非常强烈地局域化，但能保持光学特征的光谱选择性。
    2)与自由空间情况相LL，纳米结构处的物质(原子、分子等)对局域化光的响应有显著变化。
1．8  纳米生物学
    纳米生物学是以纳米尺度研究细胞内部各种细胞的结构和功能、研究细胞内部、细胞内外之间以及整个牛物体的物质、能量和信息文换。纳米牛物学的研究集中在下列方面。
    1)遗传物质DNA的研究  这方面的研究在形貌观察、特性研究和基因改造二个方面有不少进展。
    2)脑功能的研究工作目标是弄清人类记忆、思维、语言和学习这些高级神经功能和人脑的信息处理。
    3)仿生学研究  这也是纳米生物学的热门研究内容，近年：取得不少成果，是纳米技术中有希望获得突破件巨大成果的部分。
    世界上最小的马达是一种牛物马达——鞭毛马达。它是细菌的运动器官，能象螺旋桨那样旋转驱动鞭毛旋转。该马达通常由10种以上的蛋白质群体组成，共构造如人造马达，由相当的定子、转子、轴承、万向接头组成。它的直径只有30nm，转速可以高达15000 r／min，可在1μs 内进行右转或左转的相互切换。利用外部电场可实现加速或减速，转动的动力源，是细菌内支撑马达的薄膜内外的氢氧离子浓度差。实验证明，细菌体内外的电位差也可．驱动鞭毛马达。现在人们正在探索设计一种能用电位差驱动的人造鞭毛马达驱动器。
    日本三菱公司已开发出一种能模拟人眼处理视觉形象功能的视网膜芯片。该芯片以坤化镓半导体作为基片，每个芯片内含4096个传感元，可望进一步用于机器人。
    有人提出制作类似环和杆那样的分子机械，把它们装配起来构成计算机的线路单元。单元尺寸仅1nm，可组装成超小计算机，仅有数微米大小，就能达到现在常用计算机的同等性能
    4)纳米结构自组装的研究  复杂微型机电系统制造中，很大的难题是系统中各部件的组装。系统愈先进、愈复杂，组装的问题也愈难解决。自然界各种生物、生物体内的蛋白质、DNA、细胞等都是极为复杂的结构。他们的生成组装都是自动进行的。如能了解并控制生物大分子的自组装原理，人类村自然界的认识和改造必然会上升到一个全新的更高的水平。
纳米结构自组装技术的发展，将会使纳米机械、纳米机电系统和纳米生物学产生突破性的飞跃。
1．9  纳米光电子学
    光电子技术正向光电子集成，进而将向纳米光电子集成方向发展。纳米光电子学是纳米半导体材料的基础上发展起来的，是纳米电子学发展的入向。纳米光屯子举是研究纳米结构中电子与光子的相互作用及其器件的一门高技术学科。光电子技术与纳米电子技术相结合而产生纳米光电子技术。上导体硅不能发光，但采用纳米技术后，它能发出耀眼的蓝光，这山就开拓出了一门崭新的学科——纳米光电子学。
    在纳米科技时代，纳米电子学和纳米光电子学是纳米科技发展的重点。人们正注视着纳米电子学和纳米光电子学领域的新进展。
2  结论
    在以上介绍的纳米科学中，纳米电子学、纳米光电子学和纳米光电子是纳米技术的重要组成部分，是传统微电子学、光电子发展的必然结果，足纳米技术发展的主要动力。纳米电子学在传统的间体电子学基础上，借助最新的物理论和最先进的工艺手段，按照全新的概念构造电子器件与系统、纳米电子学在更深层次上开发物质潜在的信息和结构的能力，使单位体积物质储存和处理信息的能力提高100万倍以上。实现信息采集和处理能力的革命性突破。纳米电子学与光电子学、光子学、生物学、机械学、工艺学等学科结合，可以削成光电子，

器件、分子器件、光子器件、微电子机械系统(MEM5)微纳米电子机械系统(MNEM5)、微光电机械系统(M()EMS)微型机器人、纳米卫星等，将对人类的生产和生活方式产革命性的影响。纳米电子学，纳米光电子学和纳米光子学将成为21世纪信息时代的关键技术。


纳米科学、工程与技术进展简介
l  纳米科学、工程与技术
    1996年—1998年，美国Roco、Siegel、Coch等8人考察了全世界纳米科学技术的研究状态后，在美国政府纳米网站上发表了4份报告。从而促进了全世界纳米科学技术研究热潮。2002年，美国科学技术委员会纳米科学工程与技术分会主席Roco总结了国家纳米技术创新计划执行情况，并对今后的纳米科学工程技术的发展进行厂展望。其中最引人注目的提法是“纳米科学与技术”转变为“纳米科学、工程与技术”，将纳米工程与科学技术并列，体现了美国对纳米工程的重视。
2纳米材料的定义
    任何至少含有一维小于100nm或出小于100nm的基本单元(Building Blocks)组成的材料称作纳米材料。近年来，纳米材料的基本单位的尺寸。有大幅降低的趋势，例如在Coeh 2002年主编的《纳米材料》中，基本单元的典型尺寸小于50nm，而citcr在2000认为纳米材料基本单元的典型尺寸应在1nm—10 nm之间。
    纳米材料亦可定义为具有纳米结构的材料。纳米结构(Nanostructure)是一种显微组织结构。纳米结构的基本特性是由量子效应所决定的。
3  纳米材料的基本效应
    尺寸效应足纳米材料的最基本效应，纳米材料的许多性能都与尺寸相关。尺寸效应的基础是量子效应和表面(或界面)效应。
3．1  量子效应
    所谓量子效应是屯子的能量被量子化，电子的运动受到约束。随着金属尺寸的减小，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低木被占据分子轨道，能隙变宽的现象均称为量子效应。出现量子效应的判据足Eg＞KBT，其中Eg为能隙，KBT为热起伏能。对于金属纳米材料，由于费米面附近的能隙很小，只有当其颗粒或晶粒非常小时(约几纳米)才会产生明显的量子效应。对于半导体材料，出现量子效应的尺寸要比金属粒子的尺寸大得多。
3．2  界面效应
    纳米晶体材料中含有大量晶界。例如，对于尺寸为5nm的晶粒，大约有50％的原子处于晶粒最表面的一层平面(原子平面)和第二层平面；对于晶粒为10nrn，品界宽为1.0nm的材料，大约有25％的原子位于晶界；对于尺寸为20nm的品晶粒，大约有10％的原子位于晶界。由于大量原子存在于晶界和局部的原子结构不同于大块晶体材料，必将使面的自由能增加，同时使材料的宏观性能如机械变形发生变化。
4  纳米材料的电子结构
    2001年，G1eiter等人指出，通过外加电场和控制纳米结构及成分，可改变纳米固体的电子结构(即载荷子的密度)及相关的性能。当两种具有不同成分和结构的纳米晶粒组成复合纳米材料时，由于各组元具有不同的化学位，可在晶界引发空间电荷(SPaceChargc)，或在外加电场作用下引发空间电荷，在晶界形成空间电荷区。由于晶界的空间电荷区局部偏离电中性；因此，当晶界占据相当大的体积分数时，将导致局部物理性能发生变化，从而影响材料的整体性能。特别是当晶粒在几个nm的数量级时，这种性能变化将更加明显。因此，纳米材料为人们提供了可调控其电子结构和相关性能的途径。
    通过调节电压，可在单质的Cu、Ag、Au等金属的界面电荷区注入和移走18％的导电电子。对于半导体材料，在空间电荷区载流子的密度在1022—l025炉范围内变化，变化范围为3个数量级。因此，利用外加电场的变化可调节纳米材料的电子结构。
  关于1990年以后纳米材料和科技的发展可参考美国国家技术委员会纳米科学技术分会主席Roco MC 2002年在美国NSF讨论会上发表的以下观点。
    1)  1990年—2001年为第一发展阶段，其标志是在镀层、纳米粒子和块体纳米结构材料中的被动的纳米结构。
  2)2001年—2005年为第二发展阶段，其标志是主动的(Active)纳米结构，如晶体管、传动操作机沟、自适应结构等。
  3)2005年—2010年为第三发展阶段，即三维纳米系统，这种三维纳米系统具有非均质的纳米构件，可用多种技术进行人工组装。
  4)2010年后为第四阶段，分子纳米系统阶段。
  以上提法主要从工业和商业角度考虑。随着科学和技术的进步，上述各阶段的许多日标在实验室已提前实现。例如，原预言2005年出现的单电子晶体管，旱已在许多实验室研制成功，其工作温度可接近室温，DNA的组装、生物芯片都已进入实用阶段。
5  解决自组装和制备模版随机性的技术方向为电表学术论



论我国纳米技术发展的知识产权保护

    充满生机的21世纪，以知识经济为主旋律和推动力，正引发一场新的工业革命。这场技术革命，在很大程度上可以说是一场宏观到微观的革命。高科技产业如航空航天、信息技术、生物技术和新能源都面临着新的挑战。如果没有与传统宏观技术根本不同的新技术、新材料，众多高科技产业就无法登上新的台阶。纳米技术在各个领域的逐步切入，给这些产业的发展带来了新的机遇，在促使其他产业变革的同时纳米技术也正迅速形成自己的产业。科学家普遍认为，纳米技术将成为21世纪经济发展的发动机。据美国全国科学基金会预测，未来10年，全球纳米技术市场规模将达到约10000亿美元。而根据德国科技部的预期，到2010年，纳米技术市场的交贸额将达到14000亿美元，纳米技术对社会发展、经济繁荣、国家安全和人类生活质量的提高所产生的影响将是无法估量的，而且也已成为影响各国经济发展和国家实力的重要因素。
    为了在新一轮的竞争中争夺科技战略制高点，美国、日本以及一些欧洲发达国家政府不惜重金投入，纷纷对纳米技术的研究发展给予了极大的支持，向时还制定了名目繁多、卓有成效的商标、专利战略等知识产权战略，促进纳米技术的发展。
