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微纳米文字及其“书写”技术(配图,科普)

已有 7766 次阅读 2011-9-16 10:58 |系统分类:科普集锦

                                                 沈海军
1.
文字是人们记录事情或事件的符号,是人类文明的重要标志。对于现代人来讲,悠闲地拿起一支笔,在白纸上洋洋洒洒地书写,应该讲是一件非常寻常的事。然而,一般人要书写出只能借助显微镜才能看得见的文字,却并不容易。尽管如此,现代的微纳米技术使得这一切都成为可能[1]。
早在3000年以前,我们的祖先们就已经开始将微纳米量级的事物和汉字连系起来。据记载,当时他们采用一种慧性理气科学的慧观方法,来观察病毒等微观事物的形态和作用机理,并且象形表意地创造出文字符号精炼地表达出其特性[2]。如图1所示,以病毒与汉字“恶”为例。慧观方法认为,“恶”字中的两横分别代表天和地,两横之间的图形代表病毒的形貌;最下方的“日”(即简体“恶”字中的“心”)表示阳气受到压抑。从图1中可以看出,慧观学紧扣病毒的形貌特征,将天、地、人与病毒体的全部信息综合到一起,一个象形的“恶”字将微观的“大魔头”—病毒描绘得栩栩如生。
纳米技术是近年来才兴起的高新科技。随着纳米科技的深入发展,目前已经形成了纳米材料、纳米化学、纳米机械学、纳米物理学、纳米计量学、纳米生物学,以及纳米艺术等学科分支[3]。在纳米艺术领域,科学艺术家们借助先进的微纳米技术与仪器成功创作了一批批微纳米尺寸的雕塑、画面,甚至视频作品[4-6]。在这些作品中,微纳米尺寸的文字频频出现。这些微小的文字,不仅体现了高深的纳米技术,也为微纳米艺术增添了一道靓丽的风景。
2. 微纳米文字的分类
微纳米文字是近些年来随着纳米技术的发展才出现的新生事物。基于不同的视角,微纳米文字有不同的分类。从立体程度来讲,微纳米文字可分为平面的、半立体的和立体的三大类。如图2所示,这是中科院化学所的科学家宋延林等人在超高密度信息存储研究领域取得的最新成果。该研究成果反映的是通过扫描热显微镜针尖在有机薄膜表面施加电压形成的由九个斑点组成的平面字母“y”,九个斑点的平均直径仅为2 纳米[7]。图3则显示的是科学家们一种被称作热压印法的技术在塑料上成型的半立体的图形和文字,图形和文字线条宽度为几十微米[8]。图4(a)则显示的是德国科学家在发丝上书写的立体文字—“HAIR”,所采用的方法被称作“双光束聚合”技术[1]。发丝上的文字高度为百微米左右。
从文字的尺度来讲,微纳米文字可分为微米量级、微纳米量级以及纳米级的三大类。图3热压印的文字是微米量级文字的典型代表,此外,还有图4(b)的“光”字。图4(b)的“光”字是北京大学纳米科学与技术研究中心研究人员的作品。作者采用扫描光学显微镜(SNOM)发射蓝绿可见光,在明胶上“书写”了微米尺度的“光”字。该“光”字的字体结构合理,笔画宽度约1微米,字高和字宽为几十微米。微纳米量级的文字很多,这里仅举一例。图4(c)为康奈尔大学研究人员采用电子束光刻技术为华盛顿大学制作的圆形校徽,该校徽被刻在半导体材料上,尺寸到底有多大哪?整个校徽的直径仅有1微米,即约为头发丝直径的100分之一,校徽上的每个英文字母尺寸仅为几百纳米。图5的字母“IBM”属于彻头彻尾的纳米级文字。三个字母“IBM”由35个氙气原子在镍金属表面拼成,字高数纳米,作者为美国IBM公司的科学家,所使用的“书写”工具为扫描隧道显微镜(STM)。
