第八章微細加工技術和納米技術

1、精密和超精密加工技術,華南理工大學陳松茂 講師,第八章 微細加工技術和納米技術,本章主要提要,8.1 微細加工技術的出現,一、微細加工出現的歷史背景：精密機械零件、儀表零件的微細加工 (如：鐘表、計量儀器、醫(yī)療器械、光學儀器、微型電機、微型齒輪等)電子設備微型化和集成化的需要 (如：計算機、微電子技術、航空航天、大規(guī)模集成電路等)現代科技的發(fā)展，已經形成一門新興學科，即：微小機械學(如：微型電機軸徑0.1mm；微型齒輪外徑0.

2、125mm),2,微小機械學發(fā)展：,微機械或微電子機械系統(tǒng)(MEMS)是20世紀80年代后期發(fā)展起來的一門新興學科。它給國民經濟、人民生活和國防、軍事等帶來了深遠的影響，被列為21世紀關鍵技術之一。隨著微/納米科學與技術的發(fā)展，以形狀尺寸微小或操作尺度極小為特征的微機械已成為人們在微觀領域認識和改造客觀世界的一種高新技術。微機械由于具有能夠在狹小空間內進行作業(yè)而又不擾亂工作環(huán)境和對象的特點，在航空航天、精密儀器、生物醫(yī)療等領域有著廣

3、闊的應用潛力，受到世界各國的高度重視。微機械涉及的基本技術主要有：微機械設計；微機械材料；微細加工；集成技術；微裝配和封接；微測量；微能源；微系統(tǒng)控制等。微機械的制造和生產離不開微細加工技術。,3,MEMS是一項國際公認的戰(zhàn)略高技術。,1987年，UC Berkeley 研制的硅靜電馬達( 轉子直徑120微米，電容間隙2 微米) 問世，引起轟動。專家預言，它的意義可與當年晶體管的發(fā)明相比。,4,機械的微型化及相關的制造技術,傳統(tǒng)機

4、械,納米機械,微小型機械,,,傳統(tǒng)制造技術,微細制造技術MEMS技術,納米制造技術,,5,,,微型機床,6,放在手提箱里的機械廠,7,8,8.2 微細加工的概念及其特點,東京工業(yè)大學的谷口紀男教授首先提出了納米技術術語，明確提出以納米精度為超精密加工的奮斗目標。所謂微細加工技術就是指能夠制造微小尺寸零件的加工技術的總稱。廣義地講，微細加工技術包含了各種傳統(tǒng)精密加工方法和與其原理截然不同的新方法，如微細切削磨料加工、微細特種加工、半

5、導體工藝等；狹義地講，微細加工技術是在半導體集成電路制造技術的基礎上發(fā)展起來的，微細加工技術主要是指半導體集成電路的微細制造技術，如氣相沉積、熱氧化、光刻、離子束濺射、真空蒸鍍等。,9,目前微細加工領域的幾大流派：以美國為代表的硅基MEMS技術以德國為代表的LIGA技術以日本為代表的機械加工方法的微細化 他們的研究與應用情況基本代表了國際微細加工的水平和方向，應密切關注。,10,,微細加工與常規(guī)尺寸的加工的機理是截然不同

6、的。微細加工與一般尺度加工的主要區(qū)別體現在： 1. 加工精度的表示方法不同。在一般尺度加工中，加工精度常用相對精度表示；而在微細加工中，其加工精度則用絕對精度表示。加工單位概念的引入。 2. 加工機理存在很大的差異。由于在微細加工中加工單位的急劇減小，此時必須考慮晶粒在加工中的作用。 3. 加工特征明顯不同。一般加工以尺寸、形狀、位置精度為特征；微細加工則由于其加工對象的微小型化，目前多以分離或結合原子、分子為特