    作为一种全新的技术，全世界纳米技术的研究开发几乎同时起步，我国科研单位和企业从一开始就不得不直接面对来自国际市场的竞争和挑战。随着我国加入WTO以及经济全球化和贸易自由化进程的加快，关税答国家间的贸易垒率被逐渐打破，世界经济的竞争已经渐渐从资金、资源和劳动力等有形资产的竞争向知识产权的竞争转化。
    我国是发展小国家，资金实力和研发设施等硬件条件与美、日、欧发达国家相比差距悬殊c但纳米技术作为2l世纪的至大技术，各国纳米技术发展水平的差距将有可能根本性地改变世界各国力量对比格局。我们必须抓紧这一难得的机遇，在加大纳米技术开发力度的问时，用知识卢校制度为纳米技术的发展保留护航，在新一轮的国际经济竞争中抢人战略制高点。
    纳米企业具有明显的国际化特点，在企业的技术开发、生产、销售、国内外投资与合作等各个环节，均会与国际相关机构发生广泛的接触和交流合作，知识作为二种资产，在纳米企业中其作用远远超过劳动力、货巾、资产、原材料和能源等传统的生产要素。综观国内的纳米企业，起尔较晚，大多为生产纳米粉体材料的中小企业，资金来源主要足民间资本投入，实力薄弱。企业发展初期争取国际市场靠的是产品质量和成本优势，不注重也没有能力进行知识产权管理。 面对国外同类企业愈演愈烈的知识产权攻势，要使企业在激烈的市场竞争中处于优势地位，增强企业持续发展的能力，当务之急是构建企业知识产权战略。
1  建立知识产权管理制度，将知识产权作为企业各项工作的首要任务。建立知识产权管理部门，专门负责公司的知识产权事务管理。高度重视各种与知识产权相关的工作
1．1  专利管理
    企业应将专利管理工作贯穿到产品管理的全过程，专利管理的内容，包括专利调皮、专利申请、专利维护、专利保护、年利运用等方面。
    1)专利查新  在技术开发和立项前进行充分的专利查新，保证企业所开发的技术符合专利创新性、先进性和实用性的要求，以免企业投入大景研发费用和人力所开发出的技术和产品不具有可专利性而造成的损失。
    2)申请专利  对于企业拥有的技术，应根据具体情况决定是否中请专利；是申请同国内专利还是国际专利；是在技术完全成熟的情况下中请专利，还是在研发过程就申请专利；是中请发明专利，还是申请实用新型专利等。
    3)专利侵权调查  专利侵权调音的内容，包括企业实施的技术是否侵犯他人的知识产权、企业自身的知识产权是否被侵犯。
    4)专利运用  专利运用的好坏是评价整个专利管理水平最需要的一个环节。企业可以通过专利技术的实施、专利转让、专利许可、专利入股等形式，利用企业拥有的专利产生最大的效益，获取利润。反之，如果企业拥有专利而不能有效利用，不但损失了大量的前期研发费用，还会因为高昂的专利维护费用给企业造成额外的负担。
1．2  技术开发和贸易过程中的知识产权协议、商业谈判过程中有关技术和知识产权方面的管理
     企业应高度重视与国内外合作伙伴交流过程中的知识产权保护，及时签定知识产权协议和保密协议，确保自身的合法权益。
    商业谈判和商务合作过程由于涉及到大量与企业知识产权相关的信息，如果不注意保护，容易造成企业知识产权的流失。目前国内纳米企业普遍规模较小，缺乏国际商务运作经验，在与国内外客商合作交流的过程中，对涉及到技术文件传递、产品售前售后服务、厂房和实验场所参观等工作，应提前与合作对方签定有效的相互保密协议。由于各国法律规定有较大差异，加之部分普通法系国家的法律体系与我国法律体系有很大的差别，企业与国外公司合作时，应提前向专业法律人士咨询，充分了解对方国家相关的法律规定，在可能的条件下，要求对方按照我国的法律规定或双方认—的国际惯例签定保密协议。
1．3  世界范围内的商标申请及管理
    企业名称、标记和商标是企业的一份重要的无形资产，是企业良好业绩和声誉的结晶。由于商标注册费用低于专利申请费用，企业根据商业发展战略进行全球性注册，以寻求行为的法律保护。在企业合资的过程中，企业名称、你记和商标等无形资产都可视为一份重要的资产投入。
    企业要建立商标管理机构，制定利3完善商标管理制度，努力做好品牌战略日标的制定和实施、商标设计和注册、商你的使用和管理、商标内我保护和法律保护、聘请商标法律顾问或商标代理人等。只有这样，才能使商标工作落到实处，为培育和创立驰名商标打下坚实基础。
    1)对特点鲜明、个性强烈的商标要及时注册，同时还应实行防御商标、联合商标和立体商标的战晚尽可能地扩大商标权的保护范围。
  2)应加强对商标的宣传，积极创立驰名商标。驰名商标是企业比最重要的无形资产，其价值甚至超过有形资产。广告宣传是创立驰名商标非常重要的环节。企业应根据市场开发的需要，有针对性地选择不同国家和不同区域的媒体开展宣传工作。
  3)应高度重视产品质量，加强企业内部商标管理。成功的商标代表可靠的质量、优良的服务、先进的技术等信息。所以，提高商标信誉是维护和建立企业形象的关键，这一关键的核心内容首先是保证和提高商品的质量。因此，企业必须树立良好的质量意识，坚持质量标准，严格质量监督，创立和保护商标的永久信誉。
1．4  加强雇佣劳动过程中有关保密和不正当竞争等的知识产权管理，建立员工发明奖励制度
  技术秘密是南新技术企业生存和发展的根本，特别是国内很多纳米企业发展之初，没有来得及申请专利，企业关键技术主要以技术秘密(KnoW—How)的形式进行保护。对纳米材料生产企业来讲，关键技术往往由一组配方和配套工艺流程构成，而这些关键技术又往往被控制存个别主要技术人员手中。由于目前大多数纳米企业成育时间短，企业规模小，员工的稳定度往往不高，员工流动性强，企业的关键技术很容易被原有员工带走，并随之与企业展开正面竞争，从而对企业的生存和发展造成巨大威胁。因此，企业应高度重视保密工作，与员工签订知识产权保密协议，对有突出贡献的员工给予奖励，营造良好的企业文化。这样，对内可增烛员工归属感，对外则可使企业树立良好的商业形象，有效预防技术秘密的流失。
1．5  开展知识产权的宣传和培训工作
  企业应将知识产权的宣传和培训成一项常规工作来抓，加强企业全员的知识产权意识，保障企业经营运作各个环节的知识产权管理能有效进行。
2积极申请专利
  外国企业和个人对知识产权保护非常重视，很多美国和日本的纳米企业已都只停留在应用基础研究阶段，而是申请大量专利，抢占战略制高点。例如，全球最大的碳纳米管制造商美国UyPcnCdtalystlnc拥有碳纳米管产品、生产技术和应用方面美国及国际专利共358项以垄断了自1982年以来美国、日本的碳纳米管市场；成立于2001年的全球最大的单壁碳纳米管生产企业Ca onNanotechn010gieslnc美国Rice大学合作，在美国政府的资助下共拥有单壁碳纳米管生产及应用技术相关美国及国际专利90项以上，几乎覆盖了瞻前已知的大部分单壁碳纳米管的应用领域。他们依靠其雄厚的资金和技术实力，实行垄断策略，大范围申请本国和国际专利，从纳米原材料的生产到应用，几乎无所不及。其目的不仅仅是为了转让技术，还为了获得些垄断迫使用或销售其产品的权利，夺取本领域的霸主地位。
    比较而言，国内企业对知识产权的重视程度往往较弱。根据国家知识产权局专利数据降的检索结果，截止日前，已经公布外的：专利小，涉及纳米技术领域的专利共4016项，其中国内而等院校以及研究院所申请的专利共1444条，占36％，企业申请的专利父335条，不足10％。以碳纳米管为例，共检索到相关专利219项，其小由因内企业申请的专利仅有1项，其他分别是韩国共申请28项，日本共申请20项，美国共申请7项，剩余部分主要是国内大学和研究院所申请的专利。
    可见目前国内纳米技术相关年利主要集中在一些高等院校和研究院所，而且国外相关企业和研究单位向我国申请的专利数近年迅速递增。反观国内纳米企业由于技术和资金等各方向的限制，拥有纳米技术专利的企业很少。
    值得注意的是、纳米技术发展仍处于早期研究开发阶段，从以上统计数据可以看出，与其他高新技术不同的是，国外的企业还没有来得及大面积地在我国申请纳米技术和纳米材料相关专利。在这种情况下，我们国内纳米企业上述尽可能多、尽可能快地申请专利，特别足一些从基础专利，抢占本领域的竞争优势地位。
此外，企业还可通过年利许可、专利转让等多种灵活的合作方式充分利用国内研究单位已有的专利技术，缩短研究开发的周期，从而以较低的成本形成企业内土知识产权。
3．应用多种知识产权保护及发展战略相结合的策略，避免由于高昂的专利申请费用和研发费用阻碍企业发展
    由于专利具有很强的地域性，如果一项发明只在中国申请专利，那么该发明在其他国家则不受法律保护，人们可以无偿使用，也就是将自己的发明无偿地“奉献”给了世界

各地。在世界经济一体化日益深化的情况下，要保护自身的知识产权不受侵犯，就必须要拥有国际专利。目前在国内申请l项专利，约需花费3000元左右人民币；但若申请国际专利，l项专利在国外30多个国家申请下来，需花费6万美元，其中主要的花费是在一些发达国家。如在日本申请1项专利须缴纳2万美元，美国1.7万美元，欧盟(不包括英国)2万美元。而且，在向每个国家申请专利之前，必须向国际专利条约组织(PCT)提出申请，待该组织向所有成员国发出通知，才能获得专利申请的优先权。此项服务收费也不低，每申请1项专利需收费1.2万人民币。
    国内纳米企业的大多数项目的发展仍处于中试或研发阶段，离产业化还有相当一段时间，企业普遍未能赢利，而且大多数企业资金来源主要为民间资本，实力有限。在这种情况下，首要考虑的问题只能是生存问题，不少企业没有长期的规划，只能边走边看，走一步算一步，难以也不可能负掘高昂的专利申请费用。因此，企业必须学会应用多种知识产权保护及发展战略相结合的策略，才能在日益激烈的国际竞争中夺取优势地位。
3．1  专利和专有技术相结合
