Khoa học công nghệ nano ứng dụng và tiềm năng

TRUNG TÂM THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUỐC GIA
Địa chỉ: 24, Lý Thường Kiệt. Tel: 8262718, Fax: 9349127
Ban Biờn tập: TS. Tạ Bá Hưng (Trưởng ban), TS Phựng Minh Lai (Phó trưởng ban),
TS. Trần Thanh Phương, Kiều Gia Như, Đặng Bảo Hà, Nguyễn Mạnh Quân









“Khoa học-công nghệ
nano ứng dụng và tiềm
năng”

1
Mục lục



Trang

Lời giới thiệu
1
I.
Khái quát về tình hình phát triển khoa học-công nghệ nano
3

1.1. Những khái niệm cơ bản về khoa học-công nghệ nano
3

1.2. Tình hình phát triển khoa học-công nghệ nano ở một số nước và khu vực
trên thế giới
5
II.
Sự phát triển của khoa học-công nghệ nano theo 5 lĩnh vực nghiên cứu
chính
10

2.1. Vật liệu nano
10

2.2. Đo lường cỡ nano (nanometrology)
14

2.3. Khoa học-công nghệ nano trong lĩnh vực điện tử, quang điện tử và công
nghệ thông tin và truyền thông (ICT)
16

2.4. Công nghệ nano sinh học và nano y học
18

2.5. Kỹ thuật chế tạo nano
19
III.
Các lĩnh vực ứng dụng và tiềm năng của khoa học-công nghệ nano
23

3.1. Các lĩnh vực ứng dụng của khoa học-công nghệ nano
23

3.2. Tiềm năng của khoa học-công nghệ nano
39

Kết luận
47

Tài liệu tham khảo
48

2

Lời giới thiệu


Khoa học-công nghệ nano (KH-CN NN) là một lĩnh vực nghiên cứu vật chất ở kích
thước nanomét (1nanomét=10
-9
m). ở kích thước này, vật chất có những tính chất rất
mới lạ, tạo ra những ứng dụng thiết thực và độc đáo. Vì vậy, KH-CN NN hiện đang
được cho là sẽ tạo ra một cuộc cách mạng mới trong công nghiệp do những tác động to
lớn của nó đến các phương thức sản xuất công nghiệp, làm tăng khả năng cạnh tranh
kinh tế, do tạo ra được những vật liệu, hợp chất, hay những hệ thống nhỏ, nhẹ và hiệu
quả hơn. KH-CN NN cũng được nhận định là sẽ đóng góp to lớn vào việc giải quyết
những vấn đề môi trường trên thế giới, tạo ra những sản phẩm tiết kiệm và sử dụng tài
nguyên ít hơn, làm giảm khối lượng chất thải và khí thải.
Hiện nay, nhiều nước trên thế giới đang đẩy mạnh đầu tư vào nghiên cứu KH-CN
NN, bước đầu tạo ra những nền tảng tri thức tương đối vững chắc về ngành khoa học
này, bước đầu thu được kết quả từ việc tạo ra những sản phẩm sử dụng công nghệ

nano.
Để giúp bạn đọc có thêm thông tin về KH-CN NN, cũng như những ứng dụng và
tiềm năng của nó trong tương lai, Trung tâm Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc
gia biên soạn và giới thiệu Tổng quan “Khoa học-công nghệ nano - ứng dụng và tiềm
năng”. Đây là một lĩnh vực còn mới, do vậy trong quá trình thu thập, chọn lọc, xử lý,
biên tập có thể chưa đạt được chất lượng như mong muốn, mong bạn đọc chia sẻ và
thông cảm.

Xin trân trọng giới thiệu.



3
I. Khái quát về tình hình phát triển Khoa học-công nghệ nano

1.1. Những khái niệm cơ bản về khoa học-công nghệ nano
Những khái niệm cơ bản về KH-CN NN lần đầu tiên được nhà vật lý Richard
Feynman đưa ra vào năm 1959 trong bài luận có nhan đề “Còn nhiều khoảng trống ở
dưới đáy”. Ông đã trình bày khả năng điều khiển vật liệu ở kích cỡ nguyên tử và phân
tử, tưởng tượng ra toàn bộ cuốn bách khoa toàn thư Encyclopaedia Britannica được
ghi vào trên một vật lưu trữ chỉ có kích thước bằng một mũi kim và dự đoán trước về
khả năng kiểm soát và thao tác vật liệu ở kích cỡ nano. Từ “nano” bắt nguồn từ tiếng
Hy Lạp có nghĩa là “lùn”. Một nm (nm) bằng 10
-9
m. Một sợi tóc của con người xấp xỉ
khoảng 80.000 nm và một tế bào hồng cầu xấp xỉ khoảng 7.000 nm. Các nguyên tử có
kích thước nhỏ hơn một nm, trong khi đó nhiều phân tử, trong đó có một số protein lại
có kích thước từ một nm trở lên.
Tuy vậy, thuật ngữ “công nghệ nano” không được sử dụng cho tới năm 1974, khi
Norio Taniguchi, một nhà nghiên cứu ở trường Đại học Tokyo, Nhật Bản, sử dụng nó

để đề cập tới khả năng thao tác các vật liệu một cách chính xác ở mức nm. Động lực
chính để thúc đẩy việc sử dụng thuật ngữ này vào thời gian đó là do nhu cầu vi tiểu
hình hóa ở ngành công nghiệp điện tử. Đây là ngành công nghiệp hướng tới việc phát
triển những công cụ để tạo ra những linh kiện điện tử nhỏ hơn (và vì thế nhanh hơn và
phức tạp hơn) trên các con chip silic. Trên thực tế, tại công ty IBM ở Mỹ, một kỹ thuật
có tên là in li-tô bằng chùm electron đã được sử dụng để tạo ra những cấu trúc nano và
những linh kiện nhỏ từ 40-70 nm vào đầu thập kỷ 70 của thế kỷ trước.
Mặc dù không có sự phân biệt rõ ràng giữa khoa học nano và công nghệ nano,
nhưng theo định nghĩa của một số tài liệu của Viện Hàn lâm Hoàng gia Anh và Tạp
chí PloSMedicine của Mỹ, khoa học nano và công nghệ nano được hiểu như sau:
- Khoa học nano là khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và cách thao tác với các
vật liệu ở kích cỡ nguyên tử, phân tử và đại phân tử. ở những kích thước đó vật liệu
thể hiện những tính chất khác biệt đáng kể với những tính chất của chúng ở kích cỡ
lớn hơn.
- Công nghệ nano là công nghệ nghiên cứu, thiết kế, sáng tạo, tổng hợp, thao tác và
ứng dụng các vật chất, cấu trúc, linh kiện và các hệ thống thông qua việc điều khiển
vật chất ở kích cỡ nm, hay nói cách khác là ở kích thước nguyên tử và phân tử và khai
thác hiện tượng, các tính chất mới lạ của vật liệu ở kích cỡ đó.
Phạm vi kích thước được các nhà khoa học quan tâm nhiều nhất là từ 100 nm trở
xuống tới mức nguyên tử (xấp xỉ khoảng 0,2 nm), bởi vì trong phạm vi kích thước này
(đặc biệt là ở những kích thước nhỏ nhất), vật liệu có thể có những tính chất khác biệt,
hoặc những tính chất mạnh hơn so với chính tính chất của chúng ở kích cỡ lớn hơn.
Hai nguyên nhân chính dẫn tới những thay đổi ở tính chất của vật liệu là do diện tích
bề mặt được tăng lên rất nhiều và xuất hiện các hiệu ứng lượng tử. Diện tích bề mặt
(trên đơn vị khối) tăng lên sẽ dẫn tới độ phản ứng hóa học tương ứng tăng lên, làm cho

4
một số vật liệu nano có thể được sử dụng làm chất xúc tác để làm tăng hiệu quả của
các pin nhiên liệu và ắc quy. Khi kích thước của vật liệu bị giảm xuống tới 10 nm hoặc
ít hơn, các hiệu ứng lượng tử bắt đầu xuất hiện và chúng làm thay đổi các tính chất

quang học, từ tính và điện tính của vật liệu. Trong lịch sử, các tính chất phụ thuộc vào
kích thước đã được các nhà khoa học khai thác hàng thế kỷ nay. Ví dụ, các hạt nano
vàng và bạc (các hạt có đường kính nhỏ hơn 100 nm) đã được sử dụng làm các chất
nhuộm màu ở thủy tinh và gốm màu từ thế kỷ thứ 10 trước công nguyên. Tùy thuộc
vào kích thước của chúng, các hạt vàng có thể thể hiện màu đỏ, xanh hoặc màu vàng.
Tuy nhiên, khó khăn lớn nhất đối với các nhà hóa học cổ đại là chế tạo ra các hạt nano
có cùng kích thước (vì vậy có cùng màu) và sản xuất ra các hạt nano có kích thước
đơn (nhỏ hơn 10 nm) vẫn là những thách thức lớn đối với các nhà khoa học ngày nay.
ở kích thước lớn hơn trong phạm vi kích thước nano nêu trên, các hiệu ứng khác
như ứng suất bề mặt hay “độ dính” rất quan trọng, đây vốn là hiệu ứng tác động tới các
tính chất vật lý và hóa học. Đối với môi trường lỏng và khí, chuyển động Brown, vốn
được mô tả là sự chuyển động ngẫu nhiên của các hạt hoặc các nguyên tử lớn hơn do
bị các nguyên tử và phân tử nhỏ hơn va đập vào, cũng rất quan trọng. Hiệu ứng này
làm cho việc điều khiển từng cá thể phân tử hoặc nguyên tử trong những môi trường
đó rất khó khăn. Khoa học nano quan tâm tới việc tìm hiểu những hiệu ứng đó và tác
động của chúng lên các tính chất của vật liệu, còn công nghệ nano hướng tới việc khai
thác những hiệu ứng này để tạo ra các cấu trúc, linh kiện và các hệ thống có những
tính chất và chức năng mới lạ do kích thước thay đổi của chúng mang lại.
Có thể nói, khoa học nano và công nghệ nano (sau đây viết tắt là KH-CN NN)
không phải là lĩnh vực mới. Rất nhiều hóa chất và các phương pháp sản xuất hóa chất
đã có các đặc trưng kích cỡ nanno. Ví dụ, trong nhiều thập kỷ qua, các nhà hóa học đã
chế tạo ra các polime, các phân tử lớn được cấu tạo từ các hạt hạt kích thước nano.
Công nghệ nano (CNNN) còn được sử dụng để tạo ra các đặc điểm rất nhỏ trên các
con chip máy tính trong suốt 20 năm qua. Thế giới tự nhiên cũng chứa đựng rất nhiều
ví dụ về các cấu trúc cỡ nano, từ sữa (một dạng thể keo cỡ nano) cho tới các protein có
cấu trúc và kích cỡ nano phức tạp điều khiển những hoạt động sinh học, như những cơ
gấp, các tế bào phục hồi và giải phóng năng lượng; các hạt nano được hình thành một
cách tự nhiên, được tạo ra hàng ngàn năm nay do kết quả của việc đốt lửa và nấu thức
ăn.
Tuy nhiên, chỉ những năm gần đây, các nhà khoa học mới phát triển được những

