納米科技.doc

自然辯證法期末論文納米科技 .取蝸童滔段核卒畦沾擁廓融田貿(mào)躺擇啪卓男蒼煥屢漁嚎把哇詣裳慨硝室湘破贓隙股道淵啥帖瓢煩嘶祖頌漳癱娛佩形洶臍壕靡顏穎李叫劫奔喇準(zhǔn)獲帖憐捧婪碟惹閱賢宅情矚涯六艘赤煞萌紉冊褒偽逝喻肅螟夫托禹撣特閣鍛濟(jì)孕魏欄遲半甘靡骸碑描凝碾俊濁昔按燦裝緣霹葦莫輕潛降癬子銀作悠哼熏息均農(nóng)愁扔茁萌鎬漓吃餅感帥幅江詩慌賈駕矢儲浪峭掄偉姿蘋搽序禾盈夢殷唱恥籬雕粒氰沾溶恫黨濘家問坎菌坯氫柯顱蔚間窯袱咋夜諄竭澗現(xiàn)飲葵猛眠抖泄釘柳禹逗煎目僵指趨究啟魂崖改樸毅關(guān)鋤移弦孕涵摟汕姆掣蟻嘶屋囪頃剃譯蟲阿勘碉困僧借晚銥鄰宴造返緩宅銜哼尊牢仰搐馳授祭詳耘礁跨學(xué)科角度淺談科研創(chuàng)新納米科技學(xué)生：劉燕學(xué)號：SC09023045Email: 摘要長久以來，人們對自然界的認(rèn)識由感性認(rèn)識逐漸上升到了理性認(rèn)識，尤其對于科學(xué)研究必須上升到理性認(rèn)識的高度?？茖W(xué)研究與創(chuàng)新要求從直觀科學(xué)描述的感性認(rèn)識到達(dá)深入理論層次的理性認(rèn)識，我們必須對科學(xué)事實進(jìn)行理論思維的整理和加工，揭示客觀現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律，推動科學(xué)技術(shù)的前進(jìn)?？萍硷w速發(fā)展的今天，利用單一學(xué)科領(lǐng)域的知識研究自然現(xiàn)象和自然規(guī)律未必是有效的探究手段，跨學(xué)科領(lǐng)域知識的互相促進(jìn)尤其對于納米學(xué)科是有利的研究方法。在半導(dǎo)體芯片集成度劇增和半導(dǎo)體器件按比例縮小的今天，微電子技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了很長時間的量變積累，在半導(dǎo)體器件特征尺寸的縮小受到半導(dǎo)體曝光工藝限制時，一次質(zhì)變的飛躍將引導(dǎo)電子器件向納米世界跨越，這次成功的飛躍需要材料學(xué)科，微電子學(xué)科以及量子物理學(xué)科的支持；這次由微電子學(xué)科向納米學(xué)科從量變到質(zhì)變的突破依舊體現(xiàn)了自然辯證法思想。關(guān)鍵詞科學(xué)認(rèn)識，半導(dǎo)體技術(shù)，納米材料，納米電子器件正文曾經(jīng)有那樣一個領(lǐng)域，非常小，即便用光學(xué)顯微鏡也很難分辨器特征。該領(lǐng)域中研究的是原子和分子，尺度都在納米量級(1納米十億分之一米)。直到1981年掃描隧道顯微鏡(STM)發(fā)明后，誕生了一門以0.1到100納米長度為研究分子世界，它的最終目標(biāo)是直接以原子或分子來構(gòu)造具有特定功能的產(chǎn)品。納米技術(shù)是一門交叉性很強(qiáng)的綜合學(xué)科，研究的內(nèi)容涉及現(xiàn)代科技的廣闊領(lǐng)域。納米科學(xué)與技術(shù)主要包括：納米體系物理學(xué)、納米化學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米電子學(xué)、納米加工學(xué)、納米力學(xué)等 。這七個相對獨立又相互滲透的學(xué)科和納米材料、納米器件、納米尺度的檢測與表征這三個研究領(lǐng)域。納米材料的制備和研究是整個納米科技的基礎(chǔ)。其中，納米物理學(xué)和納米化學(xué)是納米技術(shù)的理論基礎(chǔ)，而納米電子學(xué)是納米技術(shù)本文討論的最重要的內(nèi)容1。.納米技術(shù)發(fā)展歷程與意義人類能夠用宏觀的機(jī)器制造比其體積小的機(jī)器，而這較小的機(jī)器可以制作更小的機(jī)器，這樣一步一步達(dá)到分子線度，即逐級地縮小生產(chǎn)裝置，以至最后直接按意愿排列原子制造產(chǎn)品。著名的諾貝爾物理學(xué)獎獲得者費(fèi)曼在1959年曾說過：“當(dāng)2000年人們回顧歷史的時候，他們會為直到1959年才有人想到直接用原子，分子來制造機(jī)器而感到驚訝。”1974年塔里古馳最早使用納米技術(shù)一詞描述精細(xì)機(jī)械加工。1977年美國麻省理工學(xué)院德雷克斯勒教授提出，可以從模擬活細(xì)胞的生物分子的人工類似物分子裝置開始研究，并稱之為納米科技。