纳米器件发展趋势

6 2 新材料产业 NO.3 2006 rontier 前沿F 纳米器件主要包含纳米电子器 件、纳米光电器件和分子器件。纳米 器件是人类探索电学、磁学、力学和 生物系统极限技术的关键。微电子技 术的进一步发展将依赖纳米科技或纳 米器件的发展，纳米器件与信息技术 产业联系极为密切，纳米器件将对人 类保护环境、控制污染、生产食品、 提升人类的能力和健康产生极大的影 响。1999年美国世界评价中心历时 3年的调查提出了一份 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 ，评估了 各国纳米技术的研究现状，指出世界 所关注的纳米技术研究领域是纳米粒 子、纳米管、纳米多层膜、纳米结构 的合成、纳米加工、与纳米有关的制 造技术，重点是纳米粒子加工制造成 新的器件及其应用。世界各国在纳米 技术发展战略和计划中，将纳米器件 作为研究和投资重点，美国、日本、 欧盟各国、韩国，以及我国针对纳米 器件的研发制订了纳米器件发展计 划，旨在提升本国的国际竞争力。世 界许多国家的企业也看好纳米器件的 发展前景，纷纷新建相关的企业。纳 米器件已成为世界若干国家发展纳米 技术关注的焦点和竞争热点，已显现 出了其发展趋势。 纳米器件纳入各国国家科技 发展战略高度 世界上已有超过50个国家（到 2005年5月）制订了国家（地区）纳 纳米器件是人类探索电学、磁学、力学和生物系统极限技术的关键。纳米器件 将对人类保护环境、控制污染、生产食品、提升人类的能力和健康产生极大的影响。 世界各国在纳米技术发展战略和计划中，将纳米器件作为研究和投资的重点，纷纷制 订发展计划，旨在提升本国的国际竞争力。世界许多国家的企业也看好纳米器件的发 展前景，纷纷新建相关的企业和投入风险资金。 纳米器件发展趋势 ◇谭宗颖 中国科学院文献情报中心 情报研究部 6 3Advanced Materials Industry 米技术发展计划，欧盟及欧洲若干国 家、美国、日本、韩国，以及我国均 将纳米器件的发展作为重点发展方 向。如美国在国家纳米技术计划 （NNI）中，将纳米器件相关的主题纳 入重大挑战项目之中，主要涉及纳米 电子学、纳米光电子学和纳米磁学； 分子电子学；量子计算；高性能互补 金属氧化物半导体（CMOS）的纳米 电子学；在生物医学方面涉及探测和 减轻人类治疗痛苦的生物纳米器件； 研究开发用于临床诊断的传感器和基 因组传感器；在国家安全方面，继续 保持国防的优越性，密切注视纳米电 子学、多功能材料和生物纳米器件的 重大挑战。美国在2004年12月确定 的NNI未来5-10年的战略规划中， 将“纳米尺度的器件和系统”列为7 个长期重点发展的领域之列。欧盟在 第4、第5框架计划不乏纳米器件项 目，在第6框架计划中提出将“新型 的生产工艺和器件”及其重点方向作 为欧盟三大发展重点之一。欧盟的 “纳米技术信息器件（NID）”计划 （1998-2002）、2004年出台的“到 2020年的纳米电子学远景计划”，以 及在第7框架计划出台的“新兴的纳 米电子学”计划，都瞄准了新兴的纳 米器件。德国联邦研技部2003年发 布了“纳米电子学5年战略计划”，投 资3.95亿欧元，重点资助电子器件 制造技术、芯片（ICs）和器件、芯 片设计与制造3个领域。 法国2003年启动的“国家纳米 科学计划”的5大研究主题主要涉及 纳米器件（单个物体和元器件）。 我国在“国家纳米科技发展纲 要”的指导下，科技部在“973”和 “863”两大计划中，相继启动了有关 纳米器件的重大研究项目；2002年 我国国家自然科学基金委在“纳米科 技基础研究”重大研 究计划中将“纳米电 子学与纳米器件”研 究作为重点方向。 各国加大纳米技 术 / 器件的投 资，引导并吸引 企业和风险投资 世 界 各 国 自 2000年以来，加大 了对纳米技术的投 资，政府通过法律、 科技政策和发展战略，鼓励企业参加 纳米科技计划项目，引导企业投资纳 米科技，并吸引风险投资。 据美国国家科学基金会的调查 统计，世界各国政府对纳米科技的投 资已从1997年的4.32亿美元增加至 2005年的41亿美元，即2002年世 界各国（地区）政府投资纳米科技的 经费比1997年增加了503%，到 2005年，这一比例增加了945%（见 图1）。从图1可以看出，2000年以 来，世界各国(地区)政府投资纳米技 术的研发经费呈上升增长趋势，研发 经费增长速度加快。美国、日本和西 欧是纳米科技投资的大国（地区），其 他国家（地区）对纳米科技投资总额 不及美国和日本单个国家的多。 