微纳光学技术与应用(6篇)

微纳光学技术与应用篇1

关键词：纳米材料；奇异物性；纳米颗粒

中图分类号：O59文献标识码：A

纳米材料是指在纳米量级(1~100nm)内调控物质结构制成的具有特异性能的新材料。纳米材料具有尺寸小、表面积大、表面能高、表面原子比例大的四大特点，并且，具有小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、表面效应的四大效应。纳米材料特性主要取决于制备方法，当材料颗粒的尺寸进入微米量级（1～100nm）时，由于其尺寸小而表现出一些奇特效应和奇特的物理特性。

一、纳米颗粒基本效应

1.表面与界面效应

纳米微粒尺寸小，表面大，位于表面的原子占相当大的比例。随着粒径减小，表面急剧变大，引起表面原子数迅速增加，缺少近邻配位的表面原子，极不稳定，很容易与其他原子结合，表现出很高的活性。

2.小尺寸效应

随着颗粒尺寸变小，周期性的边界条件将被破坏，在一定条件下会引起颗粒性质的质变,声、光、电磁、热力学等特性均会出现新的尺寸效应。由于颗粒尺寸所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。例如：光吸收显著增加，所有金属失去光泽，变为黑色。

3.量子尺寸效应和宏观量子隧道效应

对介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒而言，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应。例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，光谱线会产生向短波长方向的移动。电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础。

二、奇异物性

上述四个效应是纳米微粒与纳米团体的基本特性，从而导致纳米微粒的热、磁、光、敏感特性和表面稳定性等不同于正常粒子，出现一些“反常现象”。这就使得它具有许多奇异物性。因而具有广阔的应用前景。

1.奇异的热学性质

(1)熔点降低

由于颗粒小，纳米微粒表面能高、比表面原子数多，这些表面原子近邻配位不全，活性大以及纳米微粒体积远小于大块材料，因此纳米粒子熔化时所增加的内能小得多。这就使得纳米微粒熔点急剧下降。

(2)烧结温度降低（陶瓷材料或难熔金属）

在低于熔点下进行加热烧结,使粉末互相结合成块，使密度接近材料的理论密度的最低加热温度称为烧结温度。

纳米微粒尺寸小，表面能高，在烧结中高的界面能成为原子运动的驱动力，有利于界面中的孔洞收缩，因此，在较低的温度下烧结就能达到致密化的目的，即烧结温度降低，烧结速度加快。

2.特殊的光学性能

光的发射与吸收与原子的状态有关,纳米颗粒大的比表面使处于表面态的原子、电子与处于颗粒内部的原子、电子的行为有很大的差别，甚至使纳米微粒具有同样材质的宏观大块物体不具备的新的光学特性。

(1)宽频带强吸收

大块金属具有不同颜色的光泽，这表明它们对可见光范围．各种颜色(波长)的反射和吸收能力不同。当尺寸减小到纳米级时各种金属纳米微粒几乎都呈黑色，它们对可见光的反射率极低，例如铂金纳米粒子的反射率为1%，金纳米粒子的反射率小于10%。这种对可见光低反射率，强吸收率导致粒子变黑。

(2)蓝移现象

与大块材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在“蓝移”现象，即吸收带移向短波方向。例如，纳米SiC颗粒和大块SiC固体的峰值红外吸收频率分且是814cm-1和794cm-1。由不同粒径的Si纳米微粒吸收光谱看出，随着微粒尺寸的变小而有明显的蓝移。

(3)新的发光光谱

硅是具有良好半导体持性的材料．是微电子的核心材料之一,可美中不足的是硅材料不是好的发光材料．将稀土发光材料加入到纳米氧化物当中，可提高其的发光效率，制得新型的荧光材料。

3.特殊的电学性能

传统的金属是良导体，但纳米金属颗粒却强烈地趋向电中性，如5～15nm纳米铜就不导电了，且电阻随着粒径减小而增大。而原本绝缘的SiO2在20nm时开始导电。

4.特殊的力学性质

(1)陶瓷材料的良好韧性

因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力的作用下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。

(2)纳米材料的强度、硬度和塑性

纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍。金属-陶瓷的复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分宽广。纳米材料的代表之一：碳纳米管，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10倍，是纳米技术研究的热点，它将是未来制造业的首选材料。

5.特殊的磁学性质

(1)磁性材料

所谓磁性材料是指具有可利用的磁学性质的材料。

任何物质在磁场作用下都会处于磁化状态，但各物质的磁化强度却有很大的不同。

(2)纳米材料的特殊磁学性质

纳米微粒的小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应等使得它具有常规粗晶材料不具备的磁特性。纳米微粒的主要磁特性表现在它具有超顺磁性或高的矫顽力上。

A矫顽力提高

矫顽力的大小反映了铁磁物质保留剩磁的能力。

10～25nm的铁磁性金属颗粒的矫顽力比相同的常规材料大1000倍.。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已制成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。