从材质来看,微纳米文字又可分为半导体材质、生物材质、有机聚合物材质、金属材质和碳材质的文字等几种,其中,半导体材质的微纳米文字最为常见,如图4(c)的华盛顿大学校徽,以及图6的“S3标识和图案”。图6是意大利Modena and Reggio Emilia大学CNR-INFM研究中心的科学家的作品;作者采用聚焦离子束光刻技术,在硅表面“书写”了“S3”等标识和图案[9]。“S3”是CNR-INFM研究中心的别称。这些标识和图形有多大呢?“S3”两个字母/数字的字高为3微米,字宽1微米;在“S3”字样下方,还刻有另外一些尺寸更小的图标和字母,但由于技术原因,加上这些字母和图标实在太小了,因此,高倍电子显下都显得十分模糊。
生物材质、聚合物材质、金属材质和碳材质的微纳米文字分别见图7(左)的“DNA”、图4(b)的“纳米’光’字”、图7(右)的“纳米唐诗”,以及图8“纳米碳管生长的’ORNL’字样”。图7(左)“DNA”书写材质为DNA链,是我国上海应用物理研究所李民乾等人利用原子力显微镜探针在基体表面上“拨弄”DNA链,成功“书写”的,“DNA”英文字字高仅为几百纳米[10]。图7(右)的“纳米唐诗” 是北京大学纳米中心学者的作品,该作品通过原子力显微镜探针针尖在10×10微米的金镁合金表面上进行机械划刻而成。唐诗中的字迹清晰,书法刚劲有力,笔画均匀,笔画线条的宽度为几十纳米,是当今世界上最小的唐诗,堪称文学与艺术中的上品。图8是美国橡树岭实验室(简称“ORNL”) 的科学家采用催化化学气相沉积法,在实验室中生长出的纳米碳管的“ORNL”字样。生长前,科学家们先在材料基底上用铁微粒作催化剂“撒”出“ORNL” 的字样,然后使用CVD方法在基底上生长纳米碳管。
从微纳米文字的创作机理来看,又可分为基于物理方法和基于化学方法的作品。严格地讲,图2、图4(a)、(b)、图8的微纳米文字都属于基于化学方法“书写”的,因为在它们的“书写”方法中,都涉及到材料的光化学或化学气相沉积反应等。相比之下,图3、图4(c)、图5~图7的文字则均属于基于物理方法“书写”的。这些文字“书写”时仅涉及材料(分子或原子)的移动或搬动。
3. 微纳米文字的“书写”技术
1扫描探针显微镜(SPM)技术
上世纪八十年代,扫描探针显微镜(SPM)的发明使人们对物质世界的认识与改造深入到了原子和分子层次。由于SPM探针针尖的曲率半径很小,通常为几百纳米,且与样品之间的距离很近,在针尖与样品之间可以产生一个高度局域化的力、电、磁、光等场。该场会在针尖所对应的样品表面微小区域产生微缺陷、相变(如蒸发、熔化等)、化学反应、表面粒子移位等干扰,这正是利用SPM进行纳米加工的客观依据[11]。
现在,SPM已经发展为一大类型的显微技术,具体包括扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)、扫描力显微镜(SFM)、近场光学显微镜(SNOM)、弹道电子发射显微镜、热扫描显微镜(TSM)、静电力显微镜等,它们统称为SPM。SPM不仅可以对材料表面进行微观成像,还能对材料表面进行为微加工,因此被科学家誉为纳米世界的“眼”和“手”。
本文图2、图4(b)、图5、图7,以及图9的“原子”文字均属于SPM技术书写的。它们分别利用SPM探针针尖局域的光、热、电或力场,使材料表面发生化学反应,或者材质的移动,最终形成微纳米的文字。注:图9是IBM公司的科学家在超高真空和低温环境下在铜晶体表面上使用STM探针吸附铁原子拼成的汉字“原子”[12]。该作品的两个汉字共由一百来个铁原子组成,字高和字宽均为几十纳米。
2)电子束光刻与离子束光刻
电子束光刻采用高能电子束对光刻胶进行曝光从而获得纳米结构和图形,由于其德布罗意波长(物质波理论认为,电子、离子、光子等微观粒子都具有“波粒二相性”,即既是一种粒子,也是一种波;而这种波的波长被称作“德布罗意波长”)为0.004纳米左右,因此,从理论上讲可以获得接近原子尺度的分辨率。电子束光刻由于可以获得极高的分辨率并能直接产生图形,不但在超大规模集成电路制作中已成为不可缺少的掩模制作工具,也是加工用于特殊目的的器件和结构的主要方法。电子束刻蚀的文字作品见图4(c)的“华盛顿大学校徽”
