納米技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀

1、納米技術(shù)及其開展現(xiàn)狀隨著生物、環(huán)境控制、醫(yī)學(xué)、航空、航天、準(zhǔn)確制導(dǎo)彈藥、靈巧武 器、先進(jìn)情報(bào)傳感器以及數(shù)據(jù)通訊等的不斷開展，在構(gòu)造裝置微小型 化方面不斷提出更新、更高的要求。目前，納米技術(shù)開展十分迅猛， 它使人類在改造自然方面進(jìn)入一個(gè)新的層次。它將開發(fā)物質(zhì)潛在的信 息和構(gòu)造能力，使單位體積物質(zhì)存儲(chǔ)和處理信息的能力實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛 躍，從而給國民經(jīng)濟(jì)和軍事能力帶來深遠(yuǎn)的影響。納米技術(shù)是指納米級(10納米)的材料、設(shè)計(jì)、制造、測量和控 制技術(shù)。隨著納米技術(shù)的開展。開創(chuàng)了納米電子學(xué)、納米材料學(xué)、納 米生物學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、納米制造學(xué)、納米顯微學(xué)及納米測量等等新 的高技術(shù)群。納米技術(shù)是面向21世紀(jì)的一項(xiàng)重要技

2、術(shù)，有著廣闊的 軍民兩用前景。美國、日本及西歐等國家均投入了大量的人力、物力 進(jìn)展開發(fā)，并己在航空、航天、醫(yī)療及民用產(chǎn)品等方面得到了一定應(yīng) 用。微型機(jī)電系統(tǒng)(microelectronmechanical systems, MEMS)10年前，人們意識(shí)到用半導(dǎo)體批量制造技術(shù)可以生產(chǎn)許多宏觀機(jī)械 系統(tǒng)的微米尺度的樣機(jī)后，就在小型機(jī)械制造領(lǐng)域開場了新的研究, 這導(dǎo)致了微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的出現(xiàn)，如微米尺度的各類傳感器以 及各種閥門等。MEMS主要的民用領(lǐng)域是：醫(yī)學(xué)、電于工業(yè)和航空、航天。如用靜電 驅(qū)動(dòng)的微型電機(jī)控制計(jì)算機(jī)及通訊系統(tǒng)。在環(huán)境、醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，微型 傳感器可以測量各種化學(xué)物質(zhì)的流量、壓

3、力和濃度。在軍事主要有以 下：有害化學(xué)戰(zhàn)劑報(bào)警傳感器、敵我識(shí)別、靈巧蒙皮、分布式戰(zhàn)場傳 感器網(wǎng)絡(luò)、微機(jī)器人電子失能系統(tǒng)、昆蟲平臺(tái)等應(yīng)用。專用集成微型儀器(application specific integratedmicro-instrument, ASIM)微型工程包括具有毫米、微米、納米尺度構(gòu)造的傳感器和動(dòng)作器 的設(shè)計(jì)、材料合成、微型機(jī)械加工、裝配、總成和封裝問題。利用這 項(xiàng)技術(shù)可以把傳感器、動(dòng)作器和數(shù)據(jù)處理采集裝置集成在一塊普通的 基片上。微型機(jī)電系統(tǒng)與微電子技術(shù)的綜合集成，導(dǎo)致了專用集成微 型儀器(ASIM )的出現(xiàn)。具有亞微米特點(diǎn)的ASIM會(huì)使亞毫米器件降低研制與試驗(yàn)費(fèi)用、 縮小體

4、積、減輕重量，同時(shí)還可以降低對電源和溫控的要求，降低對 振動(dòng)的靈敏性和通過冗余提高可靠性。ASIM將在航天器和航天.系統(tǒng) 技術(shù)方面引起一場革命，出現(xiàn)超小型衛(wèi)星系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)納米衛(wèi) 星。3材料工程及功能織物在材料工程方面，已經(jīng)能夠做到設(shè)計(jì)與控制一種材料的微觀構(gòu) 造，從而獲得所要求的宏觀性能。因此，對于材料的分子、原子構(gòu)造以及在分子尺度上的物理化學(xué)性能的測試，以成為當(dāng)今材料工程中不 可缺少的技術(shù)。利用納米粒子的催化特性、極大的化學(xué)活性、極大的外表積、優(yōu) 異的電磁特性、光學(xué)特性等可以制造具有奇異功能的產(chǎn)品，如抗紫外 線、抗可見光、抗紅外線、抗電磁等的功能織物。此外，納米技術(shù)在微電子工程、生物遺傳工程

5、、微機(jī)械光學(xué)等方 面也具有廣泛的應(yīng)用前景。納米加工技術(shù)正如制造技術(shù)在當(dāng)今各領(lǐng)域所起的重要作用一樣，納米加工技術(shù) 在納米技術(shù)的各領(lǐng)域中也起著關(guān)鍵作用。納米加工技術(shù)包含機(jī)械加 工、化學(xué)腐蝕、能量束加工以及STM加工等許多方法。關(guān)于納米加 工技術(shù)目前還沒有一個(gè)統(tǒng)一的定義，尺寸為納米級（ 10納米）的材料 的加工和使用稱為納米加工。加工外表粗糙度為納米級的也稱為納米 加匚 筆者認(rèn)為所謂納米加工技術(shù)是指零件加工的尺寸精度、形狀精 度以及外表粗糙度均為納米級（ 10納米）。通過以下加工技術(shù)可以實(shí) 現(xiàn)納米級加工。1超精細(xì)機(jī)械加工技術(shù)超精細(xì)機(jī)械加工方法有單點(diǎn)金剛石和CBN超精細(xì)切削、金剛石 和CBN超精細(xì)磨削