7、征。,11,,微細加工作為精密加工領域中的一個極重要的關鍵技術，目前有如下的幾個特點：1. 微細加工和超微細加工是多學科的制造系統(tǒng)工程；2. 微細加工和超微細加工是多學科的綜合高新技術；3. 平面工藝是微細加工的工藝基礎；4. 微細加工技術和精密加工技術互補；5. 微細加工和超微細加工與自動化技術聯(lián)系緊密；6. 微細加工檢測一體化。,12,8.3 微細加工機理,一、切削厚度與材料剪切應力關系 在微切削時，切削往往在晶

8、粒內進行，切削力一定要超過晶體內部的分子、原子結合力，其單位面積的切削阻力(N／mm2)急劇增大，刀刃上所承受的剪切應力變得非常大，從而在單位面積上會產生很大的熱量，使刀刃尖端局部區(qū)域的溫度極高，因此要求采用耐熱性高、高溫硬度高、耐磨性強、高溫強度好的刀刃材料，即超高硬度材料，最常用的是金剛石等。,13,二、材料缺陷分布的影響 材料微觀缺陷分布或材質不均勻性，可以歸納為以下幾種情況：晶格原子(～10-6mm) 在晶格原子空間

9、的破壞就是把原子一個個去除。點缺陷(10-6～10-4mm) 點缺陷就是在晶粒結構中存在著空位和填隙原子。點缺陷空間的破壞就是以點缺陷為起點來增加晶格缺陷的破壞。位錯缺陷(10-4～10-2mm) 位錯缺陷就是晶格位移和微裂紋，它在晶體中呈連續(xù)的線狀分布，故又稱為線缺陷。在晶體內部，一般情況下大約1?m左右的間隔內就有一個位錯缺陷。晶界、空隙和裂紋(10-2～1mm) 它們的破壞是以缺陷面為基礎的晶粒間破壞。缺口(1mm以

10、上) 缺口空間的破壞是由于拉應力集中而引起的破壞。在微切削去除時，當應力作用的區(qū)域在某個缺陷空間范圍內，則將以與該區(qū)域相應的破壞方式而破壞。各種破壞方式所需的加工能量也是不同的。,14,三、不同微細加工方法的加工機理,根據各種方法的加工機理的不同，微細加工可大致分為3大類：分離加工??將材料的某一部分分離出去的加工方式，如切削、分解、刻蝕、濺射等。大致可分為切削加工、磨料加工、特種加工及復合加工等。結合加工??同種或不同種材料的附

11、加或相互結合的加工方式，如蒸鍍、沉積、生長、滲入等。可分為附著、注入和接合三類。附著是指在材料基體上附加一層材料；注入是指材料表層經處理后產生物理、化學、力學性能的改變，也可稱之為表面改性；接合則是指焊接、粘接等。變形加工??使材料形狀發(fā)生改變的加工方式，如塑性變形加工、流體變形加工等。,15,8.4 微細加工方法,一、高能束流微細特種加工技術 高能束流加工是利用能量密度很高的電子束、激光束或離子束等去除工件材料的特種加工方

12、法的總稱。 特點與應用：屬于非接觸加工，無成形工具，而且?guī)缀蹩梢约庸と魏尾牧希诰⒓庸?、航空航天、電子、化工等領域中應用極廣。 多學科交叉：其研究內容極為豐富，涉及光學、電學、熱力學、冶金學、金屬物理、流體力學、材料科學、真空學、機械設計和自動控制以及計算機技術等多種學科，是一種典型的多學科交叉技術。,16,1、電子束微細加工技術,電子束加工原理1-工件 2-電子束 3-偏轉線圈 4-電磁透鏡,電子束加工是在真

13、空條件下，利用聚焦后能量密度極高(106～109W/cm2)的電子束，以極高的速度沖擊到工件表面極小的面積上，在很短的時間(幾分之一微秒)內，其能量的大部分轉變?yōu)闊崮?，使被沖擊部分的工件材料達到幾千攝氏度以上的高溫，從而引起材料的局部熔化和氣化，被真空系統(tǒng)抽走。,優(yōu)點：1)束徑小、能量密度高。能聚焦到0.1µm，功率密度可達109W／cm2量級。2)可加工材料的范圍廣。對非加工部分的熱影響小，對脆性、韌性、導體、非導體及半導體

