纳米技术/视角
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中世纪的纳米技术？
Duke TIP eStudies 纳米技术课程将为本节添加更多内容（这将在 2008 年 6 月 22 日之前完成）
纳米技术的首次应用之一是在中世纪。它是通过使用金纳米粒子来制作彩色玻璃中的红色颜料来实现的，这表明纳米技术已经存在了几个世纪。金聚集在一起时看起来是金色的，但某些尺寸的粒子散开时会呈现出不同的颜色。参考文献：纳米技术先驱他们将我们带往何处？作者：史蒂文·A·爱德华兹
1974 年，在东京理科大学，教授谷口纪男提出了纳米技术一词。
纳米技术最初是在 1974 年由东京理科大学教授谷口纪男用来描述传统硅加工扩展到小于 1 微米（百万分之一米）的区域。现在它通常用来描述小于 100 纳米（十分之一微米）的特征的工程和制造。[1]
纳米技术已经使用了数千年，尽管人们并不知道他们在做什么。例如，彩色玻璃是金纳米制造的产物。在某种意义上，中世纪的伪造者是第一批纳米技术专家，因为他们偶然发现了一种制作彩色玻璃的方法。
参考纳米技术：下一大创意的简明介绍作者：马克·拉特纳和丹尼尔·拉特纳
2001 年，美国联邦政府宣布了国家纳米技术倡议，以协调不同美国机构的工作，并为纳米技术研究提供资金，加速纳米技术发展。该倡议由米海尔·罗科牵头，得到克林顿和布什总统的支持。
参考文献：纳米技术先驱他们将我们带往何处？作者：史蒂文·A·爱德华兹 http://www.nano.gov/html/about/docs/20070521NNI_Industrial_Nano_Impact_NSTI_Carim.pdf
愿景
理查德·费曼是纳米技术领域的重要人物。他是一位有远见的人。他相信通过研究，我们可以在微观尺度上改变事物。在他 1959 年著名的演讲 底部有足够的空间中，理查德·费曼讨论了在分子尺度上操纵和控制事物的可能性，以实现具有原子尺寸组件的电子和机械系统。他得出结论，开发用于构建如此小型系统的技术将是跨学科的，将结合物理学、化学和生物学等领域，并将提供一个新的可能性世界，可以彻底改变我们周围的技术。
小型化
几年后，在 1965 年，摩尔注意到，自 1959 年以来，芯片上的晶体管数量大约每隔一年翻一番，并预测这种趋势可能会持续下去，因为每一代新的微系统将有助于开发下一代，价格更低，组件更小。迄今为止，半导体行业一直能够实现摩尔定律，部分原因是通过改变从光学接触光刻到深紫外投影光刻，将硅芯片上的横向特征尺寸从 1965 年的大约 10 微米减小到 2007 年的 45-65 纳米。
1974 年，谷口纪男在日本创造了“纳米技术”一词[2]，用来描述半导体工艺，例如薄膜沉积和离子束刻蚀，这些工艺在纳米级具有特征控制：“‘纳米技术’主要包括通过一个原子或一个分子进行材料的剥离、固结和变形处理。”
自费曼 1959 年的演讲以来，“观察”和“操纵”纳米级技术的艺术已经从透射电子显微镜 (TEM) 和扫描电子显微镜 (SEM) 发展到各种形式的扫描探针显微镜，包括扫描隧道显微镜 (STM)，由宾尼希和罗雷尔在IBM 苏黎世开发，以及原子力显微镜 (AFM)（由宾尼希和奎特开发？）。特别是 STM 能够在导电表面进行单原子操纵，并且已被用于构建原子“量子围栏”，其中可以辨别量子力学波函数现象。这些原子级操纵能力促使人们想到通过操纵而不是传统的随机化学来构建复杂的原子结构。（注意：本段仍处于粗糙状态，需要参考文献。）
受费曼的纳米级自上而下构建事物的信念的激励，埃里克·德雷克斯勒将他的大部分研究投入到制造通用组装机。美国工程师埃里克·德雷克斯勒对通过操纵技术在分子水平上合成机器进行了广泛的推测，模拟生物化学并通过被称为分子纳米技术或 MNT 的技术生产比任何微处理器都小的组件。[3] [4] [5]
