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中国好书微信号：ibookmonthly 为读者发现好书，为好书寻找读者 纳米世界，桃花流水，别有洞天。本书是关于纳米科学与技术的科普著作，试图从新的角度为读者展示纳米世界不同寻常的风景：对于普通读者来说，纳米世界的第一印象就是“小”，但这种尺度上的减小究竟意味着什么，会带来哪些翻天覆地的变化？纳米材料到底发生了什么性质和规律上的变化？纳米技术未来发展将呈现什么样的景象？ 其实金子是黑色的，还会穿“墙” 纳米是什么？纳米技术又是什么？回答这个问题其实很难。纳米技术不像数学、物理、化学那样，限制在某个领域，它涉及的只是一个尺度。1 纳米等于10-9 米，一根头发丝的直径大概为30 000 ～ 50 000 纳米，所以根据图1-1 你可以想象一下“1 纳米”到底是多长，而且你很可能想不出来。当常态物质被加工到纳米尺度时，它们会表现出与大块物质或者原子、分子完全不同的性质。这种粒径在0.1 ～ 100 纳米范围内的超微细材料，和相同组成的普通材料差异可太大了。 图1-1 举例说明毫米至埃的尺度范围内存在的物质个体以及观察其所需的工具 最典型的例子可能就是黄金了。它天生一副富贵颜色，一直被用来代表皇家风范，但在纳米尺度下，严格地说，当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，就呈现出黑色了。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色越黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。不知道你会不会因为你的铂金戒指可能会变成黑色而失望呢？不过这种纳米材料可不是用来做成首饰佩戴的，它们的特殊性质比起做首饰来可有用得多了。 因为金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，它们小到几微米（1 微米=1 000 纳米）的厚度时，基本上就不反光了。不反光，我们就看不到亮闪闪的戒指和项链，但是这个性质让多少科学家梦寐以求。因为利用这个特性可以高效率地将太阳能转变为热能和电能。而红外敏感器件、红外隐身技术当然就更加需要把光彻底消除掉。1991 年春的海湾战争中，美国F-117A 型隐身战斗机外表所包覆的材料中就包含有多种纳米超微颗粒，它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收能力，可以欺骗雷达，达到隐形目的。一种材料足够微小的时候，作用却足够强大。 以前，当你听到“纳米级材料”的时候，可能只意识到它很细微，但是如此微小尺度的材料到底有什么不一样呢？现在你至少知道了一点，因为如此小，它们基本不反光，仅是这一点，就足以应用在各种领域了。除此之外，这些微小的材料还表现出电、磁、热、吸收、反射及生物活性等特性，具有抗菌、防污、保鲜、高强度、耐磨等功能，可以用在各种地方。 还是用金来举例吧，金这样的贵金属受热捧，除了其数量和颜色之外，最重要的原因之一就是其化学稳定性：在正常尺度下，金是出了名的“极不活泼的”金属之一，不易被氧化，也不易被腐蚀。常见铁生锈，银变黑，你的金首饰就永远没有这个后顾之忧。不过到了纳米尺寸，金会“性情大变”，除了变黑色，还表现出全新的、令人吃惊的化学、机械、电子和磁特性，而且这些特性根本不可能从正常的大尺度下推断或预测。 首先，金的结构会发生奇异变化。美国佐治亚理工学院的物理学家试着把仅有20 个原子的金纳米簇吸附在氧化镁薄膜表面，然后外加一个电场。结果发现，金纳米簇从三维的金字塔结构变成了二维平面结构。当撤除电场或者改变电场方向时，金纳米簇又会变回三维金字塔结构。科学家认为，金在纳米尺度下的这种形态变化，是由于金纳米簇和氧化镁薄膜交界面处过量电荷积聚造成的。 在纳米尺度下，金的热学性能也发生变化。固态物质在其形态为大尺寸时，熔点是固定的，超细微化后其熔点会明显降低。当颗粒小于10 纳米量级时，这种降低尤为显著。