    对自己开发的专有技术，采取专利和技术秘密相结合保护的原则。对那些易被仿造和绕过权利要求的技术，以及隐含在设备内部，难以发现侵权行为的技术，可考虑采用技术秘密的形式进行保护。
3．2  巧用专利优先权
优先权是《保护工业产权巴黎公约》规定的一种权力，即在申请专利时，各缔约同要互相承认对方国家国民的优先权。当申请人在一个缔约国提出申请专利时，申请人有权要求将第一次提出申请的日期作为后来再就同一主题申请专利的日期。   
根据PCT(专利合作条约Patent Co，Pcmti，nTrcatY)的规定，申请人只要在12个月优先权期满之前，用一种语言，花费相对来说较少的钱，提交一份国际申请，就能在100多个PCT成员因取得申请日，从而可将作出最终希望申请哪些国家专利的决定的时间最长延长至白优先权日起30个月的时间。PCT申请还可使申请人在国际中请阶段就收到国际检索报告和国际初步审查报告，对其发明创造的专利性、授权可能性有进一步的了解。同时，市场、技术发展情况也可能史清晰了，申请人可以有的放矢地选择和决定是否进入其它国家申请，处决策失误的可能性大大降低。
    另外，对一些缔约园(含中国)的个人申请人可享受国际局费用75％的减免。这样，一份国际专利申请大约只需花费1万元左右就可以获得30个月缓冲期。企业可以在内获得优先权U起30个月内，决定是否进入具体国家的专利申请，大大节约了专利申请和审查费用，同时也使企业的知识产权保护获得了有力的法律保障。
3．3  及时公开技术
    对一些对企业自身没打商业价值，同时自已准备申请专利保护的专有技术，为了防止竞争对于在该领域的垄断，企业可以通过在国内外相关刊物上发表文章或通过其他相关途径及时公开该技术，从而达到促进下游产品应用，提高本企业产品市场销售员的口的。
3．4  结成技术联盟
    纳米技术研究开发成本高昂，以纳米材料检测的必要设备透射电镜为例，不但其本身购置费用局，达几十到上百万元，而且维护费用也非常惊人，一般企业没有能力购货这种贵重仪器设备。纳米企业应广泛联合各种社会资源，加强产、学、研结合，充分利用其他企业和研究单他的知识资源，进而互相利用对入的技术资源，必然成为纳米企业取得经营优势的一种可行方案。
       实证研究表明，企业显然对于接近市场的活动，如财务、市场等方面的合作愿望比较低，似在研究和开发方面，有近1／3的企业有强烈的合作愿望，因此企业对于自己拥有的知识资源，可采取交叉许可、技术互换、共享资源等方式进行合作，从而形成新的技术资源，获得新的、在独自经营和开发的情况下不可能获得的知识产权。
如上所述，国内纳米企业规模小，资金实力不足，相比较而言，在竞争日益激烈的今天，战略联盟比单独研究、完全依赖自身资源进行经营的公司往往具有更强大的竞争优势。知识联盟对于知识产权战略的实施有重要意义。
3．5  标准战略与知识产权战略紧密结台
  技术标准是另外一种市场保护的形式。越来越多的跨国企业使用技术标准的手段来占领市场。一旦企业掌握的专利等知识产权上升为行业标准、国家标准，乃至国际标准，它就占据了绝对的竞争优势。
  由于纳米材料是一种全新的材料，大部分领域至今还没有统一的行业标准、国家标准和国际标准，企业生产往往没有规范可循。由于各个企业生产工艺和产品标准不一，消费者在选购相关产品时缺乏可借鉴的技术参数，市场秩序混乱。纳米企业在发展初期就应将标准战略作为企业知识产权保护的一种重要的手段，积极争取参与制定行业标准或更高一级的国家标准和国际标准，掌握竞争的主动权。
    总之，纳米企业应高度重视知识产权保护，将其作为企业的“生命线”，并制定相应的发展策略和实施方案，以市场收益为中心确定采用何种知识产权保护方法，形成自主的知识产权，使企业能够立足中国市场、参与国际市场竞争，不断扩大市场份额。
  发达国家纳米科技研究水平和部署情况
3．1  发达国家纳米科技水平
    美国：在纳米结构组装体系、高比表面纳米颗粒制备与合成、纳米生物学等方面处于领先水平；
欧共体；在纳米器件、纳米仪器、超精度工程、陶瓷和其它结构材料方面处于领先地位；
    德国：在分子电子学技术、纳米材料、纳米测量技术、超薄膜的研发方面有很强的优势；
    日本：在纳米器件和复合纳米结构方面有较强的实力。
3．2  发达国家对纳米科技的部署
    为争夺在纳米技术领域的领先地位，发达国家纷纷实施纳米科技研发计划，主要战略是：
    1)以未来经济发展和国家安全的需求为目标，推动纳米科技领域的基础研究、应用研究和开发研究；
    2)组织多学科研究人员共同创新，使基础研究、应用研究和开发研究协调发展，并重视它们之间的内在衔接；
    3)重视利用纳米技术和纳米材料改造传统产业和产品，提高技术含量和生产能力；
    4)确保人力、财力、物力，加大投资力度。
3.2.1 美国的部署
美国早在1991年就制定了研究计划，把纳米科技列入“国家关键技术” 和“2005年的战略技术”。2000年2月，政府启动国家纳米科技计划，在200l财政年度中政府将投人4.22亿美元，2002财政年度拨款增加50％以上。
  其计划实施的根据：
  1)纳米科技的科研和工业化的应用将进一步促进美国经济的发展；
  2)为美国培养新世纪的技术人才；
  3)增强美国国际科技竞争力；
  4)节约能源，保证美国未来的可持续发展；
  5)纳米技术是开发未来微型武器的技术基础，是国防工业的未来。
    参与这项计划的机构有国家科学基金会(NSF)、国防部(DOD)、能源部(DOE)、国立卫生研究院(NIH)、国家航空航天局(NASA)、商务部(DOC)和国家技术标准研究所(NIST)。
    前美国总统克林顿在2000年1月有这样一番话：“纳米技术能在原子和分子水平上操纵物质。想一下这样的可能性：强度为钢10倍的材料而重量只有钢的一小部分；可以把国会图书馆的所有信息压缩进一个只有一块方糖大小的器件中；能检测出只有几个细胞大小的肿瘤。有些目标可能在20年后才能实现，但这正是联邦政府应该承担的重要责任。”
可见美国政府对纳米科技的熟知和重视。
3．2．2  其他发达国家的部署
   日本：从1991年开始实施为期10年、耗资2.25亿美元的纳米技术研究计划。除继续推动这项计划外，每年投资2亿美元推动新的国家计划和新的研究中心的建设。经济产业省的“纳米材料计划” 已有钢铁、有色金属和化学等60家企业参加。80家大企业中，有大约40％的企业设置了专门机构。欧盟：制定了《欧洲联合幻影计划(19N—19D)》和《微电子先进研究计划(19D—20帕)》等。
   德国：拟建立或改组6个政府与企业联合的纳米研发中心，并启动国家级纳米研究计划。
   法国：投资8亿法郎建立一个占地8公顷、建筑面积为6万平方米、拥有3500人的微米与纳米技术发明中心，配备最先进的仪器设备和超净实验室，成立微米纳米技术之家，专门负责申请专利和帮助研究人员建立创新企业。
4  我国纳米科技的发展情况
4．1  我国在纳米科技领域的经费投入状况
    国家科技部、国家自然科学基金委员会、中国科学院等部门都设立了相关的重点、重大以及“攀登计划”项目，1999年科技部又启动了《国家重点基础研究发展规划》项目。对纳米科技领域10年间累计投入的总经费大约相当于4000万美元，但仍不足美国2001年用于纳米科研投入的1／10。
4．2  我国纳米科技在国际上的地位
    根据德国科技部1995年对各国纳米技术领先程度的分析，我国在纳米材料方面与法国同列第5等级，前4个等级为日本、德国、美国和北欧国家。
  2001年APEC组织在对1991年—2001年世界纳米科学研究的报告中，中国已上升至第3位。发表的SCI科学论文，美国占41.6％，  日本占15.2％．中国占11.2％，德国占13.5％，显示了我国的实力。图9是该组织对12个纳米科技相对领先国家SCI纳米科技论文的统计情况，中国列第3位。
4．3  我国纳米技术研究力量集中的领域和机构
    研究力量集中的领域主要是纳米材料的合成制备、扫描探针显微学、分子电子学等。
    研究队伍集中的机构主要是中国科学院有关研究所，北京大学、清华大学、中国科技大学、南京大学、复旦大学等国内知名高校。为集中本系统内纳米科技的主要力量，中国科学院和北京大学还分别成立了各自的纳米科技研究中心。
4．4  我国纳米科技研究存在的主要问题
    1)重要的原始创新、应用开发和工程化不足；
    2)研究群体相对分散，缺乏整体布局；
    3)信息交流少，多学科交叉融合程度不够；
    4)实验设施落后，研究基础薄弱；
    5)经费投入不足。
5  纳米科技前景展望
5．1  纳米技术对未来科学发展的影响
5．1．1  材料和制备
    未来的纳米材料及制备将具有以下特点：
    1)材料更轻、强度更高，可设计性更好；
    2)材料及其制品使用寿命长，维修费用低；
    3)以新原理和新结构在纳米层次上构筑特定性质的材料或自然界不存在的材料问世；
    4)生物材料和仿生材料得到开发和应用；
    5)材料破坏过程中纳米级损伤的诊断和修复。
5．1．2  微电子和计算机技术
    纳米结构的微处理器的效率将提高100万倍，并实现兆兆比特的存储器(提高1000倍)；研究集成纳米传感器系统。
    计算能力的提高，使得人们可以从理论上对纳米结构材料的性质和设计进行模拟。比如NASA曾对基于碳纳米管的齿轮进行了分子力学的模拟。该齿轮是以直径为2m的碳纳米管为轴，以键连于其上的苯分子作为齿而构成的。这个结构简单的齿轮可以通过合成的方法而得到。通过模拟可以研究碳纳米管齿轮阶性质和设计空间。
