微纳光学技术与应用范文1
[关键词]纳米 光电 测控技术
纳米科学与技术,有时简称为纳米技术,是研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。它主要包括纳米材料、纳米动力学、纳米生物学和纳米药物学、纳米电子学等四个方面。纳米级材料工程是指用于纳米技术的材料开发,主要应用于功能织物、医学生物工程、电子工业、催化剂、超微传感器等几个方面。纳米级加工技术纳米加工技术在纳米技术的各领域也起着关键作用,包含机械加工、能量束加工、化学腐蚀以及扫描隧道显微镜加工等许多方法。然而,纳米级的测控技术是制约纳米技术发展的关键。
我国测控领域的科研人员经过四十多年长期探索,不断研究,克服了各种困难,利用光、机、电、算多学科综合,发展了一整套微/纳米光电测控新技术,研制出新一代测控仪器,已经成功地应用于军用、民用很多领域,取得了明显效果。
一、纳米光电测控技术
纳米光电测控技术以纳米计量光栅为核心元件,配以光电转换、信号读取、信号处理以及超精机械,形成各种测量仪器,可直接用于测量或控制长度、位移等多种几何量。具有测量精度高、量程大、环境适应能力强、稳定性好等优点。该项技术主要由传感器和数显装置两部分组成。利用该项技术所生产的产品具有自动求最大值、最小值、峰峰值、公英制转换、置数、打印、复位、自检等功能,同时还具有RS232串行通讯接口,与计算机、单片机等连接后可进行自动测量、自动数据处理和自动控制等优点。纳米测控技术包括纳米级的测量技术和纳米级的定位控制技术两个方面。
1.纳米测量技术
目前,纳米级测量技术的主要发展方向有光干涉测量技术和扫描显微技术等,以表面粗糙度和表面形貌等为测量对象。
(1) 光外差干涉仪
光外差探测是一种对光波振幅、频率和相位调制信号的检波方法,可以对于光强度调制信号。光外差干涉仪是使用两种不同频率的单色光作为测量光束和参考光束,通过光电探测器的混频,输出差频信号(受光电探测器频响的限制,频差一般在100兆赫以内)的仪器。被测物体的变化如位移、振动、转动、大气扰动等引起的光波相位变化或多普勒频移载于此差频上,经解调即可获得被测数据的仪器。目前,通常使用的干涉条纹图的测量方法,在进行纳米级测量时有非常大的局限性。因此利用外差干涉测量技术,可以得到0。1nm的空间分辨率,测量范围可达50mm,促进了纳米技术的进一步发展。
(2) X射线干涉仪
X射线干涉仪以非常稳定的单晶硅晶格作为长度单位,可以实现亚纳米精度的微位移测量。
可见光和萦外光的干涉条纹间距为数百纳米,这种间距不易测量。而利用射线的超短波长干涉测量技术,可以实现0。005nm分辨率的位移测量,测量范围可达200μm,是一种测量范围大较易实现的纳米级测量方法。近年来,又产生了X射线形貌测量仪,它采用掠人射角的射线来测量超光滑表面形貌。
(3) 激光频率分裂测长
激光频率分裂的值与分裂元件的位移有关。通过测频率测位移,精度已达到1nm,进一步稳定激光频率可达到0.01nm,测量范围为150μm。
(4) 扫描探针显微(SPM)技术
SPM实际上是一个很大的家族,它包括扫描隧道显微镜、原子力显微镜、磁力显微镜、激光力显微镜、光子扫描隧道显微镜及扫描近场光学显微镜等等,利用它们可以用来测量非导体、磁性物质,甚至有机生物体的纳米级表面。
扫描探针显微(SPM)技术是在扫描隧道显微镜(STM)发明取得巨大成就的基础上发展起来的各种新型显微镜。它们的原理都是通过检测一个非常微小的探针(磁探针、静电力探针、电流探针、力探针),与被测表面进行不接触各种相互作用(电的相互作用、磁的相互作用、力的相互作用等),借助纳米级的三维位移定位控制系统,测出该表面的三维微观立体形貌,在纳米级的尺度上研究各种物质表面的结构以及各种相关的性质。
扫描探针显微技术(SPM)具有以下特点:(1)具有原子级的高分辨率。STM的横向分辨率可达到0.1nm,垂直表面方向分辨率可达0.01nm,这是目前所有显微技术当中分辨率最高的。(2)可以观察单个原子层的局部表面结构。STM观察的是表面的一个或两个原子层,即几个纳米的局域信息,而不是像光学显微镜和电子束显微镜只能获得平均信息。(3) STM配合扫描隧道谱(STS),可以得到表面电子结构的有关信息,可以通过调节隧道结偏压来观察不同位置电子态密度分布,观察电荷转移的情况,还可以得到电子结构的信息。(4)STM可以实时、实空间地观察表面的三维图像。而不像其他,例如各种衍射方法所得到的只是倒易空间的图像,不是实空间的,而且只有进行 “傅里叶变换”才能得到实空间图像。(5) STM可以在不同条件下工作,例如真空、大气、常温、低温、高温、熔温,不需要特别的制样技术,而且探测过程对样品无损伤,因而扩展了研究对象的范围。(6) STM不仅可用于成像,还可以对表面的原子、吸附的原子或分子进行操纵,从而进行纳米级加工,这是其他技术所不具备的一种功能。
