1 科学意义

纳米科技被公认为本世纪最为重要与活跃的研究领域之一，也是当今国内外科技界的研究热点，它的发展势必会对人类社会产生深远的影响。

正如微电子时代的微电子器件一样，纳米时代的主流将是纳米器件。因此，开展纳米器件及其相关基础的研究具有战略意义。关注纳米科技的进展，尽快组织和部署我国纳米器件的发展规划，对我国未来的社会、经济以及国家安全和科技发展将产生深远影响。

纳米科技是未来信息技术与生命医学科学进一步发展的共同基础，纳米器件的研发将引发在信息产业、生物医学工程和人类健康等方面的巨大变革。众所周知：微电子器件的发展很快将达到量子效应起主导作用的极限线宽0.07μm(70nm)，从而形成进一步发展的瓶颈。开展纳米器件及其基础的研究，攻克纳米器件(纳米电子器件和纳米分子、生物器件)中的关键理论和技术问题，建立适应纳米器件新的集成方法和新的技术标准，将有可能突破这一瓶颈，导致信息产业及其相关产业发生一场深刻革命。在生命医学科技领域，利用微纳技术加工制成的纳米器件可在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞，从而解决当今医学尚无法治愈的许多致命疑难杂症，导致医学及人类健康保障方面发生巨大的变革。

对纳米器件相关基础的研究将极大地促进人类认知的革命。纳米器件的研究是多学科交叉融合的集中体现，已不能将之归为任何一门传统的学科领域。而现代科技的发展和突破几乎都是在交叉或边缘领域取得的。在这一尺度下的研究，充满了原始创新的机遇，还有许多科学问题等待人们去发现探索。对这一领域探索中形成的新理论和新概念又可以在我们的生产生活中得以广泛应用，并带给人们对纳米尺度世界观念上的变革。此外，纳米器件研究还将推动产品的微型化、高性能化和环境友好化，极大地节约资源和能源，减少人类对其过分依赖，并促进生态环境的改善。在新的层次上为可持续发展战略提供物质与技术保证。

2 立项背景

我国较早地认识到了纳米技术的巨大应用潜力，并在纳米技术的发展和研究中制定了一系列切实可行的计划。2001年10月，由中科院基础局、生物局发起，组织院内纳米科技方面的专家对纳米科技的发展方向进行了全面、深入的研讨。通过研讨，对纳米科技的发展趋势、国际与国内在该领域的研究水平以及我院拟开展的研究重点等，统一了认识，确定了主攻方向，即针对纳米科技中的重大科学与技术问题，开展纳米器件及其基础研究。项目充分利用中科院在纳米材料制备、生长及其相关物理问题研究中已积累的雄厚基础，将全院相关的研究单位有机地组织起来，并联合院外主要研究单位，集中力量，加强合作，发挥综合整体优势，希望做出有重大战略意义和应用发展前景的科研成果，为我国科技与社会进步、经济发展和国家安全做出贡献。2002年初该项目正式启动，至2005年12月完成，并于2007年4月通过验收。

3 项目目标

该项目下设若干纳米生物器件及基础研究、磁随机存储器件(MRAM)和单电子器件的基础性研究、分子器件三个课题。追踪纳米器件研究的前沿与关键技术,结合我院在纳米器件研究方面的基础与优势,集中研发在信息和生物科技方面具有重要意义的几类器件，即量子结构纳米器件、自旋电子器件、超高密度存贮器件、分子器件、纳米生物器件和蛋白质芯片等。

项目设定，通过5年的努力，总体研究达到国际先进水平，部分研究居国际领先水平，并对新概念纳米器件进行工艺路线的探索，获得具有我国自主知识产权的相关原型器件；提高研制具有新概念，新原理纳米器件的综合能力；使研发的蛋白质芯片进入产业化前期；制备几种与现有微电子工艺兼容、具有新功能的新型实用纳米器件。同时中科院作为国家的战略科技力量，主要从事基础性、战略性和前瞻性科技创新。在此项目执行过程中，通过向社会输送人才、传播知识和转移技术，为国家在纳米科学技术领域的进一步发展打下坚实基础。