6、等多點(diǎn)磨料加工，以及研磨、拋光、彈性發(fā)射加 工等自由磨料加工或機(jī)械化學(xué)復(fù)合加工等。目前利用單點(diǎn)金剛石超精細(xì)切削加工已在實(shí)驗(yàn)室得到了 3納米 的切屑，利用可延性磨削技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了納米級磨削，而通過彈性發(fā)射 加工等工藝那么可以實(shí)現(xiàn)亞納米級的去除，得到埃級的外表粗糙度。.2能量束加工技術(shù)能量束加工可以對被加工對象進(jìn)展除、添加和外表處理等工藝， 主要包括離子束加工、電子束加工和光束加工等，此外電解射流加工、 電火花加工、電化學(xué)加工、分子束外延、物理和化學(xué)氣相淀積等也屬 于能量束加工。離子束加工濺射去除、沉淀和外表處理，離子束輔助蝕刻亦是用 于納米級加工的研究開發(fā)方向。與固體工具切削加工相比，離子束加 工

7、的位置和加工速率難以確定，為取得納米級的加工精度，需要亞納 米級檢測系統(tǒng)與加工位置的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。電子束加工是以熱能的形 式去除穿透層外表的原子，可以進(jìn)展刻蝕、光刻曝光、焊接、微米和 納米級鉆削和銑削加工等。LIGA 技術(shù)(Lithographie, Galvanoformung, Abformung)LIGAZ藝是由深層同步輻射X射線光刻、電鑄成型、塑鑄成型等技 術(shù)組合而成的綜合性技術(shù)，其最根本和最核心的工藝是深度同步輻射 光刻，而電鑄和塑鑄工藝是LIGA產(chǎn)品實(shí)用化的關(guān)按。與傳統(tǒng)的半導(dǎo) 體工藝相比，LIGA技術(shù)具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，主要有：用材廣泛，可以是金屬及其合金、陶瓷、聚合物、玻璃等?？?/p>

8、以制作高度達(dá)數(shù)百微米至一千微米，高度比大于200的三維立 體微構(gòu)造。橫向尺寸可以小到O.5pm，加工精度可達(dá)0.1pm (4)可實(shí)現(xiàn)大批量復(fù)制、生產(chǎn)，本錢低。用LIGA技術(shù)可以制作各種微器件、微裝置，己研制成功或正在 研制的LIGA產(chǎn)品有微傳感器、微電機(jī)、微機(jī)械零件、集成光學(xué)和微 光學(xué)元件、微波元件、真空電子元件、微型醫(yī)療器械、納米技術(shù)元件 及系統(tǒng)等。LIGA產(chǎn)品的應(yīng)用涉及面廣泛，如加工技術(shù)、測量技術(shù)、 自動(dòng)化技術(shù)、汽車及交通技術(shù)、電力及能源技術(shù)、航空及航天技術(shù)、 紡織技術(shù)、精細(xì)工程及光學(xué)、微電子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)和化學(xué) 工程等。4掃描隧道顯微鏡(STM)技C.binning和H.Robr

9、er創(chuàng)造的掃描隧道顯微鏡不但使人們可以以單個(gè)原子的分辨率觀測物體的外表構(gòu)造，而且也為以單個(gè)原子為單位的納米級加工提供了理想途徑。應(yīng)用掃描隧道顯微鏡技術(shù)可以進(jìn)展原于級 操作、裝配和改型。S T M將非常鋒利的金屬針接近試件外表至1nm 左右，施加電壓時(shí)隧道電流產(chǎn)生，隧道電流每隔0.1nm變化一個(gè)數(shù) 量級。保持電流一定掃描試件外表，即可分辨出外表構(gòu)造。一般隧道 電流通過探針尖端的一個(gè)原子，因而其橫向分辨率為原于級。掃描隧道顯微加工技術(shù)不僅可以進(jìn)展單個(gè)原于的去除、添加和移 動(dòng)，而且可以進(jìn)展STM光刻、探針尖電子束感應(yīng)的沉淀和腐蝕等新 的S T M加工技術(shù)。采用微加工技術(shù)制造納米機(jī)械微細(xì)加工。日本發(fā)那