2. 纳米定位控制技术
在纳米级加工与测量中,需要纳米级的三维定位与控制。目前,用一个执行元件来实现大范围的纳米级定位是比较困难的。因此,实际的定位机构多采用大位移用的执行元件和纳米级定位用的执行元件相结合方式来实现。实现三维定位与控制,目前普遍采用压电陶瓷致动器件,它在纳米级的极小范围内,通过控制系统能实现近似的三维驱动。此外,利用电致材料、静电或磁轴承式结构,以及静电致动的高精度定位控制技术,也向纳米级精度发展,也可采用摩擦驱动装置及丝杠定位元件,通过特殊的方法进行纳米级的定位。
二、纳米光电测控技术特点
光电测控技术采用的光电自动测量方法是为适应我国高速发展的测控领域的现状而逐步研究、开发形成的,并以其独特的优点逐步成为当今世界范围内的一种新型、高精度的测试手段。它采用现代高科技手段,测试精度涵盖了微米、亚纳米及纳米领域。
这种新型测控技术,具有许多重要的特点:
(1)首先,它的应用覆盖面特别宽,既可用于微米、亚微米量级,也可用于纳米量级;既可用于传统机械、传统仪器的更新改造,又可用于尖端科技的高层突破;
(2)其次,技术上综合性很强,光、机、电、算容为一体,具备了纯机械、纯电学、纯光学等传统测量技术很难达到的优越性;
(3)再次,它的应用范围特别宽广,军用上,如常规武器的改造提高;航空航天的各种测控等;民用上,传统产业上的更新改造、制造业的技术提高等。
三、最近研究成果
目前世界上已出现了一些能达到纳米量级的测量仪器,但在测量范围和实用性上尚不能完全满足实际要求。中国青旅实业发展有限公司所属标普纳米测控技术有限公司开发的两项科技成果在很大程度上弥补了这一领域存在的不足,对微/纳米测控技术和相关领域的发展起到了促进作用。这不仅表明我国微/纳米光电测控技术处于世界领先水平,而且对解决目前制约我国高新技术、传统制造业发展及新材料研制过程中的计量问题,推动世界精密计量仪器的升级换代也具有重要意义,同时标志着世界微/纳米测控技术向更精微迈进了重要一步。
“纳米测长仪”是一种通用长度传感器,它的研制成功表明长度通用量具已经提高到了纳米量级,并且从静态人工读数发展到数字化自动显示。其数显分辨率达到1纳米,测量重复性(标准偏差)为0.8-1.2nm,在未作误差修正的前提下,10mm测量范围内示值误差优于±0.06μm。与国际上同类仪器相比,它在分辨率、重复性、准确度和短时稳定性等主要技术指标上,都处于国际领先水平。它用途广泛,技术独特,生产成本远低于国外同类产品,推广应用前景广阔。
“量块快速检测仪”是一种新型的量块检测仪器,它成功的将纳米测长仪应用到量块检测上,将直接测量与比较测量结合起来,对名义尺寸10mm及10mm以下的量块实现了直接测量。该仪器测量分辨率达到1nm,直接测量范围10mm,比较测量范围110mm,与国外同类仪器相比,主要技术指标达到了国际先进水平。该仪器还可以与计算机连接通讯,实现数据自动处理,从而提高了量块检验速度,减轻了检测人员的劳动强度。由于其对环境温度不敏感,现有基层计量室不必提高温控要求即可推广使用。该仪器经济实用,适合基层计量室检测三等及三等以下量块。该科技成果在纳米光栅的制造与检测、纳米光栅的信号读取、光电信号的高质量处理和超精机构的加工改进等四方面均具有独创性,集光学、机械、电子、计算机多学科于一体,开发难度大。国内外多家科研单位曾致力于该种仪器的研究,但都没能取得突破性进展。
四、结论与建议
纳米光电测控技术的应用,将极大地促进我国新材料技术的研发,对于各种新型材料的加工、检测及生产高精度新型材料的机械设备的制造等都有着举足轻重的意义。同时,纳米光电测控技术解决了当代高新技术发展在测控方面面临的十分棘手的难题,具有划时代的意义。
参考文献:
[1]曾令儒.纳米技术[J].宇航计测技术,1999,19(5):43-45.