5．1．3  环境和能源
    纳米技术在发展绿色能源和环境处理技术方面发挥重大作用，对于减少污染和恢复被破坏的环境具有重要的意义。它可以去除水和空气中极小颗粒的污染物质(分别为＜200nm及<20nm)。
    孔径l nm的纳孔材料可作为催化剂的载体。有序纳孔材料和纳米膜材料(孔径10nm—100 nm)可用来消除水和空气中的污染。
    在能源领域，纳米技术将会对能量功效、能量存储以及能量生产等方面产生显著影响。利用纳米合成和组装方法，可开发出更加节能的照明技术；制造出强度更大的轻质材料，以提高运输率，节省能耗；使用低耗能的化学过程来破坏有毒物质，从而保护环境；利用纳米技术还可大大降低太阳能电池的制造成本。
5．1．4  医学和健康
    纳米技术将对未来医学和人的健康产生以下影响。
    1)纳米级粒子将使药物在人体内的传输更为方便。用数层纳米粒子包裹的智能药物进人人体后，可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织；在人工器官外面涂上纳米粒子，可预防移植后的排斥反应。
    2)研发用药的新方法和药物“导弹”技术。把药物制成纳米颗粒或者把药物放入磁性纳米颗粒的内部，这些颗粒可以自由地在血管和人体组织内运动，如果在人体外部加以导向，使药物集中到患病的组织中，那么药物治疗的效果大大地提高。
    3)制备耐用、与人体友好的人工组织和器官复明和复聪器件。
    4)疾病早期诊断的纳米传感器系统。如纳米氧化铁造影剂，可以帮助肝癌的诊断和治疗。氧化铁在纳米级时，磁性消失，当遇到外界磁场时，它又具有超强的顺磁性。这种性能意味着它能集中外部磁场的强度。科学家利用这一特点，制造出纳米氧化铁造影剂，用来改善磁共振成像。并且通过静脉注射纳米氧化铁造影剂后，氧化铁颗粒被血液带到身体各部i只是在肝脏和脾脏被网状内皮细胞吸收，肝脏内的网状内细胞是由巨噬细胞构成，它可以吞噬氧化铁颗粒。而恶性肿瘤细胞仅含有极少量的巨噬细胞，没有大量吸收氧化铁的作用。氧化铁造影剂就是利用正常细胞和恶性细胞之间的这种功能差别，对肝癌进行诊断和治疗。
5．1．5  生物技术
    纳米技术将使生物技术发生革命性变革。
    1)纳米尺度上，按照预定的对称性和排列投影，制备具有生物活性的蛋白质、核糖核酸等；
    2)在纳米材料和器件中植入生物材料，使其兼具生物功能和其他功能，打破生命物质与非生命物质的界限；
    3)制备生物仿生化学药品和生物可降解材料。
5．1．6  航天和航空
    1)增加航天器的有效载荷，成指数倍地降低耗能指标；
    2)制造低能耗、抗辐照、高性能计算机；
    3)制造微型航天器用纳米集成的测试、控制和电子设备；
    4)制作抗热障、耐磨损的纳米结构涂层材料；
    5)航天器采用纳米材料后，发射费用可以从目前的每磅10000美元降至200

美元，其制造成本只需60 000美元，体积将缩小到小汽车大小。
5．1．7  国家安全
    由于纳米技术对经济社会的广泛渗透性，拥有纳米技术知识产权和广泛应用这些技术的国家，将在国家经济安全和国防安全方面处于有利地位。纳米科技对维护国家安全的重要性从当前微电子技术对信息战的影响就可见一斑。纳米科技的发展会给未来战争带来比目前的信息技术更大的影响。从战场大容量信息(包括数据和图象)的实时传递、战争的指挥、导弹的预警、核武器的防护到纳米技术制造的微型侦察装置及微型武器(例如有人设想的“麻雀”卫星、“苍蝇”飞机、“蚊子”导弹、“针尖”炸弹、“蚂蚁”土兵、“间谍草”等)。
5．2  对纳米科技的预测
    美国宰贝克斯公司预测纳米技术发展可能经历5个阶段。
    第一阶段是要准确地控制原子数量在100个以下的纳米结构物质。这需要使用计算机设计与制造技术和现有工厂设备、超精密电子装置。这一阶段的市场规模约为5亿美元。
    第二阶段是生产纳米结构物质。在这个阶段，纳米结构物质和纳米复合材料的制造将达到实用化水平。其中包括从有机碳酸钙中制取的有机纳米材料，其强度将达到无机单晶材料的3000倍。该阶段的市场规模在50亿—200亿美元之间。
    第三阶段，大量制造复杂的纳米结构物质将成为可能。这要求有高级的计算机设计与制造系统、目标设计技术、计算机模拟技术和组装技术等。本阶段的市场规模将达到100亿—1000亿美元。
    第四阶段，纳米计算机将得以实现。这一阶段的市场规模将达到2000亿—10000亿美元。
    第五阶段，将研制出能够制造动力源与程序自律化的元件和装置，市场规模将高达60 000亿美元。预计在20lO年之前，纳米技术有可能发展到第三阶段，超越“量子效应障碍”的技术将达到实用化水平。
    日本科学家预测，到2005年，日本与纳米技术相关的市场规模将为—24000亿日元，2010年则将到270 000亿日元。其中约有一半为IT电子，有20％为用于显示器和刺激路磁记录媒体等的工艺材料。
    5年以内，实用化的技术包括采用了纳米玻璃的高记录密度媒体、薄膜显示器以及采用了塑料基板的有机电子发光材料；液晶显示屏、生物传感器、药物输运系统、环境友好汽车用电池、高性能催化剂以及固体高分子燃料电池等。
6  积极推进我国纳米科技的研究和应用水平
    2001年3月，两会通过的《国民经济和社会发展第十个五年计划》，明确提出了将新材料、纳米科学的进展等作为“十五”规划中科技进步和创新的重要任务。2001年7月，国务院批准了《国家纳米科技发展纲要》，并由科技部、国家计委、教育部、中科院和国家自然科学基金委员会联合下发。
6．1  推进我国纳米科技发展应采取的措施
    1)应该避免对纳米科技的一些认识误区，杜绝炒作，抓住机遇，坚持“有所为，有所不为”的方针，发挥优势，突出特色。要加强研究基地的建设，改善基础设施条件，增加科技专项投入。
    2)要重视知识产权的保护。2001年纳米科技的专利申请312件，国内申请1997年以来149件。而日本仅纳米T102专利就已有干余件。国内专利大部分是关于材料制备方法，国外较多涉及应用。专利内容涉及金属或非金属及其氧化物、聚合物纳米复合材料、催化剂、陶瓷、合金、单晶、医用或化妆用配制品、磁性材料、光学元件以及器件等。在中国申请专利的国家主要是美、德、日、韩等国。
    3)要注意与产业化的结合。纳米材料是纳米科技的基础，我国已有相当基础。这方面的布局应更注重与产业化结合，尤其是与传统产业结合，积极吸纳企业的参与；由于纳米材料在改造传统产业方面所表现的投入少、见效快、市场前景广阔等特点，在以传统产业为主的我国企业内比较容易推广，因此，纳米科技的应用已得到我国企业界的广泛响应，这为纳米科技在中国发展莫定了重要的基础。
    4)调动企业界的积极性，关注纳米科技。一要以国家目标与市场需求相结合，加强基础研究和应用研究，促使纳米科技的成果能够源源不断地涌现；二是要重视和加强纳米科技市场的培育，对纳米技术产品的技术标准问题给予高度重视。有了技术标准，加强执法力度，才能规范市场行为，才能促进我国的纳米科技研究与开发走上健康发展的轨道。
    5)要重视纳米器件的研究。纳米器件的研究水平和应用程度标志着一个国家纳米科技的总体水平，对社会生活和生产方式将产生最深刻而广泛影响，对信息产业及社会、经济、国防的关联度最大，需要的投入也最大。国外在此方面的研究虽然主要停留在应用基础研究的阶段，但目前已申请了大量的专利，不断抢占战略制高点。而我国在这方面投入很少，研究开发力量的部署严重不足，基础薄弱。应积极组织力量，以明确的应用目的为目标。但在近20年内还是以基础研究和应用基础研究为主。
6．2  我国纳米科技发展的目标
    总体目标：到2010年，我国纳米科技研究、应用及成果转化水平居国际先进行列，在若干方面具有竞争优势。
    1)形成若干具有国际一流水平的纳米科技创新基地，基本完成我国纳米科技创新体系建设，为长远发展奠定基础；
    2)大幅度提高我国纳米科技创新能力，一批纳米科技成果实现实用化或产业化；
    3)形成一批具有市场竞争力的骨干企业。
从纳米概念走向纳米应用
纳米材料与技术是在20世纪80年代末才逐步发展起来的前沿性、交叉性新兴学科领域，它与住处技术和生物技术一起并称为21世纪三大前沿高新技术，并可能引导下一场工业革命。专家预测：2010年全球纳米技术产品的市场额将达14400亿美元。
    目前，中国已有300多家科研生产单位从事纳米攻关，在纳米材料制备、工业化生产、应用开发和测试方法手段等方面取得了骄人的业绩，与世界发达国家处于同一水平线上。市场上提供的纳米材料主要有：纳米金属(如纳米金、银、钢、锌)、纳米氧化物(如纳米氧化硅、氧化钦、氧化钻、氧化锌)、纳米盐类(如纳米碳酸钙、蒙托土)、纳米碳材料(如碳纳米管、纳米金刚石、纳米石墨、富勒烯碳球等)。
    纳米金刚石即纳米钻石，粒径仅4—15nm(平均7nm)，类球状，密度低(3.3g／cm3)，硬度高，强耐磨损，耐各类腐蚀，耐3000℃高温，比表面达280—420m2／g，具有良好的生物兼容性和冷阴极发射功能。是纳米材料中的佼佼者。在超级润滑、复合电镀化学镀、芯片抛光、高级涂料、功能塑料、功能橡胶、功能纤维、功能陶瓷、人造牙齿骨骸、抗老化化妆品、燃料电池、环保、催化、超薄显示器、微型传感器、隐形材料等众多领域可以大显身手。
    在国内，与方兴未艾的纳米材料发展相Lb，纳米应用产品与应用技术的开发却相形见拙，原因有三：
