您的位置:澳门金莎娱乐网址 > 生命科学 > 从全球100名青年精英看当今技术前沿,生产纳米

从全球100名青年精英看当今技术前沿,生产纳米

发布时间:2019-08-28 08:04编辑:生命科学浏览(145)

    核心提示: 加州大学的两名工程师发现了活细菌体内的半导体纳米管,此项发现将有助于开发出一套全新的纳米电子器件。

    本报驻美国记者张孟军

    由中国科学院化学研究所有机固体重点实验室刘云圻研究员、朱道本院士承担的国家自然科学基金项目“基于碳纳米管和D-A型有机分子的纳米整流器”被国家自然科学基金委员会评为特优项目。

    在国家自然科学基金委、科技部、中科院的大力支持下,化学所有机固体院重点实验室朱道本院士、刘云圻研究员与胶体、界面与化学热力学院重点实验室韩布兴研究员、刘志敏副研究员合作,在碳纳米管-半导体纳米球异质结构研究领域取得新进展,有关研究成果发表在近期的 Advanced Materials (2005, Vol.17, No.2, p217-221)上。

    加州大学的两名工程师发现了活细菌体内的半导体纳米管,此项发现将有助于开发出一套全新的纳米电子器件。

      编者按美国《技术评论》期刊编辑部日前从IBM及通用等大公司和几所著名的大学聘请了30名专家,对选自美国、加拿大、英国、中国、韩国、新加坡、印度等国600多提名者进行了严格的筛选,最后确定了在纳米技术、计算机与通信及生物技术领域从事前沿技术研究的、年龄在35岁以下的100名青年创新者,他们是当今世界青年知识分子中的精英。本报编译了百名创新者的简介,旨在使读者了解全世界青年科学家在干什么,也了解一下美国人眼中的世界科技前沿。  纳米技术领域评出的青年创新者是:  弗拉季米尔·波罗维奇(34岁):麻省理工学院助教。他在诸如发光二极管、激光器、光探测器和化学传感器中,采用了有机和纳米结构半导体。他所组建的公司已取得其所获30项美国专利的生产许可证。  马西克·波尔萨拉(32岁):AmberWave系统公司创建人兼首席技术官。他所建的公司成功研发出“拉紧硅”,即让硅晶体中的原子间距仅为千分之几纳米。这种硅单晶可使计算机芯片运行速度更快,耗电更少。  达斯丁·卡尔(34岁):桑迪亚国立实验室技术人员。他开发出能够探测亚原子范围运动的纳米硅装置。这种纳米探测器可用于飞机导航中的超精密加速器。  马丁·库尔皮波(32岁):麻省理工学院助教。他设计的机器使高质量低成本的纳米制造成为现实。他的纳米控制仪比现有的仪器性能更好,更为灵巧。  拉埃蒂亚·迪尔默(33岁):橡树岭国立实验室研究人员。他的研究方向是解决核废物处理的实际问题,即经济地清除在萨凡纳河核设施储存的10万立方米放射性废物。  玛莎·贾德诺(33岁):通用电气公司统计学家。她开发的统计模型和设计软件,使材料研发效率更高。采用她的方法,工程师可减少产品研发时间90%。  维利纳·格拉夫(32岁):戴姆勒克莱斯勒公司工程师。他研发出一种可切实为汽车提供动力的燃料电池。这种电池启动快、动力足。  韩宇(27岁):新加坡生物工程和纳米技术研究所博士后。他合成的纳米颗粒拥有精确确定的小孔径。这种材料可用于精密递送药物和基因疗法。  马塞尔·伯鲁齐兹(31岁):“分子井”公司创建人兼首席科学家。6年前还是研究生时,他就演示出能用于标记细胞内的蛋白质的“量子井”和纳米宽度的发光颗粒。“量子井”公司向生物学家和药物研发人员出售新型成像工具,这些工具可更详细地显示出分子事件图像。  斯泰凡·赫奇特(30岁):柏林Freie大学助教。他发明了新型聚合物纳米管和其他分子建筑构块。这些新材料在制造纳米大小的电子器件中有潜在的用途。  达瑞尔·艾尔文(31岁):麻省理工学院助教。他制造的纳米颗粒可在人体内释放化学物质,用以为免疫细胞编制程序,从而战胜像HIV那样的病毒感染,或者摧毁恶性肿瘤。  