走進納米世界
——從掃描探針顯微鏡(SPM)到納米科技

 


序言

1. 掃描隧道顯微鏡(STM)的誕生

2. 掃描隧道顯微鏡(STM)家族
2-1. AFM
2-2. SNOM
2-3. BEEM

3. SPM下的奇妙世界
3-1. 硅111面7′ 7原子重構象——大自然的鬼斧神工
3-2. 液體中觀察原子圖象
3-3. 移動原子——?最小的廣告
3-4. 納米神算子——“分子算盤”
3-5. 納米繪畫藝術 ——“納米中國”

4. 展望未來納米世界
4-1. 納米電子學
4-2. 納米材料學
4-3. 納米機械學
4-4. 納米生物學

結束語

參考文獻與感謝

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序言

?? 也許有一天,你的生活和周圍的世界會與一個稱為納米的名詞緊緊聯系在一起:當你早晨一覺醒來時,由納米傳感器和納米變色材料組成的紗窗會根據你的需要自動送入新鮮的空氣和調節室內的亮度;你不小心把納米陶瓷材料制成的杯子掉在地上,杯子卻象有彈性一樣蹦了起來;又重又厚的電視已經不存在了,代替它們的是直接印刷到墻壁上的神奇的納米發光材料制造的電視;當你生病的時候,在你的血管中會游戈著一些號稱納米潛水艇的納米機器人,它們的作用是將藥物輸送到患病的部位,使你恢復健康;你使用的計算機已經精確到原子水平,因為計算機的電路、存儲器等是由納米尺度的元件制造的;你所居住的地球周圍的太空被無數的納米衛星包圍著,因為一次衛星發射可以將數百萬顆微小的衛星送入太空;......

?? 你也許會說,這是科幻小說吧?可我會告訴你,這些幻想其實離我們已經不遠了,因為一個嶄新的學科——納米科技,已經悄然興起并迅速滲透到科學的各個相關領域,就目前它所取得的成就,已經為人類展示了無比廣闊的美好前景。

?? 納米(Nano meter)又稱為毫微米,是一種長度計量單位。我們知道,一毫米等于千分之一米;一微米等于百萬分之一米;而一納米則等于十億分之一米(1nm=10-9m)。納米技術指的是在0.1納米到幾百納米的尺度范圍內對原子、分子進行觀察、操縱和加工的技術。在20世紀,人們已經對毫微米技術運用的得心應手。但是,當人們企圖向更微小的領域? 納米尺度推進時,卻遇到了極大的阻力。科學家們發現,在納米尺度上物質發生了許多不同于宏觀世界的奇特的物理和化學變化。許多我們習慣了的概念和方法在納米范圍行不通了。舉個簡單的例子:陶瓷在我們的印象中是很硬、很脆的,陶瓷茶壺一摔就碎,對嗎?但是當把陶瓷材料的顆粒縮小到納米尺度時,脆性的陶瓷竟然可以象彈簧一樣具有韌性。再舉個例子:我們稱電子的流動叫電流,是形容它象水流動一樣沿著導體傳輸。但是,如果這個導線的直徑只有幾十納米時情況會怎樣呢?研究發現,在波粒二象性的原則下,這時的電子是在波動的前進,導線已經不能對它進行有效的約束。看吧,這就是詭秘莫測但又充滿誘惑的納米世界。這里有多少未知的寶藏有待開發。

?? 人類的歷史已經表明,科學的進步總是與工具的進步密切相關的。在這篇文章里,我們將從納米科技的重要工具——掃描隧道顯微鏡(STM)開始,進而介紹由掃描隧道顯微鏡(STM)而衍生出來的用途各異、功能非凡的掃描探針顯微鏡(SPM)的家族成員;我們還要向您展示掃描探針顯微鏡(SPM)下奇妙的納米世界以及應用掃描探針顯微鏡(SPM)所取得的重要成果。最后將介紹納米科技的進展和光輝前景。