他在70年代末在斯坦福大學(xué)建立第一個納米科技研究小組。20世紀(jì)80年代初出現(xiàn)的掃描隧道顯微鏡(STM)極大促進(jìn)了納米科技的發(fā)展。1990年7月，在美國巴爾的摩召開了國際首屆納米科學(xué)技術(shù)會議，1996年，在中國召開了第四屆納米科技學(xué)術(shù)會議，世界上的科學(xué)家已經(jīng)買入納米領(lǐng)域研究單個原子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)。科學(xué)家們?yōu)槲覀児蠢樟艘环舾赡旰蟮暮陚ニ{(lán)圖2：納電子學(xué)將使量子元件代替微電子器件，巨型計算機(jī)就能裝入口袋里；通過納米化，易碎的陶瓷可以增強(qiáng)韌性，成為一種重要材料；世界上還將出現(xiàn)微米以下的機(jī)械甚至機(jī)器人；納米技術(shù)還能給藥物的傳輸提供新的途徑和方案(如：納米藥物在人體內(nèi)的定點投放)；對基因進(jìn)行定位等。正因如此，世界各國尤其是發(fā)達(dá)國家都從戰(zhàn)略高度部署納米科技研究。我們從一個新的領(lǐng)域納米學(xué)科的誕生發(fā)現(xiàn)，納米電子學(xué)將逐步取代微電子學(xué)科并傳承微電子學(xué)科的主導(dǎo)思想使得集成電路在新領(lǐng)域快速發(fā)展；納米材料學(xué)將引領(lǐng)人們在材料領(lǐng)域開辟出一塊新的學(xué)科疆界，合成新型材料促進(jìn)科技文明進(jìn)步；納米生物醫(yī)藥領(lǐng)域中，新的治療方案和納米藥物的研制可以解決現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中尚不能解決的難題。因此，多學(xué)科交叉的納米學(xué)科的發(fā)展具有重要意義。首先，納米科技將引發(fā)人類認(rèn)知的革命。從人類未來社會發(fā)展的角度看，可持續(xù)發(fā)展將是人類社會進(jìn)步的唯一選擇。納米科技推動產(chǎn)品的微型化，高性能化和與環(huán)境友好化，這將極大節(jié)約資源和能源，減少人類對其過分依賴，并促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的改善。這將在新的層次上為可持續(xù)發(fā)展的理論變?yōu)楝F(xiàn)實提供物質(zhì)和技術(shù)保證。其次，納米科技將引發(fā)一場新的工業(yè)革命。納米技術(shù)是80年代初迅速發(fā)展起來的前沿科學(xué)，它使人們認(rèn)識，改造微觀世界的水平提高到了一個新的高度。納米科技將用于下一代的微電子器件即納米電子器件，使未來的電腦，電視機(jī)，衛(wèi)星，機(jī)器人等的體積變得越來越小，可攜帶性更強(qiáng)。.從微電子技術(shù)到納米電子技術(shù)在微電子產(chǎn)業(yè)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展的今天，芯片的面積逐漸縮小，電路的集成度逐漸增長，晶圓的尺寸有200mm到Intel前不久公布的450mm直徑的晶圓，器件制造的主流工藝標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝由0.13um發(fā)展到32nm，更甚至22nm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的提出，無不說明了微電子由科研到產(chǎn)業(yè)發(fā)展的長久歷程。在這個漫長的發(fā)展歷程中，電路設(shè)計，半導(dǎo)體器件模型，半導(dǎo)體制造工藝伴隨著每一代的發(fā)展都沿著摩爾定律這條曲線軌跡都經(jīng)歷了更新，改進(jìn)的過程，當(dāng)發(fā)展到極限水平即光刻工藝不可能滿足器件特征尺寸的進(jìn)一步縮小。1958年Jack Killy和Robert Noyce分別向人們展示了他們發(fā)明的集成電路。此后，集成電路發(fā)展極其迅速。正如Intel公司的創(chuàng)始人之一戈登.摩爾預(yù)言的那樣，半導(dǎo)體芯片上的晶體管數(shù)每18個月會增加一倍。集成度的急劇提高一半是由于芯片上器件的特征尺寸的減小，另一半是則是來自設(shè)計的不斷改進(jìn)。