离子束光刻采用电磁场加速和聚焦带电的离子,进而对光刻胶进行曝光、“雕刻”。其原理与电子束光刻相同,但离子的德布罗意波长更短,因而刻蚀精度更高。离子束光刻主要包括聚焦离子束光刻和离子投影光刻等。其中,聚焦离子束光刻发展得较早,也较为完备。图6的文字以及图10的“纳米圣经”[13]就是采用聚焦离子束光刻技术来书写的。这里,“纳米圣经”的作者为以色列海法理工学院的研究人员,他们的圣经被雕刻在一片0.5平方毫米的矽片表面上,采用希伯来文,共三十万字,“整本”仅有一粒砂糖大小。
3)热压印与微接触印刷技术
热压印与微接触印刷均属于纳米压印术。纳米压印术是软刻印术的发展,它采用绘有纳米图案的刚性压模在涂有聚合物膜的基底表面上压出纳米级图形,再对压印件进行常规的刻蚀、剥离等加工,最终制成纳米结构和图像。
热压印法的工艺过程分三步,即制备压模、压印和图形转移。其基本概念是先用电子束刻印术或其它先进技术,把坚硬的压模毛坯加工成一个带有纳米图形的压模;然后在用来绘制纳米图案的基底上涂一层聚合物薄膜,将其放入压印机中加热并且把压模压在基底的聚合物薄膜上;接着,把温度降低到聚合物凝固点附近并且把压模与聚合物层相分离,这样,就会在基底上做出凸起的聚合物图案,即压印件;最后,用常规的图形转移技术,把压印件(即基底)上的聚合物图案转换成所需材质的图案。图3即为热压印法书写的图形和文字。
微接触印法中,首先通过光学或电子束光刻得到进行微接触印刷所要求的压模。压模常用材料为聚二甲基硅烷(PDMS)。接着,将PDMS压模浸入含有硫醇的墨溶液中。然后将浸过墨的压模压到镀金的衬底上。注:衬底可以为玻璃、硅、聚合物等多种材料;衬底上可预先镀上一薄层钛层然后再镀金,以增加粘性。硫醇与金发生反应,会在衬底上自动形成单分子层。最后,采用湿法刻蚀(一种在溶液中进行的刻蚀方法),或通过金膜上的单层硫醇分子来自动链接某些有机分子,并在衬底上得到所需的纳米图案。微接触印法书写的图形文字代表作为图11的“纳米奥运会徽”。 这是美国西北大学的纳米科学家Mirkin在2008年奥运会前夕为北京送来了一份大礼—一万五千枚奥运会会徽[14]。不要觉得这没有什么了不起,要知道,这一万五千枚奥运会会徽个个尺寸都仅有几十微米左右,所有会徽被印在一块金的表面,只占了1平方厘米的空间,而印制这些会徽所采用的技术就是“微接触印刷”。这种会徽如此之小,以至于一粒大米上就能放2500个会徽。会徽中的字母和数字―“Beijing 2008”是由大约2万个直径为90纳米的点组成的;写意的人形以及奥林匹克五环用大约4000个直径为600纳米的点构成。
4)双光束聚合技术
近年来,一种被称作“双光束聚合”的技术已经被发展到三维纳米构型的加工,并被用于材料表面三维文字的构建。这里,最为典型的当数德国研究人员的雕刻作品--“发丝上的‘HAIR’”,见图4(a)。该三维“HAIR”文字高度仅为红血球大小。
在三维纳米“HAIR”的制造过程中,科学家们使用两股激光射线照射浸在合成树脂溶液中发丝的表面,溶液中只有被两股激光射线交叉照射到的那部分树脂才凝固起来,形成雕塑件的“部件”,这样的部件的精度为120纳米。
5)催化CVD诱导生长
近年来,科学家们开发了一种用纳米碳管在材料表面生长各种图形或文字的新方法。为了在材料表面生长各种图形或文字,科学家们先将宏观的图形或文字缩小,并将缩小的图形或文字打印在一个玻璃板上。然后,照射紫外线穿过这个玻璃板板,将图形或文字投影在一张硅片上。接着,他们巧妙地在硅片表面有图形或文字的地方“撒”上催化剂,并使用高温CVD方法在有催化剂的地方生长纳米碳管。最后,使用电子显微镜对硅片进行拍照,得到微纳米尺寸的图形或文字,如图8所示的纳米碳管“ORNL”字样。
6)其他技术
除了上述的各种技术以外,现在,科学家们还用聚焦离子束-气相沉积法制造了微纳米级的体育馆[5];用纳米打印技术[3]绘制了各种纳米级的图案。事实上,这些技术同样也可以用于平面或三维微纳米文字的“书写”。
 