成功实现MNT 梦想将包括一系列目前不切实际的技术，并且这种梦想导致了对由此产生的能力的过度宣传描述。虽然实现这些能力将是对与 MNT 相关的炒作的证明，但除了对完成结构的计算机建模之外，任何其他具体计划都很少。在某种程度上，必须找到一种方法，让纳米级的 MNT 设计进化模拟分子级生物进化过程。生物进化通过有机体集合平均值的随机变异以及对不太成功的变异体的剔除和对更成功的变异体的繁殖而进行，而宏观工程设计也通过从简单到复杂的设计进化过程进行，正如约翰·加尔略带讽刺地提出的那样：“一个有效的复杂系统总是从一个有效的简单系统进化而来。. . . 从头开始设计的复杂系统永远无法正常工作，也无法通过修补使其正常工作。你必须从头开始，从一个有效的系统开始。”[6] 需要在MNT 中取得突破，该突破从简单的原子集合开始，这些集合可以用例如STM 构建，并通过设计进化过程发展为复杂的MNT 系统。这个过程中的一个障碍是与宏观尺度相比，在纳米尺度上观察和操纵的难度，这使得确定性地选择成功的试验变得困难；相反，生物进化通过理查德·道金斯所说的“盲目钟表匠”的作用进行[7]，包括随机分子变异和确定性存活/死亡。
技术发展和局限性
系统不断缩小对社会和我们生活的影响是深远的，并且继续开拓新的领域和可能性。但是，没有指数增长可以永远持续下去，半导体行业最终将达到晶体管小型化的原子极限。固体物质中的原子通常相隔一两百皮米，因此纳米技术涉及操纵单个结构，这些结构横跨十到一万个原子；例如，45 纳米晶体管的栅极长度大约是 180 个硅原子长。如此小的结构容易受到宇宙射线、热活动等的分子级损伤。它们的组装、设计和使用方式与之前的微电子学不同。
新方法
如今，虽然这个极限似乎仍然在未来 20 年左右，但增长正在开始向新的方向发展，表明原子极限可能不会成为未来技术发展的限制因素，因为系统变得更加多样化，并且当系统变得如此之小以至于量子效应占主导地位时，会出现的新的效应。半导体器件呈现出越来越多的多样化，例如将处理器划分为截然不同的系统，例如用于廉价的一次性芯片、低功耗便携式设备或高处理能力设备的系统。微细加工也与其他科学分支合并，例如化学和光学微系统。此外，微生物学和生物化学正成为所有正在开发方法的应用的重要组成部分。这种多样性似乎在技术的各个层面上都在增加，许多这些跨学科的发展都与纳米技术有关。
多样化
随着组件变得如此之小以至于量子效应变得重要，多样性可能会进一步增加，因为完全新颖的设备和可能性开始出现，这是当今技术的大块材料无法实现的。
纳米革命？
费曼的愿景如今为许多人所分享：当纳米技术被视为一项通用的跨学科技术时，它有可能创造一场即将到来的“工业”革命，这场革命将对社会和日常生活产生重大影响，堪比或超过电力和信息技术的冲击。
一个积极的螺旋
作为一项新兴技术，纳米技术的方法和组件正在不断发展，每一代都为下一代提供了更好的基础。
看到“纳米”
关于方法，扫描隧道显微镜 (STM)和原子力显微镜 (AFM)是在 1980 年代开发的，开辟了全新的方法来研究纳米级材料。一个重要的方面是直接操纵纳米级物体的全新可能性。透射和扫描电子显微镜 (TEM 和 SEM) 自 30 年代起就已问世，并提供了成像以及通过电子束光刻创建纳米器件的可能性。
新型纳米材料
大约在 1990 年，还发现了一些独特的纳米级结构：碳-60分子，以及后来的碳纳米管。近年来，更复杂的纳米结构，如半导体纳米线异质结构，也已被证明是纳米器件中很有用的构建块或组件。
那么我可以用这个“纳米”做什么呢？
此类纳米组件的应用涵盖了技术的所有方面：电子学、光学/光子学、医学和生物化学，以及更好、更智能的材料。但迄今为止，除了传统的纳米级产品，例如含有纳米颗粒的油漆或用于化学反应器的催化颗粒之外，很少有真正使用纳米级组件的产品上市。
已经从单个纳米组件创建了原型设备，但实际生产仍处于起步阶段。与集成电子设备的开发一样，纳米技术目前正处于组件生产方法、表征方法、操纵和集成工具通过相互支持和融合不断发展阶段。
困难的纳米集成
一个主要问题是将纳米级组件可靠地集成到微系统中，因为生产方法通常不兼容。为了制造具有集成纳米组件的器件，最佳操纵技术当然是让单个组件自组装或生长成所需的复杂系统。液体中的自组装设备是纳米技术中一个不断发展的领域，但通常需要组件被各种表面活性剂覆盖，这通常也会影响组件的性能。为了避免表面处理，纳米管和晶须/线可以直接从预图案化的催化颗粒上生长到芯片和微系统上。虽然这对于未来大规模生产设备很有希望，但迄今为止，使用这种方法制造的实际设备很少。