微纳光学技术与应用范文2
纳米材料与器件近年来发展迅速。一方面，材料性能日益多功能化，集成力、电、磁、热、光等多场复合效应；另一方面，材料的微观结构也变得复杂而富有层次，对其宏观性能产生深刻影响。例如，在热电材料中，界面、缺陷和量子局域效应被广泛用于提升热电优值；在钙钛矿太阳能电池中，极性电畴壁被认为给电子和空穴提供分离的高速输运通道；而在高密度磁阻存储器件中，纳米结构对磁电耦合和输运至关重要。从诸多热点领域所选取的这三个典型实例表明，发展多场复合效应的新型功能材料与器件是当今纳米科技的重要趋势，而显著的尺寸、界面和量子效应也给材料与器件的宏观性能带来深刻影响，需要在纳米尺度综合调控和定量测量。
当前，对材料微观结构的表征和宏观性能的测量已较为成熟：在显微结构上，能在原子尺度精确确定材料物相和成分；在宏观性能上，表征电、光、磁、力、热响应及其耦合也加深了人们对多场物性的理解。这些成熟的单项技术表明，在单分子及纳米层面调控并测量材料电、光、磁、力、热及其耦合响应时机已经到来，也是推动先进功能材料与器件发展的大势所趋。然而由于表征技术的限制，人们对纳米尺度多场物性的关注还不多，相关调控和测量仍处于襁褓之中。
为揭示光电、热电、磁电材料和器件的微观结构、局域响应和宏观性能的关联，分析铁电极化对光电转换的调控，界面和缺陷对热电输运的影响以及微纳结构和磁电耦合的相互作用，中国科学院深圳先进技术研究院牵头，联合华南师范大学、清华大学以及南京大学，共同承担了国家重点研发计划“纳米科技”重点专项 - 纳米尺度多场物性与输运性质测量及调控。该项目旨在发展基于多功能扫描探针的纳米测量与调控技术，在纳米尺度综合定量测量调控材料电学、光学、磁学、力学和热学多场物理及输运性质，为研究先进功能材料与器件中的关键科学问题提供强有力工具。
项目的主要研究内容分为以下四个方面：（1）发展纳米尺度多场激励调控与测量技术：通过微纳加工研发制备多功能扫描探针，结合原子力显微镜环境下宏观复合加载系统，以及宏观微观协同的跨尺度测试分析和模拟，实现纳米尺度多场物理及输运性质的综合测量与调控，为深入研究光电转换、热电输运、以及磁电耦合性能提供强有力的工具和方法。（2）研究极化调控光电转换：制备一系列材料与器件，在单分子层面，运用扫描探针定量测量极性分子在多场激励下的光电子激发、复合及输运，揭示电极化调控有机无机钙钛矿光电转换及光控开关的微观机理和失效过程，阐明微纳结构、极性和缺陷对新型太阳能电池性能的影响和调控，进而提出光电器件设计调控新方法。（3）研究纳米尺度热电输运：在微纳尺度，运用扫描探针定量测量热电材料在跨尺度多场载荷下的局域响应，揭示界面、缺陷和复合结构对热电输运的影响及其失效过程，探索磁场光场对自旋塞贝克效应的调制以及声子、光子和载流子的相互作用，阐明微纳结构和缺陷对高性能热电材料输运性质的影响，进而提出热电材料设计调控新方法。（4）多场调控磁电器件：针对磁、电、光、热、力对多铁性磁电序参量的调控及电输运的影响，运用扫描探针定量测量磁电介质在跨尺度复合载荷下的局域响应，研究单分子磁体各向异性和弛豫，揭示磁电有序及演化与微观结构的关联，特别是受缺陷的影响及其失效机理，进而提出磁电材料设计调控新方法。
项目预期将开发基于多功能扫描探针的纳米测量与调控技术，实现在纳米尺度综合调控、定量测量材料多场物理及输运性质，并以此解决先进功能材料与器件的一系列关键科学问题，进而形成一系列原创、具有自主知识产权的新思想（如宏观微观协同调控测试）、新技术（如多功能扫描探针激励和多场原子力显微样品加载）、新方法（如跨尺度实验测试、数据采集、和计算模拟）和新发现（如光电、热电、磁电多场物性和耦合新机制），推动纳米技术、高速低能耗信息处理与存储、微电子器件、高效清洁能源、以及精密仪器等产业和领域的发展。
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[关键词]制造业；增长方式；发展战略；思路
一、转变制造业增长方式的紧迫性
目前， 我国制造业已有较好基础，并已成为世界制造大国，工业增加值居世界第四位，约为美国的1/4、 日本的1／2， 与德国接近。产量居世界第—的有80多种产品。然而，我国制造的多是高消耗、低附加值产品，大量产品处于技术链和价值链的低端。在代表制造业发展方向和技术水平的装备制造业，我国的落后状况尤其明显，大多数装备生产企业没有核心技术和自主知识产权。同时，我国制造业劳动生产率水平偏低，许多部门的劳动生产率仅及美国、 日本和德国的1／10，甚至低于马来西亚和印度尼西亚。这一差距，尤其明显地表现在资本密集型和知识密集型产业上。在此条件—卜，我国制造业不能继续在技术链低端延伸，不能依靠高消耗获得更多低附加值产品，必须用科学发展观指导制造业运行， 转变制造业增长方式。
二、转变制造业增长方式必须发展现代制造技术
产品技术链，没有一个固化的定式，但总是由低端向高端发展。近年，它正伴随着现代制造技术的进步不断向高端延伸。目前，制造业技术链高端几乎被现代技术垄断，处于技术链高端的产品几乎都是由现代技术制造出来的。所以，要转变我国制造业增长方式，必须抓紧发展现代制造技术，通过现代技术促使制造业及其产品向技术链高端延伸，以便降低技术链低端产品的比重，相应提高技术链高端产品的比重。