4. 微纳米文字潜在的应用价值
作为纳米技术的重要展现手段,微纳米文字在纳米科技领域里出“尽了风头”。除此之外,微纳米文字还具有以下潜在的应用价值。
1)防伪功能
最近,美国宾夕法尼亚州的鉴定专家和艺术家J.Sha受邀制作了几件纳米绘画作品,用于商品的防伪[15]。这些作品包括纳米鱼等动物形象,尺寸在50微米左右,特征尺寸为250nm。由于这些微型的防伪商标尺寸小,制作和鉴定需要高科技纳米技术或高倍显微镜系统,因此,这些纳米图案可望成为安全级别最高的防伪商标。事实上,本文介绍的微纳米文字也样具有相同安全级别的防伪功能。
2)高密度信息存储
纳米电子学的一个重要目标就是要突破纳米尺度下信息的存储密度问题。为此,科学家们一直在寻求发明各种各样的纳米或分子存储器。很显然,如果我们能把目前传统的纸质书本、杂志都统统制作成图10“纳米圣经”类似的“纳米书”,同时再发明一种便捷的阅读方式,那么,一栋栋图书馆的书籍就会“移植”到橡皮大小的芯片上,从而显著降低实体图书管的维护成本。
3)微纳米文字的艺术价值
从2006年起,美籍罗马尼亚艺术家、科学家Orfescu开始举办每年一届的国际Nanoart网络大赛[15]。目前,Orfescu在美国加利福尼亚州经营着一个专门采用纳米技术研发锂电池的材料分析公司,开办了致力于推广纳米艺术的多个网站。为了能够更好地让更多的人参加纳米艺术大赛,该公司免费为所有参赛者提供三台高分辨率的电子显微镜。在Orfescu开办的一个网站上,汇集了他自己珍藏的大量纳米艺术作品,这些作品可以出售,有些作品的报价竟高达数万美金,其中部分作品已经被一些收藏家收购。可以断定,作为微纳米艺术的重要组成部分,微纳米尺度的“文字”也必将会蕴育出巨大的艺术和经济加值。
 
 
[1] 沈海军. 微纳米雕塑艺术与微纳米雕刻技术. 艺术科技2009(12):38-41
[2] 熊春锦. 道医对甲型H1N1猪流感的慧观. http://www.txzylt.com/bbs/forum.php?mod=viewthread&tid=60308
[3] 沈海军,时东陆. 纳米艺术概论.清华大学出版社,2010.
[4] 沈海军. 纳米艺术:与高科技完美结合的艺术. 艺术科技2009(3):39-42
[5] 沈海军. 发丝表面艺术及其创作. 美与时代.2011(7):42-45
[6] 沈海军. 纳米声乐与纳米声乐技术. 艺术科技2010(6):38-40
[7] H.M. Wu, Y.L. Song. Date Recording on Organic Monolayer Thin Film. Adv. Mater.,2003 15 (22) ,1525-1529
[8] 孙洪文, 刘景全, 陈迪, 顾盼.一种适于热压印成型的新塑料PETG. 塑料工业, 2004(10):59-60
[9] http://oldphysicscom.unimore.it/index.php?page=visite_guidate
[10] 张益、胡钧、李民乾. 基于纳米操纵的DNA分子手术. 世界科学,2005(6):24-26
[11] 沈海军. 纳米科技概论.国防工业出版社.2004
[12] http://www.cpmah.org.tw/2002/home/c91c064/www/atom/a.htm
[13] http://gb.cri.cn/19924/2007/12/19/2585@1882441.htm
[14] http://news.bbioo.com/html/paper2011/13405.html
[15] 沈海军. 纳米艺术简史. 中国科技奖励.2009(2):78


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