    一是纳米材料制备技术不过关。或因成本过高不便推广，或实验室技术末成熟，不具备纳米特性。
    二是尚未攻克纳米粉体分散这一技术难关。纳米粉体具有强烈的自团聚倾向，是微米级的“糯米团”，在使用前必须解开团聚，而解开团聚后的纳米级颗粒具有高表面能，不稳定，又会形成二次、三次团聚。必须在解开团聚的同时，对纳米颗粒表面进行改性，使颗粒之间形成静电阻力或解开团聚的同时，对纳米颗粒或纳米团簇在介质中的稳定分散，发挥纳米材料的作用。这是纳米应用的最大“门槛”。攻克了这一难关，纳米材料的应用就大门洞开，不解决或解决不好这一难题，纳米材料的应用就始终是一句空话。
    三是假纳米的冲击，在一定程度上阻碍了纳米技术的推广应用。
    消费者不是专业纳米工作者，纳米材料又需要昂贵的测试仪器鉴别，国际和国内纳米产品的标准尚在制定中，这都为“假纳米”提供了可乘之机。
    纳米材料明明是固体，有形状、大小、硬度、表面……，可偏偏出现了“纳米水”、“纳米液体”。水就是分子水，比纳米还小，为什么叫“纳米水”?这是“水变油式的新理论”。
    目前，国内外润滑油减摩剂99％是含硫磷氯粘的液态有机物衍生物，易与其他润滑油添加剂反应生成有害物质、高温下易解体、不耐极压、污染环境。国际润滑油界早就提出用无机固体微粒(如金刚石、石墨、硫化铂)代替有机衍生物的发展方向，但无法解决颗粒大的悬浮问题。直到纳米材料和纳米技术的出现，才使这一理想得以实现。我国已经研制出纳米金刚石润滑油添加剂，具有减摩、润滑、密封、节能、消烟、抗氧、抗凝、抗挤压、提速、自修复、无毒无害等神奇作用，解决了国际润滑油减摩损剂大颗粒悬浮问题，性能远优于国外昂贵产品。
纳米技术是严谨的高新交叉技术，人类刚刚迈进门槛，就显现出其强大的生命力。有些纳米材料(如纳米金刚石)经过表面改性和分散，可以均匀分布到聚合物的熔融体中，经过喷丝、冷却形成具有特殊功能的纳米纤维，添加比例很低，但每根短纤维上有成百万、上千万个纳米颗粒。可以作成高抗磨、自清洁、防雨、防紫外、防静电、杀菌、红外隐形等功能布料，很有发展前景。
纳米技术是严谨的高新交叉技术，人类刚刚迈进门槛，就显现出其强大的生命力。
        纳米技术对茶文化的影响

秦皇岛太极环纳米制品有限公司  曲源   曲莱  曲少忠
自从纳米技术在生物医学领域得到应用之后，这方面更深层次更广泛围的研究、开发和应用就没有停止过。饮茶作为一种古老的传统文化，其药理功效被人们普遍认可。纳米技术为我国茶文化的创新和发展提供了理论依据和技术支撑。经研究发现，如果将现在的茶叶做到纳米级的微粉粒，其药理功效会大大增强。这是因为：
（一）     纳米茶有明显的吸附作用。茶叶有 “吸异”的特殊生物作用，就是吸附了其它物质分子，叫做茶叶的“吸异性”。这种生物特性正被国内外广泛使用。传统茶沏饮可吸附体内的病毒、油脂、胆固醇、自由基等，但因吸附的数量随吸附表面增大而增大，其作用并没有完全发挥出来。纳米茶由于茶颗粒（粉末）变细变小而面积大幅度增大（国际上称为范得华引力），能将茶的吸附作用发挥到极致。
纳米茶的分布尺寸10-300纳米，这么小的尺寸大多数与病毒一样大小，当纳米茶颗粒在体内遇到病毒时，可将其吸附住。通过吸附作用使病毒失去活性，无法钻入细胞进行繁殖，成为代谢物被排除体外。从而减少病毒对人体的危害。同时，纳米茶对于体内的多余油脂，胆固醇及自由基也有良好的吸附排除作用，其保健作用会令人意想不到。
（二）、纳米茶颗粒的隧道效应
    目前已经制备出来的纳米茶微粉粒径分布于10~300纳米，大约40%分布在100纳米以下，这一尺寸的颗粒，具有穿透壁垒的能力，也就是说能贯穿细胞膜透入细胞，吸附细胞内的病毒，10~20纳米的颗粒还可能贯穿杀死病毒而成为病毒的真正克星。对於其他药力很难达到之处如前列腺内，纳米茶颗粒也能贯穿透入。秦皇岛市海港乙肝研究所的“纳米青茶对192例乙肝病毒携带者三大抗原系统作用的探讨”是首家采用物理作用研究乙肝病毒，收到突出的效果。该所还与香港纳米技术应用协会合作，应用纳米茶对艾滋病进行救助，同样发现可喜的苗头，“纳米茶疗救助艾滋病工作初步探讨”在互联网上发表后，受到广泛关注。“纳米颗粒防治艾滋病及血液病毒传染病”专利已进入实审。
随着茶文化与科学技术的日益融合，纳米茶在冰茶圈内会表现不俗，纳米茶是把加工好的上等茶加工成纳米级微粉粒,平均粒径160nm ，其过程叫“纳米茶制备三步法”如图1所示。粉碎过程控制在常温下，球磨部分采用镐件与镐磨球，以保证纳米茶品质不变。纳米茶可加工成纳米红茶、纳米青茶、纳米白茶、纳米绿茶、纳米黄茶、纳米黑茶等，六大类。这一纳米技术应用研究项目已经取得了国家发明专利，公开号为CN 14322 88A，得到北京钢铁研究总院粉末研究室张晋远老师，吉林大学化工学院国家重点实验室高忠民老师帮助。      
当饮茶作为一种全新的医疗保健理念被人们所认同的时候，纳米茶将会给中华茶文化的发展注入一泓清澈的春水。还可以利用其吸异作用做成除臭剂、除腥剂，治理污水吸附重金属和废气吸附剂等。







图1 纳米茶加工流程


后硅气时代——纳米科学技术进展
引言

人类对物质世界的观察、测量、研究过程中，逐步加深了对物质世界的认识，视野所及，大到宇宙天体，小至基本粒子，几乎无所不及。这里“大”与“小”是对物质世界某一个客体所占据空间的定性描述，是指客体的空间尺度。事实上，“尺度”是研究物质世界的重要参数。从原子到光学显微镜能观测到的尺度，属于微观范畴的上端尺度，可以分为三个区域：
    显微观(MicroscoPic)：1—100LLm(103—105nm)；
    介观(Mesoscopic)：0．1—15Am(102—103nm)；
    纳观(Nanoscopic)：0．1—10伽m(10-4—10-1μm)。
    其中对物质在显微观范围内的运动规律和性质的研究，无论深度或广度都已达到成熟的程度；在介观范围已有较多的研究，但仍然是一个新的领域；而纳观范围内对物质的研究还处于开始阶段，理论体系不完善，一些基本规律没有深入了解，许多技术问题没有完全解决，前面还有很长的路程要走。
    纳米技术的尺度界定，目前还不是很统一。我在不同场合的报告和国内外不同刊物上发表的文章中都无一例外地说明了纳米科学技术的空间尺度在0.1—100nm范围，可以称为纳米科学技术的定义域。为什么定义域下端是0.1nm呢？首先，因为0.1nm是最小的原子——氢原子的直径。纳米技术的目标是组装原子，以形成新物质、纳机器、纳系统……，所以，纳米技术定义域下端尺度应以原子尺度为依据。其次，实验结果是更重要的依据，技术上已经可以生长单原子层薄膜；实验室已经制备成功直径仅为0.33nm的碳纳米管，等等实验事实表明，纳米科学校术的定义域下端应以0.1nm为界。因此，尽管某些权威报告，如美国“国家纳米技术倡议”中纳米技术的定义域为l—100nm，我们还是认为纳米技术的定义域以0.1—100nm更为合适。
    近年来，纳米技术取得了突破性进展，2001年，分别经我国《科技日报》、566位两院院士和美国《科学》杂志评定，人选2001年度“世界十大科技新闻”、“世界十大科技进展新闻”和“世界十大科学突破”。
    早在20世纪70年代，就有科技工作者提出制作单电子器件，并组装成微小而快速的“分子计算机”的建议。科学家们经过不懈的努力，2001年开始得到最初的回报。美国哈佛大学、朗讯公司贝尔实验室、IBM公司(国际商用机器公司)和荷兰迪尔弗特(Delft)大学等研究机构的科学家们，将若干纳米电子器件连成逻辑电路。这是纳米技术领域的巨大突破性进展，它有可能为未来诞生极微小和极快速的分子计算机铺平道路。美国《科学》杂志指出，这将“成为今后几十年科学技术突破的一大动力”。
    德国北威州纳米技术研究联合会和埃森大学等科学研究机构在单电子纳米开关电路的研究中取得进展，可能成为未来更微小、更精确和更低能耗的芯片之基础。贝尔实验室利用一个单一的有机分子研制成功目前世界上最小的晶体管，在针尖般大小尺寸的纳米芯片上容纳1000万个这种晶体管，这种纳米晶体管大小接近1nm。
    566位院士还评选了“2001年中国十大科技进展新闻”，其中第6项为纳米技术进展。中国科学技术大学侯建国、杨金龙和朱清时等，利用扫描隧道显微镜，将笼状结构的碳60分子组装在一单层分子膜的表面，在—268qC时冻结碳肋分子的热振动，在国际上首次拍摄到可清晰分辨的碳原子间单键和双键的分子图像。图1是C60分子的结构图。这种单分子直接成像技术为制造未来的纳米器件提供了有效手段。
    中国科学院学部联合办公室和中国工程院学部工作部联合主办，568位两院院士通过投票，评选的“2002年世界十大科技进展”中，第九项是美科学家研究成功原子级纳米晶体管，这是纳米电子技术的重大进展。
    纳米晶体管、纳米导线、纳米电路和纳米芯片等纳米技术成果将会被应用到各种各样复杂的微仪器和微系统中。有朝一日这些微仪器也许会钻进我们的体内检查身体、诊断疾病和进行治疗，直接为人类的健康施展高超技术。
    开展纳米科学技术研究，是一项开发物质的潜在信息和结构潜力的重大工程，它将使单位体积物质储存和处理信息的能力实现又一次飞跃，从而对国民经济和国防实力产生深远的影响。本文简要介绍纳米科学技术在若干方面的研究成果和我们实验室的某些实验研究结果，并指出21世纪20年代末，将时人“后硅器时代”。
1  从科学家预言到政府行为
