1、納米技術(shù)研究與開發(fā)的背景
前面已經(jīng)談到，納米科學(xué)技術(shù)是介于微觀與宏觀之間的介觀物理，關(guān)于納米科學(xué)技術(shù)的定義很多，具有代表性的說法有：如英國(guó)科學(xué)家阿爾培特.佛朗克斯教授把納米技術(shù)定義為"在0.1-100納米尺度范圍起關(guān)鍵作用的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。"美國(guó)"國(guó)家納米技術(shù)倡議"（NNI）即推薦采用科普作家伊凡.阿莫托在一本小冊(cè)子中的提法："納米科學(xué)和納米技術(shù)一般是指，在納米尺度上，則從一納米到幾百納米介觀范圍內(nèi)，所從事的工作范疇"。上述兩種說法，總的意思是，把它限定在納米尺度范圍內(nèi)的物質(zhì)組成體系的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和研究開發(fā)工作。我國(guó)科學(xué)家，即主張把它的內(nèi)涵再延伸擴(kuò)張到由它所引發(fā)出的可能的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域的研究開發(fā)工作。我國(guó)納米科學(xué)家，國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃（973計(jì)劃）納米材料和納米結(jié)構(gòu)項(xiàng)目科學(xué)家，固體物理研究所張立德研究員作了總結(jié)性的定義："納米科技是研究由尺寸在0.1-100nm之間的物質(zhì)組成的體系的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和相互作用，以及可能的實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)問題的科學(xué)技術(shù)。"這個(gè)定義既反應(yīng)了納米科學(xué)技術(shù)的內(nèi)涵，又體現(xiàn)了科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)律的要求，也比較符合中國(guó)的實(shí)際情況。
1.1 從理論層面上看，納米科技是量子力學(xué)在實(shí)踐上的必然延伸。我們知道用原子模型和量子力學(xué)的能級(jí)概念合理的解釋金屬、半導(dǎo)體、絕緣體的電、光、熱、機(jī)械等性能，并進(jìn)行廣泛的工業(yè)化開發(fā)，形成新興的產(chǎn)業(yè)，同時(shí)改造各種傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。其中突出的是上個(gè)世紀(jì)四十年代末發(fā)明的半導(dǎo)體，它的發(fā)展軌跡是半導(dǎo)體-集成電路-大規(guī)模集成電路-超大規(guī)模集成電路，它的成就很大地推動(dòng)了信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這是量子力學(xué)在微米空間尺度上的輝煌實(shí)踐和發(fā)展。微米技術(shù)把量子力學(xué)在微米空間上的應(yīng)用，同微電子學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、經(jīng)典牛頓力學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來，極大地推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展。量子力學(xué)的本質(zhì)特征是微細(xì)粒子的波粒二像性，而在微米技術(shù)上所用的主要是量子力學(xué)的粒子性電子流（大量的、宏觀的粒子流）。它與傳統(tǒng)的經(jīng)典理論的工程應(yīng)用相匹配，才形成現(xiàn)在的半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)、軟件、網(wǎng)絡(luò)通信等信息產(chǎn)業(yè)。也就是說，這樣龐大的產(chǎn)業(yè)，僅僅應(yīng)用了量子力學(xué)波粒二像性的一半，即它的粒子性。另外的更奇妙的波動(dòng)性還未加考慮。理論來源于實(shí)踐，更在于指導(dǎo)實(shí)踐，以證明其正確性，并通過實(shí)踐考驗(yàn)進(jìn)一步修正充實(shí)發(fā)展理論，量子力學(xué)的自身發(fā)展，也必然如此。我國(guó)納米材料學(xué)家，物理研究所的解思深研究員就說："納米材料本身是將量子力學(xué)效應(yīng)工程化或技術(shù)化場(chǎng)合之一，可能會(huì)產(chǎn)生全新的物理、化學(xué)現(xiàn)象。"
1.2 從技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)展趨勢(shì)來看，需要更精致、環(huán)境友好、更具有智能化的技術(shù)創(chuàng)新。