B.铁磁性到超顺磁性转变

纳米微粒尺寸小到一定临界值时进入超顺磁状态。

特点：在磁场中极易磁化，但当外加磁场消失时其磁性消失。

原因：由于磁性颗粒尺寸减小到一定值时，各向异性能与热运动能可相比拟．磁化颗粒就不再固定存一个易磁化方向，易磁化方问作无规则的变化。

三、纳米材料的制备技术

制备技术是纳米科技的关键。影响纳米材料的微观结构和宏观性能。通过不同的制备技术可以得到纳米颗粒材料、纳米膜材料、纳米固体材料等等。

很久以前,我国人们用石蜡做成蜡烛，用光滑的陶瓷在蜡烛火焰的上方收集烟雾，经冷凝后变成很细的碳粉，实际上就是纳米粉体。在科学技术高度发展的今天．人工制备纳米材料的方法得到了很大的发展。通常采用两个不同的途径得到纳米材料：

纳米材料需要制备成各种形式以满足各种应用的需要，纳米固体(块体、膜)是重要的形式。它的制备方法是近几年逐渐发展起来的。

由于纳米陶瓷呈现出许多优异的持性，因此引起人们的关注。目前，材料科学工作者正在摸索制备具有高致密度的纳米陶瓷的工艺。

参考文献

[1]钟宁.纳米材料的特性及制备方法[J].湖南有色金属，2000，16(2)：28-30.

[2]RossettiR.EllisonJ.LGibsonJ.M.eta.l.J.Chem.Phys.1984，80(9)：4464.

[3]雷秀娟.纳米材料的力学性能[D].陕西：西北工业大学，2001.

微纳光学技术与应用篇2

很多人都曾预言在21世纪纳米技术将成为一项最有前途的技术，主要原因在于它具有网络技术和基因技术所不可比拟的优势。正因如此，世界各个国家加大了对纳米技术的研究，投入了大量的人力物力，并相继启动了纳米计划，进一步推动了纳米制备方法的创新。在这种大环境下，我国相关研究者也应当顺时而变，不断提高纳米材料制备水平，创造出多种多样的制备方法。

1纳米材料的性质

纳米材料具有大量界面以及高度的弥散性，它能够为原子提供转成扩散途径。除此之外，纳米材料所表现的力、热等性质，与传统经济材料相比，还具有其自身独特的特性，因此被应用到各个领域。

11力学性质

结构材料开发一直以来都以高韧、高硬、高强为主题。材料制作如果融进了纳米材料的话，其强度就会与粒径成反比。纳米材料的位错密度相对较低，不仅如此，其临界位错圈的直径要远远高于纳米晶粒粒径，通常情况下，增值后位错塞积的平均间距与晶粒相比，略微大一些，这种现象使得纳米材料不会发生位错滑移和增值等相关现象，这就是我们众所周知的纳米晶强化效应。[1]作为一种刀具，金属陶瓷已经有很多年的历史了，然而，其力学强度却一直没有突破，主要原因在于一是金属陶瓷的混合烧结，二是晶粒粗大。如果将纳米技术制成超细或纳米晶粒材料的时候，金属陶瓷的硬度等基本性质就有了大幅度提高，从而在加工材料刀具领域占据了非常重要的位置。现阶段，使用纳米技术制作纤维和陶瓷等产品已经应用到各行各业的领域当中。

12磁学性质

近些年来，计算机硬盘系统的磁记录密度得到了极大地提高，现阶段已经超过了155Gb/cm2，也就是说，感应法读出磁头等已经难以满足社会的需求，然而，如果我们将纳米多层膜系统应用到计算机硬盘系统中，则可以有效提高巨磁电阻效应，其低噪声和灵敏度都能够满足需求。与此同时，我们还可以将其应用在新型的磁传感材料当中。高分子复合纳米材料能够很好地投射可见光，与传统的粗晶材料相比，对可见光的吸收系数要高出很多，然而，该种材料对红外波段的吸收系数则相对较少，正是这个原因，使其能够在光磁系统、光磁材料中被广泛应用。

13电学性质

众所周知，纳米材料的电阻在晶界面上原子体积分数增大情况下要远远高于同类粗晶材料，甚至还会产生绝缘体转变。通过充分利用纳米粒子效应我们可以制作成超高速、超容量、超微型低能耗的纳米电子器具，从长远角度来看，这种做法在不久的将来会有很大的成就，甚至还有可能超过现阶段半导体器件。[2]2001年，相关研究者用碳纳米管制成了纳米晶体管，这种纳米晶体管将晶体三极管的放大属性充分地体现出来。不仅如此，根据碳纳米管在低温下的三极管放大特性，研究者还将室温下的单电子晶体管研制出来。笔者相信，随着研究的不断深入，我们还能够研制出更多的符合社会需求的物品。