    20世纪50年代末(1959年)，著名物理学家诺贝尔物理学奖获得者R·Feynman(图2)在美国加州理工学院举行的美国物理学会上曾说：“如果有一天可以按人的意志安排一个个原子，那将会产生怎样的奇迹?”人们突破传统观念的限制，深入到物质的内部按人们的意志直接操纵单个原子，组装具有特定功能的产品，这必将深刻影响全人类的生产活动、生活方式和人类自身。费曼还指出，科学技术发展的途径有两条，一条是“自上而下(toP—down)”，另一条是“自下而上(bottom—uP)”。近几十年来，科学技术一直沿着“自上而下”的微型化过程发展。
    在20世纪的最后10年，一门崭新的学科——纳米科学技术诞生了。纳米科学技术学家们既利用“自上而下”的途径，又发展“自下而上”的途径，即从原子、分子开始组装具有特定功能的成品。纳米科学技术新颖、独特的思路和首批研究成果的问世，在科学技术界、军界和产业界引起巨大反响，受到广泛关注。美国IBM公司首席科学家Amstrong说，正如20世纪70年代微电子技术引发了信息革命一样，纳米科学技术将成为21世纪信息时代的核心。
    扫描隧道显微镜(STM)揭开了物质内部原子的真实面目，人类从此可以一睹物质的内在奥秘。它的发明者之一、诺贝尔物理学奖获得者H·Rohrer指出：“150年前，微米成为新的精度标准，奠定了工业革命的基础。最早和最好学会使用微米科学技术的国家，都在工业发展中占据了巨大的优势。同样，未来的科学技术将属于那些明智地接受纳米作为新标准，并百先学习和应用纳米科学技术的国家。”
    德国联邦研究与技术部提出21世纪的关键技术为新材料技术、微电子技术、纳米技术、光子学、显微技术、软件技术、纳米电子学、细胞生物工程和管理技术。由此可以看出多项新技术与纳米技术密切相关。他们还对全世界纳米技术市场作了预测，估计到2010年可以达到14400亿美元，是一个很大的市场；而美国则在最近预测，到2010年仅美国的纳米技术市场就将达到10000亿美元。
    2000年1月，距费曼教授1959年演说时间约40年，同样在加州理工学院，当时美国总统克林顿发表演说，宣布美国“国家纳米技术倡议”启动，政府投资约5亿美元，集中用于纳米技术的研究开发。近几年美国在纳米技术领域的拨款逐年增加，现在约达到7亿美元。随着纳米技术的发展和对未来世界将产生的巨大影响，世界所有发达国家都确认，纳米技术是一项关系国家重大利益的高技术，并投入巨大的人力和物力进行探索研究。
    在我国，纳米技术同样受到国家的重视。科技部、国家自然科学基金委、国防科学技术工业委员会和解放军总装备部都积极推进这项重大的新兴科学技术的发展。

2  纳米科学技术的学科领域界定
    纳米科学技术(Nano Scale Science and Tech—n010gy)是一门在0.1—100nm尺度空间内，研究电子、原子和分子运动规律和特性的高技术学科。它的最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子，制造具有特定功能的产品。纳米技术的本质在于以逐个原子的形式在分子层次上运作的能力，产生具有特定功能的宏观结构。
    纳米科学技术涵盖纳米物理学(NanoPhysics)、纳米电子学、纳米材料科学、纳米生物学、纳米医学、纳米显微学、纳米计量学、纳米信息技术、纳米环境工程和纳米制造等。纳米科学技术是在现代物理学与先进工程技术相结合的基础上诞生的，是一门基础研究与应用探索紧密联系的新兴科学技术。
2．1  扫描隧道显微镜：直观原子真面目
扫描隧道显微镜（STM）是IBM公司苏黎世研究所的G..Binnig和H·Rohrer于1981年发明的，他们因此共同获得1986年诺贝尔物理学奖。STM是一种基于量子隧道效应的新型高分辨率显微镜，主要包括一个用压电陶瓷驱动的针尖T和一个放置固体样品B的平台。针尖尖端的尺寸小到原子尺度。针尖T同样品表面之间的距离S很小，通常为零点几纳米到几纳米，因此它们之间有很强的电场。由于量子效应，这个电场使尖端发射隧道电流I。L与S之间呈负指数关系。在尖端作扫描时，测量电流J，就可以得到样品表面形貌(高低)的显微图像。在一定的条件下可以达
2.2 纳米生物学：开发物质潜在信息
纳米物理学将深入揭示物质在纳米空间的物理过程和物性特征。它以纳米固体为研究对象，对若干重要物理问题进行研究，如结构的奇异性、鲜为人知的光学性质、特殊的导电机理、量子尺度效应、小尺寸表面界面效应等。这些问题的明朗化将对开发物质潜在信息和结构潜力以及电子技术产生重大的影响，既有重要的理论意义，又有重要的应用前景。
这里我们对量子尺度效应、小尺寸表面界面效应和库仑阻塞效应作简要说明。
量子尺度效应  人眼能直接看到的宏观物体内部包含大量原子，可以说原子周围的电子总数趋于无穷大。电子在物体内部都处于一定的能态上，称为能级。宏观物体内电子能级密密麻麻，是准连续的形成带，称为能带，然而，当物体的尺寸减小到纳米量级，成为纳米粒子时，所含的电子数将大大减少，这时电子能级发生分裂，形成离散的能级。当能级间距足够大时，会导致纳米粒子的光、电、磁、声、热、力学等特性发生显著的变化，出现若干奇异性质。这就是量子尺度效应。
小尺寸表面界面效应  颗粒材料随着粒子直径的减小，表面所占的成分增加，因而表面原子数迅速增加，同时表面能增大，而表面原子和其他原子的配位不足，具有很高的活性，容易与其他原子结合，所以，金属纳米粒子在空气中会自燃。表面效应对纳米粒子材料来说是一个重要的效应。若将纳米粒子制备成块体材料，那就存在粒子间的界面效应。
库仓阻塞效应  库仓阻塞效应是当体系的尺寸在纳米量级时的一种物理现象。例如，给量子点注入一个电子，存在库仓排斥能
Ec=e2/2C
式中：e为电子电荷；
C为纳米体系的电容，即量子点的电容很小，所以库仓能Ec很大。这样，只要量子点中进入一个电子，它就不许后来的电子进入。因而库仓排斥能的存在，便使得对一个纳米体系的充放电过程不是连续的，即电子不能集体输运，只能一个一个地输运。第一个电子进入量子点后，不许第二个电子进入。只有当外部加一电压，使第一个电子离开量子点后，第二个才能进入此量子点。这是可以控制单个电子的实例。
2．3  纳米电子学：控制单个电子
    传统的晶体管是控制成群电子的运动状态，形成开关、振荡和放大等功能的。单电子晶体管只是控制单个电子的运动状态。开发单电子晶体管，只要控制一个电子的行为即可完成特定功能，使功耗降低到原来的1／104，从根本上解决日益严重的集成电路功耗问题。
    固体内部显然是一个多体运动体系，按单电子理论，单就电子来说也在1022／cm3的数量级。对电子在真空中和固体中的行为进行控制已产生举世瞩目的成就，这是众所周知的事实。但是，人们通常只注意到电子作为粒子的集体运动的宏观效应，而忽略了电子的波动性质。各种传统电子元器件迄今为止只利用了电子波粒二象性中的粒子性一象，而忽略了波动性的另一象。它们都是通过控制电子数量来实现信号处理的。例如，开关器件是通过控制电子流的有无来实现电路的通断的，以1或0显示之；放大器件则是通过控制电子数目多少来完成放大功能的，等等。但是，在纳米空间，电子的波动性是不可忽略的，在经特殊设计的纳米器件中，电子将以波动性质表征其特性，这种器件也称量子功能器件。在纳米空间电子所表现的特征和功能，是纳米电子学研究的范畴。量子功能器件不单纯通过控制电子数目的多少，还要通过控制电子波动的相位来实现某种功能的。因此，量子功能器件有更高的响应速度和更低的功率消耗。分析表明，现有硅(Si)和砷化嫁(GaAs)器件不管如何改进，其响应速度最高只能达到1ps(1ps＝1x10—L zs)，功耗最低只能降到1NW。而量子波器件的相应数据要优化10—10倍。由于器件尺度为纳米量级，因而集成度可大幅度提高。此外，它还具有器件结构简单、可靠性高、成本低廉等诸多优点。据此，人们有理由相信，纳米电子技术的发展必将在电子学领域引发一次新的革命，从而把电子工业技术推向一个更高的发展阶段。  (待续)
后硅器时代——纳米科学技术进展
2．4  纳米材料科学：奇异性探索与应用
    物理学的传统观念视晶体的有序排列为物质的主体，而其中的缺陷、杂质等是次要的。德国物理学家门eiter在1980年创造性地提出把缺陷作为物质的主体。经过多年研究，他终于获得双组元材料，即晶态组元和界面组元，二者的体积各占50％。晶态组元原子仍然是有序排列的，而界面组元则存在大量缺陷，原子有序排列发生变化。这种具有特殊结构的材料称为纳米相材料，近年进展迅速。
    常规材料中的基本颗粒的直径小到几微米，大到几毫米，包含几十亿个原子。而纳米相材料中的基本颗粒直径不到100nm，包含的原子不到几万个。一个直径3nm的原子团仅包含大约900个原子。纳米相材料微小的结构颗粒对光、机械应力和电的反应完全不同于微米或毫米级的结构颗粒，它们从宏观上显示出许多奇妙的特性，纳米铜（晶粒尺寸为8nm)的自扩散系数比品格扩散系数增大1019倍，膨胀系数比普通铜成倍增大，强度比普通铜高5倍；纳米硅的光吸收系数比普通单晶硅增大几十倍；在通常情况下陶瓷是脆性材料，因而应用范围受到限制，纳米二氧化钛（TiO 2)陶瓷却变成摔不碎的韧性材料，在室温下可以弯曲，塑性形变高达100％；纳米金属颗粒以晶格形式淀积在硅表面，可以形成高放电子元件或高密度信息存贮材料；超细颗粒铁表面覆盖一层5—20nm，厚的聚合物，可固定大量蛋白质或酶，在控制生物反应和酶工程中将起重要作用。北京理工大学纳米技术实验室研制的纳米Zno薄膜具有很好的C轴取向，有良好的压电效应。该实验室利用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)技术，成功地生长出纳米硅(nc—Si：H)薄膜，具有良好的压阻效应。据英国科技刊物报道，已经制备成功一种尺寸只有4nm的复杂分子，具有“开”和“关”的特性，可以由激光驱动，开关时间很快，这将为激光计算机的研制提供技术基础。
