時間：2023-03-24 15:26:01
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇超分子化學論文，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
英文名稱：Chinese Journal of Inorganic Chemistry
主管單位：中國科協
主辦單位：中國化學會
出版周期：月刊
出版地址：江蘇省南京市
語
種：中文
開
本：大16開
國際刊號：1001-4861
國內刊號：32-1185/O6
郵發代號：28-133
發行范圍：國內外統一發行
創刊時間：1985
期刊收錄：
CA 化學文摘(美)(2009)
SCI 科學引文索引(美)(2009)
CBST 科學技術文獻速報(日)(2009)
中國科學引文數據庫(CSCD―2008)
核心期刊：
中文核心期刊(2008)
中文核心期刊(2004)
中文核心期刊(2000)
中文核心期刊(1996)
中文核心期刊(1992)
期刊榮譽：
聯系方式
作者：房曉敏 徐元清 丁濤 任艷蓉 單位：河南大學化學化工學院
壓縮四大化學基礎課學時，合理配置先修后繼順序河南大學原有的應用化學專業基礎平臺課程模塊和化學專業基本相同。四大化學及其實驗課時充足，基礎非常扎實。但是，由于課時太多及先修順序問題使得后續專業方向課程及專業選修課程的學習壓力較大。造成第六學期和第七學期學生課業繁重，影響其考研、找工作及實踐課程的學習;另外，專業課程完全地偏于理科，達不到理工結合，也缺乏特色。四大化學課程中存在的重復交叉內容，也很有必要進行刪減、理順。國家教學指導委員會也發行了相關指導草案，使得在保障四大化學教學質量的基礎上，壓縮學時成為可能。壓縮四大化學學時，依照無機、分析、有機、物化的合理順序依次排課，并在前四學期內完成全部教學，給后續以四大化學為基礎的應用化學專業課程提供時間和空間。如無機化學及實驗的學時壓縮為54+36，在第一學期完成全部教學。分析化學及實驗壓縮為36+36學時，第二學期開課。同時，增設《儀器分析及實驗》課程，共72學時，其中講授36學時，實驗36學時。這主要是因為目前儀器分析在工業生產和科研中廣泛應用，要求必須加強此課程。有機化學和物理化學都為108學時，分為(一)和(二)分別提前到第二學期和第三學期開課，相應實驗和課程同學期開設，并在第五學期前完成全部四大化學基礎課程。
增設必要工科基礎課程，夯實工科基礎應用化學專業兼具理科和工科的特點，需要有堅實的化學基礎理論還需要兼具必要的化工基礎理論。原有的《化工基礎及實驗》是為非工科化學類專業開設的基礎課程，已遠遠不能適應目前應用化學專業的培養目標。因此，必須采用化工基礎理論課程———《化工原理及實驗》取代原有的化工基礎及實驗課程。《化工原理》是以四大化學為前修課程的一門化工基礎理論課程。開設學時設定為72+36學時，分別在第四學期和第五學期開課。《化工原理實驗》課程設置36學時，第五學期開課。此外，工科學生的培養，尤其是化工方向，離不開相應的電子電工學基礎以及工程制圖或化工制圖等方向的課程。在保證數學、物理等學科基礎平臺課程的基礎上，必須在專業基礎平臺課程中增設《電子電工學及實驗》和《工程制圖》課程及金工實習環節。《電子電工學及實驗》設置共72學時，其中36學時講授，36學時實驗，第三學期開課。《工程制圖》設置為54學時，第三學期完成課程教學。金工實習2周，第五學期進行。
開設“寬口徑”專業選修課程模塊應用化學還是一個包容性很強的學科。從全國重點高校的應用化學專業培養方案來看，各個高校的專業課程體系特色模塊差異較大，但是都體現自己的科研特色。例如北大，具有核藥物化學、輻射化學和輻射高分子、超分子化學與材料、新能源與材料和核環境化學5個特色研究方向，并開設應用輻射化學、應用放射化學等方面的選修課程。因此在專業課程設置中必須和學科科研特色結合起來，開設相關課程。根據自身學科科研特色以及師資力量，我們設置3類可供選擇的專業選修課程:偏向理學的應用化學方向模塊課程、偏向工科的專業方向模塊以及高分子材料方向模塊。此外，根據目前我院教師們的學術專長、特色研究方向和未來發展趨勢，開設了應用化學前沿講座、日用化學品、阻燃技術，農藥化學、高分子助劑及應用、染料化工與助劑、催化原理、精細化學品開發與設計等選修課程，開闊學生視野的同時，分享老師們研發產品的經驗、教訓以及研發思路。
以“大論文”為抓手，強化實踐教學環節
實踐教學是培養學生創新能力和應用型綜合人才的重要環節。在強化“基礎課程實驗—專業實驗—金工實習，工廠見習和頂崗實習—畢業論文”多層次課內實踐教學體系［2］的基礎上，我們采用以畢業論文環節為抓手，強化實踐教學環節。畢業論文是本科生人才培養鏈條中的一個重要綜合性實踐教學環節，對于保證人才質量、與人才市場對接是至關重要的。針對目前畢業論文環節設置不合理，時間短，任務重，監管不嚴的問題，我們采取“大論文”措施改革畢業論文環節，通過延長時間，注重過程，加強監管，使其真正成為“培養學生創新能力”的平臺。“大論文”之“大”主要體現在:思想意識上對畢業論文重視程度的提高;畢業論文要求的拔高;畢業論文時間的增加;畢業環節和專業課程的關聯與銜接更加密切;學生能力培養也更加綜合、立體等方面。首先，畢業論文開始時間提前到第五學期，在學生專業基礎課程學習完之后，即對學生開展畢業論文要求的教育，同時結合學院教師科研特色開展專業研究方向介紹，開闊學生視野，幫助學生了解相關研究領域、研究方向，并在此基礎上雙向選擇學生感興趣的課題和指導老師。然后根據課題，在指導老師的指導下，使學生有目的地選修必要的專業選修課程，為進入課題研究打下扎實的理論基礎。結合第五學期設置的文獻檢索課程和專業英語課程，在相關課程教師和課題指導老師的共同指導下，圍繞自選課題進行相關文獻信息的檢索，和專業文獻的閱讀與翻譯，相應考核成績分別記錄為文獻檢索及專業英語的課程成績。第六到第八學期，學生進入實驗室，在指導老師的指導下進行課題的初步探索。并在課題老師的指導下繼續選擇必要的專業課程進行學習。這個過程中，實施論文中期檢查回報和畢業答辯的監管。嚴格管理程序，設置必要的獎勵機制和淘汰機制，激發學生的主動性和創造熱情。
增加學生選課自由度，逐步實現自我規劃，自我培養