鲁斯泰姆·埃斯马吉洛夫(31岁):芝加哥大学助教。他研发的用以模拟复杂化学过程的微流体技术,将有助于发现药物和设计医学装置。  阿尔伯娜·伊瓦尼塞维奇(29岁):普渡大学助教。她研发出的用显微针将精确肽样沉积到身体组织上的新技术,将为治疗失明提供新的技术手段。  莱罗·奥尔森(30岁):“Neah动力系统公司”创建人兼首席技术官。他的用多孔硅取代甲醇燃料电池中的塑料薄膜技术,可减少甲醇燃料电池制造成本。这种新型燃料电池可望于2006年投产。  拉维·卡恩(32岁):Rensselaer技术学院助教。他开发了高效炭疽治疗方法,在这种治疗方法中,每种药物分子可阻止多种毒性分子,而不是一种毒性分子。他正将此原理应用于艾滋病的临床治疗。  金尼莱特·科兰(32岁):斯坦福大学医学院博士后。她采用基于生物学的自装配技术来建造分子电子器件,即采用DNA膜板产生自装配的分子电子器件———碳纳米晶体管。  杰米·林克(26岁):圣地亚哥加州大学博士研究生。她在微米大小的硅片上蚀刻光学条码。她希望将这种技术用以探测水中的污染物或人体中的癌细胞。  卢玉林(30岁):德克萨斯大学助教。他发明了纳米转移印制技术,这是一种在有机物电子电路和塑料电路上模制纳米部件的有利于环境的技术,可用于制造大面积、易弯曲显示装置,以及廉价的太阳能电池。  泰勒·麦柯奎德(33岁):康乃尔大学助教。他研发出的催化剂可减少合成药物所需的过程,并减少了危及环境的副产品的产生。  特里·奥多姆(30岁):西北大学助教。他让硅产生很多小“烧杯”,即仅50纳米宽窄的硅纳米井。这一创意可用于生长尺寸均匀的纳米颗粒。这种超精密加工技术将使定制的颗粒拥有特殊用处,如用作为超敏感化学传感器等。  埃里克·施舍(28岁):纳米系统公司研发科学家。他研究的无机半导体纳米材料,可帮助该公司开发出便宜、可折叠太阳能电池。  米切尔·斯特拉诺(28岁):伊利诺斯大学助教。他的研究工作有助于深入了解碳纳米管表面化学,从而使研究人员可根据其半导体特性、金属或绝缘特性来挑选碳纳米管。这为纳米管器件的开发克服了重大障碍。  威廉姆·泰勒(32岁):ArvinMeritor公司工程主任。他为“等离子体管”的商品化研究做出了杰出的贡献。他开发的等离子管是一种污染控制器件,可将柴油燃料转化为氢,减少氮氧化物排放量达90%。  山本津吉(31岁):NEC公司研究人员。他演示了固体电路中第一个双四分之一位逻辑门。这对建造超高速量子计算机是一个重要的技术进步。  杨述(33岁):宾州大学助教。她为高速光子计算机和通信网络设计了“灵巧的”光子器件。而在贝尔实验室,她正同其他研究人员合作,共同开发液体微透镜,以期借助于电子学方法在光纤中导引光信号。  郑元凯(34岁):新加坡数据存储研究所研究科学家。他简化了磁随机存取存储器的生产,使这种快速永久性存储器更便宜和更实用。  莫丽·史蒂文斯(30岁):伦敦帝国学院讲师。她最近的研究工作表明,改变悬浮金颗粒溶液的PH值,即可控制金纳米颗粒的行为。她将这些颗粒附着到特殊设计的肽分子上,在正确的PH值条件下,他们彼此相互作用,最终拉拢成有组织的结构。PH值的变化改变了肽分子形状,使之彼此排斥。实验表明,有可能产生一种物质,在人体内发生化学变化而可自动改变其形状。这样一种物质可用于产生可植入的药物投送装置。她的工作如果获成功,将使药物投送更加灵巧。  崔颐(28岁):伯克利加州大学研究人员。他能精确控制纳米建筑构块(材料)的装配,从而可用于制造筛选检测癌症、量子计算机和太阳能电池等器件。他在纳米导线研究领域进行了开创性工作。

    纳米电子学是当今微电子学发展的方向。具有单向导电性能的整流器是微电子学中最重要、最基本的器件单元。纳米整流器的研究对纳米电子学的实现具有重要的科学意义和潜在的应用背景。