2006财年，美国国家科学基金 会对重点领域“纳米器件和系统”投 资预算比2002财年增长了1倍多，从 2002财年的2500万美元增加至 2006财年的5400万美元。德国联邦 研技部对“纳米电子学5年战略计 划”投资总额为3.95亿欧元。 从图2可见，1999-2003年，美 国政府投入纳米技术的研发经费与美 国私营企业投入纳米技术的风险资本 均呈增长趋势，从2002年，私营企 业的风险资本较政府的投入增长幅度 更大。从图3可见，生物技术部门投 入纳米技术的经费最多，接近2.5亿 美元。其次是网络与设备，超过1.5 亿美元；医疗器件与设备接近1.5亿 美元。 韩国政府投资“2001-2010年 太比特纳米器件计划（简称TND计 划）”计划的经费总额为13 700亿韩 元，韩国科学技术部还积极鼓励私营 企业设立纳米技术专项投资金作为匹 配经费。TND计划各阶段的投资总 计为1.42亿美元，在第一阶段和第 二阶段，政府投资与企业投资的比例 均分别为67%和33%；在第三阶段， 政府投资与企业投资的比例各为 50%（见表1）。 立足优势 明确纳米器件研发 的主攻方向 为了提高国家未来在全球的竞 争力并在战略技术方面占据优势，各 国根据各自的资源特征、战略需求和 纳米器件的商业应用潜力，其研发各 有择重。美国从基础研究到应用开发 各方位支持纳米技术/器件的研发， 强调支持在原子和分子水平上操纵物 质的长期研究，创造分子和人体细胞 分子马达图 图片来源：www.dekker.com/sdek/ 23732046-45754908/abstrac... 6 4 新材料产业 NO.3 2006 rontier 前沿F 大小的新器件，改进信息技术电子器 件；研发应用于制造、国防、运输、 空间、环境和能源等方面的高性能纳 米材料和器件。重点研究生物-化 欧盟重点瞄准信息处理和存储系 统方面的纳米器件。德国注重面向产 业的研发，关注纳米电子器件的制造 技术，高性能纳米电子致动器，信息通 信电路和纳米电子器件，纳米生物传 感器。法国侧重纳米器件的基础研究， 主要瞄准单物体和基本组件、量子信 息、纳米对象的组织和装配，分子元件 和电路，自装配和自组织现象，电路杂 化，能控制系统创造性能力的细胞机 器人和纳米棒机器人。纳米传感器，生 物分子纳米向量器，纳米生物拟态结 构和装配或由纳米生物材料制造的纳 米器件。英国瞄准具有研究优势和产 业机会的纳米技术重点领域，如生物 组织工程、药物移植和器件，传感器和 致动器等。日本从关注下一代半导体、 太比特信息存储技术、具有新材料和 新结构的器件到关注先进的纳米生物 器件，应用于蛋白质交互分析的纳米- 生物芯片。韩国侧重用于信息存储的 纳米材料研究与开发；关注太比特纳 米电子学、自旋电子学、分子电子学等 研究方向的太比特纳米器件；纳米技 术与生物技术的融合，关注纳米诊断 器件、纳米治疗系统和纳米生物仿生 器件的研究开发。 我国在纳米材料和器件的基本 性质、基本方法和纳米技术及应用3 个方面统筹兼顾，以发展纳米生物和 医疗技术、纳米电子学和纳米器件为 主要中长期目标。 纳米器件研发向纳米技术与 信息技术、生物技术会聚的 方向发展 从各国发展纳米器件的时间路 径看，微电子技术的小型化趋势受到 物理和技术的局限，迫切需要引入纳 米技术，利用物质小到纳米尺度时的 量子尺寸效应和纳米微小技术的全新 图2 1999-2003年美国政府和私营企业风险资本对纳米技术的投资(单位:百万美元) 图来源：Small Times 图1 世界各国（地区）政府投资纳米技术研发经费变化趋势 来源：M.Roco,NSF 经费来源 政府 企业 总计 第 1年 8.4 4.2 12.6 第 2年 8.4 4.2 12.6 第 3年 8.4 4.2 12.6 25.2 12.6 37.8 33.4 33.4 66.8 83.8 58.6 142.4 第 1阶段 第 2阶段 第 3阶段 总计 表1 TND计划每阶段的经费预算(单位：百万美元) 学-辐射-爆炸物探测和防护(CBRE) 方面的纳米技术创新方法、纳米制造、 纳米生物化学器件和系统等反恐器件 和系统，以维护国家安全。 6 5Advanced Materials Industry 理念来设计和创造新器件。在纳米器 件发展的初期阶段，各国往往瞄准的 是纳米存储器件。当材料的突破、制备 方法的进步和先进仪器工具的进步， 尤其是纳米材料自下而上的方法的运 用，一些国家发展纳米器件向着纳米 技术和信息技术与生物技术会聚的方 向拓展。如美国国家科学基金会等联 邦部门于2002年就提出纳米技术、生 物技术、信息技术和认知科学等4大技 术的会聚技术。