一. 掃描隧道顯微鏡(STM)的誕生

?? 自有人類文明以來,人們就一直為探索微觀世界的奧秘而不懈的努力。1674年,荷蘭人列文虎克發明了世界上第一臺光學顯微鏡,并利用這臺顯微鏡首次觀察到了血紅細胞,從而開始了人類使用儀器來研究微觀世界的紀元。光學顯微鏡的出現,開闊了人們的觀察視野,但是由于受到光波波長的限制,光學顯微鏡的觀察范圍只能局限在細胞的水平上,分辨率大約10-6米至10-7米的水平上。人類能否看的更小,更精確一些呢?為了達到這個目的,科學家進行了幾個世紀不懈的努力。1931年德國科學家恩斯特.魯斯卡利用電子透鏡可以使電子束聚焦的原理和技術,成功地發明了電子顯微鏡?電子顯微鏡一出現即展現了它的優勢,電子顯微鏡的放大倍數提高到上萬倍,分辨率達到了10-8米。在電子顯微鏡下,比細胞小的多的病毒也露出了原形。人們的視覺本領得到了進一步的延伸。 現代科學的發展為新技術、新發明提供了堅實的理論依據,而科學的進一步發展又期待著新型儀器的發明和更新。在人類進入了原子時代的今天,科學技術的發展呼喚著更加精確、分辨率更高的儀器的發明和面世。人們期盼著在探索微觀世界的歷程中再邁出新的一步。

?? 正象絕大多數科學的新發現和新發明都具有其偶然性和必然性一樣,當二十世紀七十年代末德裔物理學家葛.賓尼和他的導師海.羅雷爾在IBM公司設在瑞士蘇黎士的實驗室進行超導實驗時,他們并沒有把自己的有關超導隧道效應的研究與新型顯微鏡的發明聯系到一起。但是真空中超導隧道譜的研究已經為他們今后發明掃描隧道顯微鏡(STM)準備了堅實的理論和實驗基礎。一次偶然的機會,他們讀到了物理學家羅伯特·楊撰寫的一篇有關“形貌儀”的文章。這篇文章中有關驅動探針在樣品表面掃描的方法使他們突發奇想:難道不能利用導體的隧道效應來探測物體表面并得到表面的形貌嗎?以后的事實證明,這真是一個絕妙的想法。經過師生兩人的不懈努力,1981年,世界上第一臺具有原子分辨率的掃描隧道顯微鏡(STM)終于誕生了。

?? 掃描隧道顯微鏡(STM)的英文名稱是 Scanning Tunneling Microscope, 簡稱為STM。STM具有驚人的分辨本領,水平分辨率小于0.1納米,垂直分辨率小于0.001納米。一般來講,物體在固態下原子之間的距離在零點一到零點幾個納米之間。在掃描隧道顯微鏡(STM)下,導電物質表面結構的原子、分子狀態清晰可見。圖1_1顯示的是硅表面重構的原子照片,照片上,硅原子在高溫重構時組成了美麗的圖案。

圖1_1 硅111面7′ 7原子重構象

?? 那么,為什么STM有如此高的分辨率?它又是如何工作的呢?為了弄清這個問題,我們先要從隧道效應講起?在中學時我們就學過,如果在一段導體的兩端加上電壓,就會有電流流過這個導體。如果把這個導體弄斷并分開呢?自然就沒有電流了。這是你所熟悉的電路常識。但是如果我們想象把這斷為兩截的導體放的非常非常的近,比如說距離控制到小于1納米吧,情況又會怎樣呢?根據經典電學的常識,你腦子里也許會反應出,導體沒有接上,應該沒有電流吧?我勸你回答的不要太快。因為奧妙也許就在這里。

?? 根據量子力學理論的計算和科學實驗的證明,當具有電位勢差的兩個導體之間的距離小到一定程度時,電子將存在一定的幾率穿透兩導體之間的勢壘從一端向另一端躍遷。這種電子躍遷的現象在量子力學中被稱為隧道效應,而躍遷形成的電流叫做隧道電流。之所以稱為隧道,是指好象在導體之間的勢壘中開了個電流隧道一樣。隧道電流有一種特殊的性質,既對兩導體之間的距離非常敏感,如果把距離減少0.1納米,隧道電流就會增大一個數量級。

圖1_2 掃描隧道顯微鏡(STM)示意圖


?? 現在我們把兩個導體如圖1_2換成尖銳的金屬探針和平坦的導電樣品,在探針和樣品之間加上電壓。當我們移動探針逼近樣品并在反饋電路的控制下使二者之間的距離保持在小于1納米的范圍時,根據前面描述的隧道效應現象,探針和樣品之間產生了隧道電流。我們曾經說過,隧道電流對距離非常敏感。當移動探針在水平方向有規律的運動時,探針下面有原子的地方隧道電流就強,而無原子的地方電流就相對弱一些。把隧道電流的這個變化記錄下來,再輸入到計算機進行處理和顯示,就可以得到樣品表面原子級分辨率的圖象。