công cụ phức tạp để nghiên cứu, thao tác với các vật liệu ở kích cỡ nano và những
công cụ này đã có tác động mạnh tới hiểu biết của con người về thế giới ở kích cỡ
nano. Một bước tiến lớn của tiến bộ này là việc phát minh ra Kính hiển vi quét hiệu
ứng đường hầm (STM) năm 1982 và Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) năm 1986.
Những công cụ này sử dụng các đầu dò kích cỡ nano để chụp, chiếu hình một bề mặt
với độ phân giải nguyên tử và có khả năng nhặt, kéo hoặc trượt các nguyên tử hoặc các
phân tử trên các bề mặt để tạo nên các cấu trúc thô sơ. Trong một thử nghiệm được
tiến hành vào năm 1990 mà hiện nay còn rất nổi tiếng, hai nhà khoa học Don Eighler

5
và Erhard Schweizer thuộc Công ty IBM đã di chuyển các xenon nguyên tử trên một
bề mặt niken để tạo nên lôgô của Công ty IBM trong một quy trình diễn ra trong
phòng thí nghiệm kéo dài cả ngày dưới những điều kiện được kiểm soát nghiêm ngặt.
Việc sử dụng những công cụ này không chỉ giới hạn ở một ngành kỹ thuật mà được sử
dụng rộng rãi ở rất nhiều ngành khoa học khác nhau. Ví dụ, AFM còn được sử dụng để
nghiên cứu các phân tử sinh học như protein.
Kỹ thuật được Eigler và Schweizer sử dụng chỉ là một trong rất nhiều các phương
pháp thao tác và sản xuất ra vật liệu nano, thường được xếp theo hai loại kỹ thuật “Từ
trên xuống” hoặc “Từ dưới lên”. Các kỹ thuật “Từ trên xuống” là việc bắt đầu với một
khối vật liệu và khắc ăn mòn, hoặc nghiền nó nhỏ xuống theo hình dạng mong muốn.
Trong khi đó, kỹ thuật “Từ dưới lên” là việc lắp ghép ở cấp nguyên tử, hoặc phân tử
để tạo ra một cấu trúc lớn hơn. Khó khăn chủ yếu đối với việc chế tạo theo cách “Từ
trên xuống” là tạo ra các cấu trúc ngày càng nhỏ, với đủ độ chính xác. Còn đối với kỹ
thuật “Từ dưới lên”, thì phải tạo ra các cấu trúc đủ lớn, có đầy đủ phẩm chất để sử
dụng làm vật liệu. Hai phương pháp này được phát triển một cách riêng rẽ và do hiện
nay đã đạt tới giao điểm, tại đó kích thước đặc trưng mà mỗi một kỹ thuật thu được là
xấp xỉ như nhau, nên mang lại các phương pháp chế tạo lai ghép mới.
CNNN còn có thể được coi là một lĩnh vực nghiên cứu liên ngành đã và đang thúc
đẩy sự hợp tác giữa các nhà nghiên cứu ở nhiều lĩnh vực khác nhau để cùng chia sẻ
kiến thức, công cụ và kỹ thuật. Một kiến thức về tính chất vật lý, hóa học của vật liệu

và các quá trình chế tạo ở kích cỡ nano đều thích hợp với tất cả các ngành nghiên cứu
khoa học, từ hóa học, vật lý tới sinh học, kỹ thuật và y học. Có thể coi những tiến triển
trong nghiên cứu vật liệu ở các kích cỡ ngày càng nhỏ đang diễn ra trong mỗi một lĩnh
vực khoa học hiện nay đều được gọi là “công nghệ nano”.

1.2. Tình hình phát triển khoa học-công nghệ nano ở một số nước và khu vực
trên thế giới
Chính tiềm năng to lớn tạo ra những ứng dụng nâng cao chất lượng cuộc sống con
người của KH-CN NN rất lớn, nên rất nhiều nước trên thế giới đã chú trọng và phát
triển mạnh nghiên cứu lĩnh vực này. Đây là lĩnh vực đang thu hút những khoản đầu tư
tăng nhanh chóng từ các Chính phủ và các doanh nghiệp ở khắp nơi trên thế giới. Chi
tiêu cho CNNN của các nước liên tục tăng trong những năm qua, đạt mức cao đáng ghi
nhận vào năm 2005. Lux Research (2004), một báo cáo được công bố gần đây của Mỹ,
cho biết, trên toàn thế giới ước tính chi tiêu của các Chính phủ cho nghiên cứu CNNN
đạt 4,6 tỷ USD năm 2004, trong đó có khoảng 35% (1,6 tỷ USD) là của các nước Bắc
Mỹ, 35% (1,6 tỷ USD) là của các nước châu á, 28% (1,3 tỷ) là của các nước châu Âu
(trong đó có Liên minh châu Âu - EU), và 3% (133 triệu USD) còn lại là của các nước
khác. ở khu vực tư nhân, xu hướng tăng đầu tư cho KH-CN NN cũng diễn ra mạnh
mẽ. Cũng theo bản báo cáo nêu trên, chi tiêu cho R&D cho CNNN của khu vực tư
nhân trên toàn thế giới đạt 3,8 tỷ USD, trong đó 46% (1,7 tỷ USD) là của các công ty
Bắc Mỹ (chủ yếu là của Mỹ), 36% (1,4 tỷ USD) là của các công ty châu á, 17% (650

6
triệu USD) của các công ty châu Âu và chưa tới 1% (40 triệu USD) là của các công ty
ở những khu vực khác.
Tình hình đầu tư của các Chính phủ vào R&D của CNNN giai đoạn từ 1997-2005
được thể hiện qua số liệu ở Bảng 1.

Bảng1: Ước tính đầu tư vào R&D công nghệ nano giai đoạn 1997 - 2005 của các
Chính phủ (triệu USD)

Khu vực
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005*
EU
126
151
179
200
225
400
650
950
~1050
Nhật Bản
120
135
157
245
465
720
800
900

~950
Mỹ
116
190
255
270
465
697
862
989
~1081
Những nước
khác
70
83
96
110
380
550
800
900
~1000
Tổng
432
559
687
825
1535
2350
3100

3700
~4100
Tỷ lệ % so với
năm 1997
100
129
159
191
355
547
720
866
~945
Nguồn: Quỹ Khoa học Quốc gia, Mỹ
* ~: ước tính năm 2005

Có thể nói, Mỹ là quốc gia đi đầu trong việc phát triển KH-CN NN. Cùng với việc
thông qua Đạo luật R&D Công nghệ nano Thế kỷ 21 và tiếp theo đó là Sáng kiến
Công nghệ nano Quốc gia, Mỹ đã dành 3,7 tỷ USD đầu tư cho CNNN giai đoạn 2005-
2008. ở Bảng 1, đầu tư cho R&D của Mỹ năm 2004 đã xấp xỉ gần 1 tỷ USD và dự kiến
sẽ vượt 1 tỷ USD vào cuối năm 2005. Tại Mỹ, sáng kiến của các bang đóng vai trò là
những động lực thúc đẩy bổ sung tài trợ R&D, cũng như thúc đẩy các hoạt động kinh
tế và thương mại hóa. Năm 2004, các chính quyền các bang đã đầu tư hơn 400 triệu
USD cho các chương trình nghiên cứu, các tiện ích và cho việc ươm tạo doanh nghiệp
trong lĩnh vực CNNN.
Tại châu Âu, những nỗ lực phát triển KH-CN NN thể hiện ở cả cấp độ quốc gia,
với việc từng nước theo đuổi những chương trình nghiên cứu có mục tiêu riêng; và cả
cấp độ EU, với một chương trình có nền tảng rộng rãi hơn. Ví dụ, theo Chương trình
Khung về Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ lần thứ 6 (FP 6), EU đã cam kết tài trợ
350 triệu euro cho CNNN năm 2003, chiếm 1/3 tổng chi tiêu của châu Âu. Trong một

thông báo gần đây (2004), EU đã nhất trí về cách tiếp cận R&D CNNN phối hợp lớn
hơn giữa các nước trong khối, trong khi vẫn thừa nhận những chương trình của từng
nước riêng rẽ. Trong EU, các nước phát triển mạnh CNNN đều có những kế hoạch
chiến lược thúc đẩy CNNN theo mục tiêu của nước mình. Ngoài Anh và Pháp là

7
những nước dành đầu tư lớn cho KH-CN NN, tại EU, có thể coi Đức là một ví dụ điển
hình nữa về đầu tư mạnh cho KH-CN NN. Ngay từ những năm đầu thập kỷ 90 của thế
kỷ trước, khi CNNN được xác định là một lĩnh vực có nhiều hứa hẹn, Đức đã triển
khai một chiến lược dành ưu tiên phần lớn tài trợ của Chính phủ cho lĩnh vực điện tử
nano, vật liệu nano, kỹ thuật và khoa học quang học.

