時間：2023-03-24 15:26:01
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)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(nèi)容能成為您創(chuàng)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(xié)
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(nèi)刊號：32-1185/O6
郵發(fā)代號：28-133
發(fā)行范圍：國內(nèi)外統(tǒng)一發(fā)行
創(chuàng)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(shù)文獻速報(日)(2009)
中國科學引文數(shù)據(jù)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(lián)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(yè)基礎平臺課程模塊和化學專業(yè)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(xù)專業(yè)方向課程及專業(yè)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(yè)繁重，影響其考研、找工作及實踐課程的學習;另外，專業(yè)課程完全地偏于理科，達不到理工結(jié)合，也缺乏特色。四大化學課程中存在的重復交叉內(nèi)容，也很有必要進行刪減、理順。國家教學指導委員會也發(fā)行了相關(guān)指導草案，使得在保障四大化學教學質(zhì)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(nèi)完成全部教學，給后續(xù)以四大化學為基礎的應用化學專業(yè)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(yè)生產(chǎn)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(yè)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(yè)開設的基礎課程，已遠遠不能適應目前應用化學專業(yè)的培養(yǎng)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(yǎng)，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(shù)學、物理等學科基礎平臺課程的基礎上，必須在專業(yè)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(huán)節(jié)。《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(yè)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(yè)培養(yǎng)方案來看，各個高校的專業(yè)課程體系特色模塊差異較大，但是都體現(xiàn)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(huán)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(yè)課程設置中必須和學科科研特色結(jié)合起來，開設相關(guān)課程。根據(jù)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(yè)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(yè)方向模塊以及高分子材料方向模塊。此外，根據(jù)目前我院教師們的學術(shù)專長、特色研究方向和未來發(fā)展趨勢，開設了應用化學前沿講座、日用化學品、阻燃技術(shù)，農(nóng)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(fā)與設計等選修課程，開闊學生視野的同時，分享老師們研發(fā)產(chǎn)品的經(jīng)驗、教訓以及研發(fā)思路。
以“大論文”為抓手，強化實踐教學環(huán)節(jié)
實踐教學是培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和應用型綜合人才的重要環(huán)節(jié)。在強化“基礎課程實驗—專業(yè)實驗—金工實習，工廠見習和頂崗實習—畢業(yè)論文”多層次課內(nèi)實踐教學體系［2］的基礎上，我們采用以畢業(yè)論文環(huán)節(jié)為抓手，強化實踐教學環(huán)節(jié)。畢業(yè)論文是本科生人才培養(yǎng)鏈條中的一個重要綜合性實踐教學環(huán)節(jié)，對于保證人才質(zhì)量、與人才市場對接是至關(guān)重要的。針對目前畢業(yè)論文環(huán)節(jié)設置不合理，時間短，任務重，監(jiān)管不嚴的問題，我們采取“大論文”措施改革畢業(yè)論文環(huán)節(jié)，通過延長時間，注重過程，加強監(jiān)管，使其真正成為“培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力”的平臺。“大論文”之“大”主要體現(xiàn)在:思想意識上對畢業(yè)論文重視程度的提高;畢業(yè)論文要求的拔高;畢業(yè)論文時間的增加;畢業(yè)環(huán)節(jié)和專業(yè)課程的關(guān)聯(lián)與銜接更加密切;學生能力培養(yǎng)也更加綜合、立體等方面。首先，畢業(yè)論文開始時間提前到第五學期，在學生專業(yè)基礎課程學習完之后，即對學生開展畢業(yè)論文要求的教育，同時結(jié)合學院教師科研特色開展專業(yè)研究方向介紹，開闊學生視野，幫助學生了解相關(guān)研究領(lǐng)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(jù)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(yè)選修課程，為進入課題研究打下扎實的理論基礎。結(jié)合第五學期設置的文獻檢索課程和專業(yè)英語課程，在相關(guān)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(guān)文獻信息的檢索，和專業(yè)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(yè)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(xù)選擇必要的專業(yè)課程進行學習。這個過程中，實施論文中期檢查回報和畢業(yè)答辯的監(jiān)管。嚴格管理程序，設置必要的獎勵機制和淘汰機制，激發(fā)學生的主動性和創(chuàng)造熱情。
增加學生選課自由度，逐步實現(xiàn)自我規(guī)劃，自我培養(yǎng)