在知识经济时代到来之际，微电子技术、光电子技术、生物技术、高分子化学工程技术、新型材料技术、原子能利用技术、航空航天技术和海洋开发工程技术等高新技术迅猛发展。以计算机广泛应用为基础的自动化技术和信息技术，与高新技术及传统制造方法结合起来，便产生了现代制造技术。
现代制造技术，保留和继承了传统制造技术的产品创新要求，如增加现有产品的功能，扩大现行产品的效用：增多现有产品的品种、款式和规格：缩小原产品的体积，减轻原产品的重量：简化产品结构，使产品零部件标准化、系列化、通用化：提高现有产品的功效，使之节能省耗等。但是，现代制造技术，在制造范畴的内涵与外延、制造工艺、制造系统和制造模式等方面，与传统制造技术均有重人差别。
在现代制造技术视野中，制造不是单纯把原料加工为成品的生产过程，它包括产品从构思设计到最终退出市场的整个生命周期，涉及产品的构思、构思方案筛选、确定产品概念、效益分析、设计制造和鉴定样品、市场试销、正式投产，以及产品的售前和售后服务等环节。
在现代制造技术视野中，制造不是单纯使用机械加工方法的生产过程，它除了机械加工方法外，还运用光电子加工方法、电子束加工方法、离子束加i：方法、硅微加工方法、电化学加工方法等，往往形成光、机、电一体化的工艺流程和加工系统。
三、发展现代制造技术的重点方向
现代制造技术正在朝着自动化、智能化、柔性化、集成化、精密化、微型化、清洁化、艺术化、个性化、高效化方向发展。为了转变制造业增长方式，促使制造业向技术链高端延伸，我国宜着重发展以下现代制造技术。
(一)以纳米技术为基础的微型系统制造技术
“纳米”是英文nan。meter的译名，是一种度量单位，是十亿分之一米，约相当于45个原子串起来那么长。 纳米技术，表现为在纳米尺度(0．1nm到100nm之间)内研究物质的相互作用和运动规律，以及把它应用于实际的技术。其基本含义是在纳米尺寸范围认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创造新的物质。纳米技术以混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学等现代科学为理论基础，以计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术等现代技术为操作手段，是现代科学与现代技术相结合的产物。
纳米技术主要包括：纳米材料学(nanomaterials)、纳米动力学(nanodynamics)、纳内米电子学(nanoclectronics)、纳米生物学(nanobi010gy)和纳米药物学(nan。pharmics)。就制造技术角度来说，它主要含有纳米设计技术、纳米加工技术、纳米装配技术、纳米测量技术、纳米材料技术、纳米机械技术等。以纳米技术为基础，在纳米尺度上把机械技术与电子技术有机融合起来，便产生了微型系统制造技术。
自从硅微型压力传感器，作为第一个微型系统制造产品问世以来，相继研制成功微型齿轮、微型齿轮泵、微型气动涡轮及联接件、硅微型静电电机、微型加速度计等一系列这方面的产品。美国航空航天局运用微型系统制造技术，推出的一款微型卫星，其体积只相当于一枚25美分的硬币。
微型系统制造技术，对制造业的发展产生了巨大影响，已在航天航空、国防安全、医疗、生物等领域崭露头角，并在不断扩大应用范围。
(二)以电子束和离子束等加工为特色的超精密加工技术
超精密加工技术，一般表现为被加工对象的尺寸和形位精度达到零点几微米，表面粗糙度优于百分之几微米的加工技术。
这项技术包括超精密切削、超精密磨削、研磨和抛光、超精密微细加工等内容，主要用于超精密光学零件、超精密异形零件、超精密偶件和微机电产品等加工。
电广束、离子束、激光束等加工技术，通常出现在超精密微细加上领域，用来制造为集成电路配套的微小型传感器、执行器等新兴微机电产品， 以及硅光刻技术和其他微细加工技术的生产设备、检测设备等。20世纪80年代以来，超精密加工技术，在超精密加工机床等设备、超精密加工刀具与加工工艺、超精密加工测量和控制，以及超精密加工所需要的恒温、隔热、洁净之类环境控制等方面，取得了一系列突破性进展。超精密加工技术投资大、风险高，但增值额和回报率也高得惊人。近来，发达国家把它作为提升国力的尖端技术竞相发展，前景非常好。
(三)以节约资源和保护环境为前提的省耗绿色制造技术
微纳光学技术与应用范文4
自开始纳米科技攀登之旅起，刘教授已在这一领域留下了一长串闪光的足迹：作为首席科学家和课题负责人，他已完成科研项目十余个，在专业科学杂志上100多篇，撰写英文专著一部和英文章节多篇，译著一部，获得国家一级标准物质5个，美国授权专利一项，中国授权发明专利10项。
刘教授曾在日本著名大学和研究机构留学工作多年，曾因其优秀的科学素养和杰出的科研成绩获得了日本罗大利米山奖励金、日本电气通信普及财团海外短期研究资助奖励等。2005年归国后任国家纳米科学中心研究员、博士生导师，在纳米事业上开始了新的征程。刘教授现任中文国际杂志《现代物理》主编和一些中英文杂志的编委，并被聘为澳大利亚科学研究委员会（ARC）国家基金项目的海外评审专家、科技部、基金委和中组部青年千人评审专家等。
刘前教授的主要研究领域为新型微纳加工方法、新概念的薄膜纳米器件、功能化薄膜纳米材料、纳米标准物质以及纳米光存储等。经过多年的不懈努力，获得了一系列具有创见性的成果，逐渐形成了自己的学术和研究特色。
微纳加工技术是材料功能化和器件构建的主要手段，分为“自上而下”和“自下而上”两种。目前常用的“自上而下”手段有电子束、离子束等。众所周知，激光作为另一种“自上而下”的加工手段具有生产效率高、加工精度高和经济实用的特点，一直受到人们的广泛青睐。实际上，激光早在上世纪70年代就已被应用于精密加工，然而由于激光系统的衍射极限限制，获得的激光系统的加工分辨率通常在微米量级，制约了其在纳米尺度上的加工能力。如何用激光获得纳米分辨的加工能力一直以来都是一个挑战性的课题。
刘前教授的团队和上海光机所合作，在国家863计划的支持下，经多年探索研制成功了世界上首套全新概念的纳米激光直写系统，达到了二十分之一入射激光波长的加工能力，远远超越了激光衍射极限的物理限制，为提高激光加工分辨率提供了一条不同于传统方法的技术道路。更重要的是将受体材料从传统的有机光刻胶推广到有机、无机、金属或导体、半导体、绝缘体等材料体系，极大地简化了激光光刻工序，降低了成本，提高了工效，有效拓宽了激光光刻的应用领域。他所领导的团队围绕着纳米光刻机系统的开发与应用，做出了一系列的优秀工作，论文已发表在Adv. Mater.， JACS， Nanoscale， ACSnano， Opt. Lett.，Opt Exp等国际顶尖和著名的科学杂志上，并获得了十余项美、日、欧和中国专利。他们发展的基于褶皱的表面微纳结构加工新方法、一步法纳米隧道制备新方法、可设计纳米带阵列制备新方法等为纳米制造能力的提升和技术手段的多样化起到了良好的推动作用，并引起国外同行的关注。
目前，刘教授领导的团队已与美、日、英、欧盟国家、澳大利亚等国家建立了稳定的合作关系。在应用技术开发中，该团队还特别重视自主知识产权的保护，短短几年已申请20余项专利保护，如他们开发的金属-氧化物灰度掩膜制备专利技术，不仅打破了国际上的专利垄断，而且具有更低的制作成本和更高的生产效率，已被多家公司跟踪探讨更深层次的技术开发；再如他们发明的超薄金属膜制备专利技术可有效的解决纳米薄膜制备中的颗粒粗大的问题，在科研和生产中得到了应用。
材料无疑是纳米科技的基础，刘教授领导的研究团队一直以来致力于功能化纳米薄膜材料的研究。他们在铋系化合物薄膜超结构制备上取得的突出进展就是一个很好的例子。铋系化合物的特殊电子结构使得它们在热电、传感、光电子等领域有很好的应用前景。有序铋系纳米材料由于能大幅提高其材料性能，因而受到人们的广泛重视。
在国家自然科学基金、科技部和欧盟项目的支持下，刘教授带领的研究团队采用超平BiOx薄膜作为前驱体制作分级纳米结构，制备出了由两组互相垂直方向生长的Bi2S3纳米棒组成Bi2S3网格，具有自相似的超结构――嵌套二维正交网格（N2DONW）。该结构具有很大的比表面积，因此在催化剂载体、电化学储氢、忆阻器件以及晶体外延引导的纳米加工等领域有潜在的应用前景，成果被选作封面文章发表在《美国化学会志》上。
如果把形核和生长进行分离，并人为地引导晶核的排列，可以制作出具有可控周期的网格结构和嵌套网格结构。这是常规的纳米加工技术无法制作的，因此它可以看成一种非光刻的纳米加工方法。为了提供给铋系化合物的二维正交网格（2DONW）制备的一般策略，研究团队又对铋系结构的通用制备途径展开了进一步研究。研究发现在铋系化合物中，很多重要的半导体材料和β-Bi2O3有类似的晶体结构和非常接近的晶格参数。实验证明，能满足上述晶体学方面要求的多种铋系化合物（β-Bi2O3，BiOCl，BiOBr，Bi2O2CO3，Bi2S3等）均能生成2DONW，并在一定条件下最终转化为Bi2S3 N2DONW。该研究还预测了更多的铋系化合物，如γ-Bi2O3，δ-Bi2O3等也可形成具有特殊性能的四方超结构，研究成果发表在ACS Nano上。为了推进该薄膜材料的实用化，该团队又发展了一种大面积（晶元尺度）制备该结构薄膜的新方法，成果已发表在Small上。他们还发展了BiOCl的分层结构并研究了其光学特性，其结果被发表在Nanotechnology上并被英国物理学会（IOP）评为2009年度该学会旗下杂志华人作者十佳论文。
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【关键词】纳米 包装 应用
引言
纳米技术作为21世纪最具前途的一项技术，兴起于20世纪90年代初，是研究由尺寸0.1nm-100nm之间的物质组成体系的运动规律和相互作用，以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术，是融合前沿科学和高技为――体的完整体系。这标志着人类改造自然的能力已延伸到微观水平，其科学价值和应用前景已逐渐被人们所认识，被认为是21世纪3大科技之一，主要包括纳米材料学、纳米生物学、纳米物理学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工学和纳米力学。