興趣是最好的老師，是人們主動去求知、去探索、去實踐的源動力。并且傳統的理學“精英教育”人才培養模式，和“大眾化教育”的現念相悖，也不符合社會和人才市場的需求，使得一些不擅長邏輯思維的學生體會不到學習的樂趣，造成教育資源的極大浪費;另一方面，培養了眾多遠大于社會需求的研究型人才，而社會和經濟建設急需的應用型人才得不到滿足。進入大學第五學期以后，學生已經具備了必要的應用化學專業基礎知識和技能，有必要引導他們根據自己的興趣和愛好選修專業課程，實現個性化教育［3］。因此，必須增加選修課比例，擴大選修課程范圍，為發揮學生學習的主動性和創造性留有充分的空間，使學生的個性和人格得到充分地、健康地發展。表1是河南大學課程設置及學分分配表。我們在專業選修課程模塊設置了大量可供選擇的課程，這些課程可以分為三類，以滿足學生個性化的需要，增大了學生選課的自由度，也使得學生的自我規劃，自我培養成為可能。選修課程的學分從原來的12學分提高到36.5學分，選修課程總比例達30.1%。當然，為避免個別學生的盲目性，選修過程是和前述畢業論文實踐環節相結合的，在論文指導老師的指導下，結合學生的興趣進行的選擇。此外，我們還采用積極支持低年級學生自由選擇參與的開放實驗、創新實驗以及高年級大學生的課程設計大賽等課外科研創新活動。注重課內與課外、校內與校外的實踐教學活動形成有機的整體，以全方位“立體”的教育模式實現教育目的。#p#分頁標題#e#
結語
針對培養方案執行過程中出現的問題，緊密結合市場對人才的需求，及時修訂完善專業培養方案是一個長抓不懈的過程。本文立足于解決河南大學應用化學專業培養方案運行過程中的不和諧，緊扣社會對人才的培養需求，圍繞“厚基礎、寬口徑”應用型人才培養目標，提出了在保證教學質量的基礎上，壓縮專業基礎平臺課程學時，加強必要化工基礎課程，增大選修課程自由度，延長畢業論文時間，并以畢業論文為抓手強化實踐教學環節。以此為出發點修訂的河南大學應用化學專業培養方案已經在2010和2011級學生中進行了試用，運行情況良好，為知識面寬、適應能力強的一專多能的創造型通識人才的培養奠定了基礎。
【摘要】 差示掃描量熱法(DSC)、傅立葉轉換紅外光譜(FT-IR)和X-射線粉末衍射(XRPD)研究表明實驗室精制得到的頭孢曲松鈉晶體屬單斜晶系，P21/c空間群。在Cerius2工作站SGI IRIX上應用能量最小化法確定了頭孢曲松鈉的晶體結構；基于BFDH、AE模型預測了頭孢曲松鈉晶體的晶習，其中AE模型預測的晶習與實際生長晶習相近，呈薄片狀。實驗定性考察了生長環境對頭孢曲松鈉晶習的影響。
【關鍵詞】 頭孢曲松鈉； 晶體結構； 晶習； X-射線衍射
ABSTRACT Studies of differential scanning calorimetry (DSC)， Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy， and X-ray powder diffraction (XRPD) on ceftriaxone sodium purified in laboratory indicate that the ceftriaxone sodium crystal belongs to monoclinic crystal system and space group of P21/c. The crystal structure of ceftriaxone sodium was determined on workstation SGI IRIX of Cerius2 based on the minimizing energy law; the crystal habit was predicted by BFDH law and AE law， respectively， of which the crystal habit predic-ted by AE law was plate， close to the practical habit grown from solution. The effects of crystal growth conditions on crystal habit of ceftriaxone sodium were qualitatively studied by experiments.
KEY WORDS Ceftriaxone sodium; Crystal structure; Crystal habit; X-ray powder diffraction
晶體的微觀結構與物質的宏觀物理、化學性質密切相關，決定著物質的晶形、密度、熔點等。對物質晶體結構的了解，將有助于在原子尺度上闡明物質各種性能的機制，對研究物質結構與性能之間的關系和規律具有重要意義［1］。晶習是表征晶體外部整體形態的量［2］。晶態有機固體的外形是其固液分離體系設計和操作的一個重要參數，影響下游操作過程(如過濾、洗滌、干燥)的效率和物質的性能(如堆密度、機械應力、潤濕性)［2～4］。晶體內部結構特性以及外部生長環境都能影響晶習［5］，如何利用這些信息去預測和控制真實條件下生長晶體的晶習在精細化工領域，尤其是制藥業，越來越受到關注和重視［6～8］。 頭孢曲松鈉(ceftriaxone sodium，C18H16N8Na2O7S3·3.5H2O)，曾譯頭孢三嗪，是新型、長效、廣譜的第三代半合成頭孢菌素，屬于β-內酰胺類抗生素，結構式如Fig.1所示［9］，1978年由瑞士Roche公司研發成功，1982年首次在瑞士上市，1984年12月21日獲得FDA認證，1996年專利到期。自上市以來，產品暢銷全世界，2000年頭孢曲松鈉在世界前200個暢銷藥中列第43位，在國內的銷售額居各抗感染藥物之首［10，11］。目前頭孢曲松鈉的研究熱點集中于合成以及藥理，鮮有報道其晶體結構和晶習方面的研究。由于頭孢曲松鈉難以培養出滿足測試要求的單晶，本文通過X-射線粉末衍射分析，應用分子設計軟件Cerius2(4.6
Fig.1
Structure of ceftriaxone sodium
版本)根據能量最小化方法得到了頭孢曲松鈉分子空間結構，并在此基礎上預測了產品晶習，為頭孢曲松鈉工業結晶過程的設計、優化提供了理論指導。
1 實驗部分
1.1 實驗原料
頭孢曲松鈉粗品由山東瑞陽制藥有限公司提供，實驗室精制后產品純度經高壓液相色譜(HPLC)檢測不小于99.5%。試樣再經研磨、篩分，選取粒度范圍在38～45μm之間的細晶用于X-射線粉末衍射測試。
1.2 DSC分析
差示掃描量熱儀(NETZSCH Thermal Analysis DSC204)：樣品置于封口的Al2O3坩鍋中，參比物為空的α-Al2O3坩鍋；升溫速率為5℃/min，升溫范圍從室溫到330℃；載氣為N2，流量50ml/min。儀器的熱焓采用銦作為標準物校正。