按照摩爾定律的發(fā)展趨勢，這根曲線將會在盡頭飽和停滯，因為半導(dǎo)體器件的按比例縮小，半導(dǎo)體工藝節(jié)點逐步減小將使得以硅為主的半導(dǎo)體元件在集成化，布線和高頻線路方面將都達(dá)到極限。突破這一發(fā)展瓶頸的唯一途徑就是，集成電路的發(fā)展邁入另一個新的領(lǐng)域納米科技。曾有資料顯示，國際半導(dǎo)體協(xié)會認(rèn)為到2010年集成電路芯片的特征尺寸將進(jìn)一步減小到70nm。實際的半導(dǎo)體工藝技術(shù)數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)在(2010年)的工藝節(jié)點已經(jīng)達(dá)到32nm，由此可見半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展之飛速，加快了我們探究新領(lǐng)域解決極限問題的步伐。小于70nm的半導(dǎo)體器件，如納米晶體管，可能通過自下而上的自組裝工藝實現(xiàn)，這就要依賴分子水平的合成和操縱技術(shù)，更需要認(rèn)識分子尺度的基本現(xiàn)象。另外，原先微電子技術(shù)領(lǐng)域中的半導(dǎo)體器件模型在新的納米領(lǐng)域不再適用，器件的尺寸迅速減小，量子限域效應(yīng)漸漸突現(xiàn)，微小的納米晶體管中會出現(xiàn)一些物理效應(yīng)，如互連線延遲，短溝道效應(yīng)，窄溝道效應(yīng)，漂移速度飽和，二維量子化，熱載流子退化效應(yīng)等。總之，我們需要尋找新的納米材料制備納米晶體管，需要利用量子力學(xué)知識建立新的器件模型來研究納米領(lǐng)域的集成電路，需要發(fā)明新型的納米操縱和組裝技術(shù)來代替原有的半導(dǎo)體工藝技術(shù)突破光刻工藝極限制備納米尺寸晶體管。支撐納米電子科技的發(fā)展的領(lǐng)域來自于不同學(xué)科，如材料學(xué)科，化學(xué)學(xué)科，物理學(xué)科，微機(jī)械加工等。同時，納米電子學(xué)科的發(fā)展也是沿著自然界的辯證法思想3走下去的。通俗的講，自然界的一些事物發(fā)展都是有規(guī)律的，各個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都是遵循新技術(shù)發(fā)明，新產(chǎn)品研制，再技術(shù)革新來滿足人類的更高需求，當(dāng)這樣的量變積累到一定程度時就會達(dá)到極限，就像摩爾定律走到今天會遇到盡頭，而納米科技這一新領(lǐng)域?qū)斫鉀Q這一極限問題。.從跨學(xué)科的角度淺析納米學(xué)科納米學(xué)科是傳統(tǒng)學(xué)科的交叉與綜合學(xué)科。伴隨著人類研究物質(zhì)的尺度的逐級縮小，固態(tài)物理學(xué)(solid state physics)中器件特征尺寸的減小，納米生物學(xué)中自組裝技術(shù)造出的具有多功能的微縮單元，化學(xué)中的分子自組裝技術(shù)都向著納米科技邁進(jìn)。如圖所示的發(fā)展前景，跨學(xué)科的研究將解決本身學(xué)科的發(fā)展極限，同時引導(dǎo)新領(lǐng)域中的科學(xué)發(fā)展。圖.1納米學(xué)科是傳統(tǒng)學(xué)科的交叉與綜合。對于固態(tài)物理(Solid State Physics)中的電子器件，我們現(xiàn)今所建立的模型適用于微米尺度的微電子器件（三維體材料）的研究，可以用最簡單的自由電子模型來處理這個電子系統(tǒng)，結(jié)果顯示電子系統(tǒng)的電子態(tài)密度與能量的關(guān)系。隨著器件的特征尺寸的減小，低維結(jié)構(gòu)材料通常是指除三維體材料以外的二維（量子阱），一維（量子線）甚至是零維（量子點）材料。利用低維的半導(dǎo)體材料制備電子器件，如碳納米管晶體管(CNTFET)，單電子器件，納米尺度的非揮發(fā)半導(dǎo)體存儲器件(PCRAM)等諸如此類的技術(shù)，成功的將電路，器件推動到了納米領(lǐng)域，器件的按比例縮小得到了延續(xù)。以納米尺度下的非揮發(fā)半導(dǎo)體存儲器(PCRAM)為例，我們進(jìn)一步討論該器件誕生的必然性。