奈米技術/視角
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中世紀的奈米技術？
Duke TIP eStudies 奈米技術課程將為本節新增更多內容（這將在 2008 年 6 月 22 日之前完成）
奈米技術的首次應用之一是在中世紀。它是透過使用金奈米粒子來製作彩色玻璃中的紅色顏料來實現的，這表明奈米技術已經存在了幾個世紀。金聚集在一起時看起來是金色的，但某些尺寸的粒子散開時會呈現出不同的顏色。參考文獻：奈米技術先驅他們將我們帶往何處？作者：史蒂文·A·愛德華茲
1974 年，在東京理科大學，教授谷口紀男提出了奈米技術一詞。
奈米技術最初是在 1974 年由東京理科大學教授谷口紀男用來描述傳統矽加工擴充套件到小於 1 微米（百萬分之一米）的區域。現在它通常用來描述小於 100 奈米（十分之一微米）的特徵的工程和製造。[1]
奈米技術已經使用了數千年，儘管人們並不知道他們在做什麼。例如，彩色玻璃是金納米制造的產物。在某種意義上，中世紀的偽造者是第一批奈米技術專家，因為他們偶然發現了一種製作彩色玻璃的方法。
參考奈米技術：下一大創意的簡明介紹作者：馬克·拉特納和丹尼爾·拉特納
2001 年，美國聯邦政府宣佈了國家奈米技術倡議，以協調不同美國機構的工作，併為奈米技術研究提供資金，加速奈米技術發展。該倡議由米海爾·羅科牽頭，得到克林頓和布什總統的支援。
參考文獻：奈米技術先驅他們將我們帶往何處？作者：史蒂文·A·愛德華茲 http://www.nano.gov/html/about/docs/20070521NNI_Industrial_Nano_Impact_NSTI_Carim.pdf
願景
理查德·費曼是奈米技術領域的重要人物。他是一位有遠見的人。他相信透過研究，我們可以在微觀尺度上改變事物。在他 1959 年著名的演講 底部有足夠的空間中，理查德·費曼討論了在分子尺度上操縱和控制事物的可能性，以實現具有原子尺寸元件的電子和機械系統。他得出結論，開發用於構建如此小型系統的技術將是跨學科的，將結合物理學、化學和生物學等領域，並將提供一個新的可能性世界，可以徹底改變我們周圍的技術。
小型化
幾年後，在 1965 年，摩爾注意到，自 1959 年以來，晶片上的電晶體數量大約每隔一年翻一番，並預測這種趨勢可能會持續下去，因為每一代新的微系統將有助於開發下一代，價格更低，元件更小。迄今為止，半導體行業一直能夠實現摩爾定律，部分原因是透過改變從光學接觸光刻到深紫外投影光刻，將矽晶片上的橫向特徵尺寸從 1965 年的大約 10 微米減小到 2007 年的 45-65 奈米。
1974 年，谷口紀男在日本創造了“奈米技術”一詞[2]，用來描述半導體工藝，例如薄膜沉積和離子束刻蝕，這些工藝在奈米級具有特徵控制：“‘奈米技術’主要包括透過一個原子或一個分子進行材料的剝離、固結和變形處理。”
自費曼 1959 年的演講以來，“觀察”和“操縱”奈米級技術的藝術已經從透射電子顯微鏡 (TEM) 和掃描電子顯微鏡 (SEM) 發展到各種形式的掃描探針顯微鏡，包括掃描隧道顯微鏡 (STM)，由賓尼希和羅雷爾在IBM 蘇黎世開發，以及原子力顯微鏡 (AFM)（由賓尼希和奎特開發？）。特別是 STM 能夠在導電錶面進行單原子操縱，並且已被用於構建原子“量子圍欄”，其中可以辨別量子力學波函式現象。這些原子級操縱能力促使人們想到透過操縱而不是傳統的隨機化學來構建複雜的原子結構。（注意：本段仍處於粗糙狀態，需要參考文獻。）
受費曼的奈米級自上而下構建事物的信念的激勵，埃裡克·德雷克斯勒將他的大部分研究投入到製造通用組裝機。美國工程師埃裡克·德雷克斯勒對透過操縱技術在分子水平上合成機器進行了廣泛的推測，模擬生物化學並透過被稱為分子奈米技術或 MNT 的技術生產比任何微處理器都小的元件。[3] [4] [5]
