1、自然辩证法期末论文 1 跨学科角度浅谈科研创新 纳米科技 学生：刘 燕 学号：SC09023045 Email: yanliu85 摘要 长久以来，人们对自然界的认识由感性认识逐渐上升到了理性 认识，尤其对于科学研究必须上升到理性认识的高度。科学研究与 创新要求从直观科学描述的感性认识到达深入理论层次的理性认识， 我们必须对科学事实进行理论思维的整理和加工，揭示客观现象的 本质和规律，推动科学技术的前进。科技飞速发展的今天，利用单 一学科领域的知识研究自然现象和自然规律未必是有效的探究手段， 跨学科领域知识的互相促进尤其对于纳米学科是有利的研究方法。 在半导体芯片集成度剧增和半导体器件按比例缩
2、小的今天，微电子 技术发展经历了很长时间的量变积累，在半导体器件特征尺寸的缩 小受到半导体曝光工艺限制时，一次质变的飞跃将引导电子器件向 纳米世界跨越，这次成功的飞跃需要材料学科，微电子学科以及量 子物理学科的支持；这次由微电子学科向纳米学科从量变到质变的 突破依旧体现了自然辩证法思想。 关键词 科学认识，半导体技术，纳米材料，纳米电子器件 自然辩证法期末论文 2 正文 曾经有那样一个领域，非常小，即便用光学显微镜也很难分辨 器特征。该领域中研究的是原子和分子，尺度都在纳米量级(1 纳米 十亿分之一米)。直到 1981 年扫描隧道显微镜(STM)发明后，诞生 了一门以 0.1 到 100 纳米
3、长度为研究分子世界，它的最终目标是直 接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。纳米技术是一门交叉 性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。纳米科 学与技术主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳 米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等 。这七个相对独 立又相互渗透的学科和纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表 征这三个研究领域。纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。 其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子 学是纳米技术本文讨论的最重要的内容 1。 . 纳米技术发展历程与意义 人类能够用宏观的机器制造比其体积小的机器，而这较小的机 器可以制作更
4、小的机器，这样一步一步达到分子线度，即逐级地缩 小生产装置，以至最后直接按意愿排列原子制造产品。著名的诺贝 尔物理学奖获得者费曼在 1959 年曾说过：“当 2000 年人们回顾历 史的时候，他们会为直到 1959 年才有人想到直接用原子，分子来制 造机器而感到惊讶。 ”1974 年塔里古驰最早使用纳米技术一词描述 精细机械加工。1977 年美国麻省理工学院德雷克斯勒教授提出，可 自然辩证法期末论文 3 以从模拟活细胞的生物分子的人工类似物分子装置开始研究， 并称之为纳米科技。他在 70 年代末在斯坦福大学建立第一个纳米科 技研究小组。20 世纪 80 年代初出现的扫描隧道显微镜(STM)极大
5、促 进了纳米科技的发展。1990 年 7 月，在美国巴尔的摩召开了国际首 届纳米科学技术会议，1996 年，在中国召开了第四届纳米科技学术 会议，世界上的科学家已经买入纳米领域研究单个原子、分子制造 物质的科学技术。 科学家们为我们勾勒了一幅若干年后的宏伟蓝图 2：纳电子学 将使量子元件代替微电子器件，巨型计算机就能装入口袋里；通过 纳米化，易碎的陶瓷可以增强韧性，成为一种重要材料；世界上还 将出现微米以下的机械甚至机器人；纳米技术还能给药物的传输 提供新的途径和方案(如：纳米药物在人体内的定点投放)；对基因 进行定位等。正因如此，世界各国尤其是发达国家都从战略高度部 署纳米科技研究。 我们从