在牛頓力學(xué)體系的理論指導(dǎo)下，大大地促進(jìn)了技術(shù)創(chuàng)新活動(dòng)，促成了十八世紀(jì)下半葉開始的次工業(yè)革命，其創(chuàng)新發(fā)明的代表作就是瓦特發(fā)明的蒸汽機(jī)，這是人類器官的一次飛躍性延伸，它力大無(wú)比，顯得龐大粗壯，還有一定的自動(dòng)控制能力，對(duì)當(dāng)時(shí)的人來說，是非常不錯(cuò)的玩意兒，但對(duì)現(xiàn)代人來說是一個(gè)傻大黑粗又愚笨的家伙。人們一直在不斷的追求輕、小、簡(jiǎn)、廉，現(xiàn)在即更追求更快、更省、智能化、環(huán)境友好、可持續(xù)發(fā)展。
人類自古以來，創(chuàng)新思路和方法基本上都是由大到小，由粗到精，從石器時(shí)代-青銅器時(shí)代-鐵器時(shí)代-大機(jī)器生產(chǎn)時(shí)代-現(xiàn)在，概莫能外。我們祖先為了得到石器，需要一塊大石頭把它打小，然后再磨礪成可用的石器，這是由大到小的過程。我們現(xiàn)在用的機(jī)器制造也這樣，開礦山-冶煉-金屬材料-機(jī)器另部件-機(jī)器，也是由大到小的過程。在這個(gè)過程中存在著大量的人類勞動(dòng)和資源的浪費(fèi)，造成了環(huán)境危機(jī)。單純由大到小（top down）的創(chuàng)新思維和方法已經(jīng)面臨挑戰(zhàn)，納米科學(xué)技術(shù)的研究方法（approaches），即提出了全新的創(chuàng)新思維和方法，這里有兩種方法：
是繼續(xù)沿著古已有之的"由大到小"（top down）思路和方法干下去，不過這里的"小"可不是原有意義上的毫米、微米的小，而是在納米尺度（0.1-100nm）上的小，在這么"小"的地方出現(xiàn)的景觀同傳統(tǒng)意義上的毫米、微米尺度上的出現(xiàn)的景象根本不同，在這里真正的發(fā)生了量子力學(xué)上的波粒二像性。
現(xiàn)在用這種方法（top down），可以在宏觀塊體材料（如半導(dǎo)體）上利用機(jī)械和蝕刻技術(shù)制造納米尺度結(jié)構(gòu)。納米材料的制備的種種方法，還是這一方法。估計(jì)二十一世紀(jì)的前半葉，甚至更長(zhǎng)時(shí)間，這種方法還起到支柱作用。但是它創(chuàng)造的文明會(huì)是非常輝煌的。
第二種方法，就是實(shí)現(xiàn)量子物理學(xué)界的奇才費(fèi)曼所預(yù)言的那樣"物理學(xué)的規(guī)律不排除一個(gè)原子一個(gè)原子地制造物品的可能性"。即"由小到大"（bottom up）的方法，人們按需要用一個(gè)個(gè)原子或一個(gè)個(gè)分子組裝創(chuàng)造出有機(jī)和無(wú)機(jī)物品。這方面的創(chuàng)新工作已取得一些成果，見諸報(bào)端的不少，但離真正的實(shí)用還要走很長(zhǎng)的路。
1.3從技術(shù)的通用程度來看，納米科學(xué)技術(shù)既是高新技術(shù)的通用性技術(shù)，也是各傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的通用性基礎(chǔ)性技術(shù)。
1.3.1信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向
以信息技術(shù)（產(chǎn)業(yè)）為例，它的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體集成電路產(chǎn)業(yè)。這個(gè)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)是微米技術(shù)，它的技術(shù)創(chuàng)新歷程一直曾循著摩爾定律。這個(gè)定律是1965年戈登.摩爾（Gorden.Moore）提出來的，他指出集成電路里晶體管數(shù)量每18個(gè)月翻一番。26年來，現(xiàn)實(shí)與摩爾定律非常一致。這是在微米尺度上的定律，科學(xué)界普遍認(rèn)為0.05微米（50mm）是現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝的極限，Intel公司的工藝是0.13um（130納米），估計(jì)將在10-15年內(nèi)達(dá)到它的極限。要是繼續(xù)用微米技術(shù)，就很難再前進(jìn)了，即使能夠逼近它的極限，但這就意味著要花近百億美元，甚至數(shù)百億美元，在經(jīng)濟(jì)上是極其不劃算的。因此，半導(dǎo)體工藝要走出它的死胡同，非得另謀出路不可。如果借用量子力學(xué)上的"隧道效應(yīng)"一詞作比喻，那么我們就得在臨近胡同底的時(shí)候，開始挖掘一條"隧道"出去，利用量子力學(xué)波動(dòng)的隧道效應(yīng)開辟新的天地。