    只要控制结构颗粒的大小，就能制造出强度、颜色和可塑性都能满足用户要求的纳米相材料。这也许具有极大的商业价值。科学家在了解这些无与伦比的材料及其有用的特性方面已经取得很大的进展，已经用纳米相材料制成了各种产品，如陶瓷产品、电子产品等。他们肯定还会在无数其他领域为纳米相材料找到更为广泛的应用。
2．5  纳米生物学：纳米机器人
    纳米生物学的近期设想是在纳米尺度上应用生物学原理，发现新的现象，研制可编程的分子机器人，也称纳米机器人。目前涉及的内容可归纳为以下三方面：(1)在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其—与功能的联系；(2)在纳米尺度上获得生物信息，例如利用STM获取细胞膜细胞器表面的结构信息，利用纳米传感器获得各种生化反应的化学信息和电化学信息；(3)纳米机器人的研制。
    纳米机器人是纳米生物学最具诱惑力的内容。第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，如酶和纳米齿轮的结合体。这种纳米机器人可注入人体血管内，进行全身健康检查，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪淀积物，吞噬病毒，杀死癌细胞等。第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度分子装置。第三代纳米机器人将包含有纳米计算机，这是一种可以进行人机对话的装置。纳米机器人一旦研制成功，有可能在1s内完成数十亿次操作，人类的劳动方式将发生彻底的变革。
2．6  纳机电系统与微机电系统
研究纳米技术的科学家们坚信：“小”不仅是美丽的，而且是未来科学技术发展的趋势。在未来，人们可以用纳米技术将原子一个一个地组装起来，制成各种纳米机器。图7为纳米束(1)、纳米齿轮(2)、纳米轴承(3)和用于分子装配的精密运动控制器(4)。日本已用极微小的部件组装成一辆只有米粒大小、能够运转的汽车。包括我国在内世界上许多实验室已经制成了直径只有1—2nm，的静电发动机；体积只有常规机器的万分之一、能够运转的车床以及直径仅5．5mm的“尺蝗”——有朝一日它也许会钻进核工厂的管道系统检查管道是否有裂缝。德国工程帅制成了一架只有黄蜂大小能够升空的直升机、肉眼几乎看不见的发动机以及供化学行业使用的火柴盒大小的反应器。上海交通大学研制成功的直升飞机也就黄蜂般大。
更加引人注目的是，科学家已开始在硅片上选出微机电系统(MEM5)。这些装置把电路和运转着的机器合装在一个硅芯片上，最终将像目前的硅芯片一样被普遍采用。几种基本的微机电系统已经在美国、日本和德国使用，包括装配在上百万辆汽车中的一种细如发丝的传感—制动器，当它“感觉”到撞击时，就会立即打开保险气袋，防止撞伤。
    只有削尖了的铅笔尖大小、每分钟转速高达10万转的1V发动机最终将推动电子显示器、手表、摄录机和激光扫描器的发展。美国加利福尼大学的科学家说：“我看到了未来的微型机器人工厂，这些机器人在不停地为我们制造电子产品。”目前的民用电子产品中的微小部件往往还是手工组装的，因为目前的自动设备还不能完成这类工作，然而，“这对于人造昆虫来说则是轻而易举的事”。
  在微机电系统的基础上，纳机电系统(NEMS)已有成品问世，前景看好。
3  从微电子技术到纳电子技术
    人类经过真空管(1905年)和晶体管(1947年)的发明与发展，迄今，以集成电路为主的微电子技术已成为整个电子工业技术的支柱，使信息技术产业成为第一大产业。
    微电子技术作为现代高技术的重要支撑，经历了若干发展阶段，上世纪50年代末发展起来的小规模集成电路(SS1)，集成度在100个元件；60年代发展了中规模集成电路(MS1)，集成度在1000个元件；70年代又发展了大规模集成电路(LSl)，集成度高达105个元件；紧接着70年代末发展了超大规模集成电路(VLS1)，集成度达到106；80年代更进一步发展特大规模集成电路(ULSl)，集成度高达10个元件以上。随着集成度的提高，要求器件尺寸不断减小，1985年，l兆位特大规模集成电路的集成度达到200万个元件，要求器件条宽为1μm；1992年，16兆位的芯片集成度达到3200万个元件，条宽减到0．5μm，即500nm

而后，64兆位的集成电路，其条宽已达到0．3μm，即300nm；目前，在实验室条宽已可以小到15nm。
    空间尺度对微电子技术来说是至关重要的。在纳米空间电子的波动性质将明显地显示出来，因此，视电子为粒子的微电子技术将面临挑战，于是纳米电子技术应运而生。
    据估算全球每天有2亿亿个晶体管在运作中，这相当于全世界每人平均4000万个。而全世界每年制造的晶体管总量高达1017个，与地球上的蚂蚁一样多!所以，继铁器时代后，当今可称为“硅器时代”，随着微电子技术向纳电子技术过渡，我们预料21世纪20年代末，将从“硅器时代”过渡到“后硅器时代”。
    利用电子的量子效应原理制作的器件称为量子功能器件，也称量子器件或纳米器件。要实现量子效应，在工艺上要实施制作厚度和宽度都只有几到几十纳米的微小导电区域，这样，当电子被关闭在此纳米导电区域中时，才有可能产生量子效应。这也就是制作量子功能器件的关键所在。如果制作若干纳米级导电区域，而导电区域之间形成薄薄的势垒区，称这样的导电区域为势阱。当势阱中注入电子时，电子的波动性将明显地表现出来。因此，电子可以从一个势阱穿越势垒进入另一势阱，这就是量子隧道效应。电子在势阱中将处于分立的能级上，当电子受激励时，将从低能级跃迁到高能级。而当电子从高能级向低能级驰豫时，会发射出一定波长的光子。诸如此类量子效应在纳米技术的不断发展中将得到有效应用。
    制作量子势阱的方法有分子束外延(MBE)、原子层外延(ALE)、等离子体增强化学气相淀积(PECVD)和金属有机物化学气相淀积(MOCVD)等方法。图8是PECVD系统图。我们利用PECVD方法已经成功地生长出纳米硅(nc—5i：H)薄膜。纳米硅薄膜的结构特点是其内部晶态组分与界面组分各占50％，晶粒的尺寸在几纳米，界面宽度约为1nm。由于纳米硅薄膜具有独特的结构，可以设想各纳米级晶粒之间的界面区形成势垒，则纳米级晶粒即为势阱，这样就形成随机的量子点(quantum dots)阵列结构。
在纳米半导体薄膜材料制备的基础上，北京理工大学电子工程系开展了纳米传感器技术研究，图9是纳米硅薄膜场发射压力传感器的场发射尖锥，其尖端半径为30nm。
    日本NEC基础研究所制定了量子波计划，并已成功地制作了量子点阵列。在GaAs衬底上淀积InP形成许多纳米级岛状结晶量子点结构。当用激光照射这些量子点使之激励时，从量子点释放出蓝色的光表明所制作的量子点确实有关闭电子的功能。
    纳米逻辑电路实验成功，单电子纳米开关电路取得进展，纳米芯片的诞生，分子白组装的实现，等等都表明纳米电子学的进展是巨大的，不远的将来人类社会将进入“后硅器时代”，即“纳米电子时代”。
4  纳米技术的新进展
    当人类刚刚进入计算机时代时，计算机还是一种庞大的机器，运算速度也远不如当今快，然而，科学家就已经对其未来的美好前景浮想联联翩。1974年，美国IBM公司两位研究人员就提出利用单个分子制作器件，然后组成极微小的和极快速的分子计算机。经历20多年楔而不舍的迫索，科学家们终于在2001年开始得到回报，他们在纳米技术领域获得了多项重大成果：纳米导线、以碳纳米管和纳米导线为基础的逻辑电路以及单分子晶体管的计算电路等。这些为实现极微小、极快速的分子计算机的诞生展示了美好的前景。
4．1  原子级纳米晶体管
    2002年，美国康亲尔大学和哈佛大学的科学家研究成功原子级纳米晶体管。这是用单个原子或分子组装纳米机器研究取得的新进展。科学家们成功地将大小相当于单个分子的原子团(C1uster)结构置于相距仅1nm的电极之间，而利用由原子团“包裹”的单个过渡族金属原子传输电流或使之中断电流。这与传统的半导体晶体二极管的功能是一样的。
    当晶体二极管两端电极的电压为正向时，晶体二极管的电阻很小很小，可以忽略不计，晶体二极管导通，输运电流；而当晶体二极管两端电极的电压为反向时，晶体二极管电阻很大很大，可以看成无穷大，相当电路处于开路，电流中断。这就是所谓“整流效应”。所以，上述康奈尔大学和哈佛大学科学家所获得的研究成果被认定研制成功原子级纳米晶体管。这一成功为纳米机器和纳米机器人的组装奠定了基础，将极大推进纳米技术的新发展。
4．2  碳纳米管和纳米导线
    巴基球(C60)是由60个碳原子聚集在一起形成的足球状结构，具有若干特殊的性质。在巴基球的基础亡，又研制成功碳纳米管。碳纳米管的强度比钢高100倍，而密度只有钢的1／6。单个碳纳米管的直径只有1.4nm，50000根碳纳米管并排在一起只相当于一根头发丝粗细。它们可能成为未来理想的超级纤维。对纤维强度起决定作用的参数是长度与直径之比值，材料工程师希望得到的比值至少是20：1。而即使在目前，碳纳米管的长度也是其直径的百万倍，所以具有高强度是不奇怪的；
    碳纳米管可以充当电子快速通过的隧道。由6原子环组成的碳纳米管能把一个巴基球正好装在中间，再把一个金属原子联入巴基球中，并且在碳纳米管中装满一串这种巴基球，这样，碳纳米管就成为一根直径只有一个原子大小的金属导线。