1.3 TG分析
本文采用NETZSCH TG209熱重分析儀測試頭孢曲松鈉的TG曲線，升溫速率為10℃/min，載氣為N2，流量為18ml/min。樣品用量為5.08mg，升溫范圍從室溫到200℃。
1.4 紅外分析
本文采用KBr壓片法在NICOLET 560型傅立葉變換紅外光譜儀(FT-IR)上對頭孢曲松鈉進行紅外光譜分析。
1.5 掃描電鏡(SEM)
本文采用Hitachi X650掃描電鏡(SEM)表征實驗樣品的晶習，操作電壓15kV，樣品放在黏著雙面膠的金屬片上，在觀察前需在氬氣保護下間歇噴金。
1.6 X-射線粉末衍射分析
頭孢曲松鈉的X-射線粉末衍射數據在日本理學(Rigaku)D/max-2500型單色X-射線衍射儀上收集，CuKα射線(λ＝1.5405)，石墨單色器，掃描速率1s/step，工作電壓40kV，工作電流100mA，測試溫度(25±1)℃。為保證樣品表面與測角儀軸心平行共面，裝樣采用鋁板背壓法。
2 實驗結果與討論
2.1 DSC曲線
頭孢曲松鈉的DSC譜圖如Fig.2所示，樣品在260℃附近存在一個尖銳的放熱峰，在放熱峰前還存在兩個小的吸熱峰。頭孢曲松鈉DSC曲線260℃附近的放熱峰是樣品熱分解放熱所致［12，13］，實驗測定的熱分解峰頂溫度TP為262.30℃，接近文獻值240～265℃［12，13］。與其他大多數頭孢菌素一樣［13］，頭孢曲松鈉的DSC曲線也沒有熔點峰，表明頭孢曲松鈉在熔化前已發生熱分解，故無法用量熱法來測定其純度。
2.2 TG-DTG分析
頭孢曲松鈉的TG-DTG譜圖如Fig.3所示，雖然TG曲線沒有表現出明顯的直角臺階狀，但DTG曲線的雙峰卻說明了頭孢曲松鈉在室溫至200℃之間的失重是分兩步完成的。根據TG線的失重百分率計算結果可知，第一步失重約6.30%，第二步失重約3.31%。頭孢曲松鈉分子中結晶水的理論百分含量是9.53%，參照中國藥典(CP2005)附錄M水分測定法中的費休氏法測得頭孢曲松鈉水分含量為9.5%，而實驗測得TG失重為9.61%，與理論結晶水含量基本相符。因此可推斷頭孢曲松鈉在室溫至200℃之間的TG失重是脫除結晶水所致［14］，Fig.2中DSC曲線熱降解放熱峰前出現的兩個小峰正是頭孢曲松鈉分兩步脫水而產生的吸熱峰。而且，頭孢曲松鈉的DSC曲線并未再出現脫溶劑峰，結合Fig.3所示的TG-DTG譜圖，可以初步判定實驗精制頭孢曲松鈉過程中未見形成溶劑化合物。
2.3 紅外分析
實驗室制備的頭孢曲松鈉與市售國外產品的紅外譜圖如Fig.4所示。β-內酰胺與雜環并接產生的特征峰出現在1740cm-1處，在3440～3260cm-1處出現的強而寬的峰是-OH和-NH伸縮振動引起的譜帶，-OH和-NH的伸縮振動頻率在此區域相互重疊而不易區分，由于分子內氫鍵，吸收頻率向低頻方向還存在一定的平移。1610cm-1附近處的強峰是芳核骨架振動的特征峰，1000cm-1附近的特征峰是芳環C-H面向彎曲振動引起的強吸收峰，但Ar-H在3030cm-1附近的特征峰由于-OH和-NH的存在而不明顯。1740cm-1處的強峰是羰基伸縮振動的特征峰，而1650cm-1處的強峰則是酰胺的羰基伸縮振動引起的。
2.4 X-射線粉末衍射分析
測試中發現當2θ>50°后，頭孢曲松鈉的XPRD譜圖不再出現明顯的衍射峰，因此在Rigaku D/max-2500X射線衍射儀上收集5°
2.5 頭孢曲松鈉晶體結構的確定
分子的空間結構信息對于確定晶體結構，研究晶體所屬空間群和原子位置具有重要作用。因此，在研究晶體結構之前研究分子的空間結構是必要的。分子的空間結構一般可以由兩種方法得到：一是通過實驗的方法，主要包括X-射線單晶衍射和2D-NMR技術；另一個是通過計算機輔助分子設計的理論計算方法，目前主要包括“原始”機制、半經驗機制以及分子機制模型，其中分子機制模型又有能量最小化、網格搜索、蒙特卡羅(Monte Carlo)以及分子動力學模擬等方法［15］。雖然單晶結構分析是諸多固態物質結構分析方法中提供信息最多、最常用的研究方法，已經成為合成化學及其相關學科、晶體工程和超分子化學等研究領域中必不可少的研究手段［16］，但目前X-射線單晶衍射儀對測試晶體的三維尺度(最小維的空間尺度不小于0.01mm)和質地(晶體不能出現缺陷)有嚴格的要求，由于頭孢曲松鈉晶體是薄片狀晶習，難以培養出合乎單晶測試要求的晶體，有一維的空間尺度小于0.01mm。頭孢曲松鈉是一種大分子有機鹽類，具有離子化合物的特性。因此本論文應用分子設計軟件Cerius2(4.6版本)中的3D-sketcher環境畫出分子結構圖，再通過電荷分配，選擇Dreading 2.21力場，最后根據能量最小化方法得到可能的頭孢曲松鈉分子空間結構如Fig.6所示。
頭孢曲松鈉晶體的晶胞投影如Fig.7所示，晶胞中每2個頭孢曲松鈉分子和7個水分子按Fig.6所示組成一個不對稱單元。由Fig.1可知，頭孢曲松鈉是一種大分子有機羧酸鈉鹽，存在鈉離子(Na+)與頭孢曲松酸根離子(C18H16N8O7S3)2-之間強的離子鍵；除此之外，每個晶胞中還存在眾多既是質子受體又能提供質子的水分子，而且每個(C18H16N8O7S3)2-中還含有2個-NH(與電負性大的N原子形成強極性鍵的氫原子)和6個-CO-(電負性大且又能提供孤對電子的氧原子)，易與水分子或其它頭孢曲松鈉分子之間的-CO-和-NH形成氫鍵，如Fig.7中虛線所示。
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2.6 頭孢曲松鈉晶習預測
在獲得頭孢曲松鈉晶體結構以及晶胞參數等數據以后，應用分子設計軟件Cerius2(4.6版本)中的morphology模塊，分別選取BFDH模型、AE模型對頭孢曲松鈉進行晶習預測，結果如Fig.8、Fig.9所示。由于完全基于晶體幾何結構理論的BFDH模型沒有考慮原子、鍵型、局部電荷、生長環境等對晶習的影響，當晶體中分子間的鍵能越大，各向異性越明顯時，模型預測的晶習與實際晶習的一致性也就越差［8］。頭孢曲松鈉是一種大分子有機鈉鹽，金屬鈉離子以及分子間氫鍵的存在，以及生長環境中溶劑極性、雜質的影響，使得采用BFDH模型預測的頭孢曲松鈉晶習(呈短棒狀)與在水-丙酮體系中生長的頭孢曲松鈉實際晶習(呈薄片狀)相差較大(Fig.10)。