Bảng 2: Tài trợ của Liên bang Đức cho các khu vực ưu đãi (triệu euro)

Lĩnh vực
2002
2003
2004
2005
điện tử nano
19,9
25,0
44,7
46,2
vật liệu nano
19,2
20,3
32,7
38,1
kỹ thuật và khoa học về quang học

18,5
25,2
26,0
26,0
Kỹ thuật vi hệ
7,0
7,0
9,4
10,2
nano sinh học
4,6
5,4
5,0
3,1
Truyền thông
4,3
4,0
3,6
3,4
Các lĩnh vực khác
0,4
1,3
2,4
2,2
Tổng
73,9
88,2
123,8
129,2
Nguồn: Roos, U, 2004. Germany’s Nanotechnology Strategy. Berlin: Bristissh

Embassy Berlin.

Tại châu á, theo các báo cáo của Chương trình Thông tin về Công nghệ Châu á
(ATIP), chương trình này có nhiệm vụ theo dõi những hoạt động phát triển công nghệ
của các quốc gia châu á, Nhật Bản là nước đầu tư mạnh cho KH-CN NN hàng đầu thế
giới. Như thấy ở Bảng 1, đầu tư của Nhật Bản trong lĩnh vực này đã đạt 900 triệu USD
năm 2004 và sẽ tăng lên 950 triệu USD vào cuối năm 2005. Mặc dù Chính phủ Nhật
Bản hỗ trợ mạnh cho nghiên cứu CNNN với một phạm vi rộng, nhưng nước này đã
nhận ra được thế mạnh của mình là ở cơ sở hạ tầng và chế tạo dụng cụ. Nhật Bản cũng
đặc biệt tập trung vào việc thương mại hoá CNNN. Gần đây, Nhật Bản đã tiến hành
một loạt các sáng kiến nhằm hỗ trợ cho các doanh nghiệp Nhật Bản và phát triển các
chiến lược nhằm hình thành những ngành công nghiệp liên quan tới CNNN mới. Với
vai trò là một bộ phận của chiến lược khoa học và công nghệ (KH&CN), Chính phủ
Nhật Bản đã coi việc “phát triển những linh kiện mới sử dụng CNNN” là một trong “5
dự án hàng đầu” nhằm phục hồi nền kinh tế của đất nước.
Trung Quốc đặc biệt có thế mạnh trong việc phát triển vật liệu nano. Với trọng tâm
nghiên cứu tập trung vào vật liệu nano, chi phí kinh doanh thấp, lực lượng lao động có
chuyên môn cao và thị trường nội địa tiềm năng lớn của Trung Quốc sẽ khuyến khích
những tập đoàn nước ngoài đang tìm kiếm cơ hội đầu tư phát triển vật liệu nano đầu tư
nhiều hơn vào nước này. Số lượng các công ty đăng ký hoạt động trong lĩnh vực
CNNN ở Trung Quốc bắt đầu tăng từ năm 2000 với tổng số vốn đăng ký vào khoảng
92 triệu USD. Năm 2003, số các công ty đăng ký hoạt động trong lĩnh vực này là 800

8
với tổng số vốn đăng ký là 1,2 tỷ USD. Tháng 6/2005, Chính phủ Trung Quốc tuyên
bố sẽ tăng đầu tư của Chính phủ vào CNNN nhằm tăng cường sử dụng công nghệ này
trong các ngành công nghiệp chế tạo và y học. Mặc dù không tiết lộ rõ ràng con số đầu
tư, nhưng các quan chức Trung Quốc cho biết khoản đầu tư trong giai đoạn kế hoạch 5
năm tới (2006-2010) sẽ tăng gấp vài lần con số 25,36 triệu USD được Bộ Khoa học và
Công nghệ Trung Quốc đầu tư giai đoạn 2001-2005.

ấn Độ cũng bắt đầu hướng sự chú ý vào CNNN. Bộ Khoa học và Công nghệ nước
này tuyên bố sẽ đầu tư 20 triệu USD trong giai đoạn 5 năm (2004-2009) cho Sáng kiến
Công nghệ và Khoa học Vật liệu nano. Những nước châu á khác cũng đang tập trung
những nỗ lực nghiên cứu CNNN vào những ngành công nghiệp mà họ có lợi thế so
sánh. Theo ATIP, Hàn Quốc đang tập trung vào lĩnh vực điện tử nano với sự tham gia
quan trọng của ngành công nghiệp. Theo Kế hoạch 10 năm về Thúc đẩy Công nghệ
nano (2001-2010), Hàn Quốc cam kết sẽ tài trợ 1,3 tỷ USD cho R&D công nghệ nano,
trong đó 66% là của Chính phủ và phần còn lại là của khu vực tư nhân. Đài Loan cũng
chủ trương hướng tới lĩnh vực điện tử nano dựa trên thế mạnh của nền công nghiệp
điện tử của hòn đảo này. Hội đồng Khoa học Quốc gia của Đài Loan, cơ quan điều
hành tài trợ Chính phủ cho CNNN của Đài Loan, dự định xây dựng 3 công viên nghiên
cứu công nghệ, trong đó 2 công viên sẽ tập trung vào nghiên cứu CNNN. Tại khu vực
Đông Nam á, ngoài Singapo đặc biệt chú trọng tới CNNN sinh học dựa trên lợi thế về
công nghệ sinh học của nước này, Thái Lan cũng đang ấp ủ dự thảo một kế hoạch
chiến lược 10 năm để thúc đẩy R&D công nghệ nano với tham vọng trở thành nước
dẫn đầu ASEAN về R&D công nghệ nano. Kế hoạch này nhằm thúc đẩy phát triển
CNNN để hỗ trợ 7 ngành công nghiệp lớn của nước này gồm: lương thực và nông
nghiệp, sản xuất ô tô và linh kiện ô tô, điện tử, xăng, hóa chất và dệt, năng lượng, môi
trường và y tế. Mục tiêu của kế hoạch là sản xuất ra những sản phẩm dựa trên công
nghệ nano trị giá 2,9 tỷ USD trong vòng 10 năm tới. 6 sản phẩm mục tiêu gồm: các
thiết bị cảm biến, các linh kiện điện tử nano, các hệ thống cung cấp thuốc, các vật liệu
vỏ bọc nano, các chất xúc tác nano và nano composit. Kế hoạch này cũng dự định sẽ
tăng ngân sách R&D công nghệ nano lên 290 triệu USD trong 10 năm tới.
Số lượng paten CNNN được đăng ký cũng phản ánh mức độ phát triển của KH-CN
NN. Có thể coi paten là một đơn vị được sử dụng để đánh giá vai trò, mức độ nổi trội
trong đổi mới công nghệ và thể hiện xu hướng tiến tới ứng dụng thương mại hoá.
Theo số liệu của Văn phòng Thương hiệu và Paten Mỹ (USTPO), số lượng các paten
liên quan tới CNNN đã tăng mạnh trong những năm qua. Năm 2003, hơn 8600 paten
về CNNN đã được đăng ký, tăng khoảng 50% so với số lượng được đăng ký năm
2000. 5 nước có số lượng paten CNNN đăng ký cao nhất trong năm 2003 là Mỹ

(5228), Nhật Bản (926), Đức (684), Canađa (244) và Pháp (183). Số lượng paten
CNNN của những nước khác được USTPO công bố như Hà Lan, Hàn Quốc và Trung
Quốc cũng tăng mạnh.

9
Sự phát triển của KH-CN NN còn được thể hiện qua các lĩnh vực nghiên cứu KH-
CN NN của các nước. Tháng 6/2004, Quỹ Khoa học Quốc gia Mỹ (NSF) đã tiến hành
điều tra về R&D CNNN ở 25 nước và EU. Các kết quả của cuộc điều tra đã cho thấy
một số nước có những chương trình nghiên cứu rộng, ví dụ như Mỹ, trong khi đó một
số nước khác lại chọn lựa đầu tư nghiên cứu có trọng điểm. Bảng 3 cho thấy những
lĩnh vực chủ chốt của CNNN mà một số nước đang tập trung vào nghiên cứu.

10
Bảng 3: Những lĩnh vực CNNN được các Chính phủ tập trung đầu tư

Nước
Vật
liệu/chế
tạo
Linh kiện
(gồm linh
kiện điện tử
và quang
học)

Năng
lượng và
môi
trường
Công
nghệ
sinh/y
học
Phát
triển
dụng cụ
Giáo
dục
áchentina
x





Ôxtrâylia
x
x
x
x


áo

Bỉ
x
x

x


Braxin
x
x

x


Canađa
x
x

x


Cộng Hoà
Séc
x
x

x


EU *
x
x
x
x
x
x
Pháp
x


x


Đức
x
x

x
x

ấn Độ
x
x

x
x

x
Aixơlen
x
x
x
x


Ixraen
x


x


Italia
x
x

x
x

Nhật Bản
x
x
x
x
x

Hàn Quốc

x
x




Mexicô
x





Hà Lan
x
x

x
x

Niu Zilân
x





Rumani
x

x


Nam Phi
x

x
x


Thuỵ Sỹ
x
x

x
x

Đài Loan
x
x

x


Anh
x
x

x

Mỹ
x
x
x
x
x
x

11
Nguồn: 6/2004 International Dialogue on Responsible Research ADN Development of
Nanotechnology,
* Mặc dù EU với tư cách là một liên minh các nước theo đuổi một chương trình
nghiên cứu rộng, nhưng từng thành viên EU (như Anh, Pháp, Đức, Thụy Sỹ ) vẫn
theo đuổi những lĩnh vực nghiên cứu mang tính trọng điểm hơn.