美国宇航局在其2003 年的预算中明确提出要重点探索纳米 技术、生物技术和信息技术的会聚领 域，研究集纳米电子学、生物传感器和 人工神经系统于一体的机器人等便是 纳米器件研发的具体体现。欧盟、日 本、韩国等国家瞄准纳米生物器件、生 物分子纳米向量器、纳米生物传感器 和纳米生物仿生器件等。 从文献计量分析看纳米器件 的发展趋势 本文作者从美国科学情报所的 科学引文数据库网络版（Web of Science）获取了世界一些国家和我 国有关纳米技术以及纳米器件包含的 有代表性子领域的论文。从纳米技术 上升趋势。世界纳米技术论文的增 长趋势与世界纳米技术的投资曲线 的变化趋势非常一致。 从各年纳米技术论文的总被引 频次看，美国、德国和日本在1996- 2003年间，始终位于世界前3位， 2004年这3个国家的排名位次有所 变化。我国1996年的总被引次数为 3476，高于俄罗斯（3181）、印度 （1408）、韩国（716）和巴西（555）， 低于美国、德国、日本、法国、英国、 加拿大和意大利等国家而排名第 8 位。从1997年开始，我国纳米技术 论文的总被引频次已从1996年的第 8位上升至第6位，到2001年已超 过意大利、加拿大、英国和法国而位 居第4位，仅落后于美国、德国和日 本，2004年已上升至第2位，表明 我国纳米技术论文对世界的影响力 在不断增强。韩国纳米技术论文的 总被引频次在所选国家中的位次变 化也明显上升，从1996年的排名第 11位，到2001年及以后的各年稳定 上升为第7位。美国、英国的篇均被 引频次比较高，德国和日本次之，我 国的尚低于这几个国家。 图3 2002 年纳米技术风险投资按产业部门的分布(单位:百万美元) 图来源:http://www.swissnanotech.net/usnanorep.pdf 论文总体情况看（见图4），我国纳米 技术论文呈上升趋势，仅落后于美国 而居世界第二位。各国（地区）在 2000年之后论文的增长速度明显加 快，纳米技术论文占世界的份额随时 间的变化情况也大体如此（见图5）。 美国纳米技术论文占世界纳米技术论 文总数的30%左右，且1996-2004 年略有下降。同期，中国的这一比例 呈上升趋势，从1996年占世界的6. 23%上升到2003年和2004年占世 界的15%以上；韩国的这一比例也呈 用于药物传递和癌症监测的无痛纳米药物传递系统 图片来源：www.nano.gatech.edu/ research/ 6 6 新材料产业 NO.3 2006 纳米器件主要包含纳米电子器 件、纳米光电器件和分子器件。 从 1998-2004年被引频次较高的主题 的论文和被引频次及篇均被引频次看 （表略），纳米管器件7年累计篇均被 引频次排名第一，为29.4，其次是分 子电子器件为12.2，第三是分子开 关为16.6。接下来的依次是单电子 晶体管、单电子器件、纳米电路、纳 米器件、纳米机械等。 分子开关、分子电子器件、纳米 器件、纳米管器件、纳米线阵列、量 子相干器件、单电子器件、单电子晶 体管等，其论文每年被引频次都在 60次以上（2004年有个别的未达 到），这些主题的论文，各年被引频 次都非常高。 自1997或1998年之后，纳米器 件相关主题的论文数增长很快。美、 英、德、法、日本等国是这些主题论文 的主要贡献者。我国在纳米阵列主题 的论文数明显较多，高于美国。我国也 涉足了分子器件、分子开关、单电子晶 体管、量子相干器件等领域的研究。表 明我国涉足纳米器件的国际研究前沿 领域，尽管论文数尚少。 我国纳米器件相关主题的国 际合作研究 本文将纳米器件在1991-2004 年累积论文数较多的主题进行了国际 合著研究，侧重关注与中国有合作关 系的国家，从国际合作关系矩阵来看 同，我国主要与美国、日本、德国和 法国等发达国家合作。也与欧洲的一 些国家合作，以及与韩国、新加坡等 国家合作。在单电子晶体管主题领 域，中国共发表论文39篇，参与国 际作的有12篇，合作国家涉及美国、 日本、意大利和芬兰各、瑞典和新加 坡各合，以及加拿大。在量子干涉器 件主题领域：SCI收录中国科学院在 该领域82篇论文，国际合作论文有 24篇，涉及的国家主要是美国，日 本，德国，法国，澳大利亚和新加坡 各两篇，韩国1篇。在分子马达主题 领域，中国独立发表的论文共45篇， 参与国际合作的论文有7篇，合作国 家涉及美国、日本和加拿大。图5 1996-2004年主要国家纳米论文占世界份额的变化趋势 图4 1996-2004年我国等国家（地区）纳米论文数变化趋势图 数据来源：本文根据web of science数据处理并计算。注：图中的年代表明期刊等的 出版年，而不是数据库索引年。 rontier 前沿F