較之BFDH模型，AE模型考慮了晶體的內部結構單元以及相互作用對晶習的影響，因而采用AE模型預測的晶習與實際晶習更相近，也呈薄片狀(如Fig.10所示)， 這也表明晶體內部結構基元以及相互作用鍵能對晶體的形態有重要的影響。AE模型預測的頭孢曲松鈉晶習由10個晶面包圍構成，101、101、002、011、011及其對應的等價晶面101、101、002、011、011。應用分子設計軟件Cerius2(4.6版本)中的surface builder模塊中的cleave crystal surface命令，可以展現出頭孢曲松鈉晶體不同晶面上的分子排列方式和密度，如Fig.11所示。
由Fig.11可見，不同晶面顯露出的原子或基團及其排列密度是不一樣的，圖中小球代表氧原子。雖然晶面氨基和羰基交替顯露，但羰基上的甲基基團增加了空間位阻，不利于頭孢曲松鈉分子之間或頭孢曲松鈉分子與極性溶劑分子之間形成氫鍵。101晶面上的氨基以一定角度顯露，羰基沿法線方向顯露，較101晶面更易形成分子間氫鍵。002、011、011晶面也都有羰基、氨基顯露，而沒有甲基顯露增加空間位阻，更有利于氫鍵的形成。因此101及其等價對稱晶面101具有較慢的生長速率，表現出較大的顯露面，而101、002、011、011晶面較101有更快的生長速率，表現出較小的顯露面，導致頭孢曲松鈉晶體呈片狀晶習。
2.7 生長環境對頭孢曲松鈉晶習的影響
影響晶習的主要因素除了晶體內部結構外，還有晶體生長過程中所處的外部環境， 例如溫度、 溶劑體系、雜質等［2～4］。本文定性考察了不同結晶操作條件以及含鈉離子添加劑對頭孢曲松鈉溶析結晶產品晶習的影響。
由于頭孢曲松鈉的熱敏性以及溶解度特性［9，11，14，17～20］，一般采用溶析結晶法分離、提純頭孢曲松鈉［11，21］。相同實驗條件下分別采用乙醇和丙酮作溶析劑得到的頭孢曲松鈉結晶產品的電鏡照片如Fig.12所示，晶習都呈薄片狀。這表明在實驗范圍內選用不同的溶析劑并未從宏觀上改變頭孢曲松鈉結晶產品的晶習。
相同溶析劑不同溶析結晶溫度得到的頭孢曲松鈉產品晶習的電鏡照片如Fig.13所示，在實驗選定溫度范圍內，雖然溫度升高會導致晶面生長速率增大，但各晶面的相對生長速率并沒有明顯變化，所以溫度并沒有對頭孢曲松鈉溶析結晶產品的晶習造成明顯的影響，只是使得溫度較高時得到的產品的平均粒度有所增大。
相同操作條件下，考察了氯化鈉、碳酸氫鈉、陰離子表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉對頭孢曲松鈉溶析結晶產品晶習的影響，結果如Fig.14所示。含鈉離子添加劑的加入，頭孢曲松鈉溶析結晶產品的晶習并沒有什么明顯的變化，還是呈薄片狀，這說明在實驗條件下氯化鈉、碳酸氫鈉、陰離子表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉對頭孢曲松鈉晶體各晶面的相對生長速率沒有明顯的影響。
3 結論
(1)頭孢曲松鈉溶析結晶產品的DSC、TG、FT-IR和XRPD分析測試結果表明，在實驗條件下得到的頭孢曲松鈉晶體具有相同的晶體結構。
(2)采用JADE 4.0軟件對XRPD數據進行指標化、精修，得到頭孢曲松鈉晶胞參數為a=9.2493，b=15.779，c=20.619，α=γ=90°，β=121.34°，屬于單斜晶系，空間群為P21/c。
(3)在Cerius2工作站SGI IRIX上應用能量最小化法確定了頭孢曲松鈉的晶體結構；基于BFDH、AE模型預測了頭孢曲松鈉晶體的晶習，其中AE模型預測的晶習與實際生長晶習相近，呈薄片狀。
(4)定性實驗研究范圍內，溶析劑種類、結晶溫度、含鈉粒子添加劑對頭孢曲松鈉溶析結晶過程產品的晶習沒產生明顯的影響。
(5)為獲得片狀晶習的頭孢曲松鈉晶體產品，工業上可以采用乙醇或丙酮作為溶析劑，但氯化鈉、碳酸氫鈉、陰離子表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉不宜選作頭孢曲松鈉結晶產品晶習的改進劑。
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1加強課程與專業聯系，激發學生學習
《大學化學》課程的積極性興趣既是學習的最好老師。能否將學生自然地引入到材料化學專業的學習中來，讓學生感受到材料化學的魅力，教師上好前言課可以說至關重要。新生上第一門專業基礎課時，一般都充滿好奇與渴望。教師若照本宣科、泛泛而談，學生只能按圖索驥，被動接受教材上的受死知識，他們大多興味索然甚至大失所望。教師若能獨辟蹊徑，借助多媒體優勢，向學生合理展示人類自古至今、特別是近年來材料科學界發展的新成就，如金剛石、寶石、發光材料、功能奇異的C60、N60、C90(目前報道的最小的碳納米管［3］)、N70、碳納米管，無機超分子，原子簇化合物，無機功能材料(如功能配合物、無機納米新材料與功能材料)，納米陶瓷、磁性、催化劑、氣敏及傳感材料等。事實上，這些五彩繽紛、性能奇特、形貌特異的材料大多可通過即將學習的《大學化學》課程的相關知識來制備、合成，而并不是遙不可及、的高端技術。通過這種方式，則深深吸引學生的目光，能激發學生學習的興趣。學生因此也能了解學習好《大學化學》課程的重要性，進而增強對材料化學專業學習的責任感和信心。在各章節的教學過程中，教師都應把其相關知識點與材料的合成、性能研究等密切聯系起來。比如，在學習晶體結構部分的知識時，我們在這一塊的講授就與其他專業的授課明顯不同，盡可能地把常見晶體(如NaCl、CsCl、ZnS、CaF2、K2S、CaTiO3、TiO2、Al2O3、MgAl2O4、Fe3O4、Co3O4、AgCl、AgI等)的晶體類別、空間結構等向學生講解闡述清楚，為其學習常見無機化合物、無機材料打下堅實的基礎。
2突破傳統的教學理念與方法，夯實理論基礎