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(tǒng)的理學“精英教育”人才培養(yǎng)模式，和“大眾化教育”的現(xiàn)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(yǎng)了眾多遠大于社會需求的研究型人才，而社會和經(jīng)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(jīng)具備了必要的應用化學專業(yè)基礎知識和技能，有必要引導他們根據(jù)自己的興趣和愛好選修專業(yè)課程，實現(xiàn)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(fā)揮學生學習的主動性和創(chuàng)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(fā)展。表1是河南大學課程設置及學分分配表。我們在專業(yè)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(guī)劃，自我培養(yǎng)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(yè)論文實踐環(huán)節(jié)相結(jié)合的，在論文指導老師的指導下，結(jié)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(chuàng)新實驗以及高年級大學生的課程設計大賽等課外科研創(chuàng)新活動。注重課內(nèi)與課外、校內(nèi)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(xiàn)教育目的。#p#分頁標題#e#
結(jié)語
針對培養(yǎng)方案執(zhí)行過程中出現(xiàn)的問題，緊密結(jié)合市場對人才的需求，及時修訂完善專業(yè)培養(yǎng)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(yè)培養(yǎng)方案運行過程中的不和諧，緊扣社會對人才的培養(yǎng)需求，圍繞“厚基礎、寬口徑”應用型人才培養(yǎng)目標，提出了在保證教學質(zhì)量的基礎上，壓縮專業(yè)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(yè)論文時間，并以畢業(yè)論文為抓手強化實踐教學環(huán)節(jié)。以此為出發(fā)點修訂的河南大學應用化學專業(yè)培養(yǎng)方案已經(jīng)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(chuàng)造型通識人才的培養(yǎng)奠定了基礎。
【摘要】 差示掃描量熱法(DSC)、傅立葉轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)；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(huán)境對頭孢曲松鈉晶習的影響。
【關(guān)鍵詞】 頭孢曲松鈉； 晶體結(jié)構(gòu)； 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(jié)構(gòu)與物質(zhì)的宏觀物理、化學性質(zhì)密切相關(guān)，決定著物質(zhì)的晶形、密度、熔點等。對物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)的了解，將有助于在原子尺度上闡明物質(zhì)各種性能的機制，對研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系和規(guī)律具有重要意義［1］。晶習是表征晶體外部整體形態(tài)的量［2］。晶態(tài)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(shù)，影響下游操作過程(如過濾、洗滌、干燥)的效率和物質(zhì)的性能(如堆密度、機械應力、潤濕性)［2～4］。晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性以及外部生長環(huán)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(lǐng)域，尤其是制藥業(yè)，越來越受到關(guān)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(nèi)酰胺類抗生素，結(jié)構(gòu)式如Fig.1所示［9］，1978年由瑞士Roche公司研發(fā)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(chǎn)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(nèi)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(jié)構(gòu)和晶習方面的研究。由于頭孢曲松鈉難以培養(yǎng)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(jù)能量最小化方法得到了頭孢曲松鈉分子空間結(jié)構(gòu)，并在此基礎上預測了產(chǎn)品晶習，為頭孢曲松鈉工業(yè)結(jié)晶過程的設計、優(yōu)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(chǎn)品純度經(jīng)高壓液相色譜(HPLC)檢測不小于99.5%。試樣再經(jīng)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(shù)據(jù)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(jié)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(shù)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(fā)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(xiàn)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(jù)TG線的失重百分率計算結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)晶水所致［14］，F(xiàn)ig.2中DSC曲線熱降解放熱峰前出現(xiàn)的兩個小峰正是頭孢曲松鈉分兩步脫水而產(chǎn)生的吸熱峰。而且，頭孢曲松鈉的DSC曲線并未再出現(xiàn)脫溶劑峰，結(jié)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(chǎn)品的紅外譜圖如Fig.4所示。β-內(nèi)酰胺與雜環(huán)并接產(chǎn)生的特征峰出現(xiàn)在1740cm-1處，在3440～3260cm-1處出現(xiàn)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(qū)域相互重疊而不易區(qū)分，由于分子內(nèi)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(huán)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(fā)現(xiàn)當2θ>50°后，頭孢曲松鈉的XPRD譜圖不再出現(xiàn)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(jié)構(gòu)的確定