?? 這時,你可能要提一個新的問題:如此微小的掃描移動,如此精確的距離控制,STM是怎樣實現的呢?為了說明這個問題,我們需要介紹STM的另一個重要器件——壓電陶瓷。壓電陶瓷是一種性能奇特的材料,當在壓電陶瓷對稱的兩個端面加上電壓時,壓電陶瓷會按特定的方向伸長或縮短。而伸長或縮短的尺寸與所加的電壓的大小呈線形關系。也就是說,可以通過改變電壓來控制壓電陶瓷的微小伸縮。如圖1_2,我們把三個分別代表X,Y,Z方向的壓電陶瓷塊組成三角架的形狀。通過控制X,Y方向伸縮達到驅動探針在樣品表面掃描的目的;通過控制 Z 方向壓電陶瓷的伸縮達到控制探針與樣品之間距離的目的。 STM探針的最尖端是非常尖銳的,通常只有一兩個原子。因為只有原子級銳度的針尖才能得到原子級分辨率的圖象,正好比只有刻度精確的尺子才能測量得到精確的尺度一樣。STM探針通常是用電化學的方法制作的。目前也有人用剪切的簡單方法得到尖銳的針尖。

?? 也許有人會奇怪,STM與我們通常概念上的光學顯微鏡似乎很不一樣,它為什么也叫顯微鏡呢?是的,STM與光學顯微鏡無論在外形上,還是在工作原理上都大不相同。把它稱為顯微鏡,只是借用顯微鏡是觀察微小事物的工具的概念而已,正象電子顯微鏡借用顯微鏡的概念一樣。

?? 好了,現在我們可以對掃描隧道顯微鏡(STM)進行一下總結了。掃描隧道顯微鏡(STM)又叫STM,它的基本工作原理是利用探針與樣品在近距離(小于0.1納米)時,由于二者存在電位差而產生隧道電流,隧道電流對距離非常敏感;當控制壓電陶瓷使探針在樣品表面掃描時,由于樣品表面高低不平而使針尖與樣品之間的距離發生變化,而距離的變化引起了隧道電流的變化;控制和記錄隧道電流的變化,并把信號送入計算機進行處理,就可以得到樣品表面高分辨率的形貌圖像。

?? 由于篇幅所限,我們在這里只能簡單介紹STM的一些最基本的原理。許多概念只是點到為止,實際上的掃描隧道顯微鏡(STM)要涉及現代科學技術中諸如反饋控制、模數轉換、圖象分析等重要方法和技術。STM的儀器結構要比前面介紹的復雜的多,功能強大的多。

?? STM作為新型的顯微工具與以往的各種顯微鏡和分析儀器相比有著其明顯的優勢:

?? 首先,STM具有極高的分辨率。它可以輕易的“看到”原子,這是一般顯微鏡甚至電子顯微鏡所難以達到的。我們可以用一個比喻來解釋STM的分辨本領:假如使用STM把一個原子放大到一個網球大小的尺寸,那么就相當于把一個網球放大到我們生活的地球那么大。

?? 其次,STM得到的是實時的、真實的樣品表面的高分辨率圖象。而不同于某些分析儀器是通過間接的或計算的方法來推算樣品的表面結構。也就是說,STM是真正看到了原子。

?? STM的使用環境寬松。電子顯微鏡等儀器對工作環境要求比較苛刻,樣品必須安放在高真空條件下才能進行測試。而STM既可以在真空中工作,又可以在大氣中、低溫、常溫、高溫,甚至在溶液中使用。因此STM適用于各種工作環境下的科學實驗。

?? STM的應用領域是寬廣的。無論是物理、化學、生物、醫學等基礎學科,還是材料、微電子等應用學科都有它的用武之地。

?? STM的價格相對于電子顯微鏡等大型儀器來講是較低的。這對于STM的推廣是有好處的。

?? STM的問世,為現代科技在微觀領域的突破提供了必要的工具,為納米科技的興起創造了條件。正是為了表彰葛.賓尼和海.羅雷爾發明掃描隧道顯微鏡(STM)而對科學所做的卓越貢獻,1986年,瑞典皇家科學院把本年度代表科學研究最高榮譽的諾貝爾物理學獎授予了這兩位杰出的科學家。

?? 正象任何事物都不是十全十美的一樣,STM也有令人遺憾的地方。STM基于隧道電流的工作原理決定了樣品必須是導體或半導體。而面對世界上大量存在的非導電材料來講,STM顯得無能為力了。