講授法教學仍然是目前多數課程所用的最基本的教學方式，具有一定的優勢，即教師能連貫地向學生傳授基礎知識，并配合其它方法，可將基本概念、基本原理及相關課程知識傳授給學生。教授法運用得當，不僅能將講授內容系統、科學而準確地傳遞給學生，而且還能很好地突顯講授內容的重點和難點。然而，實際教學過程中若自始至終均采用這一方法，學生極易疲勞，產生厭倦甚至煩躁的心理。事實上，有些教師一直喜歡滿堂灌和填鴨式教學，教師在課堂上洋洋灑灑、痛痛快快地大講特講，卻完全忽略了學生作為教學主體的作用。這種教學，只是教師知識的傾瀉，而不是傳授，其結果是教師教得非常累，學生聽得更累，因而教學效果往往顯得特別差。在近幾年材料化學專業的學生對《大學化學》課程的授課評價中我們可以清楚地看到，學生對那些采取滿堂灌式教學的教師微詞頗多，普遍要求采用靈活多樣的教學方法，要充分激發學生學習的積極性。在我系《大學化學》課程教學團隊中，我們都十分重視教學理念的轉變、更新和教學方法的改革。我們都視其為課程能否鮮活生動的源泉。首先，我們確立了以學生學習為中心的教學觀念，以學生最大程度掌握好專業基礎知識為目標。如果把教師作為工程師或技術工人，那么學生將可看成為其加工的“產品”。“產品”質量的優劣，能否贏得市場，是檢驗作為教師教學質量是否合格的標準。要做到這一點，必須對學生進行科學合理地訓練和培養。因此，在課堂教學上，教師要積極引導，在十分融洽的環境下合理有序地向學生傳授知識，并能激起學生的求知欲，使其在課后有進一步跟蹤并深入研究的渴望。其次，為更好地傳授知識，改革教學方法，要采用靈活多樣、切實可行的教學方法，使學生以最直接、最有效的方式獲得知識。比如，在課前，教師要布置任務，設置問題，引導學生進行預習，通過多種途徑了解有關課題的成就以及最新發展動態，以吸引學生的注意力，讓其對所學內容產生濃厚的興趣。在課堂上，以多媒體教學為主，必需的板書為輔;以探討和學生參與教學作為主線，以教師補充和更正作為輔線;以經典基礎知識的教學和實際應用為主要教學內容，以相關科學前沿知識的穿插為輔助內容。課后，學生以完成經典題目作業為主要鞏固課程內容的方式，以查閱相關知識，進行實驗和撰寫課程小論文來擴大視野，等等。《大學化學》課程理論眾多，在有限的課時里讓學生牢固掌握眾多理論，難度較大。我們主要通過精選教學內容，采用精講、精練的方式，理論與實際相結合，科學前沿介紹與教師的科研課題相結合，深入簡出，形象生動地向學生進行傳授。通過具體的材料合成與應用示例，夯實基礎理論，加深《大學化學》與材料化學之間的聯系，使學生產生強烈的欲望和濃厚的興趣。
3轉變課程的管理機制
課程管理機制的建立與課程改革相適應，課程管理機制的優劣將直接關系到課程教學質量。課程改革的深入開展應是課程教學管理的核心內容，我們應積極探索新的教學理念，大力開展創新教育，逐步推進教學新模式的轉變，確保教學質量的提高。第一，我們要求《大學化學》課程教師都要進行教學研究，特別注重課堂教學、教學內容、教學模式以及教學細節方面的探索與研究。通過對課堂教學過程、特別是教學細節等方面的研究，讓教師更加重視教學規律。第二，加強課堂教學的誠信教育和情感交流，培養師生感情，幫助學生正確掌握求知觀，不僅要培養學生的道德情操和知識品德，還要增進學生服務于社會的意識和責任感。第三，不斷轉變教學方式，由封閉式教學向開放式教學轉變，由單向式教學向雙向式教學轉變。第四，教師要轉變自己的角色，盡快由“教書匠”轉變為“研究者”，由知識的“儲備者”向知識的“傳播者”轉變。教師要經常進行反思，逐步實現深層次創新，使自己成為一個教學理念、教學實踐的開拓者和研究者，崇尚科學，崇尚學術。第五，加強課堂教學的監督機制。我們主要通過教學督導、教研室聽課與評教、院領導隨機聽課以及學生期中進行教學評價等方式來提高課堂教學的管理與監督機制。第六，加強課程學習的獎懲機制。對本課程學習比較優秀的學生應及時進行表揚、鼓勵甚至獎勵，樹立模范。對那些不愛學習、偷懶疲沓的學生要及時教育、激勵以及必要的課程懲罰，如閱讀幾篇科學論文，撰寫小論文等。
4加大學生實踐與創新能力的培養
創新是關乎國家和民族昌盛興旺的靈魂和永不衰竭的動力源泉。創新人才的培養是大學教育義不容辭的責任。當代大學生創新人才的培養可以分為創新能力和創業素質的訓練兩個部分。《大學化學》作為專業基礎學科，在大學生創新能力培養方面具有更重要的基礎性作用，是其他學科無可替代的。因此，結合我系材料化學專業近幾年的發展，通過《大學化學》課程的教學與實踐，主要在以下幾個方面實施對大學生創新能力大力進行培養。(1)教師首先要有創新意識和創新實踐活動。通過教師教研和科研課題的申報與立項，教學改革的實施，教學方法的改進，教師進行各種形式的進修，通過指導學生申報課題項目，引導學生參與科學研究。帶領大學生參與各種競賽，領導學生直接服務于社會等，切實提高教師的創新意識和實踐活動。(2)精選并優化教學內容，使教學內容更加系統化、科學化。將大學化學課程中無機化學與化學分析中的相關知識緊密結合起來，盡量節省課時。(3)加大基礎實驗的權重，增設綜合性、設計性實驗和開放性實驗。(4)教師進行課題講座，通過專題研究，加強《大學化學》課程與專業學習的聯系。同時，挑選一些能力較強的學生在課堂上進行小專題報告，培養和鍛煉學生進行理論交流的能力。(5)積極邀請學生參與教師課題組或科研課題中來。讓學生參與教師的課題研究，不僅使學生了解科研的一般途徑，更重的是培養了學生的科研意識和素質，能使學生在進行課程學習時不自覺地提高了科學分辯和吸收的能力。
5結語
《大學化學》作為材料化學專業首門專業基礎課程，學術對本課程學習及掌握的程度，對其以后學習專業知識影響甚大。因此，作為教師與課程管理者，應密切關注《大學化學》課程教學質量的提高，切實采取有效的途徑，以對學生和社會負責，扎扎實實地辦好材料化學專業，為國家更多地輸送質量過硬的高級專門創新人才。
作者：潘 路 鮑 霞 朱其永 單位：淮南師范學院化學與化工系
關鍵詞微電子技術集成系統微機電系統DNA芯片
1引言
綜觀人類社會發展的文明史，一切生產方式和生活方式的重大變革都是由于新的科學發現和新技術的產生而引發的，科學技術作為革命的力量，推動著人類社會向前發展。從50多年前晶體管的發明到目前微電子技術成為整個信息社會的基礎和核心的發展歷史充分證明了“科學技術是第一生產力”。信息是客觀事物狀態和運動特征的一種普遍形式，與材料和能源一起是人類社會的重要資源，但對它的利用卻僅僅是開始。當前面臨的信息革命以數字化和網絡化作為特征。數字化大大改善了人們對信息的利用，更好地滿足了人們對信息的需求；而網絡化則使人們更為方便地交換信息，使整個地球成為一個“地球村”。以數字化和網絡化為特征的信息技術同一般技術不同，它具有極強的滲透性和基礎性，它可以滲透和改造各種產業和行業，改變著人類的生產和生活方式，改變著經濟形態和社會、政治、文化等各個領域。而它的基礎之一就是微電子技術。可以毫不夸張地說，沒有微電子技術的進步，就不可能有今天信息技術的蓬勃發展，微電子已經成為整個信息社會發展的基石。