這個(gè)新天地就是納米技術(shù)。所幸的是，新途徑已經(jīng)初露端倪。1998年，IBM公司與日本NEC公司合作，在實(shí)驗(yàn)室里用一根半導(dǎo)體性的碳納米管制成了場(chǎng)效應(yīng)晶體管。該晶體管的襯底為硅，并作為柵極，源極和漏極是用金作的，研究人員用原子力顯微鏡（AFM，Atomic Force Microscope）在三個(gè)電極間放置了一根碳納米管就成了場(chǎng)效應(yīng)晶體管。這只場(chǎng)效應(yīng)晶體管的性能不錯(cuò)，當(dāng)柵電壓變動(dòng)時(shí)，源極與漏極之間的電導(dǎo)變化10 萬(wàn)倍，是一個(gè)說的過去的電子開關(guān)。在這之后，其他研究單位也紛紛制得在原理或結(jié)構(gòu)上有所不同的晶體管。
最近又傳來好消息。今年（2001年）8月，IBM又宣布使用碳納米管制成了輸入為"0"時(shí)，輸出為"1"的"非門器件"。他們?cè)谘芯窟^程中，找到了兩項(xiàng)關(guān)鍵工藝原型。我們知道，非門器件是由一個(gè)P-型和一個(gè)N-型晶體管拼成的，但是碳納米管都是P-型半導(dǎo)體。IBM的研究人員想了很多辦法，想制得N-型的碳納米管，最后他們發(fā)現(xiàn)，其實(shí)只要在真空中將P-型碳納米管加熱，就能將其變?yōu)镹-型。他們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，如果只加熱碳納米管的一端，這一端就變成N-型，而未加熱的一端仍為P-型。這就是說，找到了使一根碳納米管就能構(gòu)成一個(gè)非門器件的關(guān)鍵工藝方法。有了這樣一根碳納米管，用原子力顯微鏡（AFM）將它放到事先做好的基底上，就制成了一個(gè)非門器件。
解決了P-型變N-型問題以后，還存在一個(gè)問題：金屬性和半導(dǎo)體性的碳納米管是混合在一起的。如何用簡(jiǎn)單的方法將兩者分開，就成為用碳納米管工業(yè)化生產(chǎn)碳納米器件必須解決的另一個(gè)難題。IBM公司的研究人員，將金屬性和半導(dǎo)體性二性混合的碳納米管放在硅片上，再在碳納米管層上面印上金屬電極，并將硅片當(dāng)作另一個(gè)電極。在兩極間加上電壓，使半導(dǎo)體性碳納米管處于"關(guān)斷"狀態(tài)，金屬性碳納米管由于電流過大氧化燒毀，剩下的就是純凈的半導(dǎo)體性碳納米管。這有可能成為大量制備半導(dǎo)體性碳納米管的工藝原型。
從這里，我們可以看到納米技術(shù)在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，或者說在信息技術(shù)（產(chǎn)業(yè)）的光輝前程。
1.3.2納米技術(shù)是生物技術(shù)的基礎(chǔ)性技術(shù)之一
奇妙、最復(fù)雜的莫過于有機(jī)物生命體的生物世界了。從原子和分子的角度看，又是那么簡(jiǎn)單，這些生靈不過是由碳、氫、氧、氮、鈣、磷、硅、硫、鐵、鈉，再加上一些微量元素所組成，而且它的生、老、病、死、遺傳、變異都是在溫和的自然條件下靜悄悄地進(jìn)行的，用不著高溫、高壓、高真空……等等的苛刻條件。生物多樣性及其復(fù)雜性的來源，不是主要決定于組成它的原子和分子，而是決定于這些原子和分子在納米尺度上的結(jié)構(gòu)，納米尺度上的生命運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子。我們常吃的藕，生長(zhǎng)于池塘的淤泥中，但它露在水面上亭亭玉立的蓮花荷葉卻出污泥而不染，美麗圣潔。荷葉的基本化學(xué)成分是葉綠素、纖維素、淀粉等多糖類的碳水化合物，有豐富的羥基（-OH）、（-NH）等極性基團(tuán)，在自然環(huán)境中很容易吸附水分或污漬。而荷葉葉面都具有疏水性，灑在葉面上的水會(huì)自動(dòng)聚集成水珠，水珠的滾動(dòng)把落在葉面上的塵土污泥粘吸滾出葉面，使葉面始終保持干凈，這就是"荷葉自潔效應(yīng)"。為什么會(huì)有這種"荷葉效應(yīng)"，用傳統(tǒng)的化學(xué)分子極性理論來解釋，不僅解釋不通，恰恰是相反。從機(jī)械學(xué)的光潔度（粗糙度）角度來解釋也不行，因?yàn)樗谋砻婀鉂嵍雀具_(dá)不到機(jī)械學(xué)意義上的光潔度（粗糙度），用手觸摸就可以感到它的粗糙程度。經(jīng)過兩位德國(guó)科學(xué)家的長(zhǎng)期觀察研究，即上世紀(jì)九十年代初終于揭開了荷葉葉面的奧妙。原來在荷葉葉面上存在著非常復(fù)雜的多重納米和微米級(jí)的超微結(jié)構(gòu)。（讀者有興趣，可參見附錄）。在超高分辨率顯微鏡下可以清晰看到，在荷葉葉面上布滿著一個(gè)挨一個(gè)隆起的"小山包"，它上面長(zhǎng)滿絨毛，在"山包"頂又長(zhǎng)出一個(gè)饅頭狀的"碉堡"凸頂。因此，在"山包"間的凹陷部份充滿著空氣，這樣就在緊貼葉面上形成一層極薄，只有納米級(jí)厚的空氣層。這就使得在尺寸上遠(yuǎn)大于這種結(jié)構(gòu)的灰塵、雨水等降落在葉面上后，隔著一層極薄的空氣，只能同葉面上"山包"的凸頂形成幾個(gè)點(diǎn)接觸。雨點(diǎn)在自身的表面張力作用下形成球狀，水球在滾動(dòng)中吸附灰塵，并滾出葉面，這就是"荷葉效應(yīng)"能自潔葉面的奧妙所在。
研究表明，這種具有自潔效應(yīng)的表面超微納米結(jié)構(gòu)形貌，不僅存在于荷葉中，也普遍存在于其它植物中。某些動(dòng)物的皮毛中也存在這種結(jié)構(gòu)。