Có thể nhận thấy, phần lớn các nước thường đầu tư vào vật liệu/chế tạo, công nghệ
sinh học và điện tử. Kết quả là những lĩnh vực nghiên cứu này đặc biệt phát triển mạnh
và hứa hẹn góp phần cải thiện cuộc sống của con người. Ngoài ra, việc phát triển
nghiên cứu toàn diện hoặc có trọng điểm của các nước còn góp phần làm đa dạng hóa
các thành tựu đạt được trong lĩnh vực KH-CN NN.

II. sự phát triển của khoa học-công nghệ nano theo 5 lĩnh vực nghiên cứu chính

Do KH-CN NN bao trùm lên phạm vi rộng gồm nhiều lĩnh vực (từ hóa học, vật lý,
sinh học, tới kỹ thuật và điện tử ), nên có thể phân chúng theo 5 lĩnh vực nghiên cứu
chính gồm: vật liệu nano; hệ thống đo lường cỡ nano; KH-CN NN trong lĩnh vực điện
tử, quang điện tử, công nghệ thông tin và truyền thông (ICT); CNNN sinh học, nano y
học; đo lường cỡ nano. Sự phân chia này góp phần phân biệt sự phát triển của KH-CN

NN ở các lĩnh vực khác nhau, nhưng thực ra giữa chúng vẫn có sự giao thoa.

2.1. Vật liệu nano
Vật liệu nano là vật liệu trong đó có ít nhất một chiều có kích thước nm. Về trạng
thái của vật liệu, các nhà khoa học phân chia thành ba trạng thái, rắn, lỏng, khí. Vật
liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến
chất lỏng và khí. Về hình dáng vật liệu, các nhà khoa học phân ra thành các loại sau:
 Các vật liệu nano một chiều: màng mỏng, các lớp, các bề mặt ,
 Các vật liệu nano hai chiều:dây nano, các ống nano,
 Các vật liệu nano ba chiều: các hạt nano, các hạt keo, các chấm lượng tử, các
vật liệu dạng tinh thể nano, các đám nano ,
 Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposit trong đó chỉ có một
phần của vật liệu có kích thước nano, hoặc cấu trúc của nó có nano ba chiều,
một chiều, hai chiều đan xen nhau.
Hai yếu tố chính tạo nên các tính chất của vật liệu nano, làm cho nó khác biệt lớn
đối với các vật liệu khác, đó là diện tích bề mặt được tăng lên đáng kể và các hiệu ứng
lượng tử. Những yếu tố này có thể làm thay đổi hoặc tăng cường các tính chất ví dụ
như độ phản ứng, độ cứng và các tính chất về điện. Khi giảm kích thước một hạt, thì tỷ
lệ các nguyên tử ở trên bề mặt tăng lên so với các nguyên tử ở bên trong. Ví dụ, một
hạt có kích thước 30 nm có 5% nguyên tử ở trên bề mặt của nó, với kích thước 10nm

12
có 20% nguyên tử trên bề mặt của nó và 3 nm có 50% nguyên tử trên bề mặt của nó.
Do vậy, các hạt nano có diện tích bề mặt trên đơn vị khối lớn hơn so với các hạt lớn
hơn. Vì các phản ứng hóa học xúc tác diễn ra ở bề mặt, nên điều này có nghĩa là một
khối vật liệu dạng hạt nano sẽ phản ứng nhạy hơn với cùng khối vật liệu đó có cấu tạo
từ các hạt lớn hơn.
Song song với các hiệu ứng diện tích bề mặt, các hiệu ứng lượng tử bắt đầu chi phối
những tính chất của vật liệu khi kích thước bị giảm xuống cỡ nano. Chúng có thể tác
động tới phản ứng điện, từ tính và quang học của vật liệu đặc biệt là khi cấu trúc của

kích cỡ hạt tịnh tiến tới mức kích cỡ nhỏ nhất trong bảng kích thước nano. Vật liệu
nano khai thác những hiệu ứng này bao gồm các chấm lượng tử, các tia laze năng
lượng lượng tử (quantum well lasers), các linh kiện điện quang.
Đối với các vật liệu khác, ví dụ như những chất rắn tinh thể, khi kích thước các thành
phần cấu trúc của chúng giảm, thì diện tích giao diện trong lòng vật liệu tăng lên sẽ tác động
mạnh tới các tính chất điện và cơ. Hầu hết các kim loại được tạo ra từ các hạt tinh thể nhỏ,
khi vật liệu bị giảm kích cỡ xuống thì ranh giới giữa các hạt giảm xuống đến mức gần bằng
không, vì vậy tạo cho nó độ rắn. Nếu những hạt này có thể được làm cho cực nhỏ, hoặc
thậm chí ở kích thước nano, thì diện tích giao diện bên trong vật liệu tăng lên rất nhiều, điều
này càng làm tăng độ cứng của nó. Ví dụ, niken tinh thể nano có độ cứng bằng thép. Hiện
nay có rất nhiều vật liệu nano mới chỉ đang ở giai đoạn sản xuất trong phòng thí nghiệm,
nhưng một số ít đã bắt đầu được thương mại hóa.
Dưới đây là một số dạng vật liệu nano và những tính chất của chúng đang được
khoa học nano tìm hiểu.

2.1.1. Vật liệu nano một chiều: các màng mỏng, các lớp và các bề mặt
Vật liệu nano một chiều, ví dụ như các màng mỏng và các bề mặt, đã được phát triển và
sử dụng nhiều năm nay trong những lĩnh vực như chế tạo các linh kiện điện tử, hóa chất và
kỹ thuật. ở ngành công nghiệp mạch silic tích hợp, rất nhiều linh kiện hoạt động dựa trên
các màng mỏng và độ dày của các màng đang được giảm xuống dần tới cấp độ nguyên tử.
Các màng một lớp (các lớp có độ dày một nguyên tử hoặc một phân tử) cũng thường được
chế tạo và sử dụng trong ngành hóa chất. Các nhà khoa học đã nắm rõ sự hình thành và các
tính chất của những lớp này từ cấp độ phân tử trở lên, thậm chí kể cả ở các lớp phức hợp
hoàn toàn (ví dụ như dầu nhờn). Việc điều khiển thành phần cấu tạo, độ phẳng của các bề
mặt và phát triển các màng cũng đạt được nhiều tiến bộ.
Những tính chất của các bề mặt nano như diện tích bề mặt lớn hơn hoặc độ phản
ứng đặc trưng thường được sử dụng trong nhiều ứng dụng như pin nhiên liệu và các
chất xúc tác. Diện tích bề mặt lớn do các hạt nano tạo ra cùng với khả năng tự lắp ghép
của các hạt này trên một bề mặt hỗ trợ, đóng vai trò quan trọng trong tất cả những ứng
dụng đó.

13
2.1.2. Vật liệu nano hai chiều: các ống nano, dây nano
Vật liệu nano hai chiều ví dụ như các ống và các dây nano đã tạo ra nhiều ích lợi
cho nhiều ngành khoa học những năm gần đây. Đặc biệt, các tính chất cơ học và điện
học mới lạ của chúng là đối tượng của rất nhiều công trình nghiên cứu.
- Các ống nano cácbon
Các ống nano cácbon (CNT) lần đầu tiên được nhà vật lý người Nhật Bản, Sumio
Iijima, quan sát vào năm 1991. Có hai dạng ống CNT: ống đơn vách (một ống) hoặc
đa vách (các ống đồng tâm). Đặc thù của hai loại là có đường kính vài nm và dài từ vài
micromet (1 micromet=10
-6
m) tới vài cm. CNT giữ vai trò quan trọng trong CNNN
do các tính chất vật lý và hóa học mới lạ của chúng. Chúng rất cứng về mặt cơ học
(Các môđun theo tiêu chuẩn Young của chúng lớn hơn 1 terapascal, khiến cho chúng
cứng như kim cương), lại mềm dẻo (thể hiện ở trục của chúng) và có thể dẫn điện rất
tốt (số đường xoắn ốc của các dải graphene quyết định tính chất bán dẫn hay kim loại
của ống CNT). Tất cả những tính chất đó làm cho CNT có tiềm năng ứng dụng rất lớn
trong các hợp chất được gia cố, các thiết bị cảm biến, các linh kiện điện tử nano và
màn hình. Hiện nay, CNT đã được tung ra thị trường nhưng với số lượng hạn chế. Có
thể sử dụng một số kỹ thuật phát triển chúng như cắt bằng laze grafit có phụ gia kim
loại, phóng điện hồ quang cácbon và nhiệt phân hydrocácbon dùng xúc tác kim loại,
tuy nhiên các nhà khoa học vẫn chưa đạt được việc sản xuất có chọn lọc và đồng đều
các CNT với các chiều và các tính chất vật lý đặc trưng.
- Các ống nano vô cơ
Các ống nano vô cơ và những vật liệu dạng fullerene vô cơ có cấu tạo từ các hợp
chất có lớp ví dụ như molypđen đisulfua (MoS
2
) được phát hiện ngay sau CNT. Chúng

có những tính chất trơn tuyệt vời, chịu được tác động sóng va chạm, có phản ứng xúc
tác và có khả năng chứa hyđrô và lithi cao, điều này hứa hẹn mang lại rất nhiều ứng
dụng. Các nhà khoa học đang khai thác ống nano ôxit (ví dụ như titan điôxit) để ứng
dụng làm chất xúc tác, chất xúc tác quang học và tích trữ năng lượng.
- Các dây nano
Các dây nano là những dây cực mảnh hoặc dãy các chấm tuyến tính được hình
thành qua quá trình tự lắp ráp. Chúng có thể được làm từ nhiều loại vật liệu. Các dây
nano bán dẫn làm từ silic, gali nitrua và inđi photphua đã chứng tỏ có các tính chất từ
tính, điện tính và quang học khác thường (ví dụ, các dây nano silic điôxit có thể uốn
cong ánh sáng theo các góc rất nhỏ). Các dây nano có những ứng dụng tiềm năng
trong việc lưu giữ dữ liệu mật độ cao dưới dạng các đầu đọc từ tính hoặc phương tiện
lưu trữ theo mẫu, các thiết bị nano điện tử, điện tử quang học Việc phát triển những
dây nano này dựa trên những kỹ thuật phát triển phức tạp, trong đó có quá trình tự lắp
ráp, đây là quá trình các phân tử tự sắp xếp một cách tự nhiên trên các chất nền theo
bậc, quá trình lắng đọng ở thể hơi bằng phương pháp hóa học (CVD) lên trên các chất
nền theo mẫu và quá trình mạ điện hay cấy ghép bằng chùm phân tử (MBE).