    电子器件组成单元的微小化是现代技术发展的基本特点。采用传统的“由上至下”光刻技术,想获得更小的器件尺寸、更高的集成度已越来越困难,而且工艺日趋复杂,制作成本大幅上升。因此,探索“由下至上”路线,利用纳米粒子、纳米管、纳米线制作纳米级电子器件已经越来越被大家重视。使用纳米管线组织、连接纳米粒子,对于制作更高集成度的纳米器件具有十分重要的意义。

    这是首次发现纳米管可以由生物直接合成,而不需要通过化学的方法。与现行的化学方法相比,这种方法更经济,对环境更为友好。研究成果刊登在了12月9日的《Proceedings of the National Academy of Sciences》在线版上。

    来源:《科技日报》

    该课题合成了具有D-p-A结构的有机分子,制备了多种一维纳米结构,利用LB技术和STM技术组装了分子整流器,利用具有分子内纳米结的碳纳米管和串珠状碳纳米管制备了纳米整流器。组装了逻辑电路和制备了场效应晶体管。在开启电压、整流比、场效应迁移率等方面取得了突破。

    该研究利用超临界流体技术(Adv. Mater., 2004, 16, 350-352. 及 J. Phys. Chem. B, 2004, 108, 13074-13078. 上报导了相关研究成果)大量制备串珠状多壁碳纳米管-半导体纳米球异质结构,方 法简便,纳米球直径可控,产物容易分离和纯化。经SEM, TEM, EDX, XRD, XPS等表征确认结构,半导体纳米球直径均一,沿碳纳米管轴向分布,形状如串珠。他们利用单根的这种异质结构制作了Schottky二极管,研究了其电子传输性能,伏安特性表现出明显的整流行为,开启电压为0.5 V,整流比为70 。这种串珠状多壁碳纳米管-半导体纳米球异质结构,将可用于制作高集成度纳米功能器件。

    Bourns工程学院的Nosang V. Myung副教授是此项研究的主要研究者,他的博士后研究员Bongyoung Yoo发现了细菌Shewanella会产生由硫化砷组成的纳米管(arsenic-sulfide nanotube)。这种纳米管与化工合成的纳米管相比,有着独特的物理化学性质。

    课题在研期间,发表专著4章;论文39篇,其中发表在影响因子大于6的杂志上论文6篇、影响因子3~6的杂志上论文16篇;获授权发明专利3项,申请发明专利7项;毕业博士3名。该研究引起了国际同行的关注,得到了好评。应邀在《Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology》(纳米科学和纳米技术百科全书)、Adv. Mater.Adv. Colloid Interface Sci.等期刊上发表论文,全面系统地介绍了该课题的相关工作。

    澳门金沙手机客户端 1

    当前,世界上通用的电子器件——从电脑到太阳能电池——都依赖于化工合成。这种方法不仅耗能多,而且还留下了非常严重的环境污染问题。Myung介绍说,寻找一种绿色的半导体管生产工艺是目前科学与工程领域中的一项研究热点。

    研究工作主要进展和所取得的成果如下:

    串珠状碳纳米管-半导体纳米球异质结构; 利用单根异质结构制作的Schottky二极管

    这种由细菌合成的具有光敏活性的纳米管表现出了金属的一些特性,例如,它具有光电导特性。研究者称这些特性将可能为下一代的纳米和光电子器件提供新的功能。

    1. 合成了具有D-p-A结构的分子,利用LB膜技术和STM技术组装了分子整流器,观察到了不对称的I-V曲线,其整流本质来自分子本身 (Adv. Funct. Mater., 2002, 12, 65)。

    有机固体院重点实验室

    有一个过程现在还没能研究清楚,Shewanella细菌分泌出了多糖,这些多糖似乎是作为生产纳米管的模板,Myung解释说。如果将来能发现一种可以生产硫化镉或更有优势的半导体材料,那么此项技术的意义将不同凡响。

    澳门金沙手机客户端 2

    2005年6月1日

    "这给未来研究指明了方向,我们的工作才刚刚开始,"他最后补充道,"Shewanella的每个物种都有可能为我们的生产工艺带来新的思路。"

    图1. 分子整流器示意图

    澳门金沙手机客户端 3

    2. 通过高温裂解金属酞菁,得到了各种形态和结构的碳纳米管,如制备出阵列规整、尺寸均匀的二维碳纳米管阵列和蜂窝状的图案,系统地探讨了影响碳纳米管直径和长度的条件。通过改变原料的用量和反应时间,能有效地控制纳米管的直径和长度。