其實(shí)植物葉面的這種復(fù)雜的超微納米結(jié)構(gòu)，不僅有利于自潔，還有利于防止對(duì)大量漂浮在大氣中的各種有害的細(xì)菌和真菌對(duì)植物的侵害。另外，更重要的是，為了提高葉面吸收陽(yáng)光的效率，進(jìn)而提高葉面葉綠體的光合作用。
這種自然界的造化，是生物界經(jīng)過億年的適應(yīng)性和變異性的自然選擇、遺傳進(jìn)化而來的。我們的科學(xué)家從事納米科學(xué)技術(shù)的研究的靈感，很大的成份上來源于對(duì)這種自然造化的感應(yīng)和啟發(fā)。
生物學(xué)有其自身的宏觀規(guī)律，生物技術(shù)需要對(duì)這些規(guī)律的深層次的研究，現(xiàn)在已經(jīng)深入到細(xì)胞質(zhì)、DNA、基因片段、蛋白質(zhì)，這些構(gòu)成生命體的基本單元層次。這些基本單元的尺度大多在微米級(jí)或以下，其中基因片段、蛋白質(zhì)即在納米級(jí)。對(duì)這么小的生命體基本單元的觀察、研究、裁減、拼接、轉(zhuǎn)移，就需要納米技術(shù)的參與。納米科技同生物技術(shù)、醫(yī)藥學(xué)的交叉互相滲透，已形成納米生物學(xué)（Nanobiology）,納米醫(yī)藥學(xué)（Nanopharmics）。這已經(jīng)成為納米科學(xué)技術(shù)工程應(yīng)用的熱點(diǎn)領(lǐng)域。專家們普遍看好這兩個(gè)領(lǐng)域，認(rèn)為納米技術(shù)很可能在這里先挖出"金礦"來。
1.3.3納米技術(shù)和納米材料是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代的得力助手
對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)來說，企業(yè)要在劇烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地，無(wú)非是采取兩種方法：首先，對(duì)于老產(chǎn)品就要不斷提高其性能價(jià)格比，占據(jù)有利的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，獲得盡量多的；第二是不斷創(chuàng)新，以新技術(shù)開發(fā)出新產(chǎn)品，市場(chǎng)潮流，開辟出按技術(shù)推動(dòng)型的新市場(chǎng)。納米技術(shù)和納米材料及其應(yīng)用正具有上述兩方面的稟賦優(yōu)勢(shì)。
這種稟賦優(yōu)勢(shì)是來源于納米材料的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)。在工程技術(shù)上采取各種技術(shù)措施手段，充分發(fā)揮這些效應(yīng)在宏觀對(duì)象上予以體現(xiàn)，就可以在源頭上把握傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)各種產(chǎn)品和工藝技術(shù)的創(chuàng)新升級(jí)。從而提高傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)或產(chǎn)品的性能價(jià)格比，或以全新的技術(shù)開發(fā)出全新的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)技術(shù)推動(dòng)市場(chǎng)。迄今為止，大量事實(shí)已表明，納米技術(shù)在這兩個(gè)方面都有很好的實(shí)際表現(xiàn)和巨大的潛力。這里不再一一列舉例證，詳情后述。
2.國(guó)內(nèi)外納米技術(shù)和納米材料開發(fā)及應(yīng)用概況

NNI是一項(xiàng)內(nèi)容極其豐富而龐大的計(jì)劃，主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
· 研發(fā)項(xiàng)目?jī)?nèi)容涉及范圍廣·
納米材料及制備、納米電子學(xué)、醫(yī)學(xué)與衛(wèi)生、環(huán)境與能源、化學(xué)與制藥業(yè)、生物技術(shù)與農(nóng)業(yè)、計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)、國(guó)家安全等。
· 建立全國(guó)性的協(xié)調(diào)工作體制·


2.2.2.1納米材料研究
· 在納米碳管研究制備方面·