?? 如何解決STM存在的問題,科學家們又開始了新的探索。


二、用途各異、功能非凡的掃描探針顯微鏡(SPM)的家族成員

??? 新的設計思想帶來新的技術革命,絕妙的靈感必然引發更多、更新穎的思想火花。STM巧妙地利用探針近場(近距離)探測方法、隧道電流理論、壓電陶瓷掃描方法等現代科學技術,大大擴展了人們對顯微技術本身的認識。借鑒STM的方法,許多新型的顯微儀器和探測方法相繼誕生。這些顯微儀器適用于不同的領域,具有不同的功能。雖然它們功能各異,但都有一個共同的特點:使用探針在樣品表面進行掃描。科學界把這類顯微儀器歸納到一起,統稱為掃描探針顯微鏡(SPM),英文為:Scanning Probe Microscope,簡稱SPM。因此,當我們說到掃描探針顯微鏡(SPM)時,指的是SPM這一類顯微鏡。

?? 由于SPM深入到現代科技的各個領域,掃描探針顯微鏡(SPM)的種類也很多,這里,我們只能選擇SPM家族中有代表性的幾個成員介紹給大家。它們是:原子力顯微鏡(AFM),近場光學顯微鏡和彈道電子發射顯微鏡。 ?

1. 原子力顯微鏡(AFM)(Atomic Force Microscope 簡稱AFM)

?? 我們曾指出STM只能得到導體和半導體的圖象,而對絕緣體則力不從心了。怎樣解決這個問題?能不能找到一種既適用于導體,又適用于非導體的探測方法呢?答案是肯定的。這就是我們要介紹的原子力顯微鏡(AFM)。最先提出原子力顯微鏡(AFM)設計思想的,仍然是掃描隧道顯微鏡(STM)的發明人:年輕的科學家葛·賓尼。

?? 原子力顯微鏡(AFM)的設計思想是這樣的:一個對力非常敏感的微懸臂,其尖端有一個微小的探針,當探針輕微地接觸樣品表面時,由于探針尖端的原子與樣品表面的原子之間產生極其微弱的相互作用力而使微懸臂彎曲,將微懸臂彎曲的形變信號轉換成光電信號并進行放大,就可以得到原子之間力的微弱變化的信號。從這里我們可以看出,原子力顯微鏡(AFM)設計的高明之處在于利用微懸臂間接地感受和放大原子之間的作用力,從而達到檢測的目的。 ?

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圖2_1 原子力顯微鏡(AFM)示意圖


??? 圖2_1是目前商品化的原子力顯微鏡(AFM)儀器普遍采用的激光檢測法示意圖。激光檢測法的工作原理是:由半導體激光器發出的一束紅光經過光學透鏡進行準直、聚焦后,照射到微懸臂上。三角架形狀的微懸臂是利用微電子加工工藝制作的。微懸臂的尖端是探針,背面是用于反射激光光束的光滑鏡面。微懸臂的尺寸大約100微米左右。匯聚到微懸臂鏡面的激光經反射后最終照射到四象限光敏檢測器上。當探針在樣品表面掃描時,由于樣品表面起伏不平而使探針帶動微懸臂彎曲變化,而微懸臂的彎曲又使得光路發生變化,最終導致照射到光敏檢測器上的激光光斑位置發生移動。光敏檢測器將光斑位移信號轉換成電信號,經放大處理后既可得到圖象信號。

?? 原子力顯微鏡(AFM)同樣具有原子級的分辨率。由于原子力顯微鏡(AFM)既可以觀察導體,也可以觀察非導體,從而彌補了STM的不足。

?? 原子力顯微鏡(AFM)發明以后,又出現了一些以測量探針與樣品之間各種作用力來研究表面性質的儀器,例如:以摩擦力為對象的摩擦力顯微鏡、研究磁場性質的磁力顯微鏡、利用靜電力的靜電力顯微鏡等。這些不同功能的顯微鏡在不同的研究領域發揮著重要的作用,它們又統稱為掃描力顯微鏡。

2. 近場光學顯微鏡(Scanning Near-field Optical Microscope)

?? 科學界把探針與樣品之間的距離小于幾十納米的范圍稱為近場,而大于這個距離的范圍叫做遠場。顯然,STM、AFM等利用探針在樣品表面的掃描的方法屬于近場探測,而對于光學顯微鏡、電子顯微鏡等遠離樣品表面進行觀測的方法稱為遠場方法。

?? 正如電子具有隧道效應一樣,光子也具有光子隧道效應。既然可以利用電子的隧道效應成象,是否也能利用光子隧道效應成象呢?這的確是個很好的主意,看來你和科學家想到一起了。我們都知道,傳統光學顯微鏡的分辨率不能超過光波波長的一半,這是限制光學顯微鏡分辨本領的桎梏。研究發現,物體受光波照射后,離開物體表面的光波分為兩種成份:一部分光向遠方傳播,這是傳統光學顯微鏡能接收的信息;而另一部分光波只能沿物體表面傳播,一旦離開表面就很快衰減。這部分在近場傳播的光波又叫隱失波。由于隱失波攜帶有研究樣品表面非常有用的信息,科學家一直設想能對這種近場的光波加以研究利用。STM新穎的設計思想的出現,為近場光學的研究提供了思路。于是一種新型的科研儀器,近場光學顯微鏡誕生了。
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圖2_2 近場光學顯微鏡的原理示意圖