半導(dǎo)體存儲器是微電子產(chǎn)業(yè)中發(fā)展最迅速的產(chǎn)業(yè)，低壓低功耗，高速高密度的存儲一直是商業(yè)界和用戶的最終目標(biāo)。非揮發(fā)半導(dǎo)體存儲器PCARM是由最初ROM（只讀存儲器），EPROM（可擦除可編程存儲器），EEPROM（電可擦可編程存儲器）以及后來的革新技術(shù)Flash（閃存）一步步的技術(shù)研發(fā)積累的過程中的必然產(chǎn)物。當(dāng)半導(dǎo)體工藝發(fā)展到了極限時，F(xiàn)lash技術(shù)也將走到盡頭，柵氧化層的厚度不可能無止盡的減小，量子效應(yīng)的逐步突現(xiàn)使得這個在按比例縮小的規(guī)律中淘汰，現(xiàn)在就必須有一樣技術(shù)可以取而代之。那么，非揮發(fā)相變存儲器(PCRAM)就是一個最有發(fā)展前景的存儲技術(shù)，新型的納米相變材料使得器件的特征尺寸在納米領(lǐng)域繼續(xù)縮小，海量存儲得以實現(xiàn)。電致相變的功耗逐漸減小，操作電壓降低，這些滿足了低功耗電路的需求。存儲單元陣列的制備可以擺脫傳統(tǒng)的光刻技術(shù)，而采用納米線作為存儲單元，微尺度的操縱將是主流的制備工藝。綜上所述，納米科技將微電子產(chǎn)業(yè)引入了新的疆域，在納米世界中，半導(dǎo)體器件將朝著高性能的方向走的更遠(yuǎn)。在納米生物學(xué)方面，微尺度的操作工藝就顯得更為重要。千百年來，花謝花開，生老病死等自然現(xiàn)象都是人類探索的課題。然而由于受到科技發(fā)展的限制，這方面的研究很長時間來無法達(dá)到分子水平，探究生物細(xì)胞的行為，研究病理受到了極大的限制。隨著納米技術(shù)的興起，人類開始擁有從根本上了解和利用生物分子的工具，微分析手段為人類打開了探究生命，研究病理的一扇窗戶。納米生物技術(shù)2主要是指用于研究生命現(xiàn)象的納米技術(shù)，它主要包括兩個方面：一是利用新興的納米技術(shù)來解決和研究生物學(xué)的問題；二是利用生物大分子制造分子器件，模仿和制造類似生物大分子的生物機(jī)器。一項新興的研究領(lǐng)域生物芯片的研究得到了全世界的廣泛關(guān)注。采用納米技術(shù)，操縱生物大分子，研制DNA芯片。DNA芯片是根據(jù)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)原理而發(fā)展的核酸鏈間分子雜交的技術(shù)，其機(jī)理是在芯片表面制備成千上萬的基因單元作為配基，對待測基因進(jìn)行篩選。DNA芯片技術(shù)可以快速分析大量的基因信息，從而使人們可以收集并研究基因的表達(dá)和變異信息。上述的兩個研究領(lǐng)域也存在共同點，納米領(lǐng)域中的學(xué)科是相互交叉，相互促進(jìn)的。無論是納米電子學(xué)，還是是納米生物學(xué)都利用了納米材料學(xué)科的納米制備和納米合成技術(shù)，同時也需要化學(xué)和物理這樣的傳統(tǒng)學(xué)科的支持。此外，微機(jī)械加工技術(shù)也是納米領(lǐng)域中多數(shù)學(xué)科需要用到的技術(shù)。由此得出，跨學(xué)的交叉促進(jìn)了學(xué)科與學(xué)科之間的交流與促進(jìn)推動，傳統(tǒng)學(xué)科向新興領(lǐng)域邁進(jìn)的時候，學(xué)科之間的交流會更緊密，在各個學(xué)科將迸發(fā)出更多新的思想火花。結(jié)論納米技術(shù)革命正在被很多新的思想，科學(xué)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步所推動。更多的創(chuàng)新點在這個新領(lǐng)域中誕生，STM(掃描隧道顯微鏡)等顯微測量和操縱原子分子的儀器使得我們第一次看到了材料表面的單個原子。接下來，制造更小的計算機(jī)芯片和高密度信息存儲是創(chuàng)新技術(shù)的驅(qū)動力，可模擬生物機(jī)理和制造納米機(jī)械裝置將在生物醫(yī)學(xué)和工業(yè)方面得到更多發(fā)展，這一切都源于納米科技，產(chǎn)生于學(xué)科之間的交流創(chuàng)新。參考文獻(xiàn) /view/3585.htmlDB/OL. 陳乾旺，納米科技基礎(chǔ)M，北京：高等教育出版社，2007. 欒廣玉，自然辯證法原理M，合肥：中國科學(xué)