自1991年日本科學(xué)家飯島發(fā)現(xiàn)碳納米管以來，它的研究和制備就成為納米科學(xué)家的研究熱點(diǎn)問題。這是因?yàn)榧{米碳管有其結(jié)構(gòu)和奇特的物理、化學(xué)特性，有著非常廣泛的應(yīng)用前景，它自然成為納米科學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)。碳納米管是由石墨中的碳原子卷曲而成的管狀材料，管的直經(jīng)一般為幾納米到幾十納米，目前最小值已達(dá)到0.33nm。由于碳納米管的直徑只有納米級(jí)，而其軸向長(zhǎng)度為微米級(jí)，所以長(zhǎng)徑比在103以上。因此在碳納米管制備過程中一直存在著碳管混亂取向，互相糾纏成束等問題，中科院物理所解思深教授科研小組，1996年在國(guó)際上首先發(fā)明了控制多層碳管直徑和取向的模板生長(zhǎng)方法，制備出離散分布、高密度和高強(qiáng)度的定向碳納米管，順利地解決了上述難題。1998年合成了長(zhǎng)的納米碳管，其長(zhǎng)度達(dá)到3mm，高出當(dāng)時(shí)長(zhǎng)度的百倍。細(xì)的納米碳管在2000年先后被我國(guó)科學(xué)家制造出來。先是物理所的同一小組合成出直徑為0.5nm的碳管，接著香港科技大學(xué)物理系利用沸石作模板制備了最細(xì)單壁碳納米管（0.4nm）的陣列，緊接著中科院物理研究員彭練矛（同時(shí)也在北京大學(xué)任職）在單壁碳納米管的電子顯微鏡研究中，發(fā)現(xiàn)在電子束的轟擊下，能夠生長(zhǎng)出直徑為0.33nm的碳納米管。
清華大學(xué)利用碳納米管作模板成功的制備出直徑為3~40mm長(zhǎng)度達(dá)微米級(jí)的發(fā)光的氮化鎵納米棒，在國(guó)際上把氮化鎵制備成一維的納米晶體，并提出碳納米管限制反應(yīng)的概念。中科院固體物理所成功研究制出納米電纜，有可能應(yīng)用于納米電子器件的連接。
中科院金屬研究所采用等離子電弧蒸發(fā)法成功地制備出高質(zhì)量的單壁碳納米管，并用其儲(chǔ)存氫，質(zhì)量?jī)?chǔ)氫容量達(dá)到4%的高水平。
· 在納米金屬，納米無(wú)機(jī)材料方面·
中科院金屬研究所的研究小組，發(fā)現(xiàn)納米金屬的"奇異"性能--超塑延展性，納米銅在常溫下可延伸50多倍而"不折不撓"，為世界所矚目，被譽(yù)為"本領(lǐng)域（指納米技術(shù)）的一次突破，它向人們展示了無(wú)空隙納米材料是如何變形的"。
中國(guó)科技大學(xué)的科學(xué)家用較低溫度條件的溶劑熱合成技術(shù)，發(fā)明了用苯熱法制備納米氮化鎵微晶的工藝，在300℃左右制成粒徑只有30nm的氮化鎵微晶。該小組還采用非水熱合成制備金剛石粉體，開辟了一條十分有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的技術(shù)路線。
· 在納米有機(jī)材料及高分子納米復(fù)合材料方面·
化學(xué)所在高聚物插層復(fù)合，分子電子學(xué)、富勒烯化學(xué)及物理，二元協(xié)同納米界面材料等方面取得了領(lǐng)世人矚目的業(yè)績(jī)，開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，有些已開始進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化開發(fā)階段。如蒙脫土納米插層復(fù)合技術(shù)的轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)了納米聚烯烴、聚酰胺、聚酯等工程塑料和橡膠的產(chǎn)業(yè)化，正推動(dòng)傳統(tǒng)聚合物產(chǎn)品的升級(jí)換代，使我國(guó)在納米聚合物領(lǐng)域在國(guó)際上保持地位。國(guó)家"973" 納米領(lǐng)域科學(xué)家張立德研究員為此發(fā)表評(píng)論說："納米塑料將是我國(guó)希望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的納米技術(shù)之一。"
2.2.2.2納米器件研究
在量子電子器件的研究方面，我國(guó)科學(xué)家研究了室溫條件下單電子隧道效應(yīng)，單原子單電子隧道結(jié)，超高真空STM室溫庫(kù)侖阻塞效應(yīng)和高性能光電探測(cè)器以及原子夾層型量子器件。
清華大學(xué)已研制出100nm級(jí)的MOS器件，還研制出一系列硅微集成傳感器、硅微麥克風(fēng)、硅微馬達(dá)、集成微型泵等器件，以及基于微米/納米三維加工的新技術(shù)與新方法的微系統(tǒng)。
中科院半導(dǎo)體所研制了量子阱紅外探測(cè)器和半導(dǎo)體量子點(diǎn)激光器，物理所已經(jīng)研制出可在室溫下工作的單電子原型器件。西安交通大學(xué)制作了碳納米管場(chǎng)致發(fā)射顯示器樣機(jī)，已連續(xù)工作了3800小時(shí)。
在有機(jī)超高密度信息存儲(chǔ)器的基礎(chǔ)研究方面，中科院北京真空物理實(shí)驗(yàn)室、化學(xué)所和北京大學(xué)等單位的學(xué)者，在有機(jī)單體薄膜NBPDA上作出點(diǎn)陣，1997年，點(diǎn)徑為1.3nm，1998年，點(diǎn)徑為0.7nm，2000年，又達(dá)0.6nm，信息點(diǎn)直徑比國(guó)外報(bào)導(dǎo)的研究結(jié)果小了近一個(gè)數(shù)量級(jí)，是現(xiàn)已實(shí)用化的光盤信息存儲(chǔ)密度的近百萬(wàn)倍。北京大學(xué)采用雙組份復(fù)合材料（TEA/TCNQ）作為超高密度信息存儲(chǔ)器件材料，得到信息點(diǎn)為8nm的大面積信息點(diǎn)陣（3um×3um）的優(yōu)異成就。復(fù)旦大學(xué)成功制備了高速高密度存儲(chǔ)器用雙穩(wěn)態(tài)薄膜。并已經(jīng)初步選擇合成出幾種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的有機(jī)單分子材料，可望作為有機(jī)納米集成電路的基礎(chǔ)材料。