14热学性质

与一般非晶体和粗晶材料相比，纳米材料的比热和热膨胀系数值都非常高，界面原子排列相对比较混乱、原子的密度较低等综合作用变弱是导致这种现象的主要原因。正因如此，我们可以将其广泛应用在储热材料等领域，相信会有一个更为广阔的市场。

15光学性质

纳米粒子的粒径要远远低于光波波长。其与入射光之间的作用为交互作用，通过控制粒径和气孔率等途径，光透性可以得到更为精准的控制，这也是其为什么能够在光感应和光过滤中得到大范围应用的主要原因。[3]纳米半导体微粒的吸收光谱由于受量子尺寸效应的影响，通常都会存在一种蓝移现象，它的光吸收率非常大，因此，我们可以将其广泛应用在红外线感测器材料。

16生物医药材料应用

与红血细胞相比，纳米粒子相对较小，它能够在血液中运动自如，那么，如果我们将纳米粒子应用到机器人制作当中，并将其注入人体血管内，就可以实现全方位的检查人体，将人体脑血管中的血栓清除干净，甚至还可以将心脏动脉脂肪沉积物等消除，除此之外，还可以将这种机器人应用到吞噬病毒，杀死癌细胞。纳米材料也可以应用到医药领域，能够极大地促进药物运输。

2纳米材料的制备方法

21液相法

液相法其实就是指在一定的方法下将潜在溶液中的溶剂和溶质通过一定的方法进行分离，在这种情况下，溶剂中的溶质就能够逐步形成一种颗粒，不仅如此，这些颗粒的大小甚至这些颗粒的形状都是一定的，在此基础上，我们可以热解处理这些前躯体，经过上述步骤，就可以制备一定的纳米微粒。液相法的有点数不胜数，包括制备的设备相对简单，制备材料容易获得等。现阶段，液相法的发展情况相对较为广泛，得到了大家的普遍关注。具体来说，可以包括沉淀法和溶胶―凝胶法。这两种方法是液相法中比较常用的方法，方便、简单，是很多研究者进行纳米材料制备时候的首选方法。

22气相法

所谓气相法主要是与液相法相对来说的一种纳米制备方法，其应用范围要略微低于液相法。该种方法是指通过一定的手段，在一定条件下直接将物质转变为气体，然后再使气态物质在气体的条件下逐步发生物化反应，最后，我们就可以通过凝聚处理等方式，形成一定量的纳米微粒。[4]从该种纳米材料制备方法的制备过程和制备的条件来看，其具有其他制备方法无法比拟的优势，具体来说，主要包括以下几个方面：

一是制备的纳米微粒粒径存在较小的差异，且能够实现均匀分布；二是我们能够轻易地控制纳米微粒的力度；三是微粒的分散性要远远高于其他同类制备方法。如果将气相法和液相法放在一起进行比较，我们不难发现，气相法能够以自身独有的优势将那些液相法所不能够生产出来的纳米微粒生产出来，由此可见，该种制备方法的优势非常明显。[5]

化学气相法的应用范围非常广泛，其又被相关研究者称之为气相沉淀法，英文名称简称为CVD，它能够充分利用金属化合物的挥发属性，并通过化学反应等途径，使所需要的化合物在保护气体环境下迅速冷凝，这样才能够制作出各类物质的纳米微粒，在气相法中，该种方法是一种比较典型的应用，当然，其也是一种运用比较广泛的制备方法。[6]运用该种方法所制备的纳米微粒颗粒比较均匀，且具有较高的纯度，分散性也相对较强。根据加热的方式方法不同，我们可以将该种方法进行分类，例如可以将其分为热化学气相沉积法、激光诱导沉积法等。

微纳光学技术与应用篇3

懵，“懂！”――懵懂的他遇到纳米技术

说到学理工科的男生，可能大多数人眼前浮现的是邋里邋遢、不修边幅、不拘小节的宅男。

史浩飞可不是这样。本科期间，不仅能够优秀地完成学科内容，那时的他已经对青年人创业非常感兴趣，所以在业余时间学习金融专业的双学位，同时对于经济、地理、历史也都有所涉猎。这为他后来的发展，做了充分的准备。

中国科学院是学术殿堂、科研圣地，引领着我国最先进的科学技术。2004年9月，史浩飞走进了中科院光电技术研究所，开启了遨游纳米世界的新旅程。

“我进入中科院才第一次接触到纳米技术，对于我而言，就好像发现了一座宝藏。”

“以前所学到的知识，大都是前人的科研成果。当我走进了中科院，接触到纳米技术，我才知道，原来还有这么多的科学家在做着前人没有做过的事。能够参与进去，我很荣幸也很光荣。”