14
- Các polime sinh học
Các polime sinh học, ví dụ như các phân tử ADN, góp phần giúp các cấu trúc nano
dây tự tổ chức thành những mô hình phức tạp hơn. Ví dụ, có thể bọc các xương sống
của ADN bằng kim loại nhờ đó có thể tích hợp công nghệ sinh học nano vào các thiết
bị cảm biến tương thích sinh học và các động cơ nhỏ, đơn giản. Những kiểu tự lắp ráp
của các cấu trúc nano có trụ hữu cơ như vậy thường được điều khiển bằng các lực
tương tác yếu, ví dụ như các liên kết hyđrô, các tương tác kỵ nước, hoặc các tương tác
Van der Waals (thông thường trong các môi trường nước) và vì thế đòi hỏi những cách
thức tổng hợp hoàn toàn khác các CNT. Việc kết hợp các cấu trúc nano một chiều
chứa các polime sinh học với các hợp chất vô cơ mang lại rất nhiều cơ hội nghiên cứu
cho các nhà khoa học và công nghệ (KH&CN).

2.1.3. Vật liệu nano ba chiều
- Các hạt nano
Các hạt nano thường có đường kính nhỏ hơn 100 nm gồm hai loại: hạt nano do tự
nhiên tạo ra và hạt nano nhân tạo.
- Các hạt nano do tự nhiên tạo ra hiện diện rất nhiều trong môi trường: kết quả của
hoạt động quang hóa, hoặc của núi lửa, do các loại thực vật và tảo tạo ra, kết quả của
việc đốt lửa hoặc nấu nướng thực phẩm và gần đây hơn là từ khí thải của phương tiện
giao thông.
- Các hạt nano nhân tạo chỉ chiếm thiểu số và rất được các nhà khoa học quan tâm
bởi những tính chất mới (ví dụ như phản ứng hóa học và hoạt động quang học) mà
chúng có so với các hạt lớn hơn của cùng vật liệu. Ví dụ, các hạt titan điôxit và kẽm
oxit trở nên trong suốt ở cỡ nano, tuy vậy lại có khả năng hấp thụ và phản chiếu tia UV
nên có thể ứng dụng làm các chất chống nắng. Các hạt nano này có đặc thù không phải
là các sản phẩm thành phẩm, mà thông thường giữ vai trò là nguyên liệu thô, thành
phần hoặc chất phụ gia cho các sản phẩm hoàn chỉnh. Mặc dù việc sản xuất ra chúng
hiện thời còn ít ỏi so với các vật liệu nano khác, nhưng chúng đã có mặt trong một số
lượng nhỏ các sản phẩm tiêu dùng, ví dụ như mỹ phẩm. Bên cạnh đó, những tính chất
mới và được nâng cao của chúng đang gây nhiều tranh cãi về độ độc hại của chúng.
Trong hầu hết các ứng dụng, các hạt nano được làm cố định (ví dụ, gắn vào một bề
mặt hoặc ở bên trong một hợp chất) hoặc chúng có thể ở dạng tự do hoặc lơ lửng trong
chất lỏng. Các hạt nano được cố định hay để tự do sẽ có tác động lớn tới môi trường,
hay sức khoẻ của con người như thế nào vẫn là một vấn đề gây tranh cãi trong cộng
đồng khoa học.
- Fullerenes (Carbon
60
)
Giữa thập kỷ 80 của thế kỷ trước, các nhà khoa học khám phá ra một dạng vật liệu cácbon
mới và gọi là cácbon

60 (C
60
). C
60
là những phân tử hình cầu có đường kính khoảng 1nm,
gồm 60 nguyên tử cácbon sắp xếp thành 20 hình lục giác và 12 hình ngũ giác, theo hình dạng
của một quả bóng. Dạng C
60
được đặt tên là “Buckminsterfullerene” để ghi nhận công lao của

15
Kiến trúc sư Buckminster Fuller, nổi tiếng về kiến trúc xây dựng những mái vòm và vì vậy
thuật ngữ “Fullerenes” được sử dụng để gọi bất cứ một cấu trúc cácbon khép kín nào. Năm
1990, các nhà khoa học đã phát triển kỹ thuật sản xuất C
60
với số lượng lớn bằng cách sử
dụng các que graphít nóng có điện trở trong môi trường heli. Nhiều ứng dụng đã được vạch ra
cho fullerenes, ví dụ như nhỏ hóa các vòng bi để bôi trơn các bề mặt, các phương tiện cung
cấp thuốc và các mạch điện tử.
- Các Dendrimer
Các Dendrimer là những phân tử polime hình cầu, được hình thành thông qua quá trình tự
lắp ráp phân cấp cỡ nano. Có rất nhiều loại Dendrimer; loại nhỏ nhất có kích thước chỉ vài
nm. Dendrimer được sử dụng trong các ứng dụng thông thường như các lớp vỏ bọc và mực,
nhưng các nhà khoa học cũng rất quan tâm tới những tính chất rất thú vị của chúng, những
tính chất này sẽ mang lại nhiều ứng dụng hữu ích. Ví dụ, các Dendrimer có thể hoạt động với
vai trò là các phân tử vận chuyển cỡ nano và vì vậy được sử dụng để cung cấp thuốc vào cơ
thể. Các Dendrimer còn được sử dụng làm sạch môi trường vì chúng có thể giữ lại các ion
kim loại, sau đó có thể lọc sạch các ion khỏi nước bằng các kỹ thuật siêu lọc.
- Các chấm lượng tử
Khái niệm về các hạt nano của chất bán dẫn (hay còn gọi là các chấm lượng tử) được đề ra

vào những năm thập kỷ 70 và chúng được tạo ra lần đầu tiên vào đầu thập kỷ 80 của thế kỷ
trước. Khi các hạt bán dẫn được chế tạo đủ nhỏ, thì bắt đầu xuất hiện hiệu ứng lượng tử. Hiệu
ứng này hạn định năng lượng tại các electron và các hố (lỗ hổng do mất một electron, một lỗ
hổng hoạt động như một điện tích dương) có trong các hạt. Vì năng lượng liên quan tới bước
sóng (hay màu sắc), nên điều này có nghĩa là có thể điều chỉnh các tính chất quang học của
hạt dựa trên kích thước. Vì vậy, có thể tạo ra các hạt phát ra hoặc hấp thụ các bước sóng đặc
trưng (các màu) của ánh sáng, chỉ đơn thuần bằng cách điều khiển kích thước của chúng. Gần
đây, các chấm lượng tử đã được áp dụng vào các composit, pin mặt trời (Pin Gratzel) và các
nhãn sinh học huỳnh quang (ví dụ để theo dõi một phân tử sinh học). Các ứng dụng này sử
dụng hạt có kích thước nhỏ và các mức năng lượng có thể điều chỉnh. Những tiến bộ gần đây
trong lĩnh vực hóa học đã dẫn tới việc ra đời các chấm lượng tử tinh thể, đơn phân tán, chất
lượng cao, một lớp bảo vệ có đường kính nhỏ tới 2nm. Những chấm này có thể được sử dụng
và xử lý như một chất phản ứng hóa học đặc thù.

2.2. Đo lường cỡ nano (Nanometrology)
2.2.1. Các phương pháp đo trong đo lường cỡ nano
Khoa học về đo lường ở kích cỡ nano được gọi là “Nanometrology”. ứng dụng của
nó là nền tảng của tất cả các KH-CN NN. Khả năng đo lường và mô tả vật liệu (xác
định kích thước, hình dạng và các tính chất vật lý) ở kích cỡ nano rất quan trọng vì các
vật liệu và linh kiện ở kích cỡ nano ngày càng được sản xuất với độ chính xác cao.
Hiện nay, có ba phương pháp đo ở cỡ nano chủ yếu gồm:
- Phương pháp đo chiều dài
- Phương pháp đo lực (thường ở phạm vi pico tới micronewton tương ứng với 10
-12
-
10
-6
Newton)

16

- Phương pháp đo các phân tử đơn (cách mô tả phân tử đơn).

2.2.2. Các công cụ được sử dụng trong hệ thống đo lường cỡ nano
- Các kỹ thuật chùm electron: (sử dụng TEM, HRTEM, SEM)
Kính hiển vi điện tử truyền dẫn (TEM) được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc bên
trong của các cấu trúc nano và micro. Nó hoạt động bằng cách làm cho các electron di
chuyển xuyên qua mẫu vật và sử dụng các thấu kính từ tính phóng đại hình ảnh của
cấu trúc, phần nào giống như ánh sáng chiếu xuyên qua vật liệu ở các kính hiển vi ánh
sáng thông thường. Do bước sóng của các electron ngắn hơn bước sóng của ánh sáng,
nên các hình ảnh của TEM có độ phân giải cao hơn so với các hình ảnh của một kính
hiển vi ánh sáng. TEM có thể cho thấy rõ những chi tiết nhỏ nhất của cấu trúc bên
trong, trong một số trường hợp lên tới từng nguyên tử. Các mẫu vật được sử dụng cho
TEM phải rất mỏng (thông thường là mỏng hơn 100 nm) để có nhiều electron được
truyền xuyên qua mẫu vật. Tuy nhiên, có thể phân tích trực tiếp một số vật liệu, ví dụ
như ống nano, các bột nano tinh thể hoặc các đám nano, bằng cách làm lắng trên một
vỉ TEM cấu tạo từ một màng cácbon. TEM và Kính hiển vi điện tử truyền dẫn có độ
phân giải cao (HRTEM) là những công cụ quan trọng nhất được sử dụng để mô tả cấu
trúc bên trong của một mẫu vật. Thêm vào đó, nếu HRTEM được trang bị thích hợp,
có thể thực hiện được việc phân tích hóa học bằng cách khai thác các tương tác của
electron với những nguyên tử trong mẫu vật.
Kính hiển vi điện tử quét hình (SEM) dựa rất nhiều vào công nghệ phát triển
của TEM để đưa ra những hình ảnh đặc trưng của bề mặt của mẫu vật. ở kỹ thuật
này, một chùm electron được chiếu tập trung vào một điểm có đường kính xấp xỉ
khoảng 1 nm trên bề mặt của mẫu vật và được quét trên bề mặt. Một hình ảnh,
tương ứng với tín hiệu được tạo ra do sự tương tác giữa điểm chùm với mẫu vật
tại mỗi một điểm dọc theo đường quét, được đồng thời tạo ra trên bề mặt của một
đèn chân không tương tự theo cách tạo ra một hình ảnh của tivi.
- Kỹ thuật đầu dò quét hình (sử dụng SPM, STM, AFM)
Kính hiển vi đầu dò quét hình (SPM) sử dụng sự tương tác giữa một đầu nhọn với một
mặt phẳng để thu được hình ảnh. Mũi nhọn được giữ rất gần với bề mặt và quét trên bề mặt.

Kính hiển vi quét hiệu ứng đường hầm (STM) được Gerd Binning và Heinrich Rohrer phát
minh vào năm 1981. ở kỹ thuật này, một mũi nhọn có độ sắc được đưa lại sát với một bề
mặt (thông thường ở khoảng cách 0,5 nm), do hiệu ứng đường hầm nên các electron có thể
vượt qua khoảng trống giữa bề mặt của vật liệu và đầu mũi nhọn. Phương pháp này cung
cấp thông tin về điện tính và cấu trúc bề mặt với độ phân giải nguyên tử. Phát minh ra STM
đã trực tiếp dẫn tới sự phát triển của các kính hiển vi đầu dò quét hình khác, ví dụ như Kính
hiển vi lực nguyên tử (AFM). AFM sử dụng một mũi nhọn ở phía cuối của một chiếc cần
dẻo. Khi mũi nhọn này được quét qua mẫu vật, thì có thể đo được độ dịch chuyển của phía
cuối chiếc cần. Không giống như STM đòi hỏi mẫu vật phải có tính dẫn điện, AFM có thể
chụp hình các vật liệu cách điện đơn giản bởi tín hiệu tương ứng với lực giữa mũi nhọn và

17
mẫu vật tạo ra, vì vậy phản chiếu hình ảnh đặc điểm bề mặt được quét qua. Có một số mô
hình AFM khác nhau. Mô hình tiếp xúc, mũi nhọn chạm tới mẫu vật, mô hình này được
thực hiện đơn giản nhưng có thể làm tổn hại tới mẫu vật vì mũi nhọn bị kéo trên các vật
liệu nhẹ. Mô hình chích lấy mẫu đã làm giảm bớt sai sót này: mũi nhọn được đung đưa và
chạm một cách không liên tục, vì vậy việc kéo rê mũi nhọn trong quá trình quét được giảm
thiểu hóa. Mô hình không tiếp xúc là mô hình mà mũi nhọn chỉ cảm nhận các lực hút với bề
mặt và không gây ra tổn hại. Mô hình này khó thực hiện về mặt kỹ thuật hơn vì những lực
này yếu so với lực tiếp xúc. Trong mô hình không tiếp xúc ở độ cách giữa bề mặt và mũi
nhọn lớn hơn, độ phân giải hình ảnh rất tồi, do vậy kỹ thuật này không thường xuyên được
sử dụng. Tuy nhiên, ở độ cách nhỏ, đòi hỏi có các thiết bị AFM chuyên dụng đặc biệt để
duy trì độ phân cách này, có thể đạt được độ phân giải nguyên tử thực sự ở mô hình không
tiếp xúc AFM.
- Các nhíp quang học (bẫy Građient chùm đơn)
Các nhíp quang học sử dụng một chùm tia laze đơn (được làm hội tụ bằng một kính hiển
vi chất lượng cao) tới một điểm trên mặt mẫu vật. áp lực bức xạ và các lực gardien từ điểm
đó tạo ra một “bẫy quang học”, bẫy này có thể giữ lại một hạt ở tại ngay chính giữa cái bẫy
này. Vì thế có thể đo được những lực tương tác nguyên tử nhỏ và các độ dịch chuyển. Có
thể phân tích những mẫu vật có phạm vi từ các nguyên tử đơn và các hình cầu có kích thước

micromet tới các dải ADN và các tế bào sống. Hiện nay, các nhíp quang học là phương
pháp tiêu chuẩn trong thao tác và đo lường. Có thể sử dụng nhiều “bẫy” cùng với những kỹ
thuật quang học khác, như các dao mổ bằng laze, loại công cụ có thể cắt được hạt đang
nghiên cứu.

2.3. Khoa học-công nghệ nano trong lĩnh vực điện tử, quang điện tử và công
nghệ thông tin và truyền thông (ICT)
Hiện nay, thị trường ngành công nghiệp công nghệ thông tin toàn cầu trị giá khoảng
1000 tỷ USD và được hy vọng sẽ đạt 3000 tỷ USD vào năm 2020. Có thể nhận thấy, không
có một khu vực công nghiệp nào lại có xu hướng vi tiểu hình hóa rõ ràng như ở khu vực
này. Điều này được phản ánh rõ nét nhất ở số lượng các transitor, hay nói cách khác các
khối kiến tạo nên vi mạch máy tính, trong suốt 30 năm qua. Năm 1971 mới chỉ có 2.300
transitor tập trung trên vi mạch 4004 của Hãng Intel, con chíp máy tính đầu tiên của Hãng
này, chạy với tốc độ tính theo đồng hồ (phép đo xem con chíp có thể hoạt động nhanh đến
mức nào) là 0,8 triệu lệnh trên giây. Tới năm 2003, bộ xử lý Xeon của Intel có tới 108 triệu
transitor hoạt động với tốc độ trên 3.000 triệu lệnh trên giây. Đáng lưu ý, kích thước vật lý
của con chíp máy tính vẫn không thay đổi trong thời gian này, có thể thấy chính những
transitor và tất cả hệ thống mạch gắn với nó đã được giảm kích thước rất nhiều. Số lượng
các transitor tăng lên trên một con chíp đi đôi với tốc độ xử lý tăng lên đã làm tăng tính kinh
tế của ngành công nghiệp công nghệ thông tin lên rất nhiều; năm 1971 để chế tạo một
transitor tốn khoảng 10 xent (đơn vị tiền của Anh), hiện nay nó tiêu tốn chưa tới 1 phần
nghìn xent. Tuy nhiên, công nghệ thu nhỏ transitor trên chip đã đạt tới giới hạn ở mức

18
0,1 mm (10
-7
m) và trở nên quá đắt, nếu cứ sử dụng các quy trình (oxy hoá, quang
khắc, khuyếch tán…) như hiện nay để chế tạo các bộ vi xử lý, các loại RAM, ROM
(bộ nhớ). Do đó, CNNN vừa là lối thoát, vừa là bước nhảy vọt để chế tạo các linh kiện
nòng cốt của điện toán và chuyển mạch của viễn thông.