50多年來微電子技術的發展歷史，實際上就是不斷創新的過程，這里指的創新包括原始創新、技術創新和應用創新等。晶體管的發明并不是一個孤立的精心設計的實驗，而是一系列固體物理、半導體物理、材料科學等取得重大突破后的必然結果。1947年發明點接觸型晶體管、1948年發明結型場效應晶體管以及以后的硅平面工藝、集成電路、CMOS技術、半導體隨機存儲器、CPU、非揮發存儲器等微電子領域的重大發明也都是一系列創新成果的體現。同時，每一項重大發明又都開拓出一個新的領域，帶來了新的巨大市場，對我們的生產、生活方式產生了重大的影響。也正是由于微電子技術領域的不斷創新，才能使微電子能夠以每三年集成度翻兩番、特征尺寸縮小倍的速度持續發展幾十年。自1968年開始，與硅技術有關的學術論文數量已經超過了與鋼鐵有關的學術論文，所以有人認為，1968年以后人類進入了繼石器、青銅器、鐵器時代之后硅石時代（siliconage）〖1〗。因此可以說社會發展的本質是創新，沒有創新，社會就只能被囚禁在“超穩態”陷阱之中。雖然創新作為經濟發展的改革動力往往會給社會帶來“創造性的破壞”，但經過這種破壞后，又將開始一個新的處于更高層次的創新循環，社會就是以這樣螺旋形上升的方式向前發展。
在微電子技術發展的前50年，創新起到了決定性的作用，而今后微電子技術的發展仍將依賴于一系列創新性成果的出現。我們認為：目前微電子技術已經發展到了一個很關鍵的時期，21世紀上半葉，也就是今后50年微電子技術的發展趨勢和主要的創新領域主要有以下四個方面：以硅基CMOS電路為主流工藝；系統芯片（SystemOnAChip，SOC）為發展重點；量子電子器件和以分子（原子）自組裝技術為基礎的納米電子學；與其他學科的結合誕生新的技術增長點，如MEMS，DNAChip等。
221世紀上半葉仍將以硅基CMOS電路為主流工藝
微電子技術發展的目標是不斷提高集成系統的性能及性能價格比，因此便要求提高芯片的集成度，這是不斷縮小半導體器件特征尺寸的動力源泉。以MOS技術為例，溝道長度縮小可以提高集成電路的速度；同時縮小溝道長度和寬度還可減小器件尺寸，提高集成度，從而在芯片上集成更多數目的晶體管，將結構更加復雜、性能更加完善的電子系統集成在一個芯片上；此外，隨著集成度的提高，系統的速度和可靠性也大大提高，價格大幅度下降。由于片內信號的延遲總小于芯片間的信號延遲，這樣在器件尺寸縮小后，即使器件本身的性能沒有提高，整個集成系統的性能也可以得到很大的提高。
自1958年集成電路發明以來，為了提高電子系統的性能，降低成本，微電子器件的特征尺寸不斷縮小，加工精度不斷提高，同時硅片的面積不斷增大。集成電路芯片的發展基本上遵循了Intel公司創始人之一的GordonE．Moore1965年預言的摩爾定律，即每隔三年集成度增加4倍，特征尺寸縮小倍。在這期間，雖然有很多人預測這種發展趨勢將減緩，但是微電子產業三十多年來發展的狀況證實了Moore的預言[2]。而且根據我們的預測，微電子技術的這種發展趨勢還將在21世紀繼續一段時期，這是其它任何產業都無法與之比擬的。
現在，0．18微米CMOS工藝技術已成為微電子產業的主流技術，0．035微米乃至0．020微米的器件已在實驗室中制備成功，研究工作已進入亞0．1微米技術階段，相應的柵氧化層厚度只有2．0～1．0nm。預計到2010年，特征尺寸為0．05～0．07微米的64GDRAM產品將投入批量生產。
21世紀，起碼是21世紀上半葉,微電子生產技術仍將以尺寸不斷縮小的硅基CMOS工藝技術為主流。盡管微電子學在化合物和其它新材料方面的研究取得了很大進展；但還不具備替代硅基工藝的條件。根據科學技術的發展規律，一種新技術從誕生到成為主流技術一般需要20到30年的時間，硅集成電路技術自1947年發明晶體管1958年發明集成電路,到60年代末發展成為大產業也經歷了20多年的時間。另外，全世界數以萬億美元計的設備和技術投入，已使硅基工藝形成非常強大的產業能力；同時，長期的科研投入已使人們對硅及其衍生物各種屬性的了解達到十分深入、十分透徹的地步，成為自然界100多種元素之最，這是非常寶貴的知識積累。產業能力和知識積累決定了硅基工藝起碼將在50年內仍起重要作用，人們不會輕易放棄。
目前很多人認為當微電子技術的特征尺寸在2015年達到0．030～0．015微米的“極限”之后，將是硅技術時代的結束，這實際上是一種誤解。且不說微電子技術除了以特征尺寸為代表的加工工藝技術之外，還有設計技術、系統結構等方面需要進一步的大力發展，這些技術的發展必將使微電子產業繼續高速增長。即使是加工工藝技術，很多著名的微電子學家也預測，微電子產業將于2030年左右步入像汽車工業、航空工業這樣的比較成熟的朝陽工業領域。即使微電子產業步入汽車、航空等成熟工業領域，它仍將保持快速發展趨勢，就像汽車、航空工業已經發展了50多年仍極具發展潛力一樣。
隨著器件的特征尺寸越來越小，不可避免地會遇到器件結構、關鍵工藝、集成技術以及材料等方面的一系列問題，究其原因，主要是：對其中的物理規律等科學問題的認識還停留在集成電路誕生和發展初期所形成的經典或半經典理論基礎上，這些理論適合于描述微米量級的微電子器件，但對空間尺度為納米量級、空間尺度為飛秒量級的系統芯片中的新器件則難以適用；在材料體系上，SiO2柵介質材料、多晶硅／硅化物柵電極等傳統材料由于受到材料特性的制約，已無法滿足亞50納米器件及電路的需求；同時傳統器件結構也已無法滿足亞50納米器件的要求，必須發展新型的器件結構和微細加工、互連、集成等關鍵工藝技術。具體的需要創新和重點發展的領域包括：基于介觀和量子物理基礎的半導體器件的輸運理論、器件模型、模擬和仿真軟件，新型器件結構，高k柵介質材料和新型柵結構，電子束步進光刻、13nmEUV光刻、超細線條刻蝕，SOI、GeSi／Si等與硅基工藝兼容的新型電路，低K介質和Cu互連以及量子器件和納米電子器件的制備和集成技術等。
3量子電子器件（QED）和以分子原子自組裝技術為基礎的納米電子學將帶來嶄新的領域
在上節我們談到的以尺寸不斷縮小的硅基CMOS工藝技術，可稱之為“scalingdown”，與此同時我們必須注意“bottomup”。“bottomup”最重要的領域有二個方面：
(1)量子電子器件（QED—QuantumElectronDevice）這里包括單電子器件和單電子存儲器等。它的基本原理是基于庫侖阻塞機理控制一個或幾個電子運動，由于系統能量的改變和庫侖作用，一個電子進入到一個勢阱，則將阻止其它電子的進入。在單電子存儲器中量子阱替代了通常存儲器中的浮柵。它的主要優點是集成度高；由于只有一個或幾個電子活動所以功耗極低；由于相對小的電容和電阻以及短的隧道穿透時間，所以速度很快；且可用于多值邏輯和超高頻振蕩。但它的問題是制造比較困難，特別是制造大量的一致性器件很困難；對環境高度敏感，可靠性難以保證；在室溫工作時要求電容極小（αF），要求量子點大小在幾個納米。這些都為集成成電路帶來了很大困難。