6、一个新的领域纳米学科的诞生发现，纳米电子学将逐步 取代微电子学科并传承微电子学科的主导思想使得集成电路在新领 域快速发展；纳米材料学将引领人们在材料领域开辟出一块新的学 科疆界，合成新型材料促进科技文明进步；纳米生物医药领域中， 新的治疗方案和纳米药物的研制可以解决现代医学中尚不能解决的 难题。因此，多学科交叉的纳米学科的发展具有重要意义。 首先，纳米科技将引发人类认知的革命。从人类未来社会发展 的角度看，可持续发展将是人类社会进步的唯一选择。纳米科技推 自然辩证法期末论文 4 动产品的微型化，高性能化和与环境友好化，这将极大节约资源和 能源，减少人类对其过分依赖，并促进生态环境的改善。这将在
7、新 的层次上为可持续发展的理论变为现实提供物质和技术保证。其次， 纳米科技将引发一场新的工业革命。纳米技术是 80 年代初迅速发展 起来的前沿科学，它使人们认识，改造微观世界的水平提高到了一 个新的高度。纳米科技将用于下一代的微电子器件即纳米电子器件， 使未来的电脑，电视机，卫星，机器人等的体积变得越来越小，可 携带性更强。 . 从微电子技术到纳米电子技术 在微电子产业得到突飞猛进的发展的今天，芯片的面积逐渐缩 小，电路的集成度逐渐增长，晶圆的尺寸有 200mm 到 Intel 前不久 公布的 450mm 直径的晶圆，器件制造的主流工艺标准 CMOS 工艺由 0.13um 发展到 32nm，更
8、甚至 22nm 标准 CMOS 工艺的提出，无不说明 了微电子由科研到产业发展的长久历程。在这个漫长的发展历程中， 电路设计，半导体器件模型，半导体制造工艺伴随着每一代的发展 都沿着摩尔定律这条曲线轨迹都经历了更新，改进的过程，当发展 到极限水平即光刻工艺不可能满足器件特征尺寸的进一步缩小。 1958 年 Jack Killy 和 Robert Noyce 分别向人们展示了他们发 明的集成电路。此后，集成电路发展极其迅速。正如 Intel 公司的 创始人之一戈登.摩尔预言的那样，半导体芯片上的晶体管数每 18 个月会增加一倍。集成度的急剧提高一半是由于芯片上器件的特征 自然辩证法期末论文 5
9、尺寸的减小，另一半是则是来自设计的不断改进。按照摩尔定律的 发展趋势，这根曲线将会在尽头饱和停滞，因为半导体器件的按比 例缩小，半导体工艺节点逐步减小将使得以硅为主的半导体元件在 集成化，布线和高频线路方面将都达到极限。突破这一发展瓶颈的 唯一途径就是，集成电路的发展迈入另一个新的领域纳米科技。曾 有资料显示，国际半导体协会认为到 2010 年集成电路芯片的特征尺 寸将进一步减小到 70nm。实际的半导体工艺技术数据显示，现在 (2010 年)的工艺节点已经达到 32nm，由此可见半导体技术发展之飞 速，加快了我们探究新领域解决极限问题的步伐。小于 70nm 的半导 体器件，如纳米晶体管，可能
10、通过自下而上的自组装工艺实现，这 就要依赖分子水平的合成和操纵技术，更需要认识分子尺度的基本 现象。另外，原先微电子技术领域中的半导体器件模型在新的纳米 领域不再适用，器件的尺寸迅速减小，量子限域效应渐渐突现，微 小的纳米晶体管中会出现一些物理效应，如互连线延迟，短沟道效 应，窄沟道效应，漂移速度饱和，二维量子化，热载流子退化效应 等。总之，我们需要寻找新的纳米材料制备纳米晶体管，需要利用 量子力学知识建立新的器件模型来研究纳米领域的集成电路，需要 发明新型的纳米操纵和组装技术来代替原有的半导体工艺技术突破 光刻工艺极限制备纳米尺寸晶体管。支撑纳米电子科技的发展的领 域来自于不同学科，如材料学
11、科，化学学科，物理学科，微机械加 工等。同时，纳米电子学科的发展也是沿着自然界的辩证法思想 3 走下去的。通俗的讲，自然界的一些事物发展都是有规律的，各个 自然辩证法期末论文 6 产业的发展都是遵循新技术发明，新产品研制，再技术革新来满足 人类的更高需求，当这样的量变积累到一定程度时就会达到极限， 就像摩尔定律走到今天会遇到尽头，而纳米科技这一新领域将来解 决这一极限问题。 . 从跨学科的角度浅析纳米学科 纳米学科是传统学科的交叉与综合学科。伴随着人类研究物质 的尺度的逐级缩小，固态物理学(solid state physics)中器件特征 尺寸的减小，纳米生物学中自组装技术造出的具有多功能的