14、材料都可加工。3)加工效率高。每秒鐘可以在2.5mm厚的鋼板上鉆50個直徑為0.4mm的孔。4)控制性能好。5)電子束加工溫度容易控制。6)污染小。 缺點：必須在真空中進行，需要一整套專用設備和真空系統(tǒng)，價格較貴。,17,根據其功率密度和能量注入時間的不同，電子束加工可用于打孔、切割、蝕刻、焊接、熱處理和光刻加工等。歸納起來，電子束在微細加工領域中的應用分為兩大類：電子束熱微細加工和電子束化學微細加工。,電子束微細加工的應用,18

15、,應用一：電子束熱微細加工,第一類為電子束熱微細加工，電子束的能量較大(30keV?幾百keV)，又稱為高能量密度電子束加工，它是利用電子束的熱效應，將電子束的動能在材料表面轉換成熱能而對材料實施加工的。,19,電子束打孔,目前電子束打孔的最小直徑已經可達φ0.001mm左右，而且還能進行深小孔加工，如孔徑在0.5-0.9mm時，其最大孔深已超過10mm，即孔的深徑比大于15：1。與其它微孔加工方法相比，電子束的打孔效率極高，通常每秒

16、可加工幾十至幾萬個孔。利用電子束打孔速度快的特點，可以實現在薄板零件上快速加工高密度孔，這是電子束微細加工的一個非常重要的特點。電子束打孔已在航空航天、電子、化纖以及制革等工業(yè)生產中得到實際應用。,,20,,利用電子束在磁場中偏轉的原理，使電子束在工件內部偏轉，還可以利用電子束加工彎孔和曲面。,電子束切割,21,,,,,電子束焊接是利用電子束作為熱源的一種焊接工藝，在焊接不同的金屬和高熔點金屬方面顯示了很大的優(yōu)越性，已成為工業(yè)生產中的重

17、要特種工藝之一。 電子束焊接具有以下的工藝特點：(1)焊接深寬比高。(2)焊接速度高，易于實現高速自動化。(3)熱變形小。 (4)焊縫物理性能好。 (5)工藝適應性強。 (6)焊接材料范圍廣。,電子束微細焊接,22,第二類為電子束化學微細加工，電子束的能量較小，一般小于30keV，主要用于大規(guī)模集成電路(LSI)和超大規(guī)模集成電路(VLSI)復雜圖形的制備以及光刻掩膜圖形的制備。 它利用電子束流的非熱效應，功率密度

18、較小的電子束流與電子膠(又稱電子抗蝕劑)相互作用，電能轉化為化學能，產生輻射化學或物理效應，使電子膠的分子鏈被切斷或重新組合而形成分子量的變化以實現電子束曝光。包括電子束掃描曝光和電子束投影曝光。 電子束曝光微細加工技術，已經成為生產集成電路元件的關鍵性加工手段。,應用二：電子束化學微細加工,23,,目前微細加工中采用的曝光技術主要有電子束曝光技術、離子束曝光技術、X射線曝光技術、準分子激光曝光技術等。 其中：

19、離子束曝光技術具有最高的分辨率； 紫外準分子激光曝光技術具有最佳的經濟性； 電子束曝光技術則代表了最成熟的亞微米級曝光技術。,電子束曝光微細加工技術,24,,電子束曝光主要分為兩類：掃描電子束曝光，又稱電子束線曝光；投影電子束曝光，又稱電子束面曝光。 電子束掃描是將聚焦到小于1µm的電子束斑在大約(0.5?5)mm的范圍內按程序掃描，可曝光出任意圖形。掃描電子束曝光除了可以直接描畫亞微米圖形之外

20、，還可以制作掩膜，這是其得以迅速發(fā)展的原因之一。 投影電子束曝光的方法是使電子束先通過原版，再按比例縮小投影到電致抗蝕劑上進行大規(guī)模集成電路圖形的曝光。它可以在幾毫米見方的硅片上安排十萬個以上晶體管或類似的元件。投影電子束曝光技術具有高分辨率和生產效率高、成本低的優(yōu)點。,25,,,中科院電工研究所于2000年研制的DY-7電子束光刻機0.1µm電子束曝光系統(tǒng)制作的“硅表面人工微結構”的PMMA膠圖形，其最小線寬為80n

