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1、第9卷第6期光学精密工程Vol.9,No.62001年12月OPTICSANDPRECISIONENGINEERINGDec.,2001文章编号1004924X(2001)06049306关于微尺度理论唐祯安,王立鼎(大连理工大学,辽宁大连116023)摘要:随着纳米材料、微器件、微结构和微系统研究的深入发展及其应用,与微尺度效应有关的理论和技术成为当前的研究热点,推动着微尺度理论的形成和发展。从微尺度及其判据出发,对微尺度理论的几个主要学科做了简要介绍,指出了需要解决的关键问题和研究方法。关键词:微尺度;纳米材料;纳米电子学;介观物理学;细观力学;微
2、尺度传热学中图分类号:TB383文献标识码:A-微米-亚微米-纳米-团簇-原子-1引言其中微米范围的上限是在100m以下,而亚20世纪80年代以后,由于人工超晶格、纳米微米通常定义为0.1m以下至nm之间。目前集材料、微电子机械系统(MEMS)、生物芯片等技术成电路的特征线条尺寸已进入亚微米至深亚微米的诞生和深入发展,人类对于介于宏观和微观之范围。在这个尺度,非线性导电机制已十分明显。间领域的物质世界的认识迅速丰富起来。形成了譬如当1V电位降落在0.1m的结构上时,电场5介观物理学、细观力学、纳米材料科学、微强度已高达10V/cm,如此强的电场下电路的非尺度
3、传热学、以及纳米电子学等等一系列崭新线性是不可忽略的。的科学体系。这些不同称谓的学科的共同特点是团簇一般定义为尺度为1nm以下的原子聚其研究对象都表现出微细尺度下的一些超常现合体,由几个到几百个原子构成。在亚微米和团象。或者说都是以微尺度效应为出发点的。簇之间的1nm~100nm范围是纳米体系所在处。尽管这些学科还处于刚刚建立阶段,许多现象还自1990年7月在美国巴尔的摩召开了首次国际需要长期深入的研究探索,但已经展现出良好的纳米科技会议并随之出版了Nanotechnology和理论发展前景和孕育高新技术产品的巨大潜力,Nanobiology等国际刊物以后,纳米材料和纳米
4、引起了广泛的关注和极大的研究热情。需要指出技术研究进入了迅速发展的时期,其影响和应用的是,并不是所有的微尺度特性都是有益处的,很波及各个领域。多微尺度效应在给传统学科带来严峻挑战的同时,也给人类的科技进步造成了很大的困难。因通常所说的时间微尺度的范围是:此,全面认识微尺度效应,架构科学的微尺度理论-9-12-15是十分重要的。-ns(10s)-ps(10s)-fs(10s)-2微尺度及微尺度判据其中ns是目前数字系统如计算机的时钟脉冲宽度的量级。由于电路中的电磁波速度一般比所谓微尺度并没有严格的界定,只是一个光速低一至两个数量级,因此在1ns时间里,即使相对大小的概念。随着研究对象的
5、不同,出现微在介电常数为1的传播媒质中电磁波的传播距离尺度效应的时空尺度范围也不相同。通常所指的只有0.3cm~3cm,而实际传播媒质的介电常数空间微尺度是跨越微米到原子尺度的宽广范围:一般大于1(如硅的介电常数约为12),因此传输收稿日期:20010820;修订日期:20011009基金项目:国家自然科学基金项目(59995550-5),教育部骨干师资计划(2000-65)和973项目微系统的多学科交叉问题研究的资助494光学精密工程9卷线上信号的延迟已成为超级计算机设计中需要特纳米材料广
6、义上是指材料的三维尺寸中至少别考虑的因素。ps和fs是很多化学反应过程所有一维处于纳米量级。分为零维材料(即纳米微[1-2]需要的时间,也是目前固体激光器所能发出粒);一维材料(即纳米纤维);二维材料(即纳米薄的超短脉冲的宽度。在这样短的时间里,即使激膜);和三维材料(即纳米材料构成的固体)。狭义[5]光器发出的单个脉冲的能量只有毫焦耳量级,其上纳米材料只分为两个层次:一是纳米微粒,光功率也大的惊人,在激光加工和激光测试技术二是纳米固体(包括薄膜)。在小尺度效应、表面中发挥着独到的功效。效应、量子效应和宏观隧道效应的影响下,纳米材严格的微尺度范围是通过一些判据来决定料在力、热、声、光、电、磁等
7、方面的性质分别表现的。这些判据是由所研究的体系的尺度与其中的出很多异常性能,部分优异性能已在一些高新技物理学特征参数相比较而确定的。在微尺度效应术产品中得到应用。纳米材料科学研究的主要内中,除表面效应和界面效应以外,小尺度效应和量容也包括两个方面:一是系统的研究纳米材料的子尺度效应都是和电子、声子、光子等微观粒子的性能、微结构和谱学表征。通过与常规材料的对输运特性有关的。在输运过程中,微观粒子通过