那到底什么是纳米技术？为什么让史浩飞如此着迷？

荷花出淤泥而不染，荷叶上的水珠可以自由滚动，这是为什么？

壁虎可以在光滑的墙面如履平地，这是为什么？

名贵的“徽墨”，历经历史长河，仍然颜色新鲜，这又是为什么？

纳米，事实上是一种长度单位，一纳米等于千分之一微米，相当于十亿分之一米，这样说起来，可能觉得难以想象。形象来说，我们把一纳米长的物体放在一枚乒乓球上，就像是把一枚乒乓球放在地球上一般。

第一次工业革命，蒸汽机把人类带入了毫米时代;第二次工业革命，电子技术将微米应用于日常生活;而我们现在面临的第三次工业革命，使人类的科技和生产走进了新领域――微纳世界。

有人会问，1985年纳米技术在我国便已经有专利申请，既然我国对于纳米技术的研究在1997年以后已经逐渐达到巅峰状态，为什么现实生活中的应用却很缺乏呢？

虽然我国的纳米科技发展已经趋于成熟，但真正地将纳米技术产业化，存在一定的困难。首先，有的科研成果本身并不具备可以产业化的条件，其次，也是最重要的，就是信息不通，好的科研成果却无法找到合适的转化渠道，同时也缺乏资金的有力支持。

就如里夫金所说，现在我们存在的协同共享的经济模式中，能够获得最大回报的途径，是通过各方协作共享所得的成就。

史浩飞就这样走进微纳的世界，为神奇的微纳世界与我们的现实社会搭建了一座可以沟通的桥梁。

微，“妙！”――微纳世界邂逅完美石墨烯

2009年，史浩飞漂洋过海，来到美国密歇根大学，继续从事微纳加工与新型材料方向的研究，并且邂逅了“完美”的石墨烯。

石墨烯是微纳级别的材料，因为它只有单个碳原子的厚度。2004年，英国曼彻斯特大学的科学家首次成功地把石墨烯从石墨中分离出来，它在二维中呈现六角形蜂巢晶格的平面。

那石墨烯到底完美在哪里呢？

史浩飞告诉我们，石墨烯是现在世界上最薄也是最坚硬的纳米材料，它只有0.34纳米厚，吸光率只有2.3%，所以它几乎是透明的。那0.34纳米到底是有多厚呢？一根头发丝我们可以想象，头发丝的直径一般在0.04毫米，也就是相当于十万层石墨烯叠加起来。

如此之薄的石墨烯，强度又怎样呢？由于石墨烯是呈六角形的，结构极稳定，它的强度就更为惊人了。据测试，若将石墨烯制成如普通塑料袋一样的厚度，它大约能够承受两吨的重物而不断裂。

石墨烯的导热系数高，甚至优于金刚石;它是现今世界上电阻率最小的材料，甚至优于铜和银。

这么“完美”的石墨烯，想要与它相见，可不是那么简单。

在美国的石墨烯实验室中，有一台至关重要的纳米加工实验设备，白天时间预约的人多，所以，史浩飞每每都是约在半夜12点到早上8点使用它，“夜深人静，效率特别高，思路也更开阔。”

“时差12个小时，美国的黑夜就是中国的白天，就好像是在国内上班一样。”开始时，石墨烯的超导电性吸引了史浩飞，发现它是非常优秀的光电材料，但通过更加深入地了解石墨烯，他才发现，原来石墨烯是这么“完美”的纳米材料。

创，“新！”――创造石墨烯应用新领域

2011年，中科院成立了重庆绿色智能技术研究院，史浩飞带着他心爱的石墨烯回到了祖国的怀抱，成为首批引进技术人才中最年轻的一个。

“那时的我，博士后的合同还没有结束，但能够回到自己的国家，在祖国这个平台上发展科技，更能体现出自己的价值。”

刚刚成立的中科院重庆研究所，人员设备都不是很完善，他们没有因为条件简陋而放弃和改变，他们将租来的十几平米的工厂厂房改造成实验室，好几组团队在一起工作。从购入实验设备，到吸纳优秀人才，直到微纳制造与系统集成中心的成立，史浩飞事事亲力亲为。

在史浩飞所带领团队的努力下，石墨烯慢慢揭开面纱，他发现石墨烯不光可以应用于光电技术，它应该还有更加广阔的应用领域。

是否想过有一天，我们能拥有一部手机，它不仅防磨防划，甚至还可以折叠携带？在苹果、三星、LG等公司新款手机上市前，大多数热衷于数码产品的年轻人总会有诸如此类的猜测和期待，但最后大家通常都以失望告终。