分子的空間結(jié)構(gòu)信息對于確定晶體結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)之前研究分子的空間結(jié)構(gòu)是必要的。分子的空間結(jié)構(gòu)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(shù)；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(jīng)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(wǎng)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(jié)構(gòu)分析是諸多固態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析方法中提供信息最多、最常用的研究方法，已經(jīng)成為合成化學及其相關(guān)學科、晶體工程和超分子化學等研究領(lǐng)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(zhì)地(晶體不能出現(xiàn)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(yǎng)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(huán)境畫出分子結(jié)構(gòu)圖，再通過電荷分配，選擇Dreading 2.21力場，最后根據(jù)能量最小化方法得到可能的頭孢曲松鈉分子空間結(jié)構(gòu)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(zhì)子受體又能提供質(zhì)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(jié)構(gòu)以及晶胞參數(shù)等數(shù)據(jù)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(jié)果如Fig.8、Fig.9所示。由于完全基于晶體幾何結(jié)構(gòu)理論的BFDH模型沒有考慮原子、鍵型、局部電荷、生長環(huán)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(huán)境中溶劑極性、雜質(zhì)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)基元以及相互作用鍵能對晶體的形態(tài)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(gòu)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(huán)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(nèi)部結(jié)構(gòu)外，還有晶體生長過程中所處的外部環(huán)境， 例如溫度、 溶劑體系、雜質(zhì)等［2～4］。本文定性考察了不同結(jié)晶操作條件以及含鈉離子添加劑對頭孢曲松鈉溶析結(jié)晶產(chǎn)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(jié)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(jié)晶產(chǎn)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(nèi)選用不同的溶析劑并未從宏觀上改變頭孢曲松鈉結(jié)晶產(chǎn)品的晶習。
相同溶析劑不同溶析結(jié)晶溫度得到的頭孢曲松鈉產(chǎn)品晶習的電鏡照片如Fig.13所示，在實驗選定溫度范圍內(nèi)，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(jié)晶產(chǎn)品的晶習造成明顯的影響，只是使得溫度較高時得到的產(chǎn)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(jié)晶產(chǎn)品晶習的影響，結(jié)果如Fig.14所示。含鈉離子添加劑的加入，頭孢曲松鈉溶析結(jié)晶產(chǎn)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(jié)論
(1)頭孢曲松鈉溶析結(jié)晶產(chǎn)品的DSC、TG、FT-IR和XRPD分析測試結(jié)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(jié)構(gòu)。
(2)采用JADE 4.0軟件對XRPD數(shù)據(jù)進行指標化、精修，得到頭孢曲松鈉晶胞參數(shù)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(jié)構(gòu)；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(nèi)，溶析劑種類、結(jié)晶溫度、含鈉粒子添加劑對頭孢曲松鈉溶析結(jié)晶過程產(chǎn)品的晶習沒產(chǎn)生明顯的影響。
(5)為獲得片狀晶習的頭孢曲松鈉晶體產(chǎn)品，工業(yè)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(jié)晶產(chǎn)品晶習的改進劑。
【參考文獻】
［1］ 梁敬魁. 粉末衍射法測定晶體結(jié)構(gòu)(上、下冊)［M］. 北京：科學出版社，2003.
［2］ Myerson A S， Handbook of Industrial Crystallization (2nd) ［M］. Oxford: Butterworth-Heinemann，2001.
［3］ 王靜康. 化學工程手冊——結(jié)晶(第二版)［M］. 北京：化學工業(yè)出版社，1996.
［4］ Mullin J W. Crystallization 3rd［M］. Oxford: Butterworth-Heinemann，1997.
［5］ 李小娜，尹秋響，陳巍，等. 溶劑對對苯二酚晶體晶習的影響［J］. 化工學報，2006，57(3)：480～485.
［6］ Tanguy D， Marchal P. Relations between the properties of particles and their process of manufacture ［J］. Chem Engin Rese Design，1996，74(A7):715～722.
［7］ Winn D， Doherty M F. Modeling crystal shapes of organic materials grown from solution ［J］. AIChE J，2000，46(7):1348～1367.
［8］ Winn D， Doherty M F. A new technique for predicting the shape of solution-grown organic crystals ［J］. Aiche J， 1998， 44 (11): 2501～2514.
［9］ 國家藥典委員會. 中華人民共和國藥典2005年版(二部)［S］. 北京：化學工業(yè)出版社，2005.
［10］ 潘杰. 頭孢曲松鈉結(jié)晶過程研究 (碩士學位論文)［D］. 天津大學，2004.