    澳门金沙手机客户端,3. 首次制备了三维碳纳米管阵列,如三维柱状结构、类似环形城堡状和鱼形的图案。采用掩模和镀膜技术,可控性地构筑了具有高分辨率的条纹状的三维纳米管阵列图案,实现了碳纳米管的定位和定向生长 (Adv. Mater., 2002, 14, 165; Adv. Mater., 2002, 14, 1557)。

    4. 研究了阵列碳纳米管的各向异性的电学性能,电阻的各向异性随着温度的降低而逐渐增大,经退火和掺杂处理后的电阻率大大降低。

    5. 合成了含氮量高的阵列氮化碳纳米管,直径和长度可以有效地控制。其形貌与其含氮量密切相关,场发射性能优良 (J. Phys. Chem. B, 2002, 106, 2186)。

    6. 采用氢气辅助的化学气相沉积法大量制备半导体高纯度的Ga2O3纳米带,纳米带的宽度可控。与通常合成方法相比,该方法合成温度较低,无需昂贵的真空设备、繁琐的基板预处理及产物后处理。首次利用单根Ga2O3纳米带制作了Schottky 二极管,并研究了其电子传输性能,伏安特性表现出明显的整流行为,开启电压为1.1 V ,整流比为1.2´103 (Chem. Mater., 2003, 15, 4287)。

    7.提出了一种利用超临界流体技术涂覆修饰碳纳米管等一维纳米材料的方法。与文献中已报道的方法相比,该方法不仅涂覆效率大大提高,且涂覆层均一、连续,操作方便,涂覆厚度可控,产物容易分离和纯化,溶剂用量少。采用该方法,可以大量而有效地得到稀土氧化物涂覆的碳纳米管,为大量制备稀土氧化物纳米管,制作场发射器件、纳米尺度光电器件打下了坚实的基础。通过该方法除可有效包覆稀土氧化物以外,还可在碳纳米管或各种纳米线外壁包覆其他过渡金属氧化物、硫化物、卤化物等,制备含纳米异质结的功能材料 (Adv. Mater., 2004, 16, 350)。

    8.采用部分掺杂的方法,获得了C/CNx 纳米结,利用具有C/CNx 纳米结的多壁管制备了纳米二极管,具有很好的整流效应,其整流比在± 2 V时为1.3´103 (Appl. Phys. Lett., 2004, 84, 4932)。

    澳门金沙手机客户端 4

    图2. 由单根具有C/CNx 纳米结的多壁碳纳米管制备的纳米整流二极管。

    9.利用制备的纳米二极管构建了“或”和“与”门二极管逻辑电路。

    10.首次利用碳管制备的纳米二极管代替收音机中的检波二极管,收音机仍能照常工作,表明纳米器件可以得到实际应用。

    11.利用单根的CNx/C 纳米管制备了场效应晶体管,其迁移率可达´103 cm2/Vs, 开关比为104 (Appl. Phys. Lett., 2003, 83, 4824)。

    12.掺氮碳纳米管场效应晶体管。利用聚离子束刻蚀系统制备了单根氮化碳纳米管的电子器件,研究了氮化碳纳米管与Pt金属电极间的Schottky接触,得出它们的接触势垒高度为0.2 eV,势垒宽度为50纳米。利用单根氮化碳纳米管制备了n型的场效应晶体管,器件的电子迁移率为me » 895 cm2/Vs,器件的开关比<100。与以前报道的多壁碳管场效应晶体管的迁移率(220 cm2/Vs)相比高出4倍 (J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, 8614)。

    13.串珠状碳纳米管整流性能。利用超临界流体技术大量制备串珠状多壁碳纳米管-半导体纳米球异质结构(图3a, b)。方法简便,纳米球直径可控,产物容易分离和纯化。经SEM, TEM, EDX, XRD, XPS等表征确认结构,半导体纳米球直径均一,沿碳纳米管轴向分布,形状如串珠。并利用单根这种异质结构制作了Schottky二极管(图3c),并研究了其电子传输性能,伏安特性表现出明显的整流行为,开启电压为0.5 V,整流比为70 。这种串珠状多壁碳纳米管-半导体纳米球异质结构,可用于制作高集成度纳米功能器件 (Adv. Mater., 2005, 17, 217)。

    澳门金沙手机客户端 5

    图3. a、b窜珠状碳纳米管-半导体纳米球异质结构;c 利用单根异质结构制作的Schottky二极管。

    有机固体院重点实验室

    2005年11月25日

    本文由澳门金莎娱乐网址发布于生命科学,转载请注明出处:从全球100名青年精英看当今技术前沿,生产纳米

    关键词: