纳米制造技术.doc

纳米制造技术
胡腾1 XXX1
(1. 西南石油大学机电工程学院 成都 610500)
摘要：纳米制造是多学科的新型交叉研究领域，对其基础研究的深入展开可为前沿制造技术的进步提供有力支撑。在过去的20 多年里，基于纳米制造的探索已展示出宽广的发展前景，并将在多个行业为社会带来巨大的经济效益。纳米制造可分为机械加工、化学腐蚀、能量束加工、复合加工、隧道扫描显微技术加工等多种方法。本文在简要介绍纳米制造背景、应用的同时，着重介绍纳米制造技术的加工技术。
关键词：纳米 制造 纳米机械

The nano manufacturing technology
HU Teng1 ZOU Di1
(1. Institute of mechanical and electrical engineering, Southwest petroleum University, Chengdu 610500)
Abstract：Nano manufacturing is a new interdisciplinary research field, and the further research on it can provide a powerful support for the development of advanced manufacturing technology. In the past 20 years, based on the discovery of nano manufacturing has shown broad prospects for development, and will bring huge economic benefits to society in a number of industries. Nano fabrication can be divided into many kinds of methods, such as machining, chemical etching, energy beam processing, composite processing, and scanning microscopy. This paper at the same time of introducing briefly the manufacturing background and application in nano machining technology introduces emphatically the process technology of the Nano manufacturing technology.
Key words：Nano Manufacture Nano Mechanical

0 前言

纳米科学技术是目前发展迅速、最富有活力的科学技术领域，受到世界各国的高度重视。纳米科学与技术集合交叉了多学科内容，是一个融前沿探索、高技术、工程应用于一体的科学技术体系。纳米科技在纳米尺寸范围内认识和改造自然，开辟了人类认识世界的新层次，使人们改造自然的能力直接延伸到分子、原子尺度水平，这标志着人类的科学技术进入了一个新时代。许多专家认为，以纳米科学为中心的科学技术将成为21世纪的主导。
纳米科技包括有：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米制造学等等。其中纳米制造学占有重要地位。纳米科学技术在不同的科学领域有具体的内涵和表现，纳米制造科学技术主要涉及到纳米量级（0.1~100nm）的几何加工精度、形位加工精度和表面粗糙度。
纳米制造任务不是由某一项技术独自完成的，而是由许多方法和技术所共同承担。这些方法相辅相成，各具所长，构成了纳米制造技术群，承担着丰富多样的纳米制造任务。
从实现纳米微结构的方式和途径来看，构成纳米制造技术体系的方法可以分作为两类：一种是通过原子、分子的移动、搬迁、重组来构成纳米尺度的微结构，即所谓的自下而上 (Bottom—up)的方法，基于扫描隧道显微镜STM的原子搬移方法属于此类；另一类方法是将大的原材料加工变小，逐步形成所需要的纳米结构或器件，这种通常所见的方式可称为自上而下 (Top—down)的方式，束流、超精加工等许多方法都属于这一类。另一方面，纳米制造技术也可以按在制造过程中材料的增减方式进行分类：减材过程(微蚀除、切削加工、电加工、激光加工等)、增材过程(微沉积、ILGA精密电铸)。
纳米制造有着重要的工业前景，是许多技术领域发生重大发展的基础和支撑技术。纳米制造科学技术领域还存在许多未知，需要人们去探索、了解、掌握、发明和创造。纳米制造的新概念、新技术、新工艺将不断出现，在生产实际中的应用会愈来愈深入和广泛。
1 纳米技术与纳米制造
1.1 纳米技术概述
纳米技术(nanotechnology），也称毫微技术，是研究结构尺寸在1纳米至100纳米范围内材料的性质和应用的一种技术。1981年扫描隧道显微镜发明后，诞生了一门以1到100纳米长度为研究分子世界，它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。因此，纳米技术其实就是一种用单个原子、分子射程物质的技术。
从迄今为止的研究来看，关于纳米技术分为三种概念：
第一种，是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在《创造的机器》一书中提出的分子纳米技术。根据这一概念，可以使组合分子的机器实用化，从而可以任意组合所有种类的分子，可以制造出任何种类的分子结构。这种概念的纳米技术还未取得重大进展。
第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的"加工"来人工形成纳米大小的结构的技术。这种纳米级的加工技术，也使半导体微型化即将达到极限。现有技术即使发展下去，从理论上讲终将会达到限度，这是因为，如果把电路的线幅逐渐变小，将使构成电路的绝缘膜变得极薄，这样将破坏绝缘效果。此外，还有发热和晃动等问题。为了解决这些问题，研究人员正在研究新型的纳米技术。
第三种概念是从生物的角度出发而提出的。本来，生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。DNA分子计算机、细胞生物计算机的开发，成为纳米生物技术的重要内容。
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。纳米科学与技术主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等 。这七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征这三个研究领域。纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。
1.2 纳米技术的发展
纳米技术的灵感，来自于已故物理学家理查德·费曼1959年所作的一次题为《在底部还有很大空间》的演讲。这位当时在加州理工大学任教的教授向同事们提出了一个新的想法。从石器时代开始，人类从磨尖箭头到光刻芯片的所有技术，都与一次性地削去或者融合数以亿计的原子以便把物质做成有用的形态有关。费曼质问道，为什么我们不可以从另外一个角度出发，从单个的分子甚至原子开始进行组装，以达到我们的要求？他说：“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。”
70年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想，1974年，科学家谷口纪男（Norio Taniguchi）最早使用纳米技术一词描述精密机械加工；
1981年，科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用；
1990年， IBM公司阿尔马登研究中心的科学家成功地对单个的原子进行了重排，纳米技术取得一项关键突破。他们使用一种称为扫描探针的设备慢慢地把35个原子移动到各自的位置，组成了IBM三个字母。这证明费曼是正确的，二个字母加起来还没有3个纳米长。不久，科学家不仅能够操纵单个的原子，而且还能够“喷涂原子”。使用分子束外延长生长技术，科学家们学会了制造极薄的特殊晶体薄膜的方法，每次只造出一层分子。现代制造计算机硬盘读写头使用的就是这项技术。 　著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德· 费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想。
1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生；
1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10倍，成为纳米技术研究的热点，诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等；
1993年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文、1990年美国国际商用机器公司在镍表面用35个氙原子排出“IBM”之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“ 中国”二字，标志着中国开始在国际纳米科技领域占有一席之地；
1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在2017年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机；
1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录；
到1999年，纳米技术逐步走向市场，全年基于纳米产品的营业额达到500亿美元；
2001年，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新5年科技基本计划的研发重点；德国专门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从1997年的1.16亿美元增加到2001年的4.97亿美元。中国也将纳米科技列为中国的“973计划”进行大力的发展与其相关产业的大力扶持。
1.3 纳米技术与纳米制造
纳米制造是描述对纳米尺度的粉末、液体等材料的规模化的生产，或者描述从纳米尺度按照自上而下或自下而上的方式制造器件，是纳米技术的一项具体的应用。

图1 利用纳米技术将氙原子排成IBM

图2 应用纳米技术制成的服装
“纳米制造”尽管被美国国家纳米技术倡议（NNI）等广泛使用，但并没有给出纳米制造的明确定义。相反，纳米组装则被定义为：通过直接或者自组装方法，在原子或分子水平上制造功能结构或者设备的能力。相对于纳米组装而言，纳米制造更偏重于纳米技术产品的工业级别制造，其重点更多的在于低成本和可靠性等方面。
1.4 纳米加工
众所周知，欲得到1纳米的加工精度，加工的最小单位必然在亚微米级。由于原子间的距离为0.1-0.3nm，纳米级加工实际已到加工的极限。纳米级加工是将试件表面的一个个原子或分子作为直接的加工对象，所以，纳米级加工的物理实质就是要切断原子间的结合。实现原子或分子的去除。而各种物质是以共价键、金属键、离子键或分子结构的形式结合而组成，要切断原子间的结合需要很大的能量密度。在机械加工中，工具材料的原子间结合能必须大于被加工材料的原子间结合能。而传统的切削、磨削加工消耗的能量较小，实际上是利用原子、分子或晶体间连接处的缺陷而进行加工的，但想要切断原子间的结合就相当困难的。因此，纳米加工的物理实质与传统的切削、磨削加工有很大区别。直接利用光子、电子、离子等基本能子的加工是纳米级加工的主要方向和主要方法。
纳米级加工精度：
与常规精加工的比较，纳米级加工中工件表面的原子和分子是直接加工的对象.即需切断原子间的结合纳米加工实际已到了加工的极限而常规的精加工欲控制切断原子间的结合是无能为力的,其局限性在于：
1)高精度加工工件时,切削量应尽量小而常规的切削和磨削加工,要达到纳米级切除量,切削刀具的刀刃钝圆半径必须是纳米级,研磨磨料也必须是超细微粉.目前对纳米级刃口半径还无法直接测量。
2)工艺系统的误差复映到工件,工艺系统的受力/热变形、振动、工件装夹等都将影响工精度。
3)即使检测手段和补偿原理正确,加工误差的补偿也是有限的。
4)加工过程中存在不稳定因素如切削热,环境变化及振动等。
由此可见.传统的切削/磨削方法,一方面由于加工方法的局限或由于加工机床精度所限,显示出在纳米加工领域应用裕度不足另一方面,由于科技产业迅猛发展,加工技术的极限不断受到挑战.有研究表明,磨削可获得35nm的表面粗糙度,但对如何实现稳定、可靠的纳米机加工以及观察研究材料微加工过程力学性能则始终受到实验手段的限制,因此纳米机加工必须寻求新的途径即直接用光子、电子、离子等基本粒子进行加工.例如,用电子束光刻加工超大规模集成电路。
纳米级加工精度包括：纳米级尺寸精度、纳米级几何形状精度和纳米级表面质量三个方面。
纳米级的尺寸精度：
传统的长度基准是以标准尺为基准。由于零件材料的稳定性，内应力，本身重量造成的变形等内部因素和环境的温度变化、气压变化、测量误差等都将产生尺寸误差。所以，现在采用光速和时间作为长度基准。较大尺寸的绝对精度很难达到纳米级，较大尺寸的相对精度或重复精度可以达到纳米级。例如在超级精密加工中，某些特高精度孔和轴的配合，通过使用激光干涉测量或x射线干涉测量法都可以达到A0级的测量分辨率和重复精度。微小尺寸的纳米级加工，正处于研究阶段之中。
纳米级的几何形状精度：
在精密加工中，精密零件的几何形状直接影响到它的工作性能和工作效果，常要求达到纳米级的几何形状精度。例如，精密轴和孔的圆度和圆柱度，精密球（如陀螺球，计量用标准球）的球度。
纳米级的表面质量：
纳米级的表面质量不仅仅指它的表面粗糙度，而且包含其在内的表层的物理状态，如无表面残留应力，无组织缺陷等。微型机械和超微型机械的零件对其表面质量有严格的要求。工中心之间的输送；机器人在单元控制器和机器人控制器直接作用下，执行从车削中心上装卸零件的任务;工件装卸站设置在系统的人口处，便于工件装卸等活动；缓冲站作为待加工零件的中间存储站，设置在各机床附近，呈直线设置。
2 纳米制造技术的制造对象
广义地说，只要尺寸至少在一维尺度上小于100nm结构都是纳米技术的制造对象。
具体言之，该结构应满足以下几点要求：
(1)它是一种符合物理和化学定律的结构，这些定律是在原子水平级上的。
(2)它是一种生产价格不超过所需原材料和能源成本的结构。
(3)它能定位装配和自我复制。定位装配就是在适当地方放上适当的分子零件；自我复制能始终保持价格低廉。
纳米技术发展的不同时期，纳米制造对象的内涵也不同。例如，1990年以前，主要集中在纳米颗粒(纳米晶、纳米相、纳米非晶等)以及由它们组成的薄膜与块体的制备；而1990年到1994年间主要是制备纳米复合材料，一般采用纳米微粒与微粒复合、纳米微粒与常规块体复合、以及发展复合纳米薄膜；1994年以后，纳米制造的对象开始涉及纳米丝、纳米管、微孔和介孔材料；未来的方向则是制作仅由一个或数个原子构成的“纳米结构”，并以此来构筑具有三维纳米结构的系统。
3 纳米制造的加工技术
3.1 纳米级加工技术
按加工方式，纳米级加工可分为切削加工、磨料加工（分固结磨料和游离磨料）、特种加工和复合加工四类。
纳米级加工还可分为传统加工、非传统加工和复合加工。传统加工是指刀具切削加工、固有磨料和游离磨料加工；非传统加工是指利用各种能量对材料进行加工和处理；复合加工是采用多种加工方法的复合作用。
纳米级加工技术也可以分为机械加工、化学腐蚀、能量束加工、复合加工、隧道扫描显微技术加工等多种方法。机械加工方法有单晶金刚石刀具的超精密切削，金刚石砂轮和CBN砂轮的超精密磨削和镜面磨削、磨、砂带抛光等固定磨料工具的加工，研磨、抛光等自由磨料的加工等，能束加工可以对被加工对象进行去除，添加和表面改性等工艺，例如，用激光进行切割、钻孔和表面硬化改性处理。用电子束进行光刻、焊接、微米级和纳米级钻孔、切削加工，离子和等离子体刻蚀等。属于能量束的加工方法还包括电火花加工、电化学加工、电解射流加工、分子束外延等。STM加工是最新技术，可以进行原子级操作和原子去除、增添和搬迁等。
(1)纳米机械加工；
纳米机械加工技术具有原理简单、应用广泛的特点，是一种重要的由上而下的纳米加工技术。典型的纳米机械加工技术包括金刚石刀具车削、金刚石磨粒加工以及金刚石微探针纳米刻划。上个世纪80年代，日本大阪大学和美国劳伦斯实验室开展了超精密切削加工极限的实验研究，使用单点金刚石刀具直角车削电镀铜，实现了切削厚度为 1nm 的稳定切削。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所采用弹性顶针式光栅刻划刀刀架和圆弧形刀刃光栅刻划刀，加工出了刻线密度为1001/mm的 10.6Lm激光系统用 30 m曲率半径凹面金属光栅。

图3 纳米刃口刀具的制备

图4 基于所制备的刀具制造的菲涅耳衍射元件
(2)微细电解加工
电解加工是利用金属阳极电化学溶解原理来去除材料的加工技术，这种加工原理使得电解加工具有微细加工的可能。如图5所示，电解加工系统由阴极、阳极、电源、电解液及电解槽等部分组成。通过降低加工电压、提高脉冲频率和电解液浓度, 可将加工间隙控制在10μm以下。

图5 电解加工原理

图6 电解加工机床
(3)能量束加工;
能量束加工包含电子束加工、离子束加工和激光束加工，可用于打孔、切割、刻蚀、焊接、表面热处理、表面改性等加工。下面介绍电子束加工。
电子束加工原理如图7所示，在真空中将阴极（电子枪）不断发射出来的负电子向正极加速，并聚焦成极细的、能量密度极高的束流，高速运动的电子撞击到工件表面，动能转化为热能，使材料熔化、气化并在真空中被抽走。控制电子束的强弱和偏转方向，配合工作台x、y方向的数控位移，可实现打孔、成型切割、刻蚀、焊接、表面热处理、光刻曝光等工艺。可在0.5mm不锈钢板上加工出3μm的小孔，切割出3—6μm的窄缝，可在硅片上刻出宽2.5μm、深0.25μm的细槽。集成电路制造中广泛采用电子束光刻曝光，由于电子束射线的波长比可见光短得多，所以比用可见光光刻可以达到更高的0.25μm线条图形分辨率。用波长更短的x射线聚焦后对特殊的光敏抗蚀剂进行扫描曝光，可以刻蚀出更精密的图形。

图7 电子束加工原理 图8 电子束加工设备
(4)基于STM的纳米加工；
扫描隧道显微镜(STM)是一种基于量子隧道效应的高分辨率显微镜，它可达到原子量级的分辨率，同时它还可以进行原子、分子的搬迁、去除和添加，实现纳米量级甚至原子量级的超微细加工。在STM工作时，探针针尖与工件表面之间保持1纳米以下极其微小的距离，施加在针尖和基材间的电压导致很高的场强，产生隧道电流束。通过改变场强等某些参数，处于针尖下的样品由于电子束的影响会发生某些物理化学变化，如：相变、化学反应、吸附、化学沉淀和腐蚀等，这就给“加工”提供了可能。同时由于隧道电流束空间通道极其狭小，因此受到影响或发生反应的表面区域也十分微小，直径通常在纳米量级。在如此小的区域上发生某种反应和变化意味着纳米级加工、纳米级微结构的制造。自1981年STM问世以来，基于它的加工技术己经进行了很多探索性工作，研究在多个方面展开：微小粒子及单原子操作、表面直接刻写、光刻、沉积和刻蚀，已经有许多加工实例被演示和报道。

图9 STM结构示意图

图10 STM加工系统
利用STM技术进行刻蚀和沉积也受到特别关注。加工过程可在溶液中或气相环境下进行。采用稀释的HF等腐蚀性液体作为电解液，施加适当的隧道电流、偏置电压和扫描速度，可在某些材料上进行直接刻蚀，腐蚀出纳米级宽度的线条，而当采用含有金属离子的电解液时，通过适当的加工规准和条件，针尖对应的局部微小区域会产生金属离子的电化学沉积，形成纳米级宽和高的微结构。STM可以提供低能聚焦电子束，由计算机控制作精确的扫描运动，对涂覆了抗蚀膜的样品表面进行直写光刻口由于这个低能电子束的束径极小，因此可以获得很小线宽的图形。通过对抗蚀膜显影处理、金属沉积、抗蚀膜去除等一系列工艺，最终在表面形成金属薄膜构成的图形。STM在纳米刻蚀方面的表现已引起极大的关注。
(5)复合加工；
复合加工是采用几种不同的能量形式、几种不同的工艺方法, 相互取常补短、复合作用的加工技术, 例如电解研磨、超声电解、超声电解研磨、超声电铸、超声电火花、超声激光加工等等, 可比单一加工方法更有效, 适用范围更广泛。
3.2 纳米级加工的关键技术
(1)测量技术；
纳米级测量技术包括纳米级精度的尺寸和位移的测量、纳米级表面形貌的测量纳米级测量技术主要有两个发展方向：
1)光干涉测量技术:可用于长度、位移、表面显微形貌的精确测量.用此原理测量的方法有双频激光干涉测量、光外差干涉测量、X射线干涉测量等。
2)扫描隧道显微加工技术亦称为原子级加工技术，原理是通过扫描隧道显微镜的探针来操纵试件表面的单个原子，实现单个原子的和分子的搬迁、去除、增添和原子排列重组，实现极限的精加工。近年来，扫描隧道显微加工技术获得了迅速的发展，并取得了多项重要成果。例如，1990年，美国圣荷塞IBM阿尔马登研究所D.M.Eigler等人在4K和超真空环境中，用35个Xe原子排成IBM三个字母，每个字母高5nm，Xe原子间的最短距离为1nm，而日本科学家则实现了将硅原子堆成一个“金字塔”，首先实现了三维空间的立体搬迁。目前，原子级加工技术正在研究对大分子中的原子搬迁、增加原子、去除原子和原子排列的重组。用的各种化工材料。电子信息产业是目前发展最为迅速的。
高新技术产业，已跃居世界第一大产业，电子信息产业水平已成为衡量一个国家综合水平的重要标志之一。电子化学品对电子信息产业来说，是不可缺少的支撑产业，发挥着举足轻重的作用，可以毫不夸张地讲，任何电子产品的问世，几乎都与电子化学品的创新有关，没有电子化学品的发展和新技术的突破，就基本上可以说不可能有电子产品的更新换代和新产品的涌现。例如液晶材料是液晶显示器件（LCD）的基础材料，液晶显示器是20世纪末最有发展活力的电子产品之一，其具有工作电压低、微功耗、体积小、显示柔和、无辐射危害等一系列优点，使个人电脑、笔记本电脑、手机、彩电更高档。其它如塑料光纤以其独特的优越性能促使高速、高容量的数据通讯系统迅猛发展；高质量的封装材料出现使得IC芯片集成度提高，使得电脑、手机、电视机变得小而薄、更精致美观。总之，随着新型化工材料的不断创新和在高科技领域的广泛应用，必将加速科技发展和人类物质文明的进程。
(2)材料制造技术；
著名的诺贝尔奖获得者Feyneman在20世纪60年代曾预言:如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话,我们就能使物体得到大量的异乎寻常的特性,就会看到材料的性能产生丰富的变化.他说的材料即现在的纳米材料.
纳米材料是由纳米级的超微粒子经压实和烧结而成的它的微粒尺寸大于原子簇,小于通常的微粒，一般为1-100nm它包括体积份数近似相等的两部分：一是直径为几个或几十个纳米的粒子；二是粒子间的界面纳米材料的两个重要特征是纳米晶粒和由此产生的高浓度晶界这导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变。如：纳米陶瓷由脆性变为100%的延展性，甚至出现超塑性。纳米金属居然有导体变成绝缘体。金属纳米粒子掺杂到化纤制品或纸张中，可大大降低静电作用纳米TiO2按一定比例加入到化妆品中，可有效遮蔽紫外线。
当前纳米材料制造方法主要有：气相法、液相法、放电爆炸法、机械法等。
l)气相法：①热分解法：金属拨基化合物在惰性介质(N或洁净油)中热分解，或在H冲激光分解此方法粒度易控制，适于大规模生产。现在用于Ni、Fe、W、Mo等金属，最细颗粒可达3-10nm；②真空蒸发法：金属在真空中加热蒸发后沉积于一转动圆的流动油面上；可用真空蒸馏使颗粒浓缩此法平均颗粒度小于10nm。
2)液相法：①沉积法：采用各种可溶性的化合物经混合，反应生成不溶解的氢氧化物、碳酸盐、硫酸盐或有机盐等沉淀。把过滤后的沉淀物热分解获得高强超纯细粉。②Sol-Gel法：1969年，R Roy采用此工艺制备出均质的玻璃和陶瓷由于该法可制备超细(10nm-100nm)化学组成及形貌均匀的多种单一或复合氧化物粉料已成为一种重要的超细粉的制备方法。
3)放电爆炸法：金属细丝在充满惰性气体的圆筒内瞬间通人大电流而爆炸此法可制造Mo等难熔金属的超细颗粒(25-350nm)，但不能连续操作。
4)机械法：利用单质粉末在搅拌球磨(AtritorMil)过程中颗粒与颗粒间和颗粒与球之间的强烈、频繁的碰撞粉碎。近几年大量采用搅拌磨，即利用被搅拌棍搅拌的研磨介质之间的研磨，将粉料粉碎，粉碎效率比球磨机或振动磨都高。
(3)三束加工技术；
可用于刻蚀、打孔、切割、焊接、表面处理等。
l)电子束加工技术：电子束加工时，被加速的电子将其能量转化成热能，以便除去穿透层表面的原子，因此不易得到高精度。但电子束可以聚焦成很小的束斑(Φ0.1um)照射敏感材料。用电子刻蚀，可加工出0.1um线条宽度。而在制造集成电路中实际应用。
2)离子束加工技术：因离子直径为0.1nm数量级。故可直接将工件表面的原子碰撞出去达到加工的目的用聚焦的离子束进行刻蚀，可得到精确的形状和纳米级的线条宽度。
3)激光束加工技术：激光束中的粒子是光子，光子虽没有静止质量，但有较高的能量密度激光束加工常用YAG激光器（λ=1.06um)和CO2（λ=10.06um)激光器位。.激光束加工不是用光能直接撞击去掉表面原子，而是光能使材料熔化、汽化后去掉原子。
(4)LIGA技术；
LIGA技术是20世纪80年代中期德国W.Ehrfeld教授等人发明的，即从半导体光刻工艺中派生出来的一种加工技术。其机理是有深度同步辐射x射线光刻、电铸成型、塑铸成型等技术组合而成的复合微细加工新技术，主要工艺过程由x光光刻掩模版的制作、x光深光刻、光刻胶显影、电铸成模、光刻胶剥离、塑模制作及塑模脱模成型组成。适合用多种金属、非金属材料制造微型机械构件。
采用LIGA技术已研制成功或正在研制的产品有微传感器、微电机、微执行器、微机械零等。
4 微型机械与微型机电系统
纳米加工技术的出现使微型机电系统进入了一个广阔的崭新领域集成的微型机电系统日本称为微型机械(Micro machine)，美国则称为微型机电系统(Micro Electro Mechanical systems-MEMS)，欧洲称为微系统(Microsystem)。
(l)微型机械；
现在微型机械的研究已达到较高水平，已能制造多种微型零件和微型机构已研制成功的三维微型机械构件有微齿轮、微弹簧、微连杆、微轴承等。微执行器是比较复杂、难度大的微型器件，研制成功的有微阀、微泵、微开关、微电动机等。
(2)微型机电系统；
MEMS是在微电子工艺基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。是纳米加工技术走向实用化，能产生经济效益的主要领域。比如：
l)微型机器人是一个非常复杂的机电系统。美国正在研制的无人驾驶飞机仅有蜻蜓大小，并计划进一步缩小成蚊子机器人，用于收集情报和窃听医用超微型机器人是最有发展前途的应用领域。它可进入人的血管，从主动脉管壁上刮去堆积的脂肪，疏通患脑血栓病人阻塞的血管。日本制定了采用机器人外科医生的计划，并正在开发能在人体血管中穿行、用于发现并杀死癌细胞的超微型机器人。
2)微型惯性仪表：惯性仪表是航空、航天、航海中指示方向的导航仪器，由于要求体积小、重量轻、精度高、工作可靠。因此是微型机电系统应用的理想领域。现在国外已有微型加速度几何微型陀螺仪的商品生产，体积和重量都很小，但尚需提高精度。
由于MEMS的发展已初具基础，微型器件的发展也已达到一定水平，同时有微电子工业制造集成电路的经验可借鉴，各产业部门又有使用MEMS的要求，因此现在MEMS的发展条件已具备所有工序的加工需要机床：一台五轴加工中心、磨床、铣床、车床、钻床、专用的夹具夹持。
5 纳米技术发展趋势
高级纳米技术，有时被称为分子制造，用于描述分子尺度上的纳米工程系统（纳米机器）。无数例子证明，亿万年的进化能够产生复杂的、随机优化的生物机器。在纳米领域中，我们希望使用仿生学的方法找到制造纳米机器的捷径。然而，K Eric Drexler和其他研究者提出：高级纳米技术虽然最初会使用仿生学辅助手段，最终可能会建立在机械工程的原理上。
美国国家科学委员会（National Science Board）于西元2003年底批准“国家纳米科技基础结构网络计划”（National Science Board Approves Award for a National Nanotechnology Infrastructure Network，简称NNIN），将由美国13所大学共同建构支持全国纳米科技与教育的网络体系。该计划为期5年，于公元2004年一月开始执行，将提供整体性的全国性使用技能以支持纳米尺度科学工程与技术的研究与教育工作。预估5年间至少投资700亿美元的研究经费。计划目的不仅在提供美国研究人员顶尖的实验仪器与设备，并能训练出一批专精于最先进纳米科技的研究人员。
(1)美国发展最新纳米细胞制造技术
纳米技术可制造出粒子小于人类血管大小的物体，美国国家标准与科技协会（NIST）指出已研究出一种生产一致的，且能够自行组合的纳米细胞（Nanocells）的方法，以应用在封装压缩药物的治疗工作上。这种技术当前可被运用在药物的包装技术上，可以更精确地确保药物的用量，未来将运用在癌症化学治疗的相关技术上作更进一步的研究。
纳米计划是公元2005年联邦跨部会研发预算的主轴，达9.8亿美元。
(2)DNA检测芯片的进展
公元2004年一月，美国HP正式对外发表其用来快速进行DNA检测的纳米级芯片。2004年在DNA检测上采以光学原理为基础的“基因微芯片法”（DNA microarrays）繁复的检测步骤，HP团队改由将此繁复步骤交由电路芯片处理；制作上，DNA检测芯片的传感元件是一条利用电子束蚀刻法（electron-beam lithography）与反应性离子蚀刻法（reactive-ion etching）所制成粗细约50纳米的纳米线。然就商业上考量，成果却过于高昂，因此研究团队正发展利用较便宜的光学蚀刻法（optical lithography）以制成DNA检测芯片元件的技术。
(3)地下水污染改善之研究
地下水污染是现代被广泛讨论的一项重大议题，现代，美国发表了一种纳米微粒（nanoparticles）技术，在此微粒中心为铁芯（iron）而其外则由多层聚合物加以包覆，其中，内层是由防水性极佳的复合甲基丙烯酸甲脂(poly methl-methacrylate;PMMA)包覆，而外层则由亲水的sulphonated polystyrene进行包覆。由于亲水性外层使纳米微粒溶于水，内层防水层则能吸引污染源三氯乙烯（trichloroethylene）。纳米微粒中的铁芯使得三氯乙烯产生分裂，进而使得此项污染源逐渐分裂成无毒的物质。
(4)启动癌症纳米科技计划
为广泛将纳米科技、癌症研究与分子生物医学相互结合，美国国家癌症中心（NCI）提出了癌症纳米科技计划（Cancer Nanotechnology Plan），并将透过院外计划、院内计划与纳米科技标准实验室等三方面进行跨领域工作。计划设定了六个挑战：
预防与控制癌症：发展能投递抗癌药物及多重抗癌疫苗的纳米级设备；早期发现与蛋白质学：发展植入式早期侦测癌症生物标记的设备，并发展能收集大量生物标记进行大量分析的平台性装置；影像诊断：发展可提高分辨率到可辨识单独癌细胞的影像装置，以及将一个肿瘤内部不同组织来源的细胞加以区分的纳米装置；多功能治疗设备：开发兼具诊断与治疗的纳米装置；癌症照护与生活品质提升：开发改善慢性癌症所引发的疼痛、沮丧、恶心等症状，并提供理想性投药装置；跨领域训练：训练熟悉癌症生物学与纳米科技的新一代研究人员。
6 结语
纳米制造是纳米科学技术的核心部分。它是高度交叉的综合性学科,这一新的学科体系正在形成,它涉及到许多新原理、新技术、新思维,交叉融会了多学科知识。纳米制造技术在航空、航天、电子、信息、微机械、生物、医疗等领域有着广阔的应用前景。
通过查阅资料，我对纳米制造技术有了初步的认识，了解了纳米制造与传统的制造工艺的主要不同与其各自的优势，从整体上把握了纳米加工常用的几类方法，并对其中典型的方法进行了初步了解。纳米制造及其关键技术是一项范围很大的研究题目，涉及到物理、化学、机械、等多领域的知识，在短时间内是不可能尽数掌握的，但在撰写小论文的过程对我开阔视野、扩展知识面有着很大的帮助。
参 考 文 献
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作者简介：邹迪，男，1993年出生，硕士研究生。主要研究方向为石油机械。
E-mail：1016577507@