在包装行业，纳米技术也得到了广泛的应用，纳米技术可以对包装材料进行纳米合成、纳米添加、纳米改性或者直接使用纳米材料使产品包装满足特殊功能，以满足特殊要求；可以改变传统的包装设计、包装工艺和技术方法，充分发挥包装材料的综合特性，最终可以最大限度地发挥包装的功能，保护产品、节约资源、保护环境，创造最佳的社会和经济效益。实现绿色包装材料的环境性能、资源性能、减量化性能、回收处理性能的要求，体现出优越的绿色包装价值，并带动和促进包装设计、生产、使用和再生等技术产业革命性的变化。
1 纳米材料
作为纳米科学技术最基本的组成部分的纳米材料，是指组成相或晶粒结构在100nm以下长度尺寸的材料，可以广义的认为在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸长度范围的材料或以纳米单元构成的材料；又称为纳米结构材料，主要由晶粒和晶界组成，纳米晶体结构与常规物质不同，其晶体结构处于一种无序度更高的状态但，晶界处存在着短程有序的结构单元，原子保持一定的有序度，趋于低能态排列。纳米材料具有表面效应、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、独特的光学性质、巨磁电阻效应、超塑性、高导电率和扩散率、高比热和热膨胀、高磁化率和矫顽力等特点，这使纳米材料在催化、吸附、化学反应、光电化学、熔点、超导等方面具有普通材料无法比拟的优越性，从而使纳米材料可以广泛的应用于各行各业，也普遍应用于包装行业。
2 纳米材料在包装材料中的应用
2.1 纳米复合包装材料
随着时代的快速发展，以及包装的迅猛发展，包装的需求出现多样化，这促进了纳米包装材料的发展，因此，纳米材料复合而成的纳米包装材料应运而生，成为一类高新材料。聚合物基纳米复合材料（PNMC）是目前研究得最多的纳米复合材料，在高分子聚合物中加入10%的纳米的热致液晶聚合物，就会使材料的机械强度得到提高，从而拓宽了应用领域，可以解决稀缺材料的问题，节省了稀缺资源。
2.2 纳米抗菌包装材料
在食品卫生安全问题日显严峻的今天，具有抗菌功效的纳米材料已用于包装行业，抗菌薄膜是目前应用较广的纳米抗菌包装材料；这类材料有合成的，也有纯天然材料经纳米技术的。纳米抗菌包装材料具有惊人的杀菌效果，能够使茵体变性或沉淀，一旦遇到水，便会对细菌发挥更强的伤力；且吸附能力、掺透力也很强，多次洗涤后也还有较强的抗菌作用，可以循环利用。有报道显示：纳米复合材料抑菌效果可达86%～95.3%，具有广谱的抗菌效果，这类材料不仅可以解决一些棘手的食品卫生安全问题，还可以节省一些抗菌添加剂，为可持续发展做出应有的贡献。
2.3 纳米保鲜包装材料
所谓纳米保鲜包装材料，是指可以提高新鲜果蔬等食品的保鲜效果的材料。成熟采摘后的果蔬会发生软化等一些现象，并且会释放出一定的乙烯，这会使果蔬的腐烂速励口快，因此，纳米保鲜包装材料便出现了。在保鲜包装中加入纳米乙烯吸收剂，就可以减少乙烯含量，提高保鲜效果；如在瓦楞纸箱内面纸制造过程中，可以加入纳米级多孔型乙烯气体吸收粉剂，以防止催熟。这种纳米级吸收粉剂是以二氧化硅为主要成分的多孔型粉剂。由于白硅石对于乙烯气体的吸附能力比活性碳、稀土锆以及沸石都要好，所以采用添加了纳米白硅石粉剂的纸张作为瓦楞纸板的里衬纸具有更好的保鲜效果。
2.4 纳米PET瓶
目前，中科院化学所发明的PET聚合插层复合技术，成功地制备了PET纳米塑料（NPET）。NPET的熔体黏度和结晶速度显著提高，阻燃性能也得到了很大的改善。NPET的阻隔性比纯PET有了很大改善，符合食品包装要求，可直接用来制造啤酒、饮料、农药和化妆品的包装瓶。
2.5 纳米黏合剂和密封胶
黏合剂和密封胶是包装产业中的重要产品，使用范围很广。在树脂中加入50nm-70nm的橡胶微粒后形成的纳米黏合剂封合强度、剪切强度和耐热、老化等物理化学指标比传统黏合剂均大幅度提高，从而极大地减少了在包装及产品中使用量。黏合剂和密封胶中加入SiO2作为添加剂，可使黏合剂的黏结效果和密封胶的密封性能大大提高。同时，在这种添加了纳米SiO2的黏合剂和密封胶中，由于在纳米的SiO2的表面覆盖了一层有机材料，使黏合剂和密封胶具有亲水性，可以水解，避免了黏合剂和密封胶对环境的污染。
3 纳米材料在包装印刷方面的应用
3.1 纳米包装用油墨
随着时代的发展和消费理念的转变，顾客对包装的要求不但要质量优良，且要符合环保、防伪等多种特殊需要，因此，对包装印刷油墨也提出了更高的要求。油墨的细度和纯度，对包装产品质量有很大的影响。要印刷出高质量的包装产品，必须要有细度、纯度高的油墨作保证。油墨的细度与颜料、填充料的性质和颗粒的大小有直接的关系。而油墨的细度就是指油墨中的颜料（包括填充料）颗粒的大小与颜料、填充料分布于连结料中的均匀度，它既反映到包装产品的质量，同时又影响到印版的耐印率。