石墨烯，透光性好，导电性强，是世上最坚硬的纳米材料，最重要的是，它的结构极稳定，即使弯曲折叠也不会断裂。这不正是我们所找的，能够替代传统数码产品屏幕的材料吗？

我们现在所用的数码产品，屏幕大多是采用传统电极ITO（铟锡氧化物），铟元素在自然界中存在稀少，价格较为昂贵，对于环境有一定的危害。与之相反，石墨烯是由碳原子组成的，碳元素在自然界中含量极高，无论是花草树木，还是河流山川都存在大量的碳元素，价格也相对较低。石墨烯中不含任何重金属及稀有金属，对于环境没有任何污染，是非常完美的纳米材料。

“其实我读书的时候，成绩并不是最优秀的。但是我认为成绩不能代表全部，科研最重要的是，怎样更好地应用学习的知识，创新是科研人必备的素质，最重要的是使我们的研究对社会有价值、有意义。”

作为重庆墨希科技有限公司首席科学家，史浩飞说：“我们开发的石墨烯触控屏幕智能终端已经量产，将于近期举行产品会。”努力将科技与生产相结合，产业链之间互相配合，史浩飞带领的团队在石墨烯现实应用的道路上迈出了坚实的一步。

目前史浩飞带领的团队已经获得“国家科技部863计划”的支持，成为国家首个石墨烯关键技术攻关项目。

现今，石墨烯作为优秀的纳米材料已经被应用于防腐材料、散热薄膜等方面，并会逐渐被广泛使用于电池、电极、太阳能、医疗、海水淡化等领域。

在不久的将来，可以检测DNA序列的纳米传感器，可测量心率和生命体征的智能皮肤，可弯曲的柔性OLED显示屏也将来到我们的现实生活。

微纳光学技术与应用篇4

【论文摘要】：讨论纳米科学和技术在新时期里发展所面对的困难和挑战。一系列新的方法将被讨论。我们还将讨论倘若这些困难能够被克服我们可能会有的收获。

纳米科学和技术所涉及的是具有尺寸在1-100纳米范围的结构的制备和表征。在这个领域的研究举世瞩目。无论是从基础研究（探索基于非经典效应的新物理现象）的观念出发，还是从应用（受因结构减少空间维度而带来的优点以及因应半导体器件特征尺寸持续减小而需要这两个方面的因素驱使）的角度来看，纳米结构都是令人极其感兴趣的。

1.纳米结构的制备

有两种制备纳米结构的基本方法：build-up和build-down。所谓build-up方法就是将已预制好的纳米部件（纳米团簇、纳米线以及纳米管）组装起来；而build-down方法就是将纳米结构直接地淀积在衬底上。前一种方法包含有三个基本步骤：1）纳米部件的制备；2）纳米部件的整理和筛选；3）纳米部件组装成器件（这可以包括不同的步骤如固定在衬底及电接触的淀积等等）；“build-down”方法提供了杰出的材料纯度控制，而且它的制造机理与现代工业装置相匹配，换句话说，它是利用广泛已知的各种外延技术如分子束外延(mbe)、化学气相淀积（movcd）等来进行器件制造的传统方法。“build-down”方法的缺点是较高的成本。

很清楚纳米科学的首次浪潮发生在过去的十年中。在这段时期，研究者已经证明了纳米结构的许多崭新的性质。学者们更进一步征明可以用“build-down”或者“build-up”方法来进行纳米结构制造。这些成果向我们展示，如果纳米结构能够大量且廉价地被制造出来，我们必将收获更多的成果。

2.纳米结构尺寸、成份、位序以及密度的控制

为了充分发挥量子点的优势之处，我们必须能够控制量子点的位置、大小、成份已及密度。其中一个可行的方法是将量子点生长在已经预刻有图形的衬底上。由于量子点的横向尺寸要处在10-20纳米范围（或者更小才能避免高激发态子能级效应，如对于gan材料量子点的横向尺寸要小于8纳米）才能实现室温工作的光电子器件，在衬底上刻蚀如此小的图形是一项挑战性的技术难题。对于单电子晶体管来说，如果它们能在室温下工作，则要求量子点的直径要小至1-5纳米的范围。这些微小尺度要求已超过了传统光刻所能达到的精度极限。有几项技术可望用于如此的衬底图形制作。