?? 圖2_2是近場光學顯微鏡的原理示意圖。將一個同時具有傳輸激光和接收信號功能的光纖微探針移近樣品表面,微探針表面除了尖端部分以外均鍍有金屬層以防止光信號泄露,探針的尖端未鍍金屬層的裸露部分用于在微區發射激光和接收信號。當控制光纖探針在樣品表面掃描時,探針一方面發射激光在樣品表面形成隱失場,另一方面又接收10-100納米范圍內的近場信號。探針接收到的近場信號經光纖傳輸到光學鏡頭或數字攝像頭進行記錄、處理,在逐點還原成圖象等信號。近場光學顯微鏡的其它部分與STM或AFM很相似。

?? 由于近場光學顯微鏡探測的是隧道光子,而光子又具有許多獨特的性質:例如,沒有質量、電中性等,因此,近場光學顯微鏡在納米科技中扮演的角色是其它掃描探針顯微鏡(SPM)所不可替代的。 ?


3. 彈道電子發射顯微鏡(Ballistic-Electron-Emission Microscopy)

?? 一般來說,當兩種材料相互接觸時,接觸的面就叫做界面。界面是看不見,摸不著的。界面到底有什么特殊的物理和化學性質一直是人們關心的問題。對于半導體材料來講,界面的研究尤其重要。例如我們所熟悉的二極管、三極管就是利用其界面的特殊性質進行工作的。在以往的半導體/半導體或金屬/半導體界面研究中,人們只能通過宏觀或平均的測量來了解界面的性質,而對微觀的界面情況了解甚少。

?? STM近場探測方法的實現,也開闊了人們研究微觀界面的思路。彈道電子發射顯微鏡也是在STM的基礎上設計出來的。

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圖2_3 彈道電子發射顯微鏡的示意圖


?? 圖2_3是彈道電子發射顯微鏡的示意圖。為了理解BEEM的工作原理,我們可以回想一下中學時學過的半導體二極管和三極管。二極管是由摻雜有不同材料的P型和N型半導體構成的;P型和N型半導體構成的界面稱為PN結。而三極管則是由兩個PN結組成。PN結實際上是一種被稱為肖特基勢壘的異質結,正是由于這種界面異質結的特殊性質使得三極管具有了奇妙的放大作用。現在我們如圖3_3把STM的探針接近具有異質結的樣品表面。請注意,圖3_3具有兩個信號通路:一個是探針與上層樣品構成的STM信號通路;另一個是由探針經過上層材料和異質結到達下層材料的彈道電流通路。按照STM的工作原理,當探針與樣品之間的距離非常接近時,由于探針的電勢場高于樣品,探針會向樣品發射隧道電子。這些隧道電子進入樣品到達界面時,雖然大部分電子的能量由于已經衰減而被界面的勢壘反彈回來,但是仍有少數能量較高的電子能夠穿透界面到達下層材料,這些穿透過界面的電子稱為彈道電子。由于彈道電子在穿透界面時攜帶了許多有關界面的信息,因此BEEM為界面的研究提供了有價值的數據。BEEM的另一個特點是可以同時得到表面的STM圖象和界面的圖象,這對于同時對表面和界面進行探測、研究和比較是十分有利的。

?? 如前所述,掃描探針顯微鏡(SPM)的種類有很多。例如,用以研究磁場現象的磁力顯微鏡?研究表面摩擦的摩擦力顯微鏡,還有靜電力顯微鏡、掃描噪聲顯微鏡、掃描熱顯微鏡、光子隧道顯微鏡、離子電導顯微鏡,等等。這些顯微鏡在不同的研究領域發揮著各自不同的作用。可以預料,隨著納米科技的蓬勃發展,將不斷會有新型的儀器產生并加入到掃描探針顯微鏡(SPM)家族之中。


三、掃描探針顯微鏡(SPM)下的奇妙世界

?? 面對千姿百態、神秘莫測的物質表面,有位哲人曾感嘆道:表面是個魔鬼!的確,由于物質表面原子、分子空間結構的特殊性,使得表面的化學及物理性質遠比物質內部復雜和豐富的多。因此,為了了解表面的微觀現象,科學家們投入了極大的熱情并取得了豐碩的成果。下面就讓我們用掃描探針顯微鏡(SPM)來揭開表面這個魔鬼的神秘面紗吧。需要指出的是,掃描探針顯微鏡(SPM)下的微觀世界是絢麗多姿的。由于篇幅所限,在這里我們只能摘取其中幾朵美麗的小花供大家欣賞。 ?