金的常规熔点为1 064 摄氏度，当颗粒尺寸减小到10 纳米时，熔点降低了27 摄氏度，当尺寸减小到2 纳米时熔点仅为327 摄氏度左右，也就是说，纳米尺度的金颗粒，放在点燃的蜡烛的内焰旁边，就可以燃烧了。 纳米金还具有磁性，甚至发生“金属- 绝缘体”转变现象。在一项实验中，科学家发现，在有氧条件下拉伸金纳米线也会有惊人表现。假如嵌入的是氧原子，金纳米线中的金原子能和旁边的氧原子之间形成磁矩，产生磁性。而且，这种氧原子的嵌入就像是为金纳米线添加了“橡皮筋”的特性，它能被拉伸得比正常情况下更长。在一定长度内，被拉伸的氧化的金纳米线仍能像纯金纳米线一样导电，但超过这一长度它就会变成绝缘体。氧化的金纳米线轻微收缩后，又能恢复导电性。这是科学家首次发现纳米尺度下的“金属－绝缘体”转化现象。这种新的特性，有可能用于开发纳米催化剂和控制“金属－绝缘体”转换的纳米开关。 魔术师刘谦曾表演过著名的魔术“斗转星移”，他可以让一枚硬币从在严丝合缝的杯子里“跑”出去，有点类似传说中的“穿墙术”。而纳米金的“穿墙术”却不是魔术，而是事实。
图1-2 演示了这样的神奇过程。砷化铟（InAs）是制造激光器和各种探测器等的常用的半导体材料。如果将砷化铟和金制成一种稳定的结构：杂化结构，此时的砷化铟全都会规规矩矩地保持在各自的“岗位”上，其中砷化铟保持在核心位置，金则围绕在砷化铟核的表面，如图（a）所示。但此时，如果再加入含有金的另一种物质时，你会惊奇地发现，原来稳定结构中的金居然“穿越”到砷化铟核的中间（如图（b）所示），而这只能发生在纳米的尺度上。 HAuCl4 除了正穿，纳米金还能表演逆穿。原本在硫化银（Ag2S）纳米球内部的纳米金，在溶液中陈化72 小时后，纳米金就“不知不觉”地钻出来了。而且表面的金，不甘于分离，还会“熟”化成一个颗粒。图1-3 是更复杂的结构铂- 金- 硫化银核壳结构中的纳米金的穿越过程。
为什么会出现这种穿墙术呢？因为在纳米尺度，原子都非常活跃，摆脱束缚，出现在其他位置的概率大大提高，大块材料不可能发生的事情，在纳米尺度就有了可能。这种穿墙现象其实是原子的一种扩散现象造成的。 一旦我们深入再深入，有条件在如此小的尺度上观察和实验的时候，金这种金属就发生了这么多有趣的变化，现在你应该对“纳米和纳米材料”有了一些认识。当你下次听到新的纳米产品的时候，可以想一想，这种纳米产品有什么不一样的特质，这种产品又是怎么利用这种特质的。 穿越到底改变了什么？ 影视剧里的人物可以天马行空，这会儿还在当下，明天可能去了唐朝。不过这是时间上的穿越。当我们谈论纳米尺度的材料或者器件时，我们不能不涉及的一个问题是空间的穿越。 在经典的宏观世界的物理规律中，有一个无法辩驳的事实就是我们无法穿越墙壁，所以我们骑自行车遇到陡坡，可能骑到一半就不得不停下了，所以崂山道士的穿墙术可不是因为他动机不纯，而是根本不可能。 但是，宏观世界里不能发生的事情并不意味着在微观世界里同样不能发生。在前几节中，我们已经看到了砷化铟中金的穿越，事实上，在微观世界里，这样的现象很多都来自于粒子的波动性越来越显著。也就是说，粒子的“身体”逐渐变得模糊起来，像云彩和雾一样弥漫到空间中，甚至可以漫步到阻碍它的势垒之外。势垒就像高墙，粒子出现在势垒之外就是微观粒子的隧穿效应。 隧穿效应，也叫“隧道效应”，就是指粒子可穿过比本身总能高的能量障碍。隧穿的几率和距离a 有关，距离越小，隧穿的几率越大。当两个电极，相距在几个原子大小的距离时，电子能从一极隧穿到另一极，隧穿的几率和两极的间距成指数反比的关系。电子隧穿现象是量子物理的重要内涵之一。