［11］ 張春桃，王靜康，王永莉. 頭孢曲松鈉結(jié)晶工藝研究進展［J］. 中國抗生素雜志，2006，31(7):388～402.
［12］ Martin-Gil J， Villa F M， Ramos-Sanchez M C， et al. Studies on beta-lactam antibiotics differential thermal analysis of cephalsporins ［J］. J Thermal Anal，1984，29(6):1351～1357.
［13］ 鄭頡，張建芳. 用差示掃描量熱法測定頭孢菌素類藥物的熱降解穩(wěn)定性［J］. 藥學學報，1987，22(4):278～283.
［14］ Zhang C T， Wang J K， Wang Y L. Non-isothermal dehydration kinetics of ceftriaxone disodium hemiheptahydrate ［J］. Ind Engineer Chem Res，2005，44(18):7057～7061.
［15］ 郝紅勛. 地塞米松磷酸鈉耦合結(jié)晶過程研究 (博士學位論文)［D］. 天津大學，2003.
［16］ 陳小明，蔡繼文. 單晶結(jié)構(gòu)分析原理與實踐［M］. 北京：科學出版社，2003.
［17］ Dong H， Fu R， Yan W， et al. Solubility and density of the disodium salt hemiheptahydrate of ceftriaxone in (acetone plus water) at T=(298.15，308.15， and 318.15) K ［J］. J Chem Thermodyn，2004，36(2):155～159.
［18］ Zhu M. Solubility and density of the disodium salt hemiheptahydrate of ceftriaxone in water plus ethanol mixtures ［J］. J Chem Engineer Data，2001，46(2):175～176.
［19］ Fu R， Yan W， Zhu M. Solubility and density，of the disodium salt hemiheptahydrate of ceftriaxone in water plus methanol mixtures ［J］. J Chem Engineer Data，2004，49(2):262～263.
1加強課程與專業(yè)聯(lián)系，激發(fā)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(yè)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(guān)重要。新生上第一門專業(yè)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(yōu)勢，向?qū)W生合理展示人類自古至今、特別是近年來材料科學界發(fā)展的新成就，如金剛石、寶石、發(fā)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(guān)知識來制備、合成，而并不是遙不可及、的高端技術(shù)。通過這種方式，則深深吸引學生的目光，能激發(fā)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(yè)學習的責任感和信心。在各章節(jié)的教學過程中，教師都應把其相關(guān)知識點與材料的合成、性能研究等密切聯(lián)系起來。比如，在學習晶體結(jié)構(gòu)部分的知識時，我們在這一塊的講授就與其他專業(yè)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(jié)構(gòu)等向?qū)W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(tǒng)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(shù)課程所用的最基本的教學方式，具有一定的優(yōu)勢，即教師能連貫地向?qū)W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(guān)課程知識傳授給學生。教授法運用得當，不僅能將講授內(nèi)容系統(tǒng)、科學而準確地傳遞給學生，而且還能很好地突顯講授內(nèi)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(chǎn)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(jié)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(yè)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(fā)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(zhuǎn)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(yè)基礎知識為目標。如果把教師作為工程師或技術(shù)工人，那么學生將可看成為其加工的“產(chǎn)品”。“產(chǎn)品”質(zhì)量的優(yōu)劣，能否贏得市場，是檢驗作為教師教學質(zhì)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(yǎng)。因此，在課堂教學上，教師要積極引導，在十分融洽的環(huán)境下合理有序地向?qū)W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(guān)課題的成就以及最新發(fā)展動態(tài)，以吸引學生的注意力，讓其對所學內(nèi)容產(chǎn)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(jīng)典基礎知識的教學和實際應用為主要教學內(nèi)容，以相關(guān)科學前沿知識的穿插為輔助內(nèi)容。課后，學生以完成經(jīng)典題目作業(yè)為主要鞏固課程內(nèi)容的方式，以查閱相關(guān)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(nèi)容，采用精講、精練的方式，理論與實際相結(jié)合，科學前沿介紹與教師的科研課題相結(jié)合，深入簡出，形象生動地向?qū)W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(lián)系，使學生產(chǎn)生強烈的欲望和濃厚的興趣。