1. 硅111面7′ 7原子重構象—— 大自然的鬼斧神工

?? 在圖1_1我們已經展示了硅原子的美麗圖象。硅片是大家熟悉的制作晶體管和大規模集成電路的半導體材料,為了得到表面清潔的單質材料,要對硅片進行高溫加熱和退火處理,在加熱和退火處理的過程中硅表面的原子進行重新組合,結構發生較大變化,這就是所謂的重構。在STM發明之前,科學界對硅的重構現象一直有較大的爭議。當賓尼和羅雷爾第一次將硅表面原子排列的STM圖象呈現在人們面前的時候,科學家們在對硅111面7′ 7原子重構無可辯駁的事實表示信服的同時,更為STM所表現的極高的分辨本領所驚訝。看著硅原子構成的那精美的圖案,你怎能不為大自然造物所具有的鬼斧神工的本領所折服? ?


2. 圖3-2,液體中觀察原子圖象
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?? 圖3_2中所示的是在電解液中得到的硫酸根離子吸附在銅單晶(111)表面的STM圖象。圖中硫酸根離子吸附狀態的一級和二級結構清晰可見。我們說,SPM的本領是神通廣大的,它的適應領域和操作環境非常寬闊,不管樣品是在真空中、空氣中,還是液體中,SPM都可以使其現出原形”。 ?


3. 圖3-3,移動原子——世界上最小的廣告

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?? 1990年,IBM公司的科學家展示了一項令世人瞠目結舌的成果,他們在金屬鎳表面用35個惰性氣體氙原子組成“IBM”三個英文字母。科學家在試驗中發現STM的探針不僅能得到原子圖象,而且可以將原子在一個位置吸住,再搬運到另一個地方放下。這可真是個了不起的發現,因為這意味著人類從此可以對原子進行操縱!這在過去只能從科幻小說上看到的情節現在已經成為現實,怎能不讓科學界浮想聯翩,為之振奮? ?


4. 圖3-5 納米神算子—— 分子算盤
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?? STM探針不僅可以將原子、分子吸住,也可以將它們象算盤珠子一樣撥來撥去。這不,科學家把碳60分子每十個一組放在銅的表面組成了世界上最小的算盤。與普通算盤不同的是,算珠不是用細桿穿起來,而是沿著銅表面的原子臺階排列的?需要指出的是,科學家并不是無聊到用撥弄分子來打發時間,這項試驗的真正意義在于希望有一天,人們能夠自下而上的通過操縱原子、分子來隨心所欲地構造新的物質。


5. 圖3-6,納米繪畫藝術—— 納米中國
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?? 這是中國科學院化學所的科技人員利用納米加工技術在石墨表面通過搬遷碳原子而繪制出的世界上最小的中國地圖。這幅地圖到底有多小呢?打個比方吧,如果把這幅圖放大到一張一米見方的中國地圖大小的尺寸,就相當于把該幅地圖放大到中國遼闊的領土的面積。這下你可以想象這幅納米中國有多么袖珍了吧?納米加工技術是利用掃描探針顯微鏡(SPM)的方法對樣品實施電脈沖或力等手段進行表面修飾的方法。SPM的加工精度要比傳統的光刻技術高的多。在當今高科技產業飛速發展的時代,由于各種器件的集成度越來越高,傳統的毫微米加工技術已經接近理論的極限,因此,納米加工技術的出現無疑給人們帶來了希望。



四. 展望未來納米世界

?? 掃描探針顯微鏡(SPM)的誕生,將一個嶄新的、充滿神秘色彩的納米世界展現在世人面前。人們的暇想在這里象長上翅膀一樣自由地飛翔,在不長的時間里,納米科技所揭示的新發現、新成果就已經令人目不暇接。有人說,20世紀是微米的時代,而21世紀則是納米的時代。曾幾何時,人們把煉金術士們的點石成金的夢想當作笑談,可是,在原子、分子操縱成為現實的今天,誰又能說夢想不能成真呢?下面,請你大膽地運用你那富于想象的大腦,與科學家們一起進入未來納米世界。