因此，目前可以認為它們的理論是清楚的，工藝有待于探索和突破。
(2)以原子分子自組裝技術為基礎的納米電子學。這里包括量子點陣列（QCA—Quantum－dotCellularAutomata)和以碳納米管為基礎的原子分子器件等。
量子點陣列由量子點組成，至少由四個量子點,它們之間以靜電力作用。根據電子占據量子點的狀態形成“0”和“1”狀態。它在本質上是一種非晶體管和無線的方式達到陣列的高密度、低功耗和實現互連。其基本優勢是開關速度快，功耗低，集成密度高。但難以制造，且對值置變化和大小改變都極為靈敏，0．05nm的變化可以造成單元工作失效。
以碳納米管為基礎的原子分子器件是近年來快速發展的一個有前景的領域。碳原子之間的鍵合力很強，可支持高密度電流，而熱導性能類似于金剛石，能在高集成度時大大減小熱耗散，性質類金屬和半導體，特別是它有三種可能的雜交態，而Ge、Si只有一個。這些都使碳納米管（CNT）成為當前科研熱點，從1991年發現以來，現在已有大量成果涌現，北京大學納米中心彭練矛教授也已制備出0．33納米的CNT并提出“T形結”作為晶體管的可能性。但是問題是如何去生長有序的符合設計性能的CNT器件，更難以集成。
目前“bottomup”的量子器件和以自組裝技術為基礎的納米器件在制造工藝上往往與“Scalingdown”的加工方法相結合以制造器件。這對于解決高集成度CMOS電路的功耗制約將會帶來突破性的進展。
QCA和CNT器件不論在理論上還是加工技術上都有大量工作要做，有待突破，離開實際應用還需較長時日！但這終究是一個誘人探索的領域，我們期待它們將創出一個新的天地。
4系統芯片（SystemOnAChip）是21世紀微電子技術發展的重點
在集成電路（IC）發展初期，電路設計都從器件的物理版圖設計入手，后來出現了集成電路單元庫（Cell－Lib），使得集成電路設計從器件級進入邏輯級，這樣的設計思路使大批電路和邏輯設計師可以直接參與集成電路設計，極大地推動了IC產業的發展。但集成電路僅僅是一種半成品，它只有裝入整機系統才能發揮它的作用。IC芯片是通過印刷電路板（PCB）等技術實現整機系統的。盡管IC的速度可以很高、功耗可以很小，但由于PCB板中IC芯片之間的連線延時、PCB板可靠性以及重量等因素的限制，整機系統的性能受到了很大的限制。隨著系統向高速度、低功耗、低電壓和多媒體、網絡化、移動化的發展，系統對電路的要求越來越高，傳統集成電路設計技術已無法滿足性能日益提高的整機系統的要求。同時，由于IC設計與工藝技術水平提高，集成電路規模越來越大，復雜程度越來越高，已經可以將整個系統集成為一個芯片。目前已經可以在一個芯片上集成108－109個晶體管，而且隨著微電子制造技術的發展，21世紀的微電子技術將從目前的3G時代逐步發展到3T時代（即存儲容量由G位發展到T位、集成電路器件的速度由GHz發展到燈THz、數據傳輸速率由Gbps發展到Tbps，注：1G=109、1T=1012、bps：每秒傳輸數據位數）。
正是在需求牽引和技術推動的雙重作用下，出現了將整個系統集成在一個微電子芯片上的系統芯片（SystemOnAChip，簡稱SOC）概念。
系統芯片（SOC）與集成電路（IC）的設計思想是不同的，它是微電子設計領域的一場革命，它和集成電路的關系與當時集成電路與分立元器件的關系類似，它對微電子技術的推動作用不亞于自50年代末快速發展起來的集成電路技術。
SOC是從整個系統的角度出發，把處理機制、模型算法、芯片結構、各層次電路直至器件的設計緊密結合起來，在單個（或少數幾個）芯片上完成整個系統的功能，它的設計必須是從系統行為級開始的自頂向下（Top－Down）的。很多研究表明，與IC組成的系統相比，由于SOC設計能夠綜合并全盤考慮整個系統的各種情況，可以在同樣的工藝技術條件下實現更高性能的系統指標。例如若采用SOC方法和0．35μm工藝設計系統芯片,在相同的系統復雜度和處理速率下，能夠相當于采用0．18～0.25μm工藝制作的IC所實現的同樣系統的性能；還有，與采用常規IC方法設計的芯片相比,采用SOC設計方法完成同樣功能所需要的晶體管數目約可以降低l～2個數量級。
對于系統芯片（SOC）的發展，主要有三個關鍵的支持技術。
（1）軟、硬件的協同設計技術。面向不同系統的軟件和硬件的功能劃分理論（FunctionalPartitionTheory），這里不同的系統涉及諸多計算機系統、通訊系統、數據壓縮解壓縮和加密解密系統等等。
（2）IP模塊庫問題。IP模塊有三種,即軟核，主要是功能描述；固核，主要為結構設計；和硬核，基于工藝的物理設計、與工藝相關，并經過工藝驗證過的。其中以硬核使用價值最高。CMOS的CPU、DRAM、SRAM、E2PROM和FlashMemory以及A／D、D／A等都可以成為硬核。其中尤以基于深亞微米的新器件模型和電路模擬為基礎，在速度與功耗上經過優化并有最大工藝容差的模塊最有價值。現在,美國硅谷在80年代出現無生產線（Fabless)公司的基礎上，90年代后期又出現了一些無芯片（Chipless）的公司,專門銷售IP模塊。
（3）模塊界面間的綜合分析技術,這主要包括IP模塊間的膠聯邏輯技術（gluelogictechnologies）和IP模塊綜合分析及其實現技術等。
微電子技術從IC向SOC轉變不僅是一種概念上的突破,同時也是信息技術新發展的里程碑。通過以上三個支持技術的創新,它必將導致又一次以系統芯片為主的信息技術上的革命。目前，SOC技術已經嶄露頭角，21世紀將是SOC技術真正快速發展的時期。
在新一代系統芯片領域，需要重點突破的創新點主要包括實現系統功能的算法和電路結構兩個方面。在微電子技術的發展歷史上,每一種算法的提出都會引起一場變革，例如維特比算法、小波變換等均對集成電路設計技術的發展起到了非常重要的作用,目前神經網絡、模糊算法等也很有可能取得較大的突破。提出一種新的電路結構可以帶動一系列的應用,但提出一種新的算法則可以帶動一個新的領域,因此算法應是今后系統芯片領域研究的重點學科之一。在電路結構方面,在系統芯片中，由于射頻、存儲器件的加入，其中的電路結構已經不是傳統意義上的CMOS結構，因此需要發展更靈巧的新型電路結構。另外，為了實現膠聯邏輯（GlueLogic）新的邏輯陣列技術有望得到快速的發展,在這一方面也需要做系統深入的研究。