3轉(zhuǎn)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(yōu)劣將直接關(guān)系到課程教學質(zhì)量。課程改革的深入開展應是課程教學管理的核心內(nèi)容，我們應積極探索新的教學理念，大力開展創(chuàng)新教育，逐步推進教學新模式的轉(zhuǎn)變，確保教學質(zhì)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(nèi)容、教學模式以及教學細節(jié)方面的探索與研究。通過對課堂教學過程、特別是教學細節(jié)等方面的研究，讓教師更加重視教學規(guī)律。第二，加強課堂教學的誠信教育和情感交流，培養(yǎng)師生感情，幫助學生正確掌握求知觀，不僅要培養(yǎng)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(zhuǎn)變教學方式，由封閉式教學向開放式教學轉(zhuǎn)變，由單向式教學向雙向式教學轉(zhuǎn)變。第四，教師要轉(zhuǎn)變自己的角色，盡快由“教書匠”轉(zhuǎn)變?yōu)椤把芯空摺保芍R的“儲備者”向知識的“傳播者”轉(zhuǎn)變。教師要經(jīng)常進行反思，逐步實現(xiàn)深層次創(chuàng)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(shù)。第五，加強課堂教學的監(jiān)督機制。我們主要通過教學督導、教研室聽課與評教、院領(lǐng)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(jiān)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(yōu)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(chuàng)新能力的培養(yǎng)
創(chuàng)新是關(guān)乎國家和民族昌盛興旺的靈魂和永不衰竭的動力源泉。創(chuàng)新人才的培養(yǎng)是大學教育義不容辭的責任。當代大學生創(chuàng)新人才的培養(yǎng)可以分為創(chuàng)新能力和創(chuàng)業(yè)素質(zhì)的訓練兩個部分。《大學化學》作為專業(yè)基礎學科，在大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)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(jié)合我系材料化學專業(yè)近幾年的發(fā)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(chuàng)新能力大力進行培養(yǎng)。(1)教師首先要有創(chuàng)新意識和創(chuàng)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(lǐng)大學生參與各種競賽，領(lǐng)導學生直接服務于社會等，切實提高教師的創(chuàng)新意識和實踐活動。(2)精選并優(yōu)化教學內(nèi)容，使教學內(nèi)容更加系統(tǒng)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(guān)知識緊密結(jié)合起來，盡量節(jié)省課時。(3)加大基礎實驗的權(quán)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(yè)學習的聯(lián)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(yǎng)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(yǎng)了學生的科研意識和素質(zhì)，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(jié)語
《大學化學》作為材料化學專業(yè)首門專業(yè)基礎課程，學術(shù)對本課程學習及掌握的程度，對其以后學習專業(yè)知識影響甚大。因此，作為教師與課程管理者，應密切關(guān)注《大學化學》課程教學質(zhì)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(yè)，為國家更多地輸送質(zhì)量過硬的高級專門創(chuàng)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(guān)鍵詞微電子技術(shù)集成系統(tǒng)微機電系統(tǒng)DNA芯片
1引言
綜觀人類社會發(fā)展的文明史，一切生產(chǎn)方式和生活方式的重大變革都是由于新的科學發(fā)現(xiàn)和新技術(shù)的產(chǎn)生而引發(fā)的，科學技術(shù)作為革命的力量，推動著人類社會向前發(fā)展。從50多年前晶體管的發(fā)明到目前微電子技術(shù)成為整個信息社會的基礎和核心的發(fā)展歷史充分證明了“科學技術(shù)是第一生產(chǎn)力”。信息是客觀事物狀態(tài)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(shù)字化和網(wǎng)絡化作為特征。數(shù)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(wǎng)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(shù)字化和網(wǎng)絡化為特征的信息技術(shù)同一般技術(shù)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(chǎn)業(yè)和行業(yè)，改變著人類的生產(chǎn)和生活方式，改變著經(jīng)濟形態(tài)和社會、政治、文化等各個領(lǐng)域。而它的基礎之一就是微電子技術(shù)。可以毫不夸張地說，沒有微電子技術(shù)的進步，就不可能有今天信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，微電子已經(jīng)成為整個信息社會發(fā)展的基石。