4 主要创新成果

在纳米器件的基础研究方面，实现了对单分子自旋态的调控，利用低温超高真空STM，通过针尖注入隧穿电子的方法脱去钴酞菁分子外部配位体上四个苯环末端的氢原子，使苯环与金衬底成键，从而导致分子中心的磁性钴原子的电子自旋发生分裂，与金衬底的导带电子一起构成Kondo单态，并在局域态密度中的费米面上形成强烈的Kondo共振，其Kondo温度达到200 K以上，是当时纳米体系中所报道的最高的Kondo温度之一。这一重要研究结果将选键化学与器件物理结合起来，为实现基于单分子的纳米器件和自旋量子器件提供了一种非常重要的途径。在可控分子自组装方面，从氮置换富勒烯分子以引入特殊性质的掺杂能级的新思路出发，有效地将富勒烯单分子中的1个碳原子用氮原子取代，并利用单电子隧穿效应，成功地研制出仅由1个分子组成的新型单分子整流器，该分子器件有着和传统单分子整流器不同的工作原理，在重复性和可控性方面有着明显的优势。为富勒烯分子在纳米电子学和分子器件方向的应用揭示了新的前景。在高密度信息储存方面，设计、合成了含有两个给电子能力不同的电子给体和一个受体单元的环轴烃超分子，研究结果表明该类分子表现出很好的LB膜成膜性，可以可逆地控制受体单元在两个不同的给体单元之间移动，是一种潜在的分子机器，并可用于高密度的信息存储。在新型分子场效应晶体管的研究中，利用多次升华提纯的方法，降低了肽箐化合物的杂质含量，制作的场效应晶体管的迁移率比文献报道值提高了3倍，迁移率≥10-1cm2V-1s-1，开关比≥105，同时以纳米二极管组成逻辑门电路、与门和或门；以纳米场效应晶体管组成倒相器，这些器件从原理上讲可以组成纳米电路，是将来更为复杂的纳米运算器的基础。

在纳米器件制备方面同样取得了显著进展。随机磁存储器(MRAM)器件的研制，提出“环状磁性隧道结作为存储单元+自旋极化电流直接写入”的新思路、实现了自旋极化电流直接翻转比特层磁矩，研制成功新原理下的4×4 MRAM演示器件，与国际上已经公开的方案相比，设计上极大地简化了MRAM的结构，简化了制备工艺，降低了成本。纳米环状磁性隧道结相对其它图形具有容易加工和微制备的优势，容易保证形状的一致性和均匀性，更容易与现有的深亚微米半导体超大规模集成电路工艺相匹配，提高MRAM的存储密度。该成果可为计算机和信息产业等领域提供具有自主知识产权的MRAM芯片技术和原理型器件，具有显著的原创性和新颖性。

在纳米生物器件方面开展了蛋白质芯片的研究，完成了12单元光学蛋白质芯片的中试和产业化，进行了乙肝、乳腺癌、心血管疾病相关临床诊断和生物医学应用实验，并成功转移给企业投入生产；研制成功自动加样和反应的48单元对比分析功能的蛋白质芯片样机，并创建了蛋白质数据库框架，为光学蛋白质芯片技术在生物医学领域的进一步应用提供了基础。低维结构、分子材料与原理型纳米器件的研究，也取得了国际上有重要影响的创新成果。

5 项目实施效果

该项目的顺利完成标志着我国在纳米科技研究领域取得了重要进步，研究水平带上了一个新台阶。该项目中一些研究成果已经具有国际领先水平或产生重要的影响，提高了我国在这一领域的国际影响力，也为下一阶段向更高的目标前进奠定了坚实的基础，在激烈的国际竞争中占据了较为有利的地位。整个项目的相关成果已申请国内外发明专利129项(其中PCT专利3项)，获国内发明专利11项；已经累计发表SCI收录论文527篇，发表在国际学术界有重要影响的期刊(影响因子大于9)的有30篇(其中Science 2篇)。

该项目组织了包括：物理、化学、生物、医学、电学、光学、计算机、精密微机械等跨学科的一支在纳米研究领域高素质、综合性的研究队伍，人员的构成从院士、研究员到技术支撑人员，配置合理。5年中，涌现出了4个国家自然科学基金委“创新群体”和一批“杰出青年基金”获得者。培养博士后、博士生和硕士生240余人，为我国在纳米器件研究领域的持续发展积累和培养了一批青年人才。

通过该项目艰苦的科研攻关过程，锻炼、造就了一支有较高知识水平、有创造力、能吃苦耐劳的科研队伍。在我国现有物质条件相对薄弱的情况下，只有依靠这样的队伍，充分挖掘现有各项资源的潜力，才有可能取得更好的成绩，为国家的建设做出应有的贡献。

该项目全面完成了预期目标，取得了一系列的创新成果，验收专家组一致同意通过验收并被评为优秀项目。