KH-CN NN cũng có chung những mục tiêu với ICT thể hiện ở các ứng dụng của
CNNN: cải thiện hiểu biết về các tính chất ở cỡ nano của vật liệu và các linh kiện, những
tiến bộ trong chế tạo và công nghệ xử lý để tăng tỷ trọng đóng gói (tỷ trọng đóng gói có
nhiều lợi điểm cho ICT: tốc độ xử lý dữ liệu và khả năng chứa thông tin gia tăng) và khai
thác các công nghệ thay thế, những công nghệ có thể mang lại những lợi ích kinh tế hoặc
sản xuất. Rõ ràng khu vực ICT cũng có tác động mạnh tới KH-CN NN. Thực vậy, công
dụng đầu tiên của thế giới nano là ở mối quan hệ giữa các lớp siêu mỏng với ngành công
nghiệp bán dẫn. Vì vậy, nghiên cứu tất cả các khía cạnh của việc chế tạo linh kiện bán dẫn,
từ vật lý cơ bản tới công nghệ sản xuất, đã chi phối KH-CN NN rất nhiều và xu hướng này
sẽ còn tiếp diễn. Vi tiểu hình hóa các linh kiện sẽ càng thúc đẩy hơn nữa hoạt động nghiên
cứu nano trên toàn cầu. Vì những lý do kinh tế và lịch sử, trước mắt, khu vực ICT sẽ vẫn
sản xuất từ các vật liệu silíc. Tuy nhiên, hiện nay, thời hạn kết thúc mà Lộ trình ITRS
(International Technology Roadmap for Semiconductors-Lộ trình Công nghệ sản xuất chất
bán dẫn Quốc tế) đưa ra mới chỉ là vào năm 2018, vì vậy điều này đã thúc đẩy các nghiên
cứu chuyên sâu vào các công nghệ thay thế hoặc lai ghép trong ngành công nghiệp điện tử,
chẳng hạn như tạo ra các polime dẫn điện. Ngoài ra, KH-CN NN còn mở ra cho ICT một
triển vọng mới: chế tạo những linh kiện hoàn toàn mới, rẻ hơn và có tính năng cao hơn hẳn
các transitor. Ví dụ, một trong các phương án mà CNNN đưa ra, đó là sử dụng chấm lượng
tử (bán dẫn, kim loại, polime) có bán kính một, vài nanomét. Một chấm như vậy có hành vi
như một nguyên tử, tức là trong nó có một mức năng lượng, mà ở đó có thể điền vào một
điện tử. Khi chọn hai mức xác định, nếu điện tử ở mức trên, ta có trạng thái 1. Nếu điện tử ở
mức dưới, ta có trạng thái 0. Như thế chấm lượng tử trở thành linh kiện có 2 trạng thái (0 và
1), tức là có thể dùng để ghi 1 bit như transitor. Các chấm lượng tử đã được các nhà khoa
học nghiên cứu từ nhiều năm nay và đã được chế tạo các chip với các chấm lượng tử gọi là
chip nano (nanochip) có độ tích hợp rất cao. Nếu mỗi chấm có kích thước 10nm (10
-8
m) thì
trên một chip với diện tích 1 cm
2
sẽ có 1012 chấm tức là có thể dùng để xử lý, ghi 1000

Gigabit. Nếu các chấm lượng tử được chế tạo ở mức tinh vi, mỗi chiều chỉ có 1 nanomét ở
cả ba chiều, thì 1 linh kiện 1 cm
3
(bằng một viên đường) sẽ lưu trữ được 1000 tỷ tỷ bit, tức
là toàn bộ thông tin của tất cả các thư viện trên thế giới này có thể ghi trong “viên đường”
đó.
Quang điện tử cũng là một yếu tố chủ chốt của cuộc cách mạng công nghệ thông
tin. Đây là lĩnh vực liên quan tới các linh kiện dựa trên cơ chế chuyển hóa ánh sáng
thành những tín hiệu điện để truyền dữ liệu, ở các màn hình, ở các thiết bị cảm biến
quang học và trong tương lai là ở cả tin học quang học. Mặc dù một số linh kiện quang
điện tử không phụ thuộc quá nhiều vào xu hướng vi tiểu hình hóa như các chíp máy

19
tính, tuy vậy lĩnh vực này cũng đang diễn ra xu hướng vi tiểu hình hóa, thể hiện ở
một số bộ phận, ví dụ như những tia laze năng lượng lượng tử và các màn hình tinh thể
lỏng, là những bộ phận đòi hỏi được chế tạo với độ chính xác cỡ nm.

2.4. Công nghệ nano sinh học và nano y học
CNNN sinh học là việc tạo ra các thiết bị cực nhỏ có thể đưa vào mọi nơi trong cơ
thể để tiêu diệt virut và các tế bào ung thư, tạo ra hàng trăm các dược phẩm mới từ các
vi sinh vật mang ADN tái tổ hợp, tạo ra các protein cảm ứng có thể tiếp nhận các tín
hiệu của môi trường sống, tạo ra các động cơ sinh học mà phần di động được chỉ có
kích cỡ phân tử protein, tạo ra các chip sinh học và tiến tới khả năng tạo ra các máy
tính sinh học với tốc độ truyền đạt thông tin như não bộ .
Có thể coi những đơn vị phân tử được tạo ra trong tự nhiên là những cỗ máy cỡ
nano phức tạp nhất có chức năng quy định và điều khiển những hệ sinh học. Ví dụ,
protein là những cấu trúc phân tử có những chức năng chuyên biệt rõ ràng và tham gia
vào tất cả các quá trình trao đổi chất, vận chuyển phân tử, thông tin và tri giác. Khối
lượng của một thiết bị nano sinh học phân tử đơn, ví dụ như một protein, bằng từ 1
phần triệu tới 1 phần tỷ khối lượng một tế bào. Vì vậy, thế giới sinh học chính là

nguồn cung cấp rất nhiều thiết bị và bộ máy cỡ nano để khoa học và CNNN khai thác.
CNNN sinh học quan tâm tới những tính chất cỡ phân tử và các ứng dụng của các
cấu trúc nano sinh học và do vậy nó có vị trí là giao điểm của các khoa học hóa học,
sinh học và vật lý. CNNN không quan tâm tới việc sản xuất quy mô lớn các vật liệu
sinh học ví dụ như protein hoặc biến đổi gen của thực vật, sinh vật hoặc động vật để
tạo ra những tính chất được nâng cao. Bằng cách sử dụng các kỹ thuật chế tạo nano và
quy trình tự lắp ráp phân tử, CNNN sinh học cho phép sản xuất ra các vật liệu và thiết
bị bao gồm các mô và các cấu trúc giàn được biến đổi tế bào, các cơ vận động phân tử,
các phân tử sinh học dùng cho các thiết bị cảm biến, vận chuyển thuốc và các ứng
dụng cơ khí. CNNN sinh học còn có thể được sử dụng trong y học để tạo ra một
phương pháp tổng hợp, thử nghiệm để bào chế dược phẩm, nâng cao các kỹ thuật chẩn
đoán, liệu pháp và chiếu, chụp hình ở cấp độ tế bào và nhỏ hơn tế bào, với độ phân
giải cao hơn độ phân giải của Chụp hình Cộng hưởng Từ tính (MRI).
Mục đích chủ yếu nhất của đa số nghiên cứu hiện thời là thu được những hiểu biết
chi tiết về các cơ chế sinh lý và sinh hóa cơ bản ở cấp độ của từng phân tử. Kiến thức
này sẽ cho phép xác định được những quy luật tạo nên các cỗ máy cỡ phân tử, điều
này sẽ dẫn tới những ứng dụng công nghệ mới. Một số công cụ đã được phát triển
trong những năm gần đây, ví dụ như SPM, AFM và các “nhíp quang học” cho phép
quan sát trực tiếp hoạt động của từng phân tử bên trong các hệ sinh vật và sự chuyển
động của phân tử ở thời gian thực tế bên trong một động cơ ở cấp phân tử (molecular
motor).

20
2.5. Kỹ thuật chế tạo nano
Có nhiều kỹ thuật có thể chế tạo ra các cấu trúc nano với tốc độ, chất lượng và chi
phí khác nhau. Các phương thức chế tạo này có thể chia ra theo hai cách: "Từ dưới
lên" và "Từ trên xuống". Trong những năm gần đây, hai phương pháp này đã phát
triển tới giới hạn giao nhau mà ở đó kích thước đặc trưng và chất lượng mà mỗi một
kỹ thuật thu được là xấp xỉ như nhau, nên dẫn tới các phương pháp chế tạo lai ghép
mới.

Hình 1 thể hiện sơ đồ minh họa một số loại vật liệu và sản phẩm sử dụng cả hai kỹ
thuật này.

Hình 1 Sử dụng các kỹ thuật chế tạo "từ dưới lên" và "từ trên xuống"










2.5.1 Kỹ thuật chế tạo từ dưới lên


2.5.1 Kỹ thuật chế tạo từ dưới lên
Kỹ thuật chế tạo từ dưới lên là xây dựng nên từng nguyên tử hoặc từng phân tử của
cấu trúc. Các phương pháp để đạt được mục tiêu chế tạo từ dưới lên có thể phân theo
các cách: tổng hợp hóa học, tự lắp ráp và lắp ráp theo vị trí. Lắp ráp theo vị trí (có
nhiều ứng dụng thực tiễn làm công cụ chế tạo) là kỹ thuật duy nhất có thể sắp đặt có
mục đích từng nguyên tử hoặc phân tử. Còn thông thường, các nhà khoa học tạo ra,
hoặc sử dụng một số lượng lớn nguyên tử, phân tử hoặc hạt bằng phương pháp tổng
hợp hóa học và sau đó sắp xếp chúng thông qua các quá trình diễn ra tự nhiên thành
cấu trúc mong muốn.
- Tổng hợp hóa học
Tổng hợp hóa học là phương pháp sản xuất vật liệu thô, như các phân tử hoặc hạt,
để sau đó sử dụng trực tiếp trong các sản phẩm dưới dạng không sắp xếp nguyên khối
Từ dưới lên Từ trên xuống

Tổng hợp hóa học Tự lắp ráp Lắp ráp theo vị trí In litô Cắt, khắc,
mài


Hạt phân tử Tinh thể, Thiết bị nguyên tử hoặc Thiết bị điện tử Bề mặt gia
công
màng, ống phân tử thí nghiệm Mặt nạ chíp chính xác


Mỹ phẩm, Màn hình Tia năng lượng Gương quang
phụ gia nhiên liệu lượng tử học chất
Chip máy tính, lượng cao
MEMS


21
của chúng, hoặc làm các khối chế tạo các vật liệu có trật tự tiên tiến hơn, được tạo ra
bằng các kỹ thuật tự lắp ráp và lắp ráp theo vị trí .