21、m。,電子束曝光微細加工技術,26,離子束加工是利用離子束對材料進行成形或表面改性的加工方法，其加工原理和電子束加工基本類似，也是在真空條件下，將離子源產生的離子束經過加速聚焦，使之打到工件表面從而對工件進行加工。 離子束加工與電子束加工的本質區(qū)別在于：在離子束微細加工時，加速的物質是帶正電的離子而不是電子，其質量比電子大數千萬倍，如氬離子的質量是電子的7.2萬倍，因此當離子被加速到較高速度時，離子束比電子束具有更大的撞擊動能；其次

22、，電子束加工主要是靠熱效應進行加工，而離子束加工主要是通過離子撞擊工件材料時引起的破壞、分離或直接將離子注入加工表面等機械作用進行加工。,2、離子束微細加工技術,27,離子束加工按照其所利用的物理效應相達到目的的不同，可以分為四類，即利用離子撞擊和濺射效應的離子刻蝕、離子濺射沉積和離子鍍，以及利用注入效應的離子注入。,,a)離子刻蝕 b)濺射沉積 c)離子鍍 d)離子注入,離子束加工的分類,28,加工精度高

23、，易于精確控制?？杉庸さ牟牧戏秶鷱V泛。加工表面質量高。離子束加工設備費用貴、成本高，加工效率較低。,離子束加工的特點,29,目前常用的離子束微細加工技術主要有：離子束曝光、刻蝕、鍍膜、注入、退火、打孔、切割、凈化等。 離子束刻蝕：離子束濺射刻蝕、反應離子束刻蝕 、等離子體刻蝕 離子濺射鍍膜:離子濺射鍍膜工藝適用于合金膜和化合物膜等的鍍制。 離子鍍:離子鍍是在真空鍍膜和濺射鍍膜的基礎上發(fā)展起來的一種鍍膜技

24、術。 離子注入:離子注入是將工件放在離子注入機的真空靶中，在幾十至幾百千伏的電壓下，把所需元素的離子直接注入工件表面。 離子束加工裝置與電子束加工裝置類似，主要包括離子源、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源等部分。主要的不同點表現在離子源系統(tǒng)。,離子束微細加工方法及裝置,30,激光作為一種新型光源，它和普通光源的區(qū)別在于發(fā)光的微觀機制不同。激光的光發(fā)射則是以受激輻射為主，各個發(fā)光中心發(fā)出的光波都具有相同的頻率、方向、偏振態(tài)和

25、嚴格的相位關系。由于這種基本差別，激光具有強度或亮度高、單色性好、相干性好和方向性好這些突出優(yōu)點。 激光加工主要有以下特點:1)加工精度高。2)加工材料范圍廣泛。3)加工性能好。4)加工速度快、熱影響區(qū)小、效率高。,3、激光束微細加工技術,31,激光束微細加工技術,32,當能量密度極高的激光束照射在加工表面時，一部分從材料表面反射，一部分透入材料內，其光能被吸收，并轉換為熱能，是照射區(qū)域的溫度迅速升高、熔化、氣化和熔融濺出

26、而去除材料。 可以說，激光加工的機理是熱效應！,激光加工的機理,33,1)激光打孔用透鏡將激光能量聚焦到工件表面的微小區(qū)域上，可使物質迅速氣化而成微孔。已廣泛應用于火箭發(fā)動機和柴油機的燃料噴嘴加工、化纖噴絲板噴絲孔、鐘表及儀表中的寶石軸承打孔、金剛石拉絲模加工等方面。激光打孔的效率極高，適合于自動化連續(xù)加工，加工的孔徑可以小于0.01mm，深徑比可達50：1以上。,激光加工方法,34,YAG激光加工系統(tǒng)加工的25μm

