纳米材料在信息技术中的应用

纳米材料在信息技术中的应用

关键词：纳米技术，应用

1 引言

在深入介绍纳米技术在计算机领域的应用之前我们先对纳米技术有一个概念上的理解，纳米技术是指用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在 0.1 至 100 纳米范围内材料的性质和应用。从中我们不难发现，纳米技术是基于原子层面的，也就不难理解它会在越来越要求精细化的计算机领域有诸多的应用。下面我就向大家做一下简要介绍。

2 在当前应用的介绍

事实上，纳米技术在计算机领域的应用主要集中在以下几个方面：半导体芯片，磁存储与光存储，碳纳米管——硅晶体管的取代者，燃料电池。

2. 1 半导体芯片

当我们说到这个话题的时候，我们基本上就是指微型计算机系统中最核心的部分——微处理器。其制作过程被称为平面处理技术，它使制造出含有大规模硅晶体管的集成电路芯片在技术上成为可能。生产

流程如下：提炼硅锭—> 切割晶圆—> 光刻—> 光刻胶的使命—> 离子注入—> 电镀晶圆—> 抛光处理—> 晶圆切片—> 封装—> 成品出炉而衡量制造工艺的基准就是“线宽”，它指的是 IC 生产工艺可达到的最小导线宽度 , 是 IC 工艺先进水平的主要指标 . 线宽越小 , 集成度就高 , 在同一面积上就集成更多电路单元—简单点说，线宽更小的先进工艺不仅有助于提高芯片的性能，还可以降低制造成本。半导体制造真正突破纳米时代就在 2004 年，英特尔率先实现的 90 纳米工艺（ 0.09 微米）。 90 纳米工艺的引入，可以让半导体芯片的晶体管规模超过 2 亿个，频率达到 4GHz ，这是一个新的里程碑。

2.2 磁存储

在硬盘为代表的磁存储领域，纳米技术早已得到应用。譬如 IBM 发明的 AFC 仙尘技术就成功克服了超级顺磁现象，让硬盘的存储密度突破每平方英寸 100Gb 的级别。 AFC 技术：纳米尺寸的“仙尘”（克服了“超级顺磁”效应） AFC Media 的关键就是通过特殊的制造技术，在硬盘盘片的磁层间添加了一层薄薄的金属钌元素层（ Ruthenium 钌：一种硬而脆呈浅灰色的多价稀有金属元素，是铂族金属中的一员，元素符号 Ru ），这个钌金层大约只有三个原子厚（大约 0.3 纳米尺度），但它可以巧妙地让两个相邻的磁层互相排斥，工作时互不干扰。而这个钌金属层本身是没有任何磁性的，它自身不会受磁层的影响，可长久保持最佳的稳定状态。同时厚度精确的钌金属层又会让每一个磁体层的磁性以相反方向成对出现，两两组成相反阵列，最后形成了独特的 AFC 硬盘结构。

2. 3 碳纳米管：硅晶体管的取代者

我们都知道硅在计算机生产中起着至关重要的作用，但也存在以下的问题：随着电路变得越来越小，电阻相对于电荷而言常常过大，使得电荷难以流动形成电流。也就是说，量子效应会在接近纳米尺度时限制电子设备的按比例缩减。而碳纳米管不仅从尺寸上看仅相当于人的头发丝的百万分之一，相当于目前硅晶体管的五百分之一，它的结构强度也比钢铁还高 10 倍。当然，碳纳米管得以取代硅晶体管并非借助其高强度的机械特性，而来自于奇妙的电学特性：管壁卷曲结构的不同可以让碳纳米管成为一个半导体、良导体以及绝缘体，具有与硅材料相似的特性。理论上说，以碳纳米管代替硅晶体管完全可以实现。而且，如果我们用碳纳米管来制造电脑芯片，不仅运算速度将大幅度提高，自身尺寸也会大大缩小，功耗大幅降低，我们可以在一块指甲盖大小的芯片上集成几十亿个碳纳米管，它可以达到的复杂度远远超过半导体硅芯片。

2. 4 燃料电池中的纳米技术

在针对笔记本电脑开发的燃料电池方面，纳米技术也有应用。这一研究方面主要有两大代表， NEC 、日立。 NEC 的燃料电池方案使用一种非常独特的“碳纳米突”催化剂结构其作用是是作为金属铂微粒的载体。由于碳纳米突材料表面具有纳米级的微细结构，可以让 5 纳米直径以下的铂微粒可以均匀扩善，催化剂的表面积自然大大增加，这样，甲醇与氧的反应量就变得激烈，可以释放出更多的电能。日立的方案是将碳纳米管中的部分碳原子置换成氮、硼之类的杂质，称之为“杂质纳米碳”。这种杂质纳米碳结构可以更有效提高催化剂的微