從我國(guó)納米器件研究的情況來，主要集中在研究基礎(chǔ)較好，設(shè)備設(shè)施相對(duì)齊全的研究院所和高校；如中科院有關(guān)研究所，北大、清華、復(fù)旦、南京大學(xué)等。由于投資不足，在硬件設(shè)施設(shè)備條件技術(shù)層次不高的情況下，能取得這些成績(jī)，殊屬不易。這些研究工作（Approaches）是"由大到小"（Top down）的工作，因此，總體上來說我國(guó)在納米結(jié)構(gòu)體系上的研究同國(guó)外還有較大的差距，特別在"由小到大"（bottom up）的研究工作有待實(shí)質(zhì)性的起動(dòng)。
2.2.2.3納米結(jié)構(gòu)的檢測(cè)與表征
90年代開始，中科院北京真空物理室和化學(xué)所運(yùn)用STM進(jìn)行了納米級(jí)及原子級(jí)的表面加工，在晶體表面先后刻寫出"CAS"、"中國(guó)"和中國(guó)地圖等文字和圖案。中科院化學(xué)所先后研制STM、AFM、BEEM、LT-STM、UHV-STM、SNOM等專用于納米區(qū)域范圍表面的儀器設(shè)備，并且有自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。他們還開發(fā)了表面納米加工技術(shù)，為我國(guó)納米技術(shù)的研究起到了先導(dǎo)者和促進(jìn)者的作用，最近他們?cè)趩畏肿涌茖W(xué)技術(shù)以及有機(jī)分子有序組裝方面有了很好的進(jìn)展，并開始對(duì)分子器件進(jìn)行探索性研究。中國(guó)科技大學(xué)進(jìn)行了硅表面富勒烯C60單分子狀態(tài)檢測(cè)，為分子器件的研究制備提供了一些基本數(shù)據(jù)。
北京大學(xué)自行研制VHU-SEM-STM-EELS聯(lián)用系統(tǒng)和LT-SNOM系統(tǒng)。建立了完整的近場(chǎng)光學(xué)顯微系統(tǒng)--近場(chǎng)光譜與常規(guī)光學(xué)聯(lián)用系統(tǒng)，并以此系統(tǒng)研究了癌細(xì)胞的結(jié)構(gòu)形貌。
總之，在納米結(jié)構(gòu)的檢測(cè)與表面的基礎(chǔ)性研究開拓方面取得了可喜的成績(jī)，但同先進(jìn)國(guó)家比總體上還有相當(dāng)大的差距。由于投資少，硬件設(shè)備要求高，這方面的研究還只能集中在少數(shù)幾個(gè)研究院所和大學(xué)。由于我國(guó)受制于研究工作條件的不足，研究力量比較薄弱，在納米結(jié)構(gòu)，特別是納米器件方面的研究工作，只能算是剛起步。國(guó)家正在考慮建立公用技術(shù)平臺(tái)，建立相應(yīng)的資源共享體制，組織力量進(jìn)行多學(xué)科攻關(guān)，突破納米結(jié)構(gòu)加工和納米器件的關(guān)鍵技術(shù)。
2.2.3納米材料的產(chǎn)業(yè)化
我國(guó)納米材料產(chǎn)業(yè)化開發(fā)方面總體上處行列，有不少產(chǎn)品的量產(chǎn)能力居地位。
· 納米氧化物方面·
納米氧化鋅、納米氧化鈦、納米氧化硅、納米氧化鋯、納米氧化鎂、納米氧化鈷、納米氧化鎳、納米氧化鉻、納米氧化錳、納米氧化鐵等。
· 納米金屬和合金方面·
有銀、鈀、銅、鐵、鈷、鎳、鈦、鋁、銀-銅合金、銀-錫合金、銅-鈦合金、鎳-鐵合金、鎳-鈷合金等。
· 納米碳化物·
有碳化鎢、碳化硅、碳化鈦、碳化鉻、碳化鈮、碳化硼等。
·納米氮化物·
有氮化硅、氮化鋁、氮化鈦、氮化硼等。
2.2.3.2納米材料的工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)
我國(guó)納米材料的工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)，這兩年有突飛猛進(jìn)的發(fā)展勢(shì)頭，走在前列。擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、令世人矚目。
· 納米碳管工業(yè)化生產(chǎn)線·
清華大學(xué)化工系魏飛教授的課題組，采用納米聚團(tuán)床反應(yīng)器，能大量制備多壁碳納米管的新技術(shù)，與南風(fēng)化工集團(tuán)股份有限公司合作，成功的實(shí)現(xiàn)了15公斤/小時(shí)的高產(chǎn)量紀(jì)錄，這是目前國(guó)際上多壁碳納米管產(chǎn)業(yè)化制備能力的紀(jì)錄。如每年連續(xù)生產(chǎn)運(yùn)行8000小時(shí)計(jì)，該生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)能力已達(dá)到120噸/年。據(jù)悉，該技術(shù)可在較低溫度下實(shí)現(xiàn)純度在80%以上，多種型貌碳納米管可控制，成本低。碳管外徑在4~60納米，內(nèi)徑在2~20納米，管壁的石墨層可以實(shí)現(xiàn)傾斜和平行排列的不同構(gòu)形的碳管。其技術(shù)特點(diǎn)是連續(xù)化、能耗低、放大效應(yīng)小，適合產(chǎn)業(yè)化推廣。