27、小孔,激光加工方法,35,2)激光切割激光切割的原理與激光打孔基本相同。所不同的是，工件與激光束之間需要相對移動，通過控制二者的相對運動即可切割出不同形狀和尺寸的窄縫與工件。激光切割大都采用重復頻率較高的脈沖激光器或連續(xù)輸出的激光器。但連續(xù)輸出的激光束會因熱傳導而使切割效率降低，同時熱影響層也較深。因此，在精密機械加工中，一般都采用高重復頻率的脈沖激光器。YAG激光器輸出的激光已成功地應用于半導體劃片，重復頻率為(5?20)Hz，劃片

28、速度為(10?30)mm／s，寬度為0.06mm，成品率達99％以上，比金剛石劃片優(yōu)越得多，可將一平方厘米的硅片切割幾十個集成電路塊或幾百個晶體管管芯。,36,3)激光焊接激光焊接是將激光束直接照射到材料表面，通過激光與材料相互作用，使材料內部局部熔化(這一點與激光打孔、切割時的蒸發(fā)不同)實現焊接的。激光焊接可分為脈沖激光焊接和連續(xù)激光焊接等；激光焊接按其熱力學機制又可分為激光熱傳導焊接和激光深穿透焊接等。激光焊接與常規(guī)焊接方法相比

29、具有如下特點：(1)可對高熔點、難熔金屬或兩種不同金屬材料進行焊接。(2)聚焦光斑小，加熱速度快，作用時間短，熱影響區(qū)小，熱變形可以忽略。(3)激光焊接屬于非接觸焊接，無機械應力和機械變形、能透過透光物質對密封器內工件進行焊接。(4)激光焊接裝置容易與計算機聯(lián)機，能精確定位，實現自動焊接。,37,4)激光表面改性利用激光對材料表面進行處理可改變其物理結構、化學成分和金相組織，從而改善材料表面的物理、力學、化學性質，如硬度、耐磨性、耐疲

30、勞性、耐腐蝕性等，稱為激光表面改性技術。5)激光存儲利用激光進行視頻、音頻、文字材料、計算機信息等的存取。,38,激光加工的基本設備包括激光器、電源、光學系統(tǒng)及機械系統(tǒng)等四大部分。激光器 目前常用的激光器按激活介質的種類可以分為固體激光器和氣體激光器。用于激光加工的固體激光器通常是摻釹釔鋁石榴石激光器(簡稱Nd:YAG激光器)、釹玻璃激光器和紅寶石激光器等，氣體激光器通常是CO2激光器和準分子激光器。,激光加工設備,3

31、9,1)固體激光器固體激光器一般采用光激勵，能量轉化環(huán)節(jié)較多。光的激勵能量大部分轉換為熱能，所以效率低。為了避免固體介質過熱，固體激光器通常多采用脈沖工作方式，并用合適的冷卻裝置，較少采用連續(xù)工作方式。用于激光熱加工的固體激光器主要有三種，即紅寶石激光器、釹玻璃激光器和Nd:YAG激光器。,,固體激光器結構示意圖l、全反射鏡 2、工作物質 3、玻璃套管 4、部分反射鏡 5、聚光鏡 6、氙燈 7、電源,40,2)氣體激光器氣體激光器

32、一般采用電激勵，因其效率高、壽命長、連續(xù)輸出功率大，所以廣泛用于切割、焊接，熱處理等加工。常用于材料加工的氣體激光器有二氧化碳激光器、氬離子激光器和準分子激光器等。二氧化碳激光器連續(xù)輸出功率可達萬瓦，是目前連續(xù)輸出功率最高的氣體激光器。氬離子激光器是惰性氣體氬(Ar)通過氣體放電，使氬原子電離并激發(fā)，實現離子數反轉而產生激光，由于氬激光器波長短，發(fā)散角小，所以可用于精密微細加工，如用于激光存貯光盤基板蝕刻制造等。 準分子激光的波長