?納米電子學

???? 當今的時代,大規模集成電路的制造已經進入了微米和亞微米的量級。電子器件的集成度越來越高,已經接近了它的理論極限。在納米尺度上,由于電子的波動性質而呈現各種量子效應,使得電子器件已無法按照通常的要求進行工作。納米電子學正是面對這種挑戰而誕生的。在納米電子學這個天地里,新的發現,新的成果不斷涌現。

?? 納米電子器件中最有應用前景的是各種量子元器件。這種利用量子效應制作的器件不僅體積小,還具有高速、低耗和電路簡化的特點。納米電子學中另一個有趣的研究熱點是所謂的單電子器件。在單電子器件中,利用庫侖阻塞效應,甚至能夠對電子一個一個的加以控制,這有可能開發出單電子的數字電路或存儲器。

?? 基于利用STM對分子、原子進行搬遷的事實,人們產生了利用該技術制造分子存儲器甚至原子存儲器的夢想。難道不可以嗎?物體的表面,有原子的位置為“1”,沒原子的位置為0”,這不就可以表示二進制嗎?這不就是存儲器嗎?有人做過計算,一個分子存儲器能夠存儲的信息,相當于100萬張光盤的存儲量;而一張同樣大小的原子存儲器的容量,將能夠存入人類有史以來的全部知識!


納米材料學


?? 科學研究發現,當材料的顆粒縮小到只有幾納米到幾十納米時,由于顆粒表面相對活躍的原子數量與顆粒內部結構穩定的原子數量的比例大大增加,使得材料的性質發生了意想不到的變化。本文開始時提到的納米陶瓷材料能夠彎曲180度就是一個典型的例子。由于陶瓷材料具有堅硬、耐高溫等優良特性,工業界一直認為陶瓷是未來汽車、飛機發動機的理想材料。如果納米陶瓷的柔韌性優勢得到利用,今后的發動機將甩掉笨重的冷卻系統,汽車將跑的更快,飛機將飛的更高。
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?? 具有未來超級纖維之稱的碳納米管是當前材料研究領域中非常熱門的納米材料,它是一種由碳原子組成的、直徑只有幾個納米的極微細的纖維管。碳納米管具有極其奇特的性質:它的強度比鋼高100倍,但是重量只有鋼的六分之一;它的導電性十分怪異,不同結構碳納米管的導電性可能呈現良導體、半導體、甚至絕緣體。因此它也許能成為納米級印刷電路的材料。有人設想過碳納米管的可能用途,例如做成納米開關,或者做成極細的針頭用于給細胞“打針”等等。圖4_1是由碳納米管制作的納米齒輪模型。納米齒輪上的原子清晰可見。最異想天開的用途莫過于將碳納米管做成太空升降機的纜繩。由于碳納米管的強度高、重量輕,如果把它做成纜繩,即使纜繩的長度是從太空下垂到地面的距離,它也完全可以經得住自身的重量。到那個時候,人類到外太空旅行將是一件輕而易舉的事情。


?? 納米顆粒材料潛在的應用前景是多方面的。例如,實驗發現納米銅和鋁一遇到空氣就會激烈燃燒,發生爆炸,這也許可以作為未來的固體燃料使火箭具有更大的推動力;納米有機發光材料的特點是材料即具有柔性,同時可以在電場的作用下發出各種顏色的光。有人設想用納米有機發光材料制作的電視屏幕甚至可以象一幅圖畫一樣卷起來帶走。 ?


納米機械學


?? 我們知道,機械加工的方法是用車、磨、銑、刨、鉆等機床把料材加工成各種需要的工件。這是一種自上而下,或者說從大到小的加工方法。加工的過程必然要去掉一些下腳料,造成浪費。而納米制造技術則是由相反的方向,直接由原子、分子來完整地構造器件。這真是機械加工的一場革命。請不要把這種變革當成天方夜譚來看。實際上,原子、分子操縱技術、納米加工技術、分子自組裝技術等新科技已經為這種突破提供了可能性。目前,科學研究的前沿已經深入到單原子的探測和操縱中,制作具有特殊功能的人造分子和納米器件已經成為可能。在一些實驗室中科學家們已經開始了制造諸如納米齒輪、納米電池、納米探針、分子泵、分子開關、甚至分子馬達等納米機械雛型的探索并取得了可喜的成果。我們可以想象,到人類可以按照自己的意愿創造物質結構的時候,世界將會變成怎樣。
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?? 圖4_2描述的是兩種不同的分子在分子之間力的作用下在溶液中自組裝的情形。由于納米尺寸非常之小,納米機械必須具有自組裝、自我復制等功能。

?? 納米機械中最具有卡通色彩的莫過于納米機器人了。在科學家和畫家的筆下,未來納米世界是納米機器人縱橫馳騁的天下。你看,一次太空發射可以將成千上萬的納米飛船發射到外太空,這些飛船的目的是到其它星球去執行生產和復制的工作。具有特殊使命的納米間諜被散播到敵方或競爭對手中去,它們的任務是偵察敵情和搜集情報。人的身體更是納米機器人大顯身手的地方。這些機器人比血紅細胞還要小,它們各司其職:有的負責監視病情,有的負責向特定的部位傳輸藥物,有的則負責清除病毒、血栓、垃圾等有害物質。 ?


