纳米传感器

纳米传感器的研究现状与应用摘要:纳米传感器现已在生物、化学、机械、航空、军事等领域获得广泛的发展,与传统的传感器相比，其尺寸减小、精度提高等性能大大改善。文中综述了纳米传感器的种类、特点；分类介绍了美国和国内近期的一些研究成果，并作了分析比较；介绍了纳米传感器在不同领域的关注焦点和应用，为其进一步研究提供参考。关键字：纳米；纳米技术；纳米传感器；纳米化学争生物传感器；纳米气敏传感器1、引言早在1959年，著名的物理学家、诺贝尔奖获得者费曼就设想：“如果有朝一日人们能把百科全书存储在一个针尖大小的空间内并且能够移动原子，那将给科学带来什么！”自此至今的大半个世纪中，伴随着一系列纳米尺度的新概念、新材料、新技术的产生，纳米科技已经发展成为包括纳米电子学、纳米材料科学、纳米生物学、纳米机械学、纳米化学、纳米加工等多种学科，与生物技术、信息技术并成为21世纪对人类社会未来发展具有核心影响力的三大前沿学科]21[。纳米结构材料通常是由100nm或更小的单元构成的集合体，由纳米材料构建的器件的尺寸往往也处于分子尺度和微米尺度之间。制备纳米结构材料的途径有两条：自上而下(Top-down)是一种通过使用从大块材料来构建纳米尺度器件的方法；自下而上(Bottom-up)是从原子或分子出发通过生长和组装而构成我们需要的结构]3[。目前，人们在制备纳米材料时，往往将这两种途径结合起来，相互弥补各自的不足。另一方面，传感器(sensor)是超越人类的视觉、听觉、味觉、嗅觉和触觉五个感官之外的能传递外界信号的器件。传感器被用来探测细菌、病毒、易燃易爆气体、磁场、红外成像、环境监测和医疗诊断等领域。纳米技术和传感器技术是两个高度交叉的学科领域，它们能被很容易整合在一起。当下，由于我们能在纳米尺度上合成新的材料而使得我们能轻易获得拥有与块体材料性质截然不同的材料。这也为传感器的发展提供了新的发展途径。纳米粒子或纳米团簇及其阵列具有许多独特的电学、化学、磁学、光学、热学性质，如量子限制效应、表面等离激元共振、库伦阻塞与共振隧道穿透等，都是金属或半导体团簇典型的纳米特性。这些特性在纳米的粒子和光子器件方面有着直接的应用，而且由于其尺寸、结构和环境高灵敏度的光、电、磁响应特征，在电磁辐射、磁场、温度、气体、生物分子传感器领域亦受到高度的重视。纳米传感器是纳米器件研究与开发中的一个极其重要的领域，它在生物、化学、机械、航空、军事等方面具有广泛的发展前途。随着纳米技术的发展与应用的需求，纳米传感器的已获得长足的进展。根据Nan-oMarketsLC发布报告预测，到2012年纳米传感器件的市场规模可望达到172亿美元，其中仅在军事和国防应用方面就将达到39亿美元]74[。当今科技的发展要求材料的超微化、智能化、元件的高集成、高密度存储和超快传输等特性为纳米科技和纳米材料的应用提供了广阔的空间。纳米技术与微电子技术有一定的区别，主要区别是：纳米技术研究的是以控制单个原子、分子来实现设备特定的功能，是利用电子的波动性来工作的；而微电子技术则主要通过控制电子群体来实现其功能，是利用电子的粒子性来工作的。研究和开发纳米技术的目的，就是要实现对整个微观世界的有效控制]8[。1993年，国际纳米科技指导委员会将纳米技术划分为纳米电子学、纳米物理学、纳米化学、纳米生物学、纳米加工学和纳米计量学等6个分支学科。由此可知，纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。与传统的传感器相比,利用纳米技术制作传感器尺寸减小、精度提高等性能大大改善，更重要的是,纳米传感器是站在原子尺度上，从而极大地丰富了传感器的理论，推动了传感器的制作水平,拓宽了传感器的应用领域。纳米传感器现已在生物、化学、机械、航空、军事等领域获得广泛的发展。纳米传感器具有庞大的界面，提供大量物质通道，导通电阻很小，有利于传感器向微型化发展]10-9[。