50多年來微電子技術(shù)的發(fā)展歷史，實際上就是不斷創(chuàng)新的過程，這里指的創(chuàng)新包括原始創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新和應用創(chuàng)新等。晶體管的發(fā)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(jié)果。1947年發(fā)明點接觸型晶體管、1948年發(fā)明結(jié)型場效應晶體管以及以后的硅平面工藝、集成電路、CMOS技術(shù)、半導體隨機存儲器、CPU、非揮發(fā)存儲器等微電子領(lǐng)域的重大發(fā)明也都是一系列創(chuàng)新成果的體現(xiàn)。同時，每一項重大發(fā)明又都開拓出一個新的領(lǐng)域，帶來了新的巨大市場，對我們的生產(chǎn)、生活方式產(chǎn)生了重大的影響。也正是由于微電子技術(shù)領(lǐng)域的不斷創(chuàng)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(xù)發(fā)展幾十年。自1968年開始，與硅技術(shù)有關(guān)的學術(shù)論文數(shù)量已經(jīng)超過了與鋼鐵有關(guān)的學術(shù)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(fā)展的本質(zhì)是創(chuàng)新，沒有創(chuàng)新，社會就只能被囚禁在“超穩(wěn)態(tài)”陷阱之中。雖然創(chuàng)新作為經(jīng)濟發(fā)展的改革動力往往會給社會帶來“創(chuàng)造性的破壞”，但經(jīng)過這種破壞后，又將開始一個新的處于更高層次的創(chuàng)新循環(huán)，社會就是以這樣螺旋形上升的方式向前發(fā)展。
在微電子技術(shù)發(fā)展的前50年，創(chuàng)新起到了決定性的作用，而今后微電子技術(shù)的發(fā)展仍將依賴于一系列創(chuàng)新性成果的出現(xiàn)。我們認為：目前微電子技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了一個很關(guān)鍵的時期，21世紀上半葉，也就是今后50年微電子技術(shù)的發(fā)展趨勢和主要的創(chuàng)新領(lǐng)域主要有以下四個方面：以硅基CMOS電路為主流工藝；系統(tǒng)芯片（SystemOnAChip，SOC）為發(fā)展重點；量子電子器件和以分子（原子）自組裝技術(shù)為基礎的納米電子學；與其他學科的結(jié)合誕生新的技術(shù)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(shù)發(fā)展的目標是不斷提高集成系統(tǒng)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(shù)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(shù)目的晶體管，將結(jié)構(gòu)更加復雜、性能更加完善的電子系統(tǒng)集成在一個芯片上；此外，隨著集成度的提高，系統(tǒng)的速度和可靠性也大大提高，價格大幅度下降。由于片內(nèi)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(tǒng)的性能也可以得到很大的提高。
自1958年集成電路發(fā)明以來，為了提高電子系統(tǒng)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(fā)展基本上遵循了Intel公司創(chuàng)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(fā)展趨勢將減緩，但是微電子產(chǎn)業(yè)三十多年來發(fā)展的狀況證實了Moore的預言[2]。而且根據(jù)我們的預測，微電子技術(shù)的這種發(fā)展趨勢還將在21世紀繼續(xù)一段時期，這是其它任何產(chǎn)業(yè)都無法與之比擬的。
現(xiàn)在，0．18微米CMOS工藝技術(shù)已成為微電子產(chǎn)業(yè)的主流技術(shù)，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(shù)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(chǎn)品將投入批量生產(chǎn)。
21世紀，起碼是21世紀上半葉,微電子生產(chǎn)技術(shù)仍將以尺寸不斷縮小的硅基CMOS工藝技術(shù)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(jù)科學技術(shù)的發(fā)展規(guī)律，一種新技術(shù)從誕生到成為主流技術(shù)一般需要20到30年的時間，硅集成電路技術(shù)自1947年發(fā)明晶體管1958年發(fā)明集成電路,到60年代末發(fā)展成為大產(chǎn)業(yè)也經(jīng)歷了20多年的時間。另外，全世界數(shù)以萬億美元計的設備和技術(shù)投入，已使硅基工藝形成非常強大的產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)能力和知識積累決定了硅基工藝起碼將在50年內(nèi)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(shù)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(shù)時代的結(jié)束，這實際上是一種誤解。且不說微電子技術(shù)除了以特征尺寸為代表的加工工藝技術(shù)之外，還有設計技術(shù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面需要進一步的大力發(fā)展，這些技術(shù)的發(fā)展必將使微電子產(chǎn)業(yè)繼續(xù)高速增長。即使是加工工藝技術(shù)，很多著名的微電子學家也預測，微電子產(chǎn)業(yè)將于2030年左右步入像汽車工業(yè)、航空工業(yè)這樣的比較成熟的朝陽工業(yè)領(lǐng)域。即使微電子產(chǎn)業(yè)步入汽車、航空等成熟工業(yè)領(lǐng)域，它仍將保持快速發(fā)展趨勢，就像汽車、航空工業(yè)已經(jīng)發(fā)展了50多年仍極具發(fā)展?jié)摿σ粯印?/p>