12、微缩单 元，化学中的分子自组装技术都向着纳米科技迈进。如图所示的 发展前景，跨学科的研究将解决本身学科的发展极限，同时引导新 领域中的科学发展。 图.1 纳米学科是传统学科的交叉与综合。 自然辩证法期末论文 7 对于固态物理(Solid State Physics)中的电子器件，我们现今所建 立的模型适用于微米尺度的微电子器件（三维体材料）的研究，可 以用最简单的自由电子模型来处理这个电子系统，结果显示电子系 统的电子态密度与能量的关系。随着器件的特征尺寸的减小，低维 结构材料通常是指除三维体材料以外的二维（量子阱） ，一维（量子 线）甚至是零维（量子点）材料。利用低维的半导体材料制备电子 器
13、件，如碳纳米管晶体管(CNTFET)，单电子器件，纳米尺度的非挥 发半导体存储器件(PCRAM)等诸如此类的技术，成功的将电路，器 件推动到了纳米领域，器件的按比例缩小得到了延续。以纳米尺度 下的非挥发半导体存储器(PCRAM)为例，我们进一步讨论该器件诞 生的必然性。半导体存储器是微电子产业中发展最迅速的产业，低 压低功耗，高速高密度的存储一直是商业界和用户的最终目标。非 挥发半导体存储器 PCARM 是由最初 ROM（只读存储器） ， EPROM（可擦除可编程存储器） ，EEPROM（电可擦可编程存储器） 以及后来的革新技术 Flash（闪存）一步步的技术研发积累的过程中 的必然产物。当半
14、导体工艺发展到了极限时，Flash 技术也将走到尽 头，栅氧化层的厚度不可能无止尽的减小，量子效应的逐步突现使 得这个在按比例缩小的规律中淘汰，现在就必须有一样技术可以取 而代之。那么，非挥发相变存储器(PCRAM)就是一个最有发展前景 的存储技术，新型的纳米相变材料使得器件的特征尺寸在纳米领域 继续缩小，海量存储得以实现。电致相变的功耗逐渐减小，操作电 压降低，这些满足了低功耗电路的需求。存储单元阵列的制备可以 自然辩证法期末论文 8 摆脱传统的光刻技术，而采用纳米线作为存储单元，微尺度的操纵 将是主流的制备工艺。综上所述，纳米科技将微电子产业引入了新 的疆域，在纳米世界中，半导体器件将朝着
15、高性能的方向走的更远。 在纳米生物学方面，微尺度的操作工艺就显得更为重要。千百 年来，花谢花开，生老病死等自然现象都是人类探索的课题。然而 由于受到科技发展的限制，这方面的研究很长时间来无法达到分子 水平，探究生物细胞的行为，研究病理受到了极大的限制。随着纳 米技术的兴起，人类开始拥有从根本上了解和利用生物分子的工具， 微分析手段为人类打开了探究生命，研究病理的一扇窗户。纳米生 物技术 2主要是指用于研究生命现象的纳米技术，它主要包括两个 方面：一是利用新兴的纳米技术来解决和研究生物学的问题；二是 利用生物大分子制造分子器件，模仿和制造类似生物大分子的生物 机器。一项新兴的研究领域生物芯片的研
16、究得到了全世界的广泛关 注。采用纳米技术，操纵生物大分子，研制 DNA 芯片。DNA 芯片 是根据 DNA 双螺旋结构原理而发展的核酸链间分子杂交的技术， 其机理是在芯片表面制备成千上万的基因单元作为配基，对待测基 因进行筛选。DNA 芯片技术可以快速分析大量的基因信息，从而使 人们可以收集并研究基因的表达和变异信息。 上述的两个研究领域也存在共同点，纳米领域中的学科是相互 交叉，相互促进的。无论是纳米电子学，还是是纳米生物学都利用 了纳米材料学科的纳米制备和纳米合成技术，同时也需要化学和物 自然辩证法期末论文 9 理这样的传统学科的支持。此外，微机械加工技术也是纳米领域中 多数学科需要用到的
17、技术。由此得出，跨学的交叉促进了学科与学 科之间的交流与促进推动，传统学科向新兴领域迈进的时候，学科 之间的交流会更紧密，在各个学科将迸发出更多新的思想火花。 结论 纳米技术革命正在被很多新的思想，科学发展和技术进步所推 动。更多的创新点在这个新领域中诞生，STM(扫描隧道显微镜)等 显微测量和操纵原子分子的仪器使得我们第一次看到了材料表面的 单个原子。接下来，制造更小的计算机芯片和高密度信息存储是创 新技术的驱动力，可模拟生物机理和制造纳米机械装置将在生物医 学和工业方面得到更多发展，这一切都源于纳米科技，产生于学科 之间的交流创新。 参考文献 陈乾旺，纳米科技基础M，北京：高等教育出版社，2007. 栾广玉，自然辩证法原理M，合肥：中国科学技术大学，2002.