33、極短(λ＝193nm) ，聚焦光斑直徑可達微米級，光束能量密度可達(108?1010)W/cm2。與利用熱效應的CO2、YAG等激光相比，準分子激光基本屬于冷光源，從而在微細加工方面極具發(fā)展?jié)摿Α?41,光刻加工技術,光刻加工又稱光刻蝕加工，是刻蝕加工的一種，該技術主要是針對集成電路制作中得到高精度微細線條所構成的高密度微細復雜圖形。 光刻加工可以分為兩個階段，第一階段為原版制作，生成工作原版或工作掩膜；第二階段為光刻過程，兩者

34、統(tǒng)稱為光刻加工。 光刻的基本原理是﹕利用光致抗蝕劑(或稱光刻膠)感光后因光化學反應而形成耐蝕性的特點﹐將掩模板上的圖形刻制到被加工表面上。,42,,電子束光刻大規(guī)模集成電路加工過程,43,8.5 集成電路與印刷電路板制作技術,集成電路一般是按集成度和最小線條寬度來分類，集成度是指在規(guī)定大小的一塊單元芯片上所包含的電子元件數。 集成電路要求在微小面積的半導體材料商能容納更多的電子元件，以形成功能復雜而又完善的電路。

35、 電路微細圖案中的最小線條寬度是提高集成度的關鍵技術 ，同時是集成電路水平的一個標志。,44,集成電路中有關微細加工方法,1）外延生長 是在半導體晶片表面沿原來的晶體結構軸方向上生長一薄層單晶層，以提高晶體管的性能。其常用方法是化學氣相沉積。2）氧化 是在半導體鏡片表面生成氧化膜，作為絕緣層防止短路和電容的絕緣介質，常用的方法是熱氧化法工藝。3）光刻 是在基片表面上涂覆一層光致抗蝕劑，經圖形復印曝光、顯影、刻蝕等處理后，在基片上形成

36、所需精細圖形。4）選擇擴散 基片經氧化、光刻處理后，置于惰性氣體或真空中加熱，并于合適的雜質接觸，光刻中去除了氧化膜的基片表面受雜質擴散，形成擴散層，稱之為選擇擴散。擴散層深度一般為1~3um。5）真空鍍膜 是在真空容器中加熱導電性能良好的金屬，使之成為蒸氣原子而飛濺到基片表面，沉積形成一薄層金屬膜，從而解決集成電路中的布線和引線制作。,45,印刷電路板是用一塊板上的電路來連接芯片、電器元件和其他設備的，其上的電路最早采用篩網印制技

37、術來實現，因而稱作印刷電路板。 三種普通的印刷線路板：1）單面印制線路板2）雙面印制線路板3）多層印制線路板,印刷電路板制作技術,46,微細加工的實例,中國科學家研制的微型步進電機的掃描電鏡照片,47,,微細加工的產品,48,,微細加工的產品-超大規(guī)模集成電路的制備,49,,微細加工的產品-微電機系統(tǒng) (MEMS) 的制備,50,,微細加工的產品-微電機系統(tǒng) (MEMS)在航空航天中的應用,航空：改進飛機性能、保證飛機安全

38、舒適、減少躁聲。航天：天際信息網、微重力測量,51,,微細加工的產品-微電機系統(tǒng) (MEMS)在汽車工業(yè)中的應用,52,,微細加工的產品-微電機系統(tǒng) (MEMS)在人體醫(yī)學中的應用,53,生物芯片Lab on Chip血壓計新型噴霧器可在血管內操作和檢測的微型儀器,54,噴霧給藥中的微噴嘴,55,8.6 微細加工技術的發(fā)展與趨勢,加工方法的多樣化加工材料單純的硅向各種類型的材料發(fā)展提高微細加工的經濟性加快微細加工的機理研

39、究,56,微型彈簧,57,撲翼式微飛行器,58,微型機器人,59,微型機器人,60,8.7 納米技術概述,一、納米的概念 納米”是英文nanometer的譯名（希臘語“矮小”），是一種度量單位，1納米為百萬分之一毫米，即1毫微米，也就是十億分之一米，約相當于45個原子串起來那么長，是氫原子直徑的10倍，萬分之一頭發(fā)粗細。 納米結構通常是指尺寸在100納米以下的微小結構。 納米研究的范圍是1

