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zsglly木虫 (著名写手)
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纳米材料的"光电"应用
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位于美国纽约的IBM研究中心在《科学》杂志上发表了其最新研究成果：在纳米管的相关实验中探测到了光。这就是说，使碳纳米管发光的理想将变为现实。随着纳米领域新技术的层出不穷，纳米技术在“光电产品”的应用将有可能更快到来。 事实上，目前各国的科研机构都在加快纳米技术的研究脚步，以IBM研究中心为例，该机构在过去的20余年里一直致力于这一领域的研究。近几年来，研究中心的科学家已经取得了一系列重大的突破，尤其是在使用碳纳米管制造微小光电子器件方面。 碳纳米管有着不可思议的强度与韧性，重量却极轻，导电性极强，兼有金属和半导体的性能 ；把纳米管组合起来，比同体积的钢强度高100倍，重量却只有1/6。 令人惊奇的是，最近美国、中国、法国和巴西科学用精密的电子显微镜测量纳米管在电流 中出现的摆动频率时，发现可以测出纳米管上极小微粒引起的变化，从而发明了能称量亿亿分之二百克的单个病毒的“纳米秤”。这种世界上最小的秤，为科学家区分病毒种类，发现新病毒作出了贡献。 在电子工业上、用碳纳米管生产的晶体管，体积只有半导体的1/10，用碳基分子电子装置取代电脑芯片，将引发计算机的新的革命。 碳纳米管是“纳米世界”中的重要一员，包括碳纳米管、碳纳米纤维在内的碳纳米材料一直是这些年来国际科学的前沿领域之一。碳纳米管又称为“巴基管”，是一种具有独特结构的电子管状分子，仅有人头发的五万分之一粗细，由日本科学家于1991年发现。碳纳米管本身所拥有的潜在优越性，决定了它无论是在物理、化学还是材料科学领域都将有重大的发展前景。 例如，碳纳米管被认为是制造新一代平面显示屏的好材料。自从1991年Iijima发表纳米碳管(Carbon Nanotubes)的文章以后，纳米碳管在场发射特性方面最被平面显示业界看好，一般都公认这种新材料可以在传统十分之一的电场下发射出过去千倍以上强度的电子束。目前的电视都是利用电子枪向屏幕发射电子来成像，如果使用具有高度定向性的单壁碳纳米管作为电子发送材料，不但可以使屏幕成像更清晰，还可以缩短电子到屏幕之间的距离，使得制造更薄的壁挂电视成为可能。 在产业界，最早投入纳米碳管CNT-FED的是韩国的三星电子与美国的Motorola，其中三星电子在1999年已经展示了4.5吋彩色的CNT-FED，Motorola也有60人以上的团队积极研发。但是事过多年一直没有见到产品上市。 2001年，日本的伊势电子工业成功试制了在发射极使用碳纳米管（CNT）的14.5英寸大画面彩色FED（Field Emission Display，场发射式显示器）、其亮度高达1万cd/m2。在15英寸级别的大画面CNT-FED中亮度达到1万cd/m2，这在业界还是首次；日本双叶电子工业在2003年的“NanoTech 2003”上，展示了由该公司开发的采用碳纳米管（CNT）的FED面板。这是该公司首次公开使用CNT的FED面板。此前该公司一直在进行FED面板的开发。 纳米碳管优异的场发射特性也可以推展显示器以外的应用，这些应用的要求条件没有显示器来得高，所以应该可以游刃有余。例如利用这种电子源做发光照明用，只要有适当低电子能量的萤光粉，将电子直接打在萤光粉上，可以做高效率的光源，可以与现行的日光灯媲美，而无日光灯水银污染的问题。同时，利用纳米碳管场发射电子源来做X光源、微波源、新一代真空管等都是有潜力的方向，还有更多等待我们去梦想到的。 今天的计算机世界可以说是硅的世界，大众对碳纳米管的了解还不多，不过或许在20年以后，碳纳米管也会因为应用的普及而像今天的硅一样被人们普遍认识。看好碳纳米管的人不在少数，认为它将在纳米电子学中扮演极为重要的角色，而且是未来替代硅纳米芯片的首选。 在过去的几十年中，芯片领域的技术专家一直在努力寻找一种能使普通硅发光的方法。由于硅芯片只能携带电子信号而不能携带光信号，因此，在制造微激光器、发光二极管等光纤设备时，还必须采用砷化镓来承担发送和接收光脉冲的任务。IBM研究中心表示，纳米管光信号发射器可以被做成阵列或整合在碳纳米管或硅电子部件中，这项尝试可以为电子学和光电子学开创出新的发展空间。IBM希望，此次发现能激发起行业内的研究兴趣，从而在纳米级电子和光子领域中开发出更多碳纳米管的用途。 IBM此次发表的科研成果，展示的光信号发射器是一个直径为1.4纳米的单纳米管，实验所探测到的是1.5微米的光，正好与目前光纤网络广泛使用的光波一致。Avouris表示，如果使用体积较大或较小的纳米管，还可以产生其他颜色（意味着不同波长）的光束。IBM获得此项成果并非偶然，早在2001年，蓝色巨人首家开发出能够大量制造碳纳米管晶体管的技术，而在这之前，虽然研究人员早就找到了将碳纳米管装配成晶体管的方法，但只能将碳纳米管逐个处理，无法大量获得。 除了IBM之外，像通用汽车、惠普以及其他许多公司都在研究和使用这些纳米技术来尝试制造只能用显微镜才能看到的电路。即便是在硅半导体领域极为风光的英特尔公司也开始了“两手准备”，该公司正与哈佛等大学进行合作，共同研制硅纳米线和碳纳米管。在2010年之后，其中的一种技术将取代目前的标准晶体管，并逐渐成为芯片的基础元件。目前，这两种技术看起来都很有前途，决定因素将在于谁更适合大规模生产。 在廉价批量生产巴基管产品方面，日本东京大学日前开发出用酒精制取碳纳米管的新技术，为廉价批量生产巴基管提供了可能。 这种新技术是利用布满细孔的陶瓷进行的。首先把金属催化剂填入陶瓷的细孔中，然后在高温电炉中使气化的酒精和催化剂起反应，生成碳纳米管。使用酒精时，电炉的温度为800℃，生成的碳纳米管是单层的，直径为1纳米。如果原料改用甲醇，反应温度可适度降低。在生成过程中，基本没有非晶质的碳或多层型碳纳米管，这可能是酒精和甲醇中所含羟基所致。 目前在制取巴基管方面，一般都采取激光照射法，用激光照射碳原料，使其蒸发，形成巴基管。但这种方法很难实现廉价批量生产，极大地限制了巴基管的工业生产发展。新的巴基管生产技术，为巴基管廉价批量生产开辟了广阔前景。 用新技术制取的单层巴基管结晶性优良，硬度可和金刚石媲美，电特性也很好。这种巴基管可在下一代超微半导体管元件和下一代显示装置元件等领域得到广泛应用。 |
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