用于纳米线/管系统的普遍集成技术似乎是电子束光刻 (EBL)，即在基板上制造金属结构，基板上随机放置从液体分散体沉积的纳米线。通过使用流动排列或电场，可以一定程度地控制从液体中沉积的线。EBL 方法允许对纳米线和纳米管的电学特性进行系统研究，并创建高性能电子组件，例如场效应晶体管和化学传感器。这些原理验证器件是纳米技术可能提供的少数但重要的器件演示之一。此外，纳米机械结构最近也得到了证明，例如由Fennimore 等人制造的具有碳纳米管轴的旋转执行器。
创建纳米线结构的一种更积极的方法是使用扫描探针显微镜 (SPM)在表面上推动、滑动和滚动纳米结构。SPM 操纵已用于创建和研究纳米管连接和特性。因此，操纵单个纳米级物体的能力已被证明对于构建原理验证器件和原型以及表征和测试组件非常有用。
自上而下的制造将笨重的产品缩小到纳米级，而自下而上的制造则是将单个分子按特定顺序排列以制造产品。[8] 自下而上的自组装方法对于未来的大规模生产以及改进自上而下光刻工艺的许多不同方法可能很重要。因此，这些技术可能成为纳米技术自我维持发展的重要因素。
突然间，一切都变成了“纳米”
毫无疑问，纳米技术领域确实存在炒作感——许多大学都创建了新的纳米技术系和课程。但也存在炒作背后的愿景和不断出现的成果——尽管这些成果在工业生产中确实很少，但仍然为光明的未来带来了希望。在炒作中，许多曾经是化学、微技术、光学、介观或团簇物理学的东西，都被重新定义为纳米技术。
纳米技术已经存在很久了
您可以在夏季使用的防晒霜中找到纳米技术，一些油漆和涂层也可以称为纳米技术，因为它们都含有具有独特光学特性的纳米颗粒。从广义的角度来看，纳米颗粒在光学中已经存在了数百年的时间，因为它们已被用来染色和着色玻璃等，自中世纪以来。金的纳米级颗粒被用来制造红色颜料。[9]
催化是一个主要的工业过程，没有它，我们今天周围的许多材料都无法制造，而催化作用通常高度依赖于纳米级催化颗粒。这样，数千吨的纳米技术已经被使用多年，并取得了巨大的效益。
随着碳纳米管和半导体纳米线的出现，纳米级线和管才真正受到关注，而纳米级薄膜则始终存在于您的眼镜和望远镜上的增透涂层中，几十年来，薄金属膜一直被用于利用表面等离子体激元进行灵敏检测。表面等离子体激元是表面电荷的激发。实际上，纳米线在中世纪就已经被观察到了——好吧，他们没有观察到它们的手段，但看到了熔融金属上生长的晶须。
对材料纳米结构的更好控制导致了所有这些现象的优化——以及许多新方法和可能性的出现。
一个例子
以纳米光学为例：事实证明，表面等离子体激元在增强局部电场方面非常有效，并充当光场的局部放大器，使激光对表面等离子体激元附近的原子来说似乎强大得多。由此产生了表面增强拉曼光谱，这种技术如今越来越广泛地使用，因为它使得对绝大多数样本进行灵敏的拉曼光谱成为可能，否则将无法对这些样本进行光谱分析。此外，光子晶体、能够按需产生单光子和产生其他非经典光子态的奇特新型量子光源，正在基于纳米技术进行开发。
未来
所有这些处理光的新方法，利用光进行极其灵敏的检测，控制其与物质的相互作用，当然具有未来的科学应用和商业潜力——因此，纳米技术既是制造现有技术的更小版本，也是制造新技术，值得一定的炒作。
另请参阅关于编辑本书的说明纳米技术/关于#如何贡献。
- ↑ 爱德华兹，史蒂文 (2006)。纳米技术先驱：他们将我们带往何处？。 威利-VCH。 ISBN 3527312900.
- ↑ N. Taniguchi，"关于‘纳米技术’的基本概念"，生产工程国际会议论文集，东京，第二部分，日本精密工程学会，1974年。
- ↑ 史蒂文·A·爱德华兹，纳米技术先驱，(WILEY-VCH，2006)
- ↑ 埃里克·德雷克斯勒，创造的引擎，(纽约：锚出版社/双日出版社，1986)。
- ↑ 埃里克·德雷克斯勒，纳米系统：分子机器、制造与计算，(纽约：约翰·威利父子出版社，1992)。
- ↑ 加尔，约翰，(1986) 系统学：系统如何运作以及如何失败，第二版。安阿伯，密歇根州：通用系统学出版社。
- ↑ 理查德·道金斯，盲眼钟表匠：为什么进化证据揭示了一个没有设计的宇宙，W. W. 诺顿；再版（1996 年 9 月 19 日）
- ↑ 埃里克·德雷克斯勒，创造的引擎
- ↑ 纳米技术先驱，史蒂文·A·爱德华兹 (WILEY-VCH，2006，魏因海姆)