理论上，宏观物体也能发生隧穿效应（图1-7），换句话说，理论上人也是有可能穿过墙壁的。1928 年冬天，物理学家伽莫夫应邀在伦敦皇家学会作了一个关于隧穿效应的演讲。英国物理学家福勒（R.H.Folwer）是在场的听众之一。他不禁惊叹道：“这间房间的任何人都有一定的机会不用开门便离开房间啊！”可惜的是这个几率十分小，虽然不等于零，但实际上几乎是零，以至于人类有史以来除了崂山道士，还没有成功的纪录。 和其他有趣的物理发现一样，从隧穿效应被发现的那一刻开始，人们就期待着这种效应能够造福人类。经过几十年的不断探索，隧穿效应已经有很多应用。早期的重要应用当属利用隧穿效应和半导体PN 结技术制成的隧道二极管。 我们知道金属中是电子导电，但和金属不同，半导体中导电的既有电子（N），也有空穴（P），N 型半导体由纯净半导体掺杂N 型杂质形成，P 型半导体则由纯净的半导体经P 型掺杂形成。交界面处就是所谓的空间电荷区（图1-8）。1958 年日本科学家江崎玲於奈在研究重掺杂锗PN 结时发现：当空间电荷层宽度很窄（0.01 微米以下）时，PN 结可发生隧穿效应。故隧道二极管又称江崎二极管。
隧道二极管的原理基于量子力学现象，这在早期发明的量子器件中是为数不多的。它的优点是开关特性好，速度快、工作频率高；缺点是热稳定性较差。一般应用于某些低噪声高频放大器及高频振荡器中，也可以应用于高速开关电路中。虽然后来它的应用陆续被其他新的器件取代，但半导体中隧穿效应的发现揭示了固体中电子运动的特殊性质，江崎为此获得了诺贝尔物理学奖。 在当今半导体行业中，产业链不断地向前发展的标志之一，就是芯片特征尺寸的不断缩小。而芯片的特征尺寸( 或半导体器件的几何尺寸) 的缩小会带来一些严重的后果。首先是对半导体工艺提出新的要求。目前，世界上发达国家的半导体厂商已经开始采用0.18 微米工艺生产半导体芯片，甚至还采用了更先进的0.1 微米工艺，使半导体芯片及器件的生产达到了炉火纯青的极高境界。然而，当线宽小到接近极限之后，线路与线路相互间的距离越来越窄，结果导致相互干扰。为了减少这种干扰，通常可以采取减小电流的方法，但是，当通过线路的电流微弱到仅有几十个甚至几个电子流动时，信号的背景噪声会变得很大。 在微小尺度的世界里，这种相互干扰的问题只是其一。还有另外的问题就是，量子效应的威胁越来越严重。我们都知道电子具有波粒二象性。当芯片的特征尺寸处于微米尺度时，其中的电子主要呈粒子性，目前大多数半导体器件只利用了电子的粒子性；但当芯片的特征尺寸处于纳米尺度时，尤其当特征尺寸与电子的德布罗意波长或电子的平均自由程可比拟或更小时，其中的电子则主要呈波动性。这种波动性会带来很多的量子效应，比如隧穿效应。在这种时候，隧穿可不是我们希望发生的事，因为这会造成线路与线路间的漏电，造成信号干扰或改变。 所以在纳米尺度，粒子变得更自由，可以穿越之后，可能会给我们带来技术上的突破，也可能带来更大的困难。研究纳米技术的科学家们，则在不懈努力，力图把这种特性利用得恰到好处。 比如他们已经研究出纳米领域的一把利器：基于隧穿效应的扫描隧道显微镜。人们把利用电子的某种量子效应原理制作的器件称为量子效应器件或量子器件，如利用量子共振隧穿效应制成共振隧穿器件等。比如共振隧穿二极管，由于它具有负微分电阻特性，在微波等领域得到了很多应用。共振隧穿器件只有一维尺度，是几个纳米量级，所以仅在一维发生量子化。而量子点器件所有三维尺度都是几个纳米量级，所以在三维都会发生量子化。这种量子化会造成其发光谱线的明锐化，换句话说就是，光谱线变成线状光谱，就跟原子光谱一样。所以半导体量子点具有良好的发光特性，在生物、制药等领域得到了广泛的应用。 量子效应器件不同于经典的电子器件，除上面介绍的发光特性外，还具有超高速(10-12 ～ 10-13 秒)、超高频(>1 000 吉赫)、高集成度(>1010 元器件／平方厘米)、高效低功耗和极低阈值电流密度( 亚微安)、极高量子效率、高的调制速度、极窄带宽和高特征温度等特点，在未来纳米电子学、光子学、光电集成、固态量子电路等领域有着极其广泛的应用前景。 ——本文选自郭子政、云国宏著清华大学出版社出版《那么小，那么大，为什么我们需要纳米技术？》，详细精彩内容请读原著。 “2014中国好书”已经揭晓，查看详情请回复“2014”。 “中国好书”月榜（原中国图书评论学会“大众好书榜”）从2014年3月开始每月发布一次，回复6位数年月（如201403），即可获得对应月份的榜单及推荐理由。 回复“目录”获取最新书评目录，回复目录上的编号或书名，即可获取该书的精彩书评。 扫一扫关注“中国好书” |
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