研究指出，纳米半导体粒子表面经过化学修饰后，粒子周围的介质可强烈影响其光学性质，表现为吸收光谱发生红移或蓝移。实验证明，有些纳米微粒的光吸收边有明显的蓝移，有些纳米微粒光吸收边出现较大幅度的红移。根据这种特性，如果把纳米半导体粒子分别加到黄色和青色油墨中制成纳米油墨，便可提高其油墨的纯度。用添加了特定纳米微粒的纳米油墨来复制印刷彩色印刷品，层次会更丰富，色调会更鲜明，图像细节的表现能力亦会大增。由于纳米油墨属高度微细且具有很好的流动与性，可达到更好的分散悬浮和稳定，因此，在印刷上不仅可以减少颜料的用量，并且遮盖力高，光泽好，树脂粒度细腻、成膜连续、均匀光滑、膜层薄，印刷图像更清晰。纳米微粒具有很好的表面湿润性，它们吸附于油墨中的颜料颗粒表面，能大大改善油墨的亲油和可润湿性，并能保证整个油墨分散系的稳定，所以加有纳米微粒的纳米油墨印刷性能得到较大的改善。目前，纳米油墨在外包装、票证防伪以及红外传感器等高新技术领域中得到广泛应用。
3.2 防伪包装
一般金属微粒是黑色的，具有吸收红外线等特点，而且表面积巨大，表面活性高，对周围环境（温度、光、湿度等）敏感，当把具有这些特性的纳米微粒加入包装材料中，或制成涂料、上光油涂布于包装材料表面后，人们在选择商品时便可利用温度、光线或湿度等加以鉴别，从而达到防伪的目的。也就是说，利用纳米技术可实现色彩防伪、理化效应防伪等目的。
3.3 纳米防静电包装材料
包装材料和包装容器在运输途中很容易因摩擦而产生静电，而金属纳米微粒具有消除静电的特殊功能，所以在生产包装材料时，只要加入少量的金属纳米微粒，就可以消除静电现象，使得包装表面不再吸附灰尘，减少了因摩擦而导致的擦伤，同时在进行印刷时，因表面无静电吸附现象，能够以更高的印刷速度获得更好的印刷效果。例如，纳米型高分子聚合物导电包装材料不仅导电能力极大提高，外观颜色亦有多种变化，而且其他物理化学性能亦大为增强。金属纳米微粒具有消除静电的特殊功能。将金属纳米微粒加人包装与印刷材料表面，以减轻或消除在高速全自动包装机或印刷机上输送包装与印刷材料所产生的静电，提高包装与印刷速度和效果另外，由于静电的消除，包装材料表面不再吸附灰尘，使得材料表面不再因沾有灰尘而增加磨擦导致擦伤，提高印刷质量。
4 纳米材料在包装机械方面的应用
将纳米材料用于包装机械，不仅可以提高包装机械精度，进而提高包装的质量，而且还有利于包装机械自身，可以提高机械及零部件的弹塑性、耐油性、耐酸性、耐溶剂性、抗衰老化性、耐磨性，还可以使机械具有防污、防尘、耐刮、防火等功能，这些可以大幅度的延长机械的寿命、减少机械的损耗、降低维修成本，使资源利用最大化，为企业创造更大的利润空间，赢得最大的效益。
结语
自1992年纳米技术问世以来，它便开始渗透到各个研究领域，纳米技术的目的就是实现高性能化、多功能化、低成本、环境友好，纳米技术已成为21世纪科学研究领域中的又一热点，随着纳米技术的研究不断深入，其应用将会遍及生产生活的各个领域，也将会引发一场新的革命。纳米技术在包装工业中的应用将大大提升包装产品的质量并且赋予包装新的特殊功能。随着纳米技术在包装工业中的应用日益成熟，人们的生活也将因此而得到显著的提高和改善。
参考文献
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[3]张立德.纳米材料和纳米结构[M].北京：科学出版社，2001：80.
微纳光学技术与应用范文6
论文摘要：纳米光电子技术是一门新兴的技术，近年来越来越受到世界各国的重视，而随着该技术产生的纳米光电子器件更是成为了人们关注的焦点。主要介绍了纳米光电子器件的发展现状。
1纳米导线激光器
2001年，美国加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员在只及人的头发丝千分之一的纳米光导线上制造出世界最小的激光器-纳米激光器。这种激光器不仅能发射紫外激光，经过调整后还能发射从蓝色到深紫外的激光。研究人员使用一种称为取向附生的标准技术，用纯氧化锌晶体制造了这种激光器。他们先是"培养"纳米导线，即在金层上形成直径为20nm～150nm，长度为10000nm的纯氧化锌导线。然后，当研究人员在温室下用另一种激光将纳米导线中的纯氧化锌晶体激活时，纯氧化锌晶体会发射波长只有17nm的激光。这种纳米激光器最终有可能被用于鉴别化学物质，提高计算机磁盘和光子计算机的信息存储量。
2紫外纳米激光器
继微型激光器、微碟激光器、微环激光器、量子雪崩激光器问世后，美国加利福尼亚伯克利大学的化学家杨佩东及其同事制成了室温纳米激光器。这种氧化锌纳米激光器在光激励下能发射线宽小于0.3nm、波长为385nm的激光，被认为是世界上最小的激光器，也是采用纳米技术制造的首批实际器件之一。在开发的初始阶段，研究人员就预言这种zno纳米激光器容易制作、亮度高、体积小，性能等同甚至优于gan蓝光激光器。由于能制作高密度纳米线阵列，所以，zno纳米激光器可以进入许多今天的gaas器件不可能涉及的应用领域。为了生长这种激光器，zno纳米线要用催化外延晶体生长的气相输运法合成。首先，在蓝宝石衬底上涂敷一层1 nm~3.5nm厚的金膜，然后把它放到一个氧化铝舟上，将材料和衬底在氨气流中加热到880℃~905℃，产生zn蒸汽，再将zn蒸汽输运到衬底上，在2min~10min的生长过程内生成截面积为六边形的2μm~10μm的纳米线。