隨著器件的特征尺寸越來越小，不可避免地會遇到器件結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵工藝、集成技術(shù)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(guī)律等科學問題的認識還停留在集成電路誕生和發(fā)展初期所形成的經(jīng)典或半經(jīng)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(tǒng)芯片中的新器件則難以適用；在材料體系上，SiO2柵介質(zhì)材料、多晶硅／硅化物柵電極等傳統(tǒng)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(tǒng)器件結(jié)構(gòu)也已無法滿足亞50納米器件的要求，必須發(fā)展新型的器件結(jié)構(gòu)和微細加工、互連、集成等關(guān)鍵工藝技術(shù)。具體的需要創(chuàng)新和重點發(fā)展的領(lǐng)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(jié)構(gòu)，高k柵介質(zhì)材料和新型柵結(jié)構(gòu)，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(zhì)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(shù)等。
3量子電子器件（QED）和以分子原子自組裝技術(shù)為基礎的納米電子學將帶來嶄新的領(lǐng)域
在上節(jié)我們談到的以尺寸不斷縮小的硅基CMOS工藝技術(shù)，可稱之為“scalingdown”，與此同時我們必須注意“bottomup”。“bottomup”最重要的領(lǐng)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(tǒng)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(yōu)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(huán)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(shù)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(jù)電子占據(jù)量子點的狀態(tài)形成“0”和“1”狀態(tài)。它在本質(zhì)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(xiàn)互連。其基本優(yōu)勢是開關(guān)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(fā)展的一個有前景的領(lǐng)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(zhì)類金屬和半導體，特別是它有三種可能的雜交態(tài)，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(fā)現(xiàn)以來，現(xiàn)在已有大量成果涌現(xiàn)，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(jié)”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(shù)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(jié)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(shù)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(lǐng)域，我們期待它們將創(chuàng)出一個新的天地。
4系統(tǒng)芯片（SystemOnAChip）是21世紀微電子技術(shù)發(fā)展的重點
在集成電路（IC）發(fā)展初期，電路設計都從器件的物理版圖設計入手，后來出現(xiàn)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(chǎn)業(yè)的發(fā)展。但集成電路僅僅是一種半成品，它只有裝入整機系統(tǒng)才能發(fā)揮它的作用。IC芯片是通過印刷電路板（PCB）等技術(shù)實現(xiàn)整機系統(tǒng)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(tǒng)的性能受到了很大的限制。隨著系統(tǒng)向高速度、低功耗、低電壓和多媒體、網(wǎng)絡化、移動化的發(fā)展，系統(tǒng)對電路的要求越來越高，傳統(tǒng)集成電路設計技術(shù)已無法滿足性能日益提高的整機系統(tǒng)的要求。同時，由于IC設計與工藝技術(shù)水平提高，集成電路規(guī)模越來越大，復雜程度越來越高，已經(jīng)可以將整個系統(tǒng)集成為一個芯片。目前已經(jīng)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(shù)的發(fā)展，21世紀的微電子技術(shù)將從目前的3G時代逐步發(fā)展到3T時代（即存儲容量由G位發(fā)展到T位、集成電路器件的速度由GHz發(fā)展到燈THz、數(shù)據(jù)傳輸速率由Gbps發(fā)展到Tbps，注：1G=109、1T=1012、bps：每秒傳輸數(shù)據(jù)位數(shù)）。