10、科公司開發(fā)的能進(jìn)展車、銑、磨和電火花加工的多功能微型精細(xì)加工車床FANUCROBO nano Ui型，可 實(shí)現(xiàn)5軸控制，數(shù)控系統(tǒng)最小設(shè)定單位是1nm10-3pm。該機(jī)床 設(shè)有編碼器半閉環(huán)控制，還有激光全息式直線移動(dòng)的全閉環(huán)控制。編 碼器與電機(jī)直聯(lián)，具有每周6 400萬個(gè)脈沖的分辨率，每個(gè)脈沖相當(dāng) 于坐標(biāo)軸移動(dòng)0 . 2 nm,編碼器反應(yīng)單位為1/3 nm,故跟蹤誤差在 1/3 nm以內(nèi)。直線分辨率為1 nm,跟蹤誤差在3 nm以內(nèi)。C裝置采用FANUC-16i,實(shí)現(xiàn)Alnano輪廓控制。并用FANUCSERVOMOTORai伺服電機(jī)裝上高分辨率檢測裝置及ai系列伺 服放大器，實(shí)現(xiàn)了微細(xì)加工。2

11、微型機(jī)器人。在工業(yè)制造領(lǐng)域，微型機(jī)器人可以適應(yīng)精細(xì) 微細(xì)操作，尤其在電子元器件的制造方面。美國邁特公司的研究人員 最近設(shè)計(jì)出一種用于組裝納米制造系統(tǒng)的微型機(jī)器人，這種機(jī)器人的 長度約為5mm。研究人員稱，假設(shè)能利用納米制造技術(shù)使這種機(jī)器 人的體積不斷縮小，其最終的體積不會(huì)超過灰塵的微粒。日本三菱公 司也開發(fā)了一種微型工業(yè)機(jī)器人，該機(jī)器人采用了5節(jié)閉式連桿機(jī) 構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)手臂的輕量化與高剛性，其動(dòng)作速度及精度完全可以趕上 專用機(jī)器人。往復(fù)上下方向25 mm，水平方向100 mm的拾取動(dòng)作, 所需時(shí)間縮短到0.28s。另外，通過采用閉式連桿機(jī)構(gòu)與高剛性減 速機(jī)，實(shí)現(xiàn)了比以往機(jī)器人高10%的位置重復(fù)精

12、度5 nm，可適 用于精細(xì)微細(xì)操作。我國在微型機(jī)器人的研制方面也取得了可喜的成 績。據(jù)媒體報(bào)道，由XX工業(yè)大學(xué)研制的機(jī)器人，其操作精度到達(dá)了 納米級，可以應(yīng)用于分子生物學(xué)基因操作，能夠?qū)?xì)胞和染色體進(jìn)展 手術(shù)，并能在微電子、精細(xì)加工等精度要求較高的領(lǐng)域一顯身手。3微型電機(jī)。美國俄亥俄州克利夫西卡塞大學(xué)已建立了一所 納米級微型電機(jī)實(shí)驗(yàn)室，專門研究納米技術(shù)及其超微機(jī)電系統(tǒng)。美國 加利福尼亞大學(xué)伯克利分校研制的微型電動(dòng)機(jī)，小到只能在顯微鏡下 才能看得見。德國汽車零件制造商博士公司正在研制納米技術(shù)傳感 器，這種傳感器將為人們提供關(guān)于汽車上每個(gè)零部件在三維空間中運(yùn) 動(dòng)的準(zhǔn)確信息。當(dāng)微型傳感器探測到速度驟

13、減時(shí)，就會(huì)自動(dòng)釋放平安 氣囊。2采用自組裝技術(shù)制造納米機(jī)械納米技術(shù)在包裝機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng) 用采用納米材科技術(shù)對包裝機(jī)關(guān)鍵零部件如軸承、齒輪、彈簧等 進(jìn)展金屬外表納米粉涂層處理，可以提高設(shè)備的耐磨性、硬度和壽命。 碳納米管還具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和較高的熱導(dǎo)率。由于具有非常大的 長度一直徑比，可以制造出任何復(fù)雜形狀的零件，是復(fù)合材料理想的 增強(qiáng)纖維。目前，用價(jià)格低廉的納米塑料制成的齒輪、陶瓷軸承、納 米陶瓷蚊輥、電雕輥等印刷包裝機(jī)械零件已走進(jìn)企業(yè)，開場代替金屬 材料。現(xiàn)代膠印機(jī)上應(yīng)用著很多傳感器如控制飛達(dá)紙堆的自動(dòng)升降、 氣泵供氣時(shí)間檢測、合壓時(shí)間檢測、空X檢測、墨量控制等。納米陶 瓷具有良好的耐磨性、較高的強(qiáng)度及較強(qiáng)的韌性可用于制造刀具、包 裝和食品機(jī)械的密封環(huán)、軸承等以提高其耐磨性和耐蝕性，也可用于 制作輸送機(jī)械和沸騰枯燥床關(guān)健部件的外表涂層。3納米技術(shù)在機(jī)械行業(yè)中的開展前景1機(jī)械及汽車工業(yè)的滑配原件如：軸承、滑軌上應(yīng)用納米陶 瓷鍍膜能產(chǎn)生超底的磨擦界面，大大減低磨損并能提高負(fù)載。2塑膠流道的低粘應(yīng)用：例如T型模、拉絲模、套筒和熱膠 道，可有效減少積料碳化的產(chǎn)生幾率。3射出成型時(shí)