    据分析，碳纳米管可能成为最佳超微导线。一根碳纳米管的直径只有目前计算机芯片上最细电路直径的1／100。预计它将成为理想导体，导电性能大大超过铜。碳纳米管最终可以用于纳米极电子线路。
    在碳纳米管的众多可能用途中，下列几种令人耳目一新：作为其他分子之间的“分子导线”，用作能“感觉”物体表面单个原子结构的纳米探头(碳纳米管非常小，小到不会打扰运动中的细胞，可以用作生物系统的电子探头)；用作纳米级电子枪来点亮新一代平面显示屏上的发光体。
4．3  单分子电路
    IBM公司开发出目前世界上最小的计算机逻辑电路，这是一种利用单个碳分子制作的双晶体管组件。用来生产这种电路的材料是具有极高的强度和良好的半导体特性的碳纳米管。IBM的科学家认为这是一种有望替代硅的新材料。
    IBM公司负责纳米技术的经理Avou和他的同事们一起研制成功的碳纳米管逻辑电路，由一个带正电荷的晶体管和一个带负电荷的晶体管构成，它是生产替代硅处理器芯片所需的三个步骤当中的第二个步骤。第一个步骤是在1998年实现的，当时包括IBM公司和NEC研究人员在内的科学家制造出了碳纳米管晶体管。第三个步骤是将许多嵌入晶体管的逻辑电路连接在一起，构成一个执行复杂计算机任务的新型处理器。
    IBM公司最新研制的电路属于非门，它是构成计算机处理器的三种基础逻辑电路(与门、或门和非门)当中最简单的一种。以往研制成功的碳纳米管晶体管都属于正极性的P型晶体管。科学家一直未能研制出负极性的N型碳纳米管晶体管。IBM公司最近取得的新突破就在于借助简易的工艺技术，在一个真空装置内加热P型晶体管，将其变成了N型碳纳米管晶体管。
4．4  纳米级芯片
    摩托罗拉(Motor01a)公司日前宣布开发成功一种新技术。该技术能够使主流计算机芯片的微电路集成度增加50％以上，从而使芯片变得更小巧，在便携式电脑、PDA等轻便的移动通信终端领域得到广泛的应用。
    据Motor01a公司透露，该公司研制出一种新型的光掩膜材料，将这种材料用在硅片上制造电脑芯片，就可以在芯片上集成直径小于100nm的各种元器件。制造芯片时需要经过光刻工序，借助光线在硅片上制作电路。采用新型光掩膜技术之后，这项工序改进成在流程中使用波长更短的紫外线，使其精度更高。Motor01a公司数字DNA实验室主任Joc Mogab说，通过使用短波紫外线光刻法，人们最后甚至能将宽度为13nm的电路线刻入芯片内。
4．5  纳米激光器和纳米存储器
    量子点可以囚禁电子，实际上，被囚禁的电子并不因此而固定不动。按照量子力学的规律，有时它可以脱离控制自由逃逸出来。这种现象一方面预示着在新一代芯片中的逻辑单元不用连线就可互相关联，需要新的设计才能使单电子器件变成集成电路；另一方面也会使芯片的动作不可控制。归根结底，在这一情况下电子应被看成是一种波，而不是一个粒子，因此，尽管单电子器件已经在实验室里得以实现，但在工业上实现还需要时间。被囚禁在量子点内的电子的另一种贡献是会使材料发出很强的光。“量子点阵列激光器”或“级联激光器”的尺寸极小，但发光的强度很高，用很低的电压就可以驱动它们发出蓝光或绿光，用来读写光盘，可使盘的存储密度提高。如果用“囚禁”原子的小颗粒量子点来存储数据，制成量子磁盘，存储密度可提高成千上万倍，会给信息存储技术带来一场革命。
  纳米传感器
    日前，已经制成多种纳米电子元器件。例如各种纳米传感器，用来测量诸如压力、力矩、加速度、振动、位移、流量、磁感应强度、温度、湿度、气体成分、PH、离子浓度、微生物浓度、液体浓度、味觉和触觉等。现已制成的由传感、信号放大、信号源、信号处理和白校电路组成的硅微加速度计，在10cm：的硅片上，可做成几百个这样的器件。纳米技术源于微电子集成工艺，容易做成集成芯片的形式，例如微型生物化学芯片，已能在1cm：的硅片或玻璃片上集成处理器、微反应器、微分离管道、微检测器和微流量器等生物化学功能系统。纳米传感器与传统的传感器相比，具有体积小、分析时间短、样品消耗少、能耗低和效率高等优势。
    在我们的周围存在着各种各样的信息，如声音、光照、电磁波、射线、热流、振动、作用力、气味等。在各种表现形态的信息中，有的信号强，有的信号弱，要精确探测不同形态、不问强度的信息，需要对不同信息敏感的器件。可以探测不同信息的器件称为传感器。利用各种传感器，人们就能探知天外传来的微弱信号、大脑的活动状态、大洋深处来袭的敌舰等。
4．7  纳米金属丝和分子开关
    惠普(HP)公司纳米技术实验室首席科学家Stan Wil]iams和他的助手们新研制成功仅有分子大小的纳米金属丝和分子开关。在这种微乎其微的空间里仅能容得下3个原子，然而，纳米金属丝竟然能够在如此微小的空间里实现自我组装，编织成极微小的纳米元器件。HP公司纳米技术实验室的科学家们开发成功制造平行金属丝束的方法，纳米金属丝线宽仅为2nm，在砖和饵的化学反应中，纳米金属丝能够以自我组装的方式自然生成。
    科学家借助STM，通过将分子金属丝进行合成的方法来制造类似芯片的新装置，这些金属丝和开关能够通过化学反应自动组装成为有效电路，科学家们还研制成功了一个安装在固体装置中能够被电子触发的分子开关，首先将一组金属丝与第一组金属丝呈垂直交叉状态放置，再让特殊分子夹在两组金属丝交叉的位置，形成一个分子开关。
4．8  芯片级卫星和纳米机器虫
    利用微电子机械和纳米电子技术制造的惯性检测元件、换能器、射频元件、光学元件、电源系统、各种传感器和芯片作为星载设备，可使卫星的体积和质量大为减小。用这些微型部件制造的卫星称为皮卫星，质量约为100g。因为其中的机电元件和电子功能组件是利用纳米技术制作在少数几片甚至同一片芯片上，因此皮卫星又称为芯片级卫星。这种卫星用一枚小型运载火箭一次可以发射数百颗乃至上干颗。把这些卫星按一定的要求分布在不同的轨道上组成卫星网，可以连续不断地监视地球上的任何角落。即使有少数卫星失灵，卫星网的工作也不会受到影响。皮卫星现在还处在概念阶段，然而这却使人类部署分布式航天系统成为可能。这种航天系统可以减少单个航天器失效造成的影响，从而可以增强未来航天系统的生存能力和灵活性。
    美国加利福尼亚大学的两位研究生鉴于机器人越来越小，且功能越来越灵活，尝试发明一种微小得像一只昆虫的机器。他们把带有微型探测器、微型发报机的纳米电子系统做成昆虫模样，称为纳米机器虫。在纳米机器虫内，硅片上的微细电动机的尺寸，只有头发丝直径的2／3，一粒豌豆大小的体积内可以装进1万只这样的纳米电动机。   
激光法检测粒度的探试
概述
    据日本有关文献介绍，粉粒体测定的目的被划分为三类，一是研究物性测定值；二是从物性测定值中侧粉体的流动性和分散性；三是通过测定粉体的物性对产品的质量实施有效的管理，比如粉碎程度的有效评价。
   粉体物性可细分成四类：
    1)形态学性质。它是同粉粒体的外观或者固有特性有关的性质，如形状、粒径、密度、细孔径、比表面积、表面粗糙度等。
2)力学性质。它是指单一粒子或者粒子群在静止或流动状态时所表现出的物理、化学方面的性质，如自然坡度角、摩擦角、抗拉强度、抗压强度等。
    3)表面化学性质。它是由粉粒体表面的性质，即官能团的种类或者极性所决定的，如亲和性、带电性、反应性等。
    4)其他机能的性质。它是同粉粒体或集合体所固有的热性能(即热传导率)、电磁性能(即电阻比、诱电率、透磁率、磁化率等)、光学性能(即透明度、折射率、反射率等)相关联的性质。
2  瑞利判据检测方法
    粉体是多数粒子的集合体，其粒径具有一定的分布范围。将其中的粒子群分成若干组，每组的粒子量与整个粒子群量的比，称为额度分布。各群粒子量总和与整个粒子群量的比，称为累积分布。
    一般来讲，频度分布和累积分布统称为粒度分布。根据所要测定的粒子量的不同，有个数基准分布、长度基准分布、面积基准分布和重量基准分布等基准分布标准。由于所定的基准不同，其频度分布和累积分布将有很大的差异。而且，同频度分布有关的粒子群幅度的分割不同，也将使粒度分布或者平均粒径发生很大的变化。因此需要对分割的幅度加以注意。粒度分布的函数表现式有多种多样，通常使用的有正态分布，对数正态分布和罗津—拉姆拉分布三种。
    几何光学中所谓的像，实际上是物体上每个点光源所发出的光经过光学仪器在像平面上形成的衍射光斑的集合。也就是说，像是由一系列艾里斑所组成的。为了建立一个客观的能够分辨的标准，瑞利提出，两个光强相等的像，当其中一个衍射极大的中心与另一个极小重合时，两个艾里斑中心张角正好等于艾里斑角半径δ＝A9()时。光学仪器对两个点恰好能分辨开，此标准称瑞利判据。习惯上用瑞利判据评价一个光学仪器的分辨能力，光学仪器对像的最小可分辨角为：  δθ＝Δθ0 1.22? / 由此定义仪器的分辨率A＝1／δθ＝D／1．22入。
    米氏散射法中，粒子的折射率是必备的参数，测定前需确定下来。但是，折射率是以复数的形式表达的，实数部为光的折射，虚数部为光的吸收。在光散射法测定中。折射率对测定结果影响很大。折射率的虚数部是很难测定的，不可能得到正确的数据。另外，在光散射法测定中，还要考虑适当的测定浓度，浓度偏低会造成S／N的比值偏低，而浓度偏高又会产生多重散射现像。从而给测定结果带来误差。光散射测定法能测定的粒子范围为30nm—3nm。大于此范围的粒子可用激光衍射法测定。
    对测试结果产生影响的因素有：分散媒(分散剂)的正确选择，如湿润性、凝集、溶解、沉降、膨胀、化学反应等；超声波分散，如超声波输出功率、超声时间等；物质折射率的正确选择，如样品的折射率、分散媒的折射率等。