· 鈦基納米粉體材料·
哈爾濱鑫科納米科技發(fā)展有限公司的納米工程技術(shù)專家，研究開發(fā)出采用磨球與普通鈦粉高速懸浮旋轉(zhuǎn)研磨機(jī)械工藝路線。建成工業(yè)化鈦基納米材料生產(chǎn)線。并自行研制出配套的分散劑和保護(hù)劑，成功的解決了團(tuán)聚問題，使產(chǎn)品能在常溫下長(zhǎng)期保存，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。納米技術(shù)專家認(rèn)為，其產(chǎn)業(yè)化程度之高，在國(guó)內(nèi)居水平。該生產(chǎn)線還能生產(chǎn)銅、鐵、鎳等金屬納米粉體材料。
納米鈦粉可作耐磨、耐腐蝕、耐沸水特種涂料的添加劑。已在大慶油田、勝利油田和熱水內(nèi)膽生產(chǎn)企業(yè)等方面及得到成功的推廣應(yīng)用。添加鈦納米材料的涂料，還具有神奇的自我修復(fù)能力，可用做金屬和非金屬材料通用的修補(bǔ)劑。同時(shí)它還具有"荷葉效應(yīng)"的自潔能力。如吉林通化葡萄酒廠熱水罐內(nèi)壁用其處理后，5年未發(fā)生結(jié)垢現(xiàn)象。由于鈦是對(duì)人體植物神經(jīng)味覺沒有任何影響的金屬，因此其涂料可廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)流程設(shè)備中。
最近，該公司又成功實(shí)現(xiàn)用廢鈦材料直接轉(zhuǎn)化成納米材料，在性能不降的條件下進(jìn)一步降低了生產(chǎn)成本，將使高級(jí)航天材料越來越廣泛地步入民品領(lǐng)域。鈦基納米材料產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目已列入國(guó)家"十五"規(guī)劃中的納米技術(shù)和納米材料發(fā)展綱要。
· 納米碳酸鈣·
碳酸鈣是化工行業(yè)廣泛使用的大宗無(wú)機(jī)化工原料。我國(guó)碳酸鈣年生產(chǎn)能力約280萬(wàn)噸，年實(shí)際生產(chǎn)量約220萬(wàn)噸左右，基本上是普通輕質(zhì)碳酸鈣和活性碳酸鈣。納米碳酸鈣、納米級(jí)活性碳酸鈣等高檔次碳酸鈣一直依賴進(jìn)口，碳酸鈣行業(yè)內(nèi)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)極不合理。
這幾年來，隨著納米技術(shù)的迅速發(fā)展，我國(guó)納米碳酸鈣生產(chǎn)技術(shù)很快形成擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)生產(chǎn)體系，有望根本改度我國(guó)碳酸鈣行業(yè)技術(shù)落后的面貌。
這里特別值得介紹的是廣東廣平化工實(shí)業(yè)有限公司同北京化工大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的超重力法納米碳酸鈣工業(yè)化生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線年產(chǎn)3000噸納米碳酸鈣，產(chǎn)品一次平均粒徑為15~30nm，比表面積62~77m2/g范圍可調(diào)的多種晶形的納米碳酸鈣，其質(zhì)量指標(biāo)處于水平。
該生產(chǎn)線的技術(shù)是由北京化工大學(xué)研究開發(fā)的，是國(guó)家"863"計(jì)劃項(xiàng)目--納米粉體超重力法工業(yè)性制備新技術(shù)的研發(fā)成果。該技術(shù)基于分子混合與反應(yīng)結(jié)晶理論，研究開發(fā)了超重力法合成納米粉體材料的方法和相應(yīng)的裝備，屬國(guó)際。擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，已獲得國(guó)家發(fā)明。它的開發(fā)成功，立刻引起了美國(guó)道康寧、陶氏化學(xué)、德國(guó)巴斯夫、拜耳等國(guó)際大公司的關(guān)注，紛紛前來洽談合作事宜，使我國(guó)從納米粉體材料技術(shù)進(jìn)口國(guó)轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)出口國(guó)。
該生產(chǎn)線已經(jīng)通過生產(chǎn)驗(yàn)證考核。證明其核心設(shè)備超重力碳化反應(yīng)器生產(chǎn)能力達(dá)到3500噸/年，超過了設(shè)計(jì)能力。最近傳來消息，國(guó)家計(jì)劃發(fā)展委員會(huì)擬在山西省籌建30000噸/年生產(chǎn)能力的超重力法納米碳酸鈣生產(chǎn)線。