研究人员发现，zno纳米线形成天然的激光腔，其直径为20nm~150nm，其大部分（95％）直径在70nm~100nm。为了研究纳米线的受激发射，研究人员用nd:yag激光器（266nm波长，3ns脉宽）的四次谐波输出在温室下对样品进行光泵浦。在发射光谱演变期间，光随泵浦功率的增大而激射，当激射超过zno纳米线的阈值（约为40kw／cm）时，发射光谱中会出现最高点，这些最高点的线宽小于0.3nm，比阈值以下自发射顶点的线宽小1/50以上。这些窄的线宽及发射强度的迅速提高使研究人员得出结论：受激发射的确发生在这些纳米线中。因此，这种纳米线阵列可以作为天然的谐振腔，进而成为理想的微型激光光源。研究人员相信，这种短波长纳米激光器可应用在光计算、信息存储和纳米分析仪等领域中。
3量子阱激光器
2010年前后，蚀刻在半导体片上的线路宽度将达到100nm以下，在电路中移动的将只有少数几个电子，一个电子的增加和减少都会给电路的运行造成很大影响。为了解决这一问题，量子阱激光器就诞生了。在量子力学中，把能够对电子的运动产生约束并使其量子化的势场称之成为量子阱。而利用这种量子约束在半导体激光器的有源层中形成量子能级，使能级之间的电子跃迁支配激光器的受激辐射，这就是量子阱激光器。目前，量子阱激光器有两种类型：量子线激光器和量子点激光器。
3.1 量子线激光器
近日，科学家研制出功率比传统激光器大1000倍的量子线激光器，从而向创造速度更快的计算机和通信设备迈进了一大步。这种激光器可以提高音频、视频、因特网及其他采用光纤网络的通信方式的速度，它是由来自耶鲁大学、位于新泽西洲的朗讯科技公司贝尔实验室及德国德累斯顿马克斯·普朗克物理研究所的科学家们共同研制的。这些较高功率的激光器会减少对昂贵的中继器的要求，因为这些中继器在通信线路中每隔80km（50mile）安装一个，再次产生激光脉冲，脉冲在光纤中传播时强度会减弱（中继器）。
3.2 量子点激光器
由直径小于20nm的一堆物质构成或者相当于60个硅原子排成一串的长度的量子点，可以控制非常小的电子群的运动而不与量子效应冲突。科学家们希望用量子点代替量子线获得更大的收获，但是，研究人员已制成的量子点激光器却不尽人意。原因是多方面的，包括制造一些大小几乎完全相同的电子群有困难。大多数量子装置要在极低的温度条件下工作，甚至微小的热量也会使电子变得难以控制，并且陷入量子效应的困境。但是，通过改变材料使量子点能够更牢地约束电子，日本电子技术实验室的松本和斯坦福大学的詹姆斯和哈里斯等少数几位工程师最近已制成可在室温下工作的单电子晶体管。但很多问题仍有待解决，开关速度不高，偶然的电能容易使单个电子脱离预定的路线。因此，大多数科学家正在努力研制全新的方法，而不是仿照目前的计算机设计量子装置。
4 微腔激光器
微腔激光器是当代半导体研究领域的热点之一，它采用了现代超精细加工技术和超薄材料加工技术，具有高集成度、低噪声的特点，其功耗低的特点尤为显著，100万个激光器同时工作，功耗只有5w。
该激光器主要的类型就是微碟激光器，即一种形如碟型的微腔激光器，最早由贝尔实验室开发成功。其内部为采用先进的蚀刻工艺蚀刻出的直径只有几微米、厚度只有100nm的极薄的微型园碟，园碟的周围是空气，下面靠一个微小的底座支撑。由于半导体和空气的折射率相差很大，微碟内产生的光在此结构内发射，直到所产生的光波积累足够多的能量后沿着它的边缘折射，这种激光器的工作效率很高、能量阈值很低，工作时只需大约100μa的电流。
长春光学精密机械学院高功率半导体激光国家重点实验室和中国科学院北京半导体研究所从经典量子电动力学理论出发研究了微碟激光器的工作原理，采用光刻、反应离子刻蚀和选择化学腐蚀等微细加工技术制备出直径为9.5μm、低温光抽运ingaas／ingaasp多量子阱碟状微腔激光器。它在光通讯、光互联和光信息处理等方面有着很好的应用前景，可用作信息高速公路中最理想的光源。
微腔光子技术，如微腔探测器、微腔谐振器、微腔光晶体管、微腔放大器及其集成技术研究的突破，可使超大规模集成光子回路成为现实。因此，包括美国在内的一些发达国家都在微腔激光器的研究方面投人大量的人力和物力。长春光机与物理所的科技人员打破常规，用光刻方法实现了碟型微腔激光器件的图形转移，用湿法及干法刻蚀技术制作出碟型微腔结构，在国内首次研制出直径分别为8μm、4.5μm和2μm的光泵浦ingaas／ingaasp微碟激光器。其中，2μm直径的微碟激光器在77k温度下的激射阔值功率为5μw，是目前国际上报道中的最好水平。此外，他们还在国内首次研制出激射波长为1.55μm，激射阈值电流为2.3ma，在77k下激射直径为10μm的电泵浦ingaas／ingaasp微碟激光器以及国际上首个带有引出电极结构的电泵浦微柱激光器。值得一提的是，这种微碟激光器具有高集成度、低阈值、低功耗、低噪声、极高的响应、可动态模式工作等优点，在光通信、光互连、光信息处理等方面的应用前景广阔，可用于大规模光子器件集成光路，并可与光纤通信网络和大规模、超大规模集成电路匹配，组成光电子信息集成网络，是当代信息高速公路技术中最理想的光源；同时，可以和其他光电子元件实现单元集成，用于逻辑运算、光网络中的光互连等。