Hình 2. Các quy trình chung sản xuất hạt nano

Pha tiền chất là điểm xuất phát, trong đó vật liệu có thể ở một trạng thái vật lý (rắn,
lỏng, khí) hoặc không gian (một chiều, hai chiều, ba chiều) bất kỳ nào. Bước đầu tiên
là tạo ra pha hoặc trạng thái mới để các hạt nano có thể hình thành hoặc được tạo ra
bằng công đoạn hóa học. Nói cách khác, bản thân sự thay đổi pha cũng có thể tạo ra
hạt nano (tuy hiếm nhưng vẫn có thể đạt được), mặc dù thông thường các nhà khoa
học tạo ra các điều kiện để chế tạo ra hạt nano, ví dụ như làm bay hơi một hỗn hợp tiền
chất. Khi đã ở trạng thái có thể tạo ra hạt nano, các nhà khoa học thực hiện một loại
phản ứng hóa học nào đó để tạo ra vật liệu mong muốn. Các nhà khoa học cũng có thể
cần phải biến đổi pha hơn nữa, hoặc thậm chí phải tạo ra phản ứng ở trạng thái rắn để
sản xuất ra thành phẩm.
- Tự lắp ráp
Tự lắp ráp là phương pháp trong đó các nguyên tử hoặc phân tử tự sắp xếp thành
cấu trúc có trật tự ở cỡ nano nhờ các tương tác vật lý hoặc hóa học giữa chúng. Sự
hình thành các tinh thể muối và các bông tuyết, với cấu trúc phức tạp của chúng, là các
ví dụ về quy trình tự lắp ráp. Mặc dù sự tự lắp ráp diễn ra trong tự nhiên từ hàng nghìn
năm nay, nhưng áp dụng quá trình tự lắp ráp vào công nghiệp còn tương đối mới. Hiện
nay, các nhà khoa học bắt đầu quan tâm đến lợi ích kinh tế và môi trường của các quy
trình tự lắp ráp trong đó vật liệu hoặc bộ phận sản phẩm tự hình thành, tạo ra ít phế
thải và sử dụng ít năng lượng.


Tiền chất Phản ứng Sản phẩm


Chất rắn Chế tạo Chất lỏng Biến đổi Tách

Chất lỏng Hơi Chất rắn

Khí Chất tạo cơ bản Sấy Thu hoạch

Chế tạo thứ cấp Nung


Hóa học


22
- Lắp ráp theo vị trí
Kỹ thuật chế tạo từ dưới lên cuối cùng là lắp ráp theo vị trí, trong đó từng nguyên
tử, phân tử hoặc các đám được điều khiển và định vị vào từng vị trí một. Kỹ thuật này
sử dụng các công cụ như SPM dùng để gia công trên bề mặt, hoặc các nhíp quang học
sử dụng trong không gian tự do. Lắp ráp theo vị trí là một kỹ thuật rất tốn công sức và
hiện nay không thích hợp để làm quy trình công nghiệp quy mô nguyên tử.

2.5.2. Kỹ thuật chế tạo từ trên xuống
Kỹ thuật chế tạo từ trên xuống là kỹ thuật bắt đầu với một mẩu vật liệu lớn và khắc
ăn mòn, nghiền hoặc gia công để tạo ra cấu trúc nano từ đó bằng cách loại bỏ bớt vật
liệu (ví dụ như trong chế tạo mạch trên vi chip). Chế tạo từ trên xuống có thể thực hiện
bằng các kỹ thuật như gia công chính xác và in litô và đã được ngành công nghiệp bán
dẫn phát triển và tinh chỉnh từ hơn 30 năm qua. Các kỹ thuật chế tạo từ trên xuống có
độ tin cậy cao và tạo được cấu trúc thiết bị phức tạp, mặc dù nói chung chúng sử dụng
nhiều năng lượng và tạo ra nhiều phế thải hơn so với kỹ thuật chế tạo từ dưới lên. Ví
dụ, sản xuất chip máy tính hiện nay không thể thực hiện bằng phương pháp chế tạo từ
dưới lên. Tuy nhiên, các kỹ thuật sử dụng phương pháp từ dưới lên (hoặc phương pháp
lai từ trên xuống/từ dưới lên) cũng đang được các nhà khoa học khám phá và khai
thác.

- Gia công chính xác
Nói chung, chế tạo và gia công siêu chính xác là nền tảng chủ chốt của ngành công
nghiệp vi điện tử trong nhiều lĩnh vực, từ sản xuất các miếng wafer bán dẫn phẳng,
bền được sử dụng làm chất nền cho chip máy tính, các giàn cơ học dùng định vị các
miếng xốp wafer, đến chế tạo dụng cụ quang học chính xác dùng để in mẫu lên các
miếng wafer. Ngoài ra, các kỹ thuật gia công siêu chính xác được sử dụng trong nhiều
sản phẩm tiêu dùng như đĩa cứng của máy tính, các đầu CD và DVD.
Các công cụ gia công siêu chính xác hiện nay có thể có công năng rất cao về độ
chính xác xác định hình dạng và độ hoàn thiện bề mặt có thể đạt được, mặc dù các độ
chính xác này hiện nay chỉ là trên các bề mặt tạo hình đơn giản. Khả năng này đạt
được là nhờ sự kết hợp của các tiến bộ gồm: sử dụng vật liệu tiên tiến làm công cụ cắt,
được làm từ kim cương hoặc Bo Nitrua lập phương; các cấu trúc công cụ gia công
chính xác, rất cứng; các thiết kế ổ trục quay và tuyến tính mới sử dụng màng chất
lỏng; các cảm biến điều khiển kích thước kết hợp với điều khiển kỹ thuật số và các
công nghệ truyền động trợ động tiên tiến.
- Kỹ thuật in litô
Kỹ thuật in litô là quy trình chế tạo chủ yếu trong lĩnh vực ICT, đây là quy trình in
mẫu lên một miếng wafer bán dẫn theo trình tự các bước gia công. In litô tạo ra mẫu
trên bề mặt bằng chiếu ánh sáng, ion hoặc chùm electron và sau đó khắc ăn mòn
và/hoặc kết tủa vật liệu lên bề mặt này để tạo ra thiết bị mong muốn. Khả năng tạo

23
mẫu ở cỡ nm là nền tảng cho sự thành công của ngành công nghiệp IT và Lộ trình
ITRS. Các công cụ in litô chủ chốt có thể được phân chia thành các phương pháp sử
dụng chùm tia ion, hoặc electron tập trung để vẽ mẫu và các phương pháp dựa vào
chiếu ánh sáng xuyên qua mặt nạ để ấn định mẫu trên miếng wafer bán dẫn hoàn
chỉnh. Các phương pháp sử dụng ion và electron có khả năng chế tạo cấu trúc kích
thước dưới 10 nm (in litô bằng chùm electron có độ phân giải thông thường lớn nhất),
tuy nhiên các phương pháp này có tốc độ rất chậm, không sử dụng trực tiếp vào sản
xuất được. In litô quang học được sử dụng để sản xuất linh kiện bán dẫn. Mặc dù

không đạt độ phân giải cao như của kỹ thuật dùng chùm tia, nhưng phương pháp này
có năng suất cao và hiệu quả về chi phí.
Nhu cầu cần có các cấu trúc linh kiện ngày càng nhỏ hơn bao giờ hết đã đặt ra các
yêu cầu kỹ thuật to lớn đối với quy trình in litô quang học, vì các cấu trúc nano có các
cỡ độ dài tương tự hoặc nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng rọi (ánh sáng cực tím). Mặc
dù có những trở ngại này, Lộ trình ITRS hy vọng phương pháp in litô quang học sẽ
đáp ứng được kích thước thiết bị trong tương lai đến năm 2016, với kích thước thiết bị
tới hạn đạt 22 nm.

2.5.3. Sự kết hợp của các kỹ thuật từ trên xuống và từ dưới lên
Mối tương quan giữa các kỹ thuật chế tạo từ trên xuống và từ dưới lên được minh
họa trong Hình 3. Phần "Từ trên xuống" là phần bổ sung vào bản đồ do Norio
Taniguchi thiết lập. Phần "Từ dưới lên" minh họa các quy trình từ dưới lên đã phát
triển để điều khiển các cấu trúc ngày càng lớn nhờ các tiến bộ của quy trình hóa học.
Hiện nay, các kích thước được hai phương pháp này điều khiển đã theo một trật tự
tương đương và điều này dẫn đến các phương pháp chế tạo lai mới, hấp dẫn


24
H×nh 3: Sù kÕt hîp cña c¸c kü thuËt s¶n xuÊt tõ trªn xuèng vµ tõ d-íi lªn (Whatmore
2001)




III. Các lĩnh vực ứng dụng và tiềm năng của khoa học-công nghệ nano

3.1. Các lĩnh vực ứng dụng của khoa học-công nghệ nano
KH-CN NN thường được xếp vào dạng “lĩnh vực đang được khám phá”, nên rất
nhiều ứng dụng của chúng mới chỉ ở dạng “tiềm năng”. Có thể xác định sự phát triển

các ứng dụng tương lai của nano theo các giai đoạn: ngắn hạn (dưới 5 năm); trung hạn
(5-15 năm) và dài hạn (trên 20 năm). Hội đồng Cố vấn Công nghệ Quốc gia, Mỹ, đã
đưa ra dự báo tổng thể các ứng dụng của CNNN trong những lĩnh vực ngắn hạn –
trung hạn – dài hạn như sau:
+ Ngắn hạn (1-5 năm)
- Các loại nano composit có tỷ lệ độ cứng trên trọng lượng, độ bền và các tính chất
khác được cải thiện cao,
- Các màng và bộ lọc nano để lọc sạch nước, khử muối và các ứng dụng khác,
- Các chất xúc tác được cải tiến sử dụng một hoặc nhiều loại kim loại ít đắt tiền,

1mm



10m

1m

100nm

10nm

1nm

0,1nm


1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

Năm

Tổng hợp
từ trên
xuống/từ
dưới lên
Kích thước
Kỹ thuật chế tạo “Từ trên xuống”
Kỹ thuật chế tạo “Từ dưới lên”
Công nghệ nano
Sinh hóa
Vật liệu nano
Hóa học
Gia công chính
Xác và siêu chính xác
In litô

Chùm năng lượng