⑴电子束光刻通常可以用来制作特征尺度小至50纳米的图形。如果特殊薄膜能够用作衬底来最小化电子散射问题，那特征尺寸小至2纳米的图形可以制作出来。

⑵聚焦离子束光刻是一种机制上类似于电子束光刻的技术。

⑶扫描微探针术可以用来划刻或者氧化衬底表面，甚至可以用来操纵单个原子和分子。最常用的方法是基于材料在探针作用下引入的高度局域化增强的氧化机制的。

⑷多孔膜作为淀积掩版的技术。多孔膜能用多种光刻术再加腐蚀来制备，它也可以用简单的阳极氧化方法来制备。

⑸倍塞（diblock）共聚物图形制作术是一种基于不同聚合物的混合物能够产生可控及可重复的相分离机制的技术。

⑹与倍塞共聚物图形制作术紧密相关的一项技术是纳米球珠光刻术。此项技术的基本思路是将在旋转涂敷的球珠膜中形成的图形转移到衬底上。

⑺将图形从母体版转移到衬底上的其他光刻技术。几种所谓“软光刻“方法，比如复制铸模法、微接触印刷法、溶剂辅助铸模法以及用硬模版浮雕法等已被探索开发。

3.纳米制造所面对的困难和挑战

随着器件持续微型化的趋势的发展，普通光刻技术的精度将很快达到它的由光的衍射定律以及材料物理性质所确定的基本物理极限。通过采用深紫外光和相移版，以及修正光学近邻干扰效应等措施，特征尺寸小至80nm的图形已能用普通光刻技术制备出。然而不大可能用普通光刻技术再进一步显著缩小尺寸。采用x光和euv的光刻技术仍在研发之中，可是发展这些技术遇到在光刻胶以及模版制备上的诸多困难。目前来看，虽然也有一些具挑战性的问题需要解决，特别是需要克服电子束散射以及相关联的近邻干扰效应问题，但投影式电子束光刻似乎是有希望的一种技术。扫描微探针技术提供了能分辨单个原子或分子的无可匹敌的精度，可是此项技术却有固有的慢速度，目前还不清楚通过给它加装阵列悬臂?拍芊袷顾?锏娇梢越邮艿目绦此俣取?p>

对一个理想的纳米刻写技术而言，它的运行和维修成本应该低，它应具备可靠地制备尺寸小但密度高的纳米结构的能力，还应有在非平面上刻制图形的能力以及制备三维结构的功能。此外，它也应能够做高速并行操作，而且引入的缺陷密度要低。然而时至今日，仍然没有任何一项能制作亚100nm图形的单项技术能同时满足上述所有条件。现在还难说是否上述技术中的一种或者它们的某种组合会取代传统的光刻技术。究竟是现有刻写技术的组合还是一种全新的技术会成为最终的纳米刻写技术还有待于观察。

4.展望

目前，已有不少纳米尺度图形刻制技术，它们仅有的短处要么是刻写速度慢要么是刻写复杂图形的能力有限。这些技术可以用来制造简单的纳米原型器件，这将能使我们研究这些器件的性质以及探讨优化器件结构以便进一步地改善它们的性能。必须发展新的表征技术，这不单是为了器件表征，也是为了能使我们拥有一个对器件制造过程中的必要工艺如版对准的能进行监控的手段。随着器件尺度的持续缩小，对制造技术的要求会更苛刻，理所当然地对评判方法的要求也变得更严格。随着光学有源区尺寸的缩小，崭新的光学现象很有可能被发现，这可能导致发明新的光电子器件。然而，不象电子工业发展那样需要寻找mos晶体管的替代品，光电子工业并没有如此的立时尖锐问题需要迫切解决。纳米探测器和纳米传感器是一个全新的领域，目前还难以预测它的进一步发展趋势。然而，基于对崭新诊断技术的预期需要，我们有理由相信这将是一个快速发展的领域。总括起来，在所有三个主要领域里应用纳米结构所要求的共同点是对纳米结构的尺寸、材料纯度、位序以及成份的精确控制。一旦这个问题能够解决，就会有大量的崭新器件诞生和被研究。

参考文献

[1]王淼,李振华,鲁阳,齐仲甫,李文铸.纳米材料应用技术的新进展[j].材料科学与工程,2000.

[2]吴晶.电喷雾法一步制备含键合相纳米微球的研究[d].天津大学,2006.

[3]张喜梅,陈玲,李琳,郭祀远.纳米材料制备研究现状及其发展方向[j].现代化工，2000.

微纳光学技术与应用篇5

EnergyAutonomousMicroandNanoSystems

2012，384p

Hardcover

ISBN9781848213579

MarcBelleville等

自给能量系统指的是在无外接电源情况下，依靠自身获取的外界能量可以正常运行的系统，通常包括传感器或执行器、能量收集和转换器件、信息存储与处理以及无线通讯单元。自给能量微纳系统是指可以自己供给能量的微纳系统。美国伯克利大学研究的著名的“智能尘埃”就是其中的一个典范。随着微电子技术迅速发展，各种芯片的功耗不断降低，能量收集、转换和存储技术的不断提高，使得自给能量微纳系统的实现变成可能。