40、到100納米，0.1納米是單個氫原子的尺寸，因此所謂0.1納米層面的“納米技術”是不存在的。,61,How small is 1 nanometer?,Human Hair,一納米有多小？,62,Understanding Size,10 centimeters,1 centimeter,63,100 micrometers,10 micrometers,64,1 micrometer,100 nanometers,65,10 nano

41、meters,1 nanometer,66,二、納米技術的誕生與發(fā)展,1959年，著名物理學家、諾貝爾獎獲得者理查德·費曼預言，人類可以用小的機器制作更小的機器，最后將變成根據人類意愿，逐個地排列原子，制造“產品”，這是關于納米技術最早的夢想。 七十年代，科學家開始從不同角度提出有關納米科技的構想。,用掃描隧道顯微鏡的針尖將原子一個個地排列成漢字，漢字的大小只有幾個納米。,67,1974年，科學家唐尼古奇最早使用納米技術一詞描

42、述精密機械加工。 1982年，科學家賓尼西、羅雷爾發(fā)明研究納米的重要工具—掃描隧道顯微鏡，使人類首次在大氣和常溫下看見原子，為我們揭示一個可見的原子、分子世界，對納米科技發(fā)展產生了積極促進作用。 1990年7月，第一屆國際納米科學技術會議在美國巴爾的摩舉辦，標志著納米科學技術的正式誕生。,68,CSTM——9000型掃描隧道顯微鏡,69,1991年，碳納米管被人類發(fā)現，它的質量是相同體積鋼的六分之一，強度卻是鋼的10倍成為納米技術研

43、究的熱點。諾貝爾化學獎得主斯莫利教授認為，納米碳管將是未來最佳纖維的首選材料，也將被廣泛用于超微導線、超微開關以及納米級電子線路等。,70,1993年，繼1989年美國斯坦福大學搬走原子團“寫”下斯坦福大學英文名字； 1990年美國國際商用機器公司在鎳表面用36個氙原子排出“IBM”之后，中國科學院北京真空物理實驗室自如地操縱原子成功寫出“中國”二字，標志著我國開始在國際納米科技領域占有一席之地。,71,1997年，美國科學家首次成功

44、地用單電子移動單電子，利用這種技術可望在20年后研制成功速度和存貯容量比現在提高成千上萬倍的量子計算機。 1999年，巴西和美國科學家在進行納米碳管實驗時發(fā)明了世界上最小的 “秤”，它能夠稱量十億分之一克的物體，即相當于—個病毒的重量；此后不久，德國科學家研制出能稱量單個原子重量的秤，打破了美國和巴西科學家聯(lián)合創(chuàng)造的紀錄。 2000年4月，美國能源部桑地亞國家實驗室運用激光微細加工技術研制出智能手術刀，該手術刀可以每秒掃描10萬個

45、癌細胞，并將細胞所包含的蛋白質信息輸入計算機進行分析判斷。2001年紐約斯隆-凱特林癌癥研究中心的戴維. 沙因貝格爾博士報道了把放射性同位素錒-225的一些原子裝入一個形狀像圓環(huán)的微型藥丸中，制造了一種消滅癌細胞的靶向藥物。這些研究表明納米技術應用于醫(yī)學的進展是十分迅速的。,72,到1999年，納米技術逐步走向市場，全年納米產品的營業(yè)額達到500億美元。 近年來，一些國家紛紛制定相關戰(zhàn)略或者計劃，投入巨資搶占納米技術戰(zhàn)略高地。日本

46、設立納米材料研究中心，把納米技術列入新5年科技基本計劃的研發(fā)重點；德國專門建立納米技術研究網；美國將納米計劃視為下一次工業(yè)革命的核心，美國政府部門將納米科技基礎研究方面的投資從1997年的1.16億美元增加到2001年的4.97億美元。,73,8.8 納米技術的應用,74,目前，在納米領域，美國、日本、德國的技術處于領先地位。我國緊跟其后，處于第二階梯的前列。其中，納米碳管技術處于世界一流水平，比如大面積定向碳管的合成、超長納米碳管