納米生物學

?? 納米生物學的產生是與SPM的發明和在生命科學中的應用分不開的。生命過程是已知的物理、化學過程中最復雜的事情。不同于宏觀生物學,納米生物學是從微觀的角度來觀察生命現象、并以對分子的操縱和改性為目標的。納米生物學發展時間不長就已經取得了可喜的成績。生物科家在納米生物學領域提出了許多富有挑戰性的新觀念。 納米生物學的加工技術可以向生物細胞學習。生物器件的特點是象遺傳基因分子那樣具有自我復制功能。這樣一來,可以利用納米加工技術,按照分子設計的方法合成、復制成各種用途的生命零件,例如具有生物智能、運算速度更快的生物計算機;利用生物零件可以組裝具有特定功能的納米生物機器人;生物零件與無機材料或晶體材料結合可以制成具有生命功能的納米電路等。

?? 下面讓我們看看科學家和畫家是怎樣描繪生物機器人的。
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?? 圖4_3是科學家幻想的人體中的血紅細胞和人造細胞在一起的情景。我們知道人體中紅血球的重要功能之一是向身體的各個部分輸送氧分子,因為如果身體的某些部分缺氧,那部分就會感到疲勞。畫中的藍色小球稱為呼吸者,它們不僅具有比紅血球攜帶氧分子多數百倍的功能,而且本身裝有納米計算機、納米泵,可以根據需要將氧釋放,同時將無用的二氧化碳帶走。 科學家一直在研究微生物的機械本領并試圖把它應用到納米機械的設計中去。例如大腸桿菌等細菌的移動靠的是一種稱為鞭毛馬達的驅動機構。微生物的鞭毛馬達雖然只有30至50納米,但它的效率卻極高。這種效率相當于只需百分之一馬力就可以使體重60公斤的人像騎摩托車一樣飛速前進。圖4_4是畫家筆下的一種納米仿生術機器人。這種稱為游蕩者的納米仿生物可以為人體傳送藥物,進行細胞修復等工作。
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?? 圖4_5描述的是一個納米機器人在清理血管中的有害堆積物。由于納米機器人可以小到在人的血管中自由的游動,對于象腦血栓、動脈硬化等病灶,它們可以非常容易的予以清理,而不用再進行危險的開顱、開胸手術。 ?


結束語

?? 1993年,因發明STM而獲得諾貝爾獎的科學家羅雷爾博士曾寫信給江澤民主席。他指出:“許多人認為納米科技僅僅是遙遠的未來基礎科學的事情,而沒有什么實際意義。但我確信納米科技已經具有與150年前微米科技所具有的希望和重要意義。150年前,微米成為新的精度標準,并成為工業革命的技術基礎,最早和最好學會并使用微米技術的國家都在工業發展中占據了巨大的優勢。同樣,未來的技術將屬于那些明智地接受納米作為新標準、并首先學習和使用它的國家。不幸的是,目前對這一新領域持保留和懷疑態度的還大有人在。我們應當記住,微米曾同樣地被認為對使用牛耕地的農民無關緊要。的確,微米與牛和耕犁毫無關系,但它卻改變了耕作方式,帶來了拖拉機。” 羅雷爾博士的話精辟地闡述了納米科技對社會的發展將要起的重要作用. 掃描探針顯微鏡(SPM)的發明推動了納米科技的興起。而納米科技的發展和實用化必將促進人類文明的進步。讓我們滿懷信心地迎接納米科技時代的到來吧!

本文作者:戴長春

參考文獻:

1. 白春禮,?納米科學與技術?,云南科技出版社,1995年1月
2. Eric Drexler, Chris Peterson and Gayle Pergamit, "Unbounding the Future: the Nanotechnology Revolution",1991
3. 現代科學儀器,1998年第1、2期合刊
4. 部分報刊、雜志和一些國際互聯網網頁


感謝:

本文編寫得到了新加坡Institute of Materials Research & Engineering 的蘇小笛博士,李五湖博士,張偉德博士,中國科學院向學蕓女士等的幫助。特此感謝

 

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