自组装技术综述 .pdfVIP

第一章

1背景意义（引言）

材料在人类社会进步过程中有着特殊意义。从石器时代，青铜时

代，铁器时代，到水泥/钢筋时代，再到硅时代，无一不体现出材料

的重要作用。科学家预言，我们正步入纳米时代。

纳米是长度单位，原称毫微米，就是十亿分之一米或者说百万分

之一毫米，略等于45个原子排列起来的长度。纳米科学与技术，有

时简称为纳米技术，研究领域为结构尺寸在1至100纳米范围内材料

的性质和应用。

现在纳米研究正在蓬勃展开。科学家们通过实验发现，在纳米

尺度的结构有很多新现象，新特征，新技术。纳米电子器件有金

属块，纳米陶瓷，纳米氧化物，纳米药物，纳米卫星，以后还有

纳米化妆品、纳米电冰箱、纳米洗衣机、纳米布、纳米水等新产

品问世。

过去几十年间，微电子和计算机技术被广泛运用。内存的容量和运

行速度以幂指数式增长。这种增长机制正是通过降低芯片的尺寸来实

现的。目前，为满足客户需求，芯片尺寸已降低到100nm以内。在

生物医学和人类健康领域，为了更好的诊断和治疗，纳米探测器，纳

米抗体，纳米药物的研究正蓬勃展开。

在纳米尺度上实现材料表面结构和性质的加工或图案化，对现代

技术的发展和理论的应用有着重要的意义，特别是新型微小结构的成

功构造或现有结构的微型化。微加工或图案化技术，除了对微电子

技术中的集成电路、信息存储器件、微机电系统有巨大推动作用外，

还对小型传感器、机械材料、生物载体和微型光学元件等的响应速度、

成本、能耗和性能有优化作用。与此同时，纳米技术的发展和应用融

合了多门传统学科，相继衍生出多种学科门类，创造了新的理论和方

法，为微观世界的研究提供了很好的契机。

然而也面临着很多困难，纳米材料在热力学、动力学、光学、磁

学、电学以及化学性质方面都与宏观物体有很大的不同。首先的加工

制作的困难。尺度太小，要求很精确，受传统理论的限制。比如，光

刻中受衍射极限的限制，传统的方法很难获得突破性进展。此外也受

形态和空间排布的影响。1959年，著名理论物理学家Feynman就提

出纳米材料与技术的构想。在之后的几十年间，一直没多少人关注。

纵是在1981年扫描隧道电子显微镜和在1986年原子力显微镜被发明

后，纳米技术的应用仍受局限。然而到了20世纪末，随着科技的进

一步发展，纳米技术的重要性终于凸显出，成为各主要发达国家重视

的科技计划。

近年来在光刻、电子束刻蚀、离子刻蚀、气相沉积等物理微加工

技术快速发展的同时,利用化学自组装技术构筑有序微结构也受到

了人们越来越多的关注。通过自组装技术能解决我们面临的很多问

题。

随着胶体晶体研究的火热，人们发现一种不依靠人力就能完成组

装和构筑结构的方法，由于这种方法简便、制造结构多样、重复性好

等优点，他已在物理、化学、生物、材料、医学等领域获得很大运用，

而且越来越受到重视。这种方法就是自组装技术。

2.1自组装与生物医学

通过自组装技术形成的单分子层、膜，囊泡，微管和生物传感器，

神经修复材料以及基因传输系统等，对临床医学诊断和治疗有重要作

用。中山大学基于自组装技术制备硫酸链霉素修饰电极来检测抗生

素，并分析了硫酸链霉素与鱼精DNA的相互作用。上海大学采用含

银聚电解质络合物和利用层层静电自组装技术制备出了抗菌性滤膜。

1998年，德国人Mohwald利用层层自组装制造了高分子胶囊，使自

组装在药物生产上有了运用。近年来，研究者通过改变胶囊组分和厚

度，制备出了可缓释微胶囊。据报道，去年南开大学利用自组装技术

制备PDDA-多壁碳纳米管-胆碱生物传感器，在临床医学检测上获得

突破。

2.2自组装与物理化学

IBM的研究人员将分子的自组装能力与标准的芯片制造工具相

结合，制造出一个超小型电脑存储设备。该设备类似一种闪存，可以

用于便携式电脑存储设备和移动电话。由于分子有自组装能力，可以

减少半导体生产过程中的复杂性，从而有可能降低成本。随着微电子

及时的不断发展，正需要更多的小体积、多功能、结构复杂的纳米级

构造单元。利用自组装技术，不仅能对材料表面修饰而获得原本不具

备的光、电、磁、力等性能的新材料，而且还能制造出分子开关，分

子存储器，分子导线，分子集成电路等小型器件。Health等人研制了

一个分子装置的自组装过程，制造了一个以分子为基础的电路框架结

构，制得了由金属、半导体纳米线所得的超高密度阵列及纳米逻辑电

路。其纳米线接点处密度高达每平方厘米1011个交