成功實現MNT 夢想將包括一系列目前不切實際的技術，並且這種夢想導致了對由此產生的能力的過度宣傳描述。雖然實現這些能力將是對與 MNT 相關的炒作的證明，但除了對完成結構的計算機建模之外，任何其他具體計劃都很少。在某種程度上，必須找到一種方法，讓奈米級的 MNT 設計進化模擬分子級生物進化過程。生物進化透過有機體集合平均值的隨機變異以及對不太成功的變異體的剔除和對更成功的變異體的繁殖而進行，而宏觀工程設計也透過從簡單到複雜的設計進化過程進行，正如約翰·加爾略帶諷刺地提出的那樣：“一個有效的複雜系統總是從一個有效的簡單系統進化而來。. . . 從頭開始設計的複雜系統永遠無法正常工作，也無法透過修補使其正常工作。你必須從頭開始，從一個有效的系統開始。”[6] 需要在MNT 中取得突破，該突破從簡單的原子集合開始，這些集合可以用例如STM 構建，並透過設計進化過程發展為複雜的MNT 系統。這個過程中的一個障礙是與宏觀尺度相比，在奈米尺度上觀察和操縱的難度，這使得確定性地選擇成功的試驗變得困難；相反，生物進化透過理查德·道金斯所說的“盲目鐘錶匠”的作用進行[7]，包括隨機分子變異和確定性存活/死亡。
技術發展和侷限性
系統不斷縮小對社會和我們生活的影響是深遠的，並且繼續開拓新的領域和可能性。但是，沒有指數增長可以永遠持續下去，半導體行業最終將達到電晶體小型化的原子極限。固體物質中的原子通常相隔一兩百皮米，因此奈米技術涉及操縱單個結構，這些結構橫跨十到一萬個原子；例如，45 奈米電晶體的柵極長度大約是 180 個矽原子長。如此小的結構容易受到宇宙射線、熱活動等的分子級損傷。它們的組裝、設計和使用方式與之前的微電子學不同。
新方法
如今，雖然這個極限似乎仍然在未來 20 年左右，但增長正在開始向新的方向發展，表明原子極限可能不會成為未來技術發展的限制因素，因為系統變得更加多樣化，並且當系統變得如此之小以至於量子效應占主導地位時，會出現的新的效應。半導體器件呈現出越來越多的多樣化，例如將處理器劃分為截然不同的系統，例如用於廉價的一次性晶片、低功耗行動式裝置或高處理能力裝置的系統。微細加工也與其他科學分支合併，例如化學和光學微系統。此外，微生物學和生物化學正成為所有正在開發方法的應用的重要組成部分。這種多樣性似乎在技術的各個層面上都在增加，許多這些跨學科的發展都與奈米技術有關。
多樣化
隨著元件變得如此之小以至於量子效應變得重要，多樣性可能會進一步增加，因為完全新穎的裝置和可能性開始出現，這是當今技術的大塊材料無法實現的。
奈米革命？
費曼的願景如今為許多人所分享：當奈米技術被視為一項通用的跨學科技術時，它有可能創造一場即將到來的“工業”革命，這場革命將對社會和日常生活產生重大影響，堪比或超過電力和資訊科技的衝擊。
一個積極的螺旋
作為一項新興技術，奈米技術的方法和元件正在不斷發展，每一代都為下一代提供了更好的基礎。
看到“奈米”
關於方法，掃描隧道顯微鏡 (STM)和原子力顯微鏡 (AFM)是在 1980 年代開發的，開闢了全新的方法來研究奈米級材料。一個重要的方面是直接操縱奈米級物體的全新可能性。透射和掃描電子顯微鏡 (TEM 和 SEM) 自 30 年代起就已問世，並提供了成像以及透過電子束光刻建立奈米器件的可能性。
新型奈米材料
大約在 1990 年，還發現了一些獨特的奈米級結構：碳-60分子，以及後來的碳奈米管。近年來，更復雜的奈米結構，如半導體奈米線異質結構，也已被證明是奈米器件中很有用的構建塊或元件。
那麼我可以用這個“奈米”做什麼呢？
此類奈米元件的應用涵蓋了技術的所有方面：電子學、光學/光子學、醫學和生物化學，以及更好、更智慧的材料。但迄今為止，除了傳統的奈米級產品，例如含有奈米顆粒的油漆或用於化學反應器的催化顆粒之外，很少有真正使用奈米級元件的產品上市。
已經從單個奈米元件建立了原型裝置，但實際生產仍處於起步階段。與整合電子裝置的開發一樣，奈米技術目前正處於元件生產方法、表徵方法、操縱和整合工具透過相互支援和融合不斷發展階段。
困難的奈米整合
一個主要問題是將奈米級元件可靠地整合到微系統中，因為生產方法通常不相容。為了製造具有整合奈米元件的器件，最佳操縱技術當然是讓單個元件自組裝或生長成所需的複雜系統。液體中的自組裝裝置是奈米技術中一個不斷發展的領域，但通常需要元件被各種表面活性劑覆蓋，這通常也會影響元件的效能。為了避免表面處理，奈米管和晶須/線可以直接從預圖案化的催化顆粒上生長到晶片和微系統上。雖然這對於未來大規模生產裝置很有希望，但迄今為止，使用這種方法制造的實際裝置很少。
用於奈米線/管系統的普遍整合技術似乎是電子束光刻 (EBL)，即在基板上製造金屬結構，基板上隨機放置從液體分散體沉積的奈米線。透過使用流動排列或電場，可以一定程度地控制從液體中沉積的線。EBL 方法允許對奈米線和奈米管的電學特性進行系統研究，並建立高效能電子元件，例如場效應電晶體和化學感測器。這些原理驗證器件是奈米技術可能提供的少數但重要的器件演示之一。此外，奈米機械結構最近也得到了證明，例如由Fennimore 等人製造的具有碳奈米管軸的旋轉執行器。
建立奈米線結構的一種更積極的方法是使用掃描探針顯微鏡 (SPM)在表面上推動、滑動和滾動奈米結構。SPM 操縱已用於建立和研究奈米管連線和特性。因此，操縱單個奈米級物體的能力已被證明對於構建原理驗證器件和原型以及表徵和測試元件非常有用。
自上而下的製造將笨重的產品縮小到奈米級，而自下而上的製造則是將單個分子按特定順序排列以製造產品。[8] 自下而上的自組裝方法對於未來的大規模生產以及改進自上而下光刻工藝的許多不同方法可能很重要。因此，這些技術可能成為奈米技術自我維持發展的重要因素。
突然間，一切都變成了“奈米”
毫無疑問，奈米技術領域確實存在炒作感——許多大學都建立了新的奈米技術系和課程。但也存在炒作背後的願景和不斷出現的成果——儘管這些成果在工業生產中確實很少，但仍然為光明的未來帶來了希望。在炒作中，許多曾經是化學、微技術、光學、介觀或團簇物理學的東西，都被重新定義為奈米技術。
奈米技術已經存在很久了
您可以在夏季使用的防曬霜中找到奈米技術，一些油漆和塗層也可以稱為奈米技術，因為它們都含有具有獨特光學特性的奈米顆粒。從廣義的角度來看，奈米顆粒在光學中已經存在了數百年的時間，因為它們已被用來染色和著色玻璃等，自中世紀以來。金的奈米級顆粒被用來製造紅色顏料。[9]
催化是一個主要的工業過程，沒有它，我們今天周圍的許多材料都無法制造，而催化作用通常高度依賴於奈米級催化顆粒。這樣，數千噸的奈米技術已經被使用多年，並取得了巨大的效益。
隨著碳奈米管和半導體奈米線的出現，奈米級線和管才真正受到關注，而奈米級薄膜則始終存在於您的眼鏡和望遠鏡上的增透塗層中，幾十年來，薄金屬膜一直被用於利用表面等離子體激元進行靈敏檢測。表面等離子體激元是表面電荷的激發。實際上，奈米線在中世紀就已經被觀察到了——好吧，他們沒有觀察到它們的手段，但看到了熔融金屬上生長的晶須。
對材料奈米結構的更好控制導致了所有這些現象的最佳化——以及許多新方法和可能性的出現。
一個例子
以奈米光學為例：事實證明，表面等離子體激元在增強區域性電場方面非常有效，並充當光場的區域性放大器，使雷射對錶面等離子體激元附近的原子來說似乎強大得多。由此產生了表面增強拉曼光譜，這種技術如今越來越廣泛地使用，因為它使得對絕大多數樣本進行靈敏的拉曼光譜成為可能，否則將無法對這些樣本進行光譜分析。此外，光子晶體、能夠按需產生單光子和產生其他非經典光子態的奇特新型量子光源，正在基於奈米技術進行開發。
未來
所有這些處理光的新方法，利用光進行極其靈敏的檢測，控制其與物質的相互作用，當然具有未來的科學應用和商業潛力——因此，奈米技術既是製造現有技術的更小版本，也是製造新技術，值得一定的炒作。
另請參閱關於編輯本書的說明奈米技術/關於#如何貢獻。
- ↑ 愛德華茲，史蒂文 (2006)。奈米技術先驅：他們將我們帶往何處？。 威利-VCH。 ISBN 3527312900.
- ↑ N. Taniguchi，"關於‘奈米技術’的基本概念"，生產工程國際會議論文集，東京，第二部分，日本精密工程學會，1974年。
- ↑ 史蒂文·A·愛德華茲，奈米技術先驅，(WILEY-VCH，2006)
- ↑ 埃裡克·德雷克斯勒，創造的引擎，(紐約：錨出版社/雙日出版社，1986)。
- ↑ 埃裡克·德雷克斯勒，奈米系統：分子機器、製造與計算，(紐約：約翰·威利父子出版社，1992)。
- ↑ 加爾，約翰，(1986) 系統學：系統如何運作以及如何失敗，第二版。安阿伯，密歇根州：通用系統學出版社。
- ↑ 理查德·道金斯，盲眼鐘錶匠：為什麼進化證據揭示了一個沒有設計的宇宙，W. W. 諾頓；再版（1996 年 9 月 19 日）
- ↑ 埃裡克·德雷克斯勒，創造的引擎
- ↑ 奈米技術先驅，史蒂文·A·愛德華茲 (WILEY-VCH，2006，魏因海姆)