超重力法納米碳酸鈣技術(shù)的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，是目前我國(guó)納米材料工業(yè)化的。
上海華明高技術(shù)（集團(tuán)）有限公司（國(guó)家超細(xì)粉體工程中心）開發(fā)的納米碳酸鈣生產(chǎn)技術(shù)也頗引人注目。該中心已與山西蘭化科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司合作，成立山西蘭花華明納米材料有限公司，在山西省晉城市建設(shè)納米級(jí)超細(xì)活性碳酸鈣生產(chǎn)線，生產(chǎn)能力為15000噸/年，并已于2001年10月建成投產(chǎn)（一期）。二期工程再建一條15000噸/年生產(chǎn)線，計(jì)劃于2002年建成投產(chǎn)。其技術(shù)路線是在原有傳統(tǒng)沉淀法基礎(chǔ)上，注入創(chuàng)新的晶型納米化控制技術(shù)，是傳統(tǒng)沉淀碳酸鈣生產(chǎn)技術(shù)的二次革命。
具有近六十年輕質(zhì)碳酸鈣生產(chǎn)歷史的湖州菱湖化學(xué)廠（現(xiàn)菱化集團(tuán)），自行開發(fā)出納米級(jí)橡塑專用碳酸鈣，也已具備2000噸級(jí)生產(chǎn)能力，視市場(chǎng)需求情況，可隨時(shí)擴(kuò)產(chǎn)到5000噸。
湖州湖化公司，也已建成年產(chǎn)5000噸的納米碳酸鈣生產(chǎn)線。
湖州市浙港合資浙江金豐納米材料有限公司年產(chǎn)5000噸的沉淀法高純晶型納米碳酸鈣已于2001年7月建成投產(chǎn)，并擬于2002年再建二期20000噸/年生產(chǎn)線，屆時(shí)年產(chǎn)能力將達(dá)25000噸/年。
· 納米氧化硅工業(yè)化生產(chǎn)線·
浙江省舟山明日納米材料有限公司同中科院固體物理所合作，于1997年建成年產(chǎn)百噸級(jí)的納米硅基氧化物（SiO2-x）工業(yè)化生產(chǎn)線。納米硅基氧化物是納米材料的重要一員，具有廣泛的用途。該生產(chǎn)線生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量非常好。其顆粒直徑?。?--15nm），具有很高的比表面積（達(dá)640--720m2/g）。
· 納米硅基陶瓷粉體·
齊齊哈爾超微粉制造公司利用中科院金屬研究所發(fā)明的激光制備納米粉體的技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，用兩年時(shí)間完成了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)開發(fā)，建成年產(chǎn)2噸的高性能硅基納米陶瓷粉體生產(chǎn)線。這是目前產(chǎn)能的生產(chǎn)裝置，令美國(guó)同行刮目相看。美國(guó)有關(guān)公司生產(chǎn)能力也不過是日產(chǎn)1 公斤左右。
該廠生產(chǎn)的Si，碳化硅（SiC），氮化硅（Si3N4）和混合粉的含氧量得到嚴(yán)格控制，粒徑都在38nm以下，是目前好的。
·納米材料--納米專用涂料·
佳?。熍_(tái)）實(shí)業(yè)有限公司電子材料廠，原是一家納米材料制備企業(yè)，也是從事復(fù)合納米粉體研制企業(yè)，因此具有納米材料應(yīng)用開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)。該廠同中科院物理所、科大、南大等單位合作，瞄準(zhǔn)納米材料在電子行業(yè)的應(yīng)用，以電子漿料為突破口，開發(fā)出彩電顯像管、計(jì)算機(jī)顯示器等顯示終端專用的三防（防靜電、防眩、防輻射）涂料，我國(guó)的空白，打破了美國(guó)、日本等少數(shù)國(guó)家的壟斷。最近，他們進(jìn)一步開發(fā)出具有節(jié)能、環(huán)保涂膜玻璃用涂層材料，經(jīng)這種材料涂敷的玻璃，具有反射紅外線、防紫外線、不結(jié)霧等多種功能，市場(chǎng)前景非常好。為此，佳?。熍_(tái)）實(shí)業(yè)有限公司于2001年初，對(duì)該電子材料廠擴(kuò)建改造。并被列為國(guó)家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化新材料專項(xiàng)示范工程項(xiàng)目--功能玻璃用納米涂層材料。佳?。熍_(tái)）實(shí)業(yè)有限公司為此投資9226萬(wàn)元予以組織實(shí)施。
該項(xiàng)目的組織實(shí)施，標(biāo)志著國(guó)內(nèi)從單一納米粉體制備找到某種關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域并形成最終產(chǎn)品化、產(chǎn)業(yè)化上的突破。這對(duì)當(dāng)前我國(guó)納米材料應(yīng)用技術(shù)跟不上，應(yīng)用推廣困難，納米材料生產(chǎn)企業(yè)效益上不去，有的難以為繼的尷尬局面，如何找到一條出路，無(wú)疑是一個(gè)很好的范例。