47、的制備等。,75,76,用納米碳管建成的地月載人電梯構想圖,77,1998年，美國首次研制出由磁性納米棒組成的“量子磁盤”，每平方英寸可儲存20萬部紅樓夢。,78,1999年，100 nm的芯片又在美國誕生了。整個美國國會圖書館的藏書都能儲存在一個糖塊大小的芯片中。,汽車尾氣,含鉛汽油中的鉛很容易通過血液長期蓄積于人的肝、腎、脾、肺和大腦中，從而導致人的智能發(fā)育障礙和血色素制造障礙等后果。,,汽車尾氣的處理：加入納米級的復合稀土氧化物后

48、，對尾氣的凈化特別明顯，尾氣中的CO、NOx幾乎完全轉化。,79,拯救水資源,特種半導體納米材料使海水淡化；納米TiO2可以用來降解有機磷，降解毛紡染整廢水，降解石油 ……,80,納米碳管,81,碳納米管是直徑非常細的中空管狀納米材料，它能夠大量地吸附氫氣，成為許多個“納米鋼瓶” 。研究表明，約2/3的氫氣能夠在常溫常壓下從碳納米管中釋放出來。據預測，到2010年，就可以生產出氫氣汽車，只需攜帶1.5升左右的儲氫納米碳管，即可行駛

49、500km。,82,納米清潔工,83,科學家設想制造出負責清掃血管的納米機器人（清潔工），專門負責清掃血管壁上的膽固醇、凝血等沉積物，以預防腦血栓等心血管??；同時也可以制作出清掃體內癌細胞的機器人。,納米泵人造紅細胞,84,它比體內血液中的紅細胞要多攜帶200多倍的氧氣。,血液形態(tài)圖,納米藥包,諾貝爾獎得主斯莫利的預言 ；美國麻省理工學院的研究人員正在研究一種只有20nm的藥物炸彈和包含了1000個納米藥包的微型芯片；在固定的DNA

50、鏈上連接上殺癌的藥物膠囊，放到病人血液和組織內，一遇上癌細胞的DNA時，DNA鏈就與癌細胞的DNA結合，這時藥物開關受觸發(fā)而開放，藥物便釋放出來，殺滅癌細胞；,85,86,納米技術與基因療法的結合,87,瑞典科學家制作的微型醫(yī)用機器人，可移動并撿起肉眼看不見的玻璃珠。用這種微型機器手將果蠅的染色體基因進行信號移動，培育出的果蠅多長了一個胸脯和翅膀，甚至把果蠅的眼睛和翅膀挪位；,果蠅：遺傳學和分子發(fā)育生物學的國王圖中左側為雌性，右側為

51、雄性,“納米碳管”異想天開之應用,88,堅韌的碳纖維，其密度是鋼的1/6，強度為鋼的10—100倍，重量則只有鋼的1/4。,將納米碳管做成太空升降機的纜繩，由于它的強度高、重量輕，即使是從太空下垂到地面，它也完全可以承受自身的重量而不會斷開，它是目前唯一可作為太空云梯的理想材料。,太空電梯,載衛(wèi)星、載人、貨物運輸,70—100億美元,7.5天,7.5天,89,走進你家里,納米TiO2：在光照條件下，會產生具有非常強的氧化能力的空穴，從而

52、將附在表面上的有機物、細菌及其它灰塵分解掉，直至生成CO2和H2O。殺菌、除味：由于納米ZnO具有大的比表面積，可以很快地吸收并分解臭氣，同時還能有效地殺菌。對黃色葡萄球菌和大腸桿菌的殺菌率高達95%以上。,90,91,納米服裝二個月不用洗——信不信由你,92,軍事方面的應用,93,吸波：納米ZnO對雷達電磁波具有很強的吸收能力，所以可以做隱形飛機的重要涂料。,防 彈 衣,因納米碳管既輕又強度極高，是鋼的10—100倍，用它來作防彈