本书介绍了自给能量微纳系统面临的挑战和最新的技术，前三章主要引入自给能量系统的应用前景，为引入后续的技术章节做了很好的铺垫，技术章节几乎涵盖了所有与自主系统相关的内容，并且讲述了与电子学相关的物理、材料和技术，共包括13章：引言，介绍自给能量微纳系统和本书的内容框架；1.建筑物控制核心的传感器，主要讲述了建筑物控制中传感器类别和新需求，并介绍了应用案例；2.面向自给能量医学植入器件，主要讲述了自给能量医学植入器件现在以及潜在的应用；3.航天领域中的自给能量系统，主要说明了航天领域中自给能量系统的特征，并从无线系统和生存系统方面进行分析；4.基于光伏效应能量收集，主要讲述了基于光伏效应的能量收集技术—光伏电池；5.机械能量收集，讲述了机械能量收集的能源来源以及各种原理，并对机械能量收集的未来进行展望；6.热能收集，讲述了热能收集原理、发展趋势以及实现限制和优化；7.锂微电池，锂微电池发展现状以及小型化的发展趋势，并讲述了锂微电池在自主系统中的应用；8.超低功耗传感器，讲述了电路一些基本概念，详述了电容传感器检测电路最新进展，讨论了电阻传感器超低功耗检测的实现方法；9.自主系统的超低功耗信号处理，讲述了自主系统的超低功耗信号处理方法，处理器的构架和性能，以及长期休眠自主系统的基本挑战；10.超低功耗射频通讯及协议，讲述了超低功耗射频通讯及相关通讯协议，并对目前处于研究阶段的解决方案进行分析；11.自主微系统中的能量管理，讲述了自主微系统中能量管理的实现方法，并讨论了能量优化管理技术；12.传感器网络能量效率优化，从软硬件两个方面讲述传感器网络中能量效率优化的实现方法。

本书详细综述了自给能量微纳系统领域中的基本原理和最新进展，深入研究了自给能量微纳系统在航空健康和使用监测、医疗植入器件以及家庭自动化中的应用，介绍了光伏、热和机械能量收集与存储技术的发展现状以及最新成果；综述了超低功耗传感器接口，数字信号处理和无线通信的最新研究状况，并讨论了传感器节点和传感器网络层次上的能源优化技术，适合从事自给能量微纳系统研究的研究生、研究人员以及专业人士阅读使用。

作者MarcBelleville教授于1980年获得格勒诺布尔国立理工学院博士学位，1985年加入CEALETI，现在是微纳米技术创新中心（MINATEC）的体系结构、IC设计和嵌入式软件事业部的研究总监和首席科学家，研究兴趣集中在设计和先进技术（例如SOI、异构或3D设计）之间的相互作用，是CARTENE科学委员会两个工作组：“能量自治系统：设备、技术和系统未来发展趋势”和“面向超越2015：技术、设备、电路和系统”的活跃成员。

杜利东，助理研究员

（中国科学院电子学研究所）

微纳光学技术与应用篇6

论文摘要：介绍了纳米磁性材料的用途,阐述了纳米颗粒型、纳米微晶型和磁微电子结构材料三大类纳米磁性材料的研究和应用现状。

1引言

磁性材料一直是国民经济、国防工业的重要支柱与基础，广泛地应用于电信、自动控制、通讯、家用电器等领域，在微机、大型计算机中的应用具有重要地位。信息化发展的总趋势是向小、轻、薄以及多功能方向进展，因而要求磁性材料向高性能、新功能方向发展。纳米磁性材料是指材料尺寸限度在纳米级，通常在1～100nm的准零维超细微粉，一维超薄膜或二维超细纤维（丝）或由它们组成的固态或液态磁性材料。当传统固体材料经过科技手段被细化到纳米级时，其表面和量子隧道等效应引发的结构和能态的变化，产生了许多独特的光、电、磁、力学等物理化学特能，有着极高的活性，潜在极大的原能能量，这就是“量变到质变”。纳米磁性材料的特殊磁性能主要有：量子尺寸效应、超顺磁性、宏观量子隧道效应、磁有序颗粒的小尺寸效应、特异的表观磁性等。

2纳米磁性材料的研究概况

纳米磁性材料根据其结构特征可以分为纳米颗粒型、纳米微晶型和磁微电子结构材料三大类。

2.1纳米颗粒型

磁存储介质材料：近年来随着信息量飞速增加，要求记录介质材料高性能化，特别是记录高密度化。高记录密度的记录介质材料与超微粒有密切的关系。若以超微粒作记录单元，可使记录密度大大提高。纳米磁性微粒由于尺寸小，具有单磁畴结构，矫顽力很高的特性，用它制作磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量。

纳米磁记录介质：如合金磁粉的尺寸在80nm，钡铁氧体磁粉的尺寸在40nm，今后进一步提高密度向“量子磁盘”化发展，利用磁纳米线的存储特性，记录密度达400Gbit/in2，相当于每平方英寸可存储20万部红楼梦小说。