5微電子與其他學科的結合誕生新的技術增長點
微電子技術的強大生命力在于它可以低成本、大批量地生產出具有高可靠性和高精度的微電子結構模塊。這種技術一旦與其它學科相結合,便會誕生出一系列嶄新的學科和重大的經濟增長點，這方面的典型例子便是MEMS（微機電系統）技術和DNA生物芯片。前者是微電子技術與機械、光學等領域結合而誕生的，后者則是與生物工程技術結合的產物。
微電子機械系統不僅是微電子技術的拓寬和延伸,它將微電子技術和精密機械加工技術相互融合，實現了微電子與機械融為一體的系統。MEMS將電子系統和外部世界聯系起來，它不僅可以感受運動、光、聲、熱、磁等自然界的外部信號，把這些信號轉換成電子系統可以認識的電信號，而且還可以通過電子系統控制這些信號，發出指令并完成該指令。從廣義上講，MEMS是指集微型傳感器、微型執行器、信號處理和控制電路、接口電路、通信系統以及電源于一體的微型機電系統。MEMS技術是一種典型的多學科交叉的前沿性研究領域，它幾乎涉及到自然及工程科學的所有領域，如電子技術、機械技術、光學、物理學、化學、生物醫學、材料科學、能源科學等〖3〗。
MEMS的發展開辟了一個全新的技術領域和產業。它們不僅可以降低機電系統的成本，而且還可以完成許多大尺寸機電系統所不能完成的任務。正是由于MEMS器件和系統具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、可靠性高、性能優異及功能強大等傳統傳感器無法比擬的優點,因而MEMS在航空、航天、汽車、生物醫學、環境監控、軍事以及幾乎人們接觸到的所有領域中都有著十分廣闊的應用前景。例如微慣性傳感器及其組成的微型慣性測量組合能應用于制導、衛星控制、汽車自動駕駛、汽車防撞氣囊、汽車防抱死系統（ABS）、穩定控制和玩具；微流量系統和微分析儀可用于微推進、傷員救護；信息MEMS系統將在射頻系統、全光通訊系統和高密度存儲器和顯示等方面發揮重大作用；同時MEMS系統還可以用于醫療、光譜分析、信息采集等等。現在已經成功地制造出了尖端直徑為5μm的可以夾起一個紅細胞的微型鑷子，可以在磁場中飛行的象蝴蝶大小的飛機等。
MEMS技術及其產品的增長速度非常之高，目前正處在技術發展時期，再過若干年將會迎來MEMS產業化高速發展的時期。2000年，全世界MEMS的市場達到120到140億美元，而帶來的與之相關的市場達到1000億美元。
目前，MEMS系統與集成電路發展的初期情況極為相似。集成電路發展初期，其電路在今天看來是很簡單的，應用也非常有限，以軍事需求為主,但它的誘人前景吸引了人們進行大量投資，促進了集成電路飛速發展。集成電路技術的進步,加快了計算機更新換代的速度，對CPU和RAM的需求越來越大,反過來又促進了集成電路的發展。集成電路和計算機在發展中相互推動，形成了今天的雙贏局面，帶來了一場信息革命。現階段的微機電系統專用性很強，單個系統的應用范圍非常有限,還沒有出現類似于CPU和RAM這樣量大面廣的產品。隨著微機電系統的進步，最后將有可能形成像微電子技術一樣有廣泛應用前景的新產業，從而對人們的社會生產和生活方式產生重大影響。
當前MEMS系統能否取得更更大突破，取決于兩方面的因素：第一是在微系統理論與基礎技術方面取得突破性進展，使人們依靠掌握的理論和基礎技術可以高效地設計制造出所需的微系統；第二是找準應用突破口，揚長避短，以特別適合微系統應用的重大領域為目標進行研究,取得突破，從而帶動微系統產業的發展。在MEMS發展中需要繼續解決的問題主要有：MEMS建模與設計方法學研究；三維微結構構造原理、方法、仿真及制造；微小尺度力學和熱學研究；MEMS的表征與計量方法學；納結構與集成技術等。
微電子與生物技術緊密結合誕生的以DNA芯片等為代表的生物芯片將是21世紀微電子領域的另一個熱點和新的經濟增長點。它是以生物科學為基礎，利用生物體、生物組織或細胞等的特點和功能，設計構建具有預期性狀的新物種或新品系，并與工程技術相結合進行加工生產，它是生命科學與技術科學相結合的產物。具有附加值高、資源占用少等一系列特點，正日益受到廣泛關注。目前最有代表性的生物芯片是DNA芯片。
采用微電子加工技術，可以在指甲蓋大小的硅片上制作出包含有多達萬種DNA基因片段的芯片。利用這種芯片可以在極快的時間內檢測或發現遺傳基因的變化等情況，這無疑對遺傳學研究、疾病診斷、疾病治療和預防、轉基因工程等具有極其重要的作用。
DNA芯片的基本思想是通過生物反應或施加電場等措施使一些特殊的物質能夠反映出某種基因的特性從而起到檢測基因的目的。目前Stanford和Affymetrix公司的研究人員已經利用微電子技術在硅片或玻璃片上制作出了DNA芯片〖4〗。他們制作的DNA芯片是通過在玻璃片上刻蝕出非常小的溝槽，然后在溝槽中覆蓋一層DNA纖維。不同的DNA纖維圖案分別表示不同的DNA基因片段，該芯片共包括6000余種DNA基因片段。DNA（脫氧核糖核酸）是生物學中最重要的一種物質，它包含有大量的生物遺傳信息，DNA芯片的作用非常巨大，其應用領域也非常廣泛：它不僅可以用于基因學研究、生物醫學等，而且隨著DNA芯片的發展還將形成微電子生物信息系統，這樣該技術將廣泛應用到農業、工業、醫學和環境保護等人類生活的各個方面，那時，生物芯片有可能象今天的IC芯片一樣無處不在。
目前的生物芯片主要是指通過平面微細加工技術及超分子自組裝技術，在固體芯片表面構建的微分析單元和系統，以實現對化合物、蛋白質、核酸、細胞以及其它生物組分的準確、快速、大信息量的篩選或檢測。生物芯片的主要研究包括采用生物芯片的具體實現技術、基于生物芯片的生物信息學以及高密度生物芯片的設計、檢測方法學等等。
6結語
在微電子學發展歷程的前50年中，創新和基礎研究曾起到非常關鍵的決定性作用。而隨著器件特征尺寸的縮小、納米電子學的出現、新一代SOC的發展、MEMS和DNA芯片的崛起，又提出了一系列新的課題，客觀需求正在“召喚”創新成果的誕生。
回顧20世紀后50年，展望21世紀前50年，即百年的微電子科學技術發展歷程，使我們深切地感受到，世紀之交的微電子技術對我們既是一個重大的機遇，也是一個嚴峻的挑戰，如果我們能夠抓住這個機遇，立足創新，去勇敢地迎接這個挑戰，則有可能使我國微電子技術實現騰飛，在新一代微電子技術中擁有自己的知識產權，促進我國微電子產業的發展，為迎接21世紀中葉將要到來的偉大的民族復興奠定技術基礎，以重鑄中華民族的輝煌！
參考文獻
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