细度，加上日立将铂微粒的直径从原先的 10 纳米降到 2 纳米级别，铂微粒与杂质纳米碳管结合得更加紧密。而由于接触表面积的扩大，燃料电池的输出功率也随之提高。

3 对未来的瞻望

3.1 纳米硬件或将出现

美国迈特技术公司纳米技术权威埃伦搏根教授做出惊人的预测，不久将来，任何人不仅可以从互联网下载软件，而且也可以下载硬件。他的解释是，当今人们从网上下载的软件，是以改变分子团磁性特征的方式重新安排磁盘的物质结构，以获得网上的软件或其他信息。因此，只要将硬件的构造设计的比分子团的体积还要小，就可以如同转移硬件一样，将其他地方的硬件拿过来为己用，包括从网上下载一台设备，当然，这种硬件是肉眼看不见的‘纳米硬件’。

3.2 基于生化物质与基于 DNA 的纳米计算机

通过将自然界中一些生化物质进行改造，用于某些计算过程。例如基于 DNA 的计算及基于菌视紫质的数据存储 . 。基于 DNA 的计算是利用 DNA 片段去求解一个复杂的图论问题。彩用 DNA 分子亚基序列代表一个网络或的顶点。试管中生化反应产生的大量平行动作随机地形成了 DNA 亚基序列这些序列的复合画出了求解中可能的任意路径。基于菌视紫质的数据存储是利用一种蛋白质——菌视紫质进行了光存储，菌视紫质满足了对存储介质所要求的几个性能：对可见光灵敏，可光写光擦，高分辨率，不易疲劳，实时全息；相当宽的动态范围；低散射；化学稳定性好；存储寿命可延长。

3.3 机械式纳米计算机

这种纳米计算机类似于微型马达，利用分子大小的活动连杆和分子大小的绕轴承旋转的齿轮进行计算。可以用机械拼合过程将原子或分子积木式地逐个安放来组装成微型机械系统。一旦组装成功它们就能像一个极度缩小的、可复杂编程的机械计算器那样对比特信息进行运算。

3. 4 纳米层面的量子计算机

为了突破经典计算机的运算速度极限并解决计算机中的能耗问题，人们开始对量子计算机进行研发。它以量子力学为基础，运用量子信息学，构建一个完全以量子位为基础的计算机芯片。优点如下：处理数据同时完成；每个量子元件尺寸都在原子尺度；当系统的某部分发生故障时，输入的原始数据还会自动绕过，进入系统的正确部分进行正常运算。而纳米技术的不断发展让它不在遥远。

随着纳米技术的不断发展，相信它会在越来越多的领域内有更加充分的应用，像人工智能，口袋式便携计算机等等，这些都让我们对纳米技术的未来充满了期待！

附：

[1.] IC ，即集成电路是采用半导体制作工艺，在一块较小的单晶硅片上制作上许多晶体管及电阻器、电容器等元器件，并按照多层布线或遂道布线的方法将元器件组合成完整的电子电路。它在电路中用字母“IC”（也有用文字符号“N”等）表示。

[2.] “超级顺磁”：硬盘是利用磁颗粒的磁性来记录数据，由于物理尺寸限制，硬盘的盘片数量和盘片大小几乎都已标准化，这样若要提升硬盘的容量，唯一着眼点就是努力提高磁区的存储密度—对应在磁盘技术上，就是说盘片上磁颗粒的尺寸必须变得越来越小。然而，磁颗粒同样不能无限小下去，原因并非是原子尺度的限制，而在于其磁稳定性。稍有物理知识的朋友应该知道，任何磁体都会在受热温度提高时产生磁性减弱的现象，当温度提升到某个临界值时，该磁体的磁性会完全丧失。而这种热磁波动现象肯定会减弱磁头对信号的感应，倘若信号减弱到无法识别时，那么硬盘存储的数据就可能会在读取时出错或丢失—这种现象也就是所谓的“超级顺磁”

[3.] 燃料电池的基本原料是氢和氧，藉由电化学反应的方式实现氢与氧的结合，同时将化学能直接转变为电能，它其实就是氢、氧进行冷燃烧释放能量的过程。不过，这个过程必须借助电解质和催化剂进行—在针对便携电子设备的燃料电池方案中，所用的电解质多为甲醇，催化剂则是金属铂。如果要让燃料电池输出尽可能多的电能，就要求甲醇反应得越激烈，而这取决于铂催化剂与甲醇接触面积的多寡：铂颗粒越小，接触面积就越大，甲醇的反应就越激烈，燃料电池可以输出的功率就越大。