磁性液体：它是由超顺磁性的纳米微粒包覆了表面活性剂，然后弥漫在基液中而构成。利用磁性液体可以被磁场控制的特性，用环状永磁体在旋转轴密封部件产生一环状的磁场分布，从而可将磁性液体约束在磁场之中而形成磁性液体的“O”形环，且没有磨损，可以做到长寿命的动态密封。这也是磁性液体较早、较广泛的应用之一。此外，在电子计算机中为防止尘埃进入硬盘中损坏磁头与磁盘，在转轴处也已普遍采用磁性液体的防尘密封。磁性液体还有其他许多用途，如仪器仪表中的阻尼器、无声快速的磁印刷、磁性液体发电机、医疗中的造影剂等等。

纳米磁性药物：磁性治疗技术在国内外的研究领域在拓宽，如治疗癌症，用纳米的金属性磁粉液体注射进人体病变的部位，并用磁体固定在病灶的细胞附近，再用微波辐射金属加热法升到一定的温度，能有效地杀死癌细胞。另外，还可以用磁粉包裹药物，用磁体固定在病灶附近，这样能加强药物治疗作用。

电波吸收（隐身）材料：纳米粒子对红外和电磁波有吸收隐身作用。由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用；另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3-4个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。

2.2纳米微晶型

纳米微晶稀土永磁材料：稀土钕铁硼磁体的发展突飞猛进，磁体磁性能也在不断提高，目前烧结钕铁硼磁体的磁能积达到50MGOe，接近理论值64MGOe，并已进入规模生产。为进一步改善磁性能，目前已经用速凝薄片合金的生产工艺，一般的快淬磁粉晶粒尺寸为20-50nm，如作为粘结钕铁硼永磁原材料的快淬磁粉。为克服钕铁硼磁体低的居里温度，易氧化和比铁氧体高的成本价格等缺点，目前正在探索新型的稀土永磁材料，如钐铁氮、钕铁氮等化合物。另一方面，开发研制复合稀土永磁材料，将软磁相与永磁相在纳米尺寸内进行复合，就可获得高饱和磁化强度和高矫顽力的新型永磁材料。转

纳米微晶稀土软磁材料：在1988年，首先发现在铁基非晶的基体中加入少量的铜和稀土，经适当温度晶化退火后，获得一种性能优异的具有超细晶粒（直径约10nm）软磁合金，后被称为纳米晶软磁合金。纳米晶磁性材料可开发成各种各样的磁性器，应用于电力电子技术领域，用作电流互感器、开关电源变压器、滤波器、漏电保护器、互感器及传感器等，可取得令人满意的经济效益。

2.3磁微电子结构材料

巨磁电阻材料：将纳米晶的金属软磁颗粒弥散镶嵌在高电阻非磁性材料中，构成两相组织的纳米颗粒薄膜，这种薄膜最大特点是电阻率高，称为巨磁电阻效应材料，在100MHz以上的超高频段显示出优良的软磁特性。由于巨磁电阻效应大，可便器件小型化、廉价，可作成各种传感器件，例如，测量位移、角度，数控机床、汽车测速，旋转编码器，微弱磁场探测器（SQUIDS）等

磁性薄膜变压器：个人电脑和手机的小型化，必须采用高频开关电源，并且工作频率越来越高，逐步提高到1～2MHz或更高。要想使高频开关电源进一步向轻薄小方向发展，立体的三维结构铁芯已经不能满足要求，只有向低维的平面结构发展，才能使高度更薄、长度更短、体积更小。对于10～25W小功率开关电源，将采用印刷铁芯和磁性薄膜铁芯。几个微米厚的磁性薄膜，基本上不成形三维立体结构，而是二维平面结构，其物理特性也与原来的立体结构不同，可以获得前所未有的高性能和综合性能。

磁光存储器：当前只读和一次刻录式的光盘已经广泛应用，但是可重复写、擦的光盘还没有产业化生产。最具有发展前途的是磁性材料介质的磁光存储器，其可以像磁盘一样反复多次地重复记录。目前大量使用的软磁盘，由于材料介质和记录磁头的局限性，其存储密度已经达到极限；另外其已经不能满足信息技术的发展要求，无法在一张盘上存储更多的图象和数据。采用磁光盘存储，就能在一张盘上记录数千兆字节到数十千兆字节的容量，并且能反复地擦写使用。

3展望

纳米技术是本世纪前20年的主导技术,纳米材料是纳米技术的核心,是21世纪最有前途的材料,也是纳米技术的应用基础之一。纳米科技的发展给传统磁性产业带来了跨越式发展的重大机遇和挑战,纳米级磁性材料的开发和研究是磁性材料发展的一个必然方向,但同时也应重视用纳米技术改造传统产业和对现有材料进行纳米改性方面的研究,以全面提高企业的技术水平和竞争能力,在世界民族之林树立中华民族的大旗。

参考文献

［1］王瑞金.磁流体技术的应用与发展［J］.新技术新工艺,2001,(10):15-18.

［2］许改霞，王平，李蓉等.纳米传感技术及其在生物医学中的应用［J］.国外医学生物工程分册，2002，25（2）：49-54.