正是在需求牽引和技術(shù)推動的雙重作用下，出現(xiàn)了將整個系統(tǒng)集成在一個微電子芯片上的系統(tǒng)芯片（SystemOnAChip，簡稱SOC）概念。
系統(tǒng)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(lǐng)域的一場革命，它和集成電路的關(guān)系與當時集成電路與分立元器件的關(guān)系類似，它對微電子技術(shù)的推動作用不亞于自50年代末快速發(fā)展起來的集成電路技術(shù)。
SOC是從整個系統(tǒng)的角度出發(fā)，把處理機制、模型算法、芯片結(jié)構(gòu)、各層次電路直至器件的設計緊密結(jié)合起來，在單個（或少數(shù)幾個）芯片上完成整個系統(tǒng)的功能，它的設計必須是從系統(tǒng)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(tǒng)相比，由于SOC設計能夠綜合并全盤考慮整個系統(tǒng)的各種情況，可以在同樣的工藝技術(shù)條件下實現(xiàn)更高性能的系統(tǒng)指標。例如若采用SOC方法和0．35μm工藝設計系統(tǒng)芯片,在相同的系統(tǒng)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(xiàn)的同樣系統(tǒng)的性能；還有，與采用常規(guī)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(shù)目約可以降低l～2個數(shù)量級。
對于系統(tǒng)芯片（SOC）的發(fā)展，主要有三個關(guān)鍵的支持技術(shù)。
（1）軟、硬件的協(xié)同設計技術(shù)。面向不同系統(tǒng)的軟件和硬件的功能劃分理論（FunctionalPartitionTheory），這里不同的系統(tǒng)涉及諸多計算機系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、數(shù)據(jù)壓縮解壓縮和加密解密系統(tǒng)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(jié)構(gòu)設計；和硬核，基于工藝的物理設計、與工藝相關(guān)，并經(jīng)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(jīng)過優(yōu)化并有最大工藝容差的模塊最有價值。現(xiàn)在,美國硅谷在80年代出現(xiàn)無生產(chǎn)線（Fabless)公司的基礎上，90年代后期又出現(xiàn)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(shù),這主要包括IP模塊間的膠聯(lián)邏輯技術(shù)（gluelogictechnologies）和IP模塊綜合分析及其實現(xiàn)技術(shù)等。
微電子技術(shù)從IC向SOC轉(zhuǎn)變不僅是一種概念上的突破,同時也是信息技術(shù)新發(fā)展的里程碑。通過以上三個支持技術(shù)的創(chuàng)新,它必將導致又一次以系統(tǒng)芯片為主的信息技術(shù)上的革命。目前，SOC技術(shù)已經(jīng)嶄露頭角，21世紀將是SOC技術(shù)真正快速發(fā)展的時期。
在新一代系統(tǒng)芯片領(lǐng)域，需要重點突破的創(chuàng)新點主要包括實現(xiàn)系統(tǒng)功能的算法和電路結(jié)構(gòu)兩個方面。在微電子技術(shù)的發(fā)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(shù)的發(fā)展起到了非常重要的作用,目前神經(jīng)網(wǎng)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(jié)構(gòu)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(lǐng)域,因此算法應是今后系統(tǒng)芯片領(lǐng)域研究的重點學科之一。在電路結(jié)構(gòu)方面,在系統(tǒng)芯片中，由于射頻、存儲器件的加入，其中的電路結(jié)構(gòu)已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上的CMOS結(jié)構(gòu)，因此需要發(fā)展更靈巧的新型電路結(jié)構(gòu)。另外，為了實現(xiàn)膠聯(lián)邏輯（GlueLogic）新的邏輯陣列技術(shù)有望得到快速的發(fā)展,在這一方面也需要做系統(tǒng)深入的研究。
5微電子與其他學科的結(jié)合誕生新的技術(shù)增長點
微電子技術(shù)的強大生命力在于它可以低成本、大批量地生產(chǎn)出具有高可靠性和高精度的微電子結(jié)構(gòu)模塊。這種技術(shù)一旦與其它學科相結(jié)合,便會誕生出一系列嶄新的學科和重大的經(jīng)濟增長點，這方面的典型例子便是MEMS（微機電系統(tǒng)）技術(shù)和DNA生物芯片。前者是微電子技術(shù)與機械、光學等領(lǐng)域結(jié)合而誕生的，后者則是與生物工程技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。
微電子機械系統(tǒng)不僅是微電子技術(shù)的拓寬和延伸,它將微電子技術(shù)和精密機械加工技術(shù)相互融合，實現(xiàn)了微電子與機械融為一體的系統(tǒng)。MEMS將電子系統(tǒng)和外部世界聯(lián)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(zhuǎn)換成電子系統(tǒng)可以認識的電信號，而且還可以通過電子系統(tǒng)控制這些信號，發(fā)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(zhí)行器、信號處理和控制電路、接口電路、通信系統(tǒng)以及電源于一體的微型機電系統(tǒng)。MEMS技術(shù)是一種典型的多學科交叉的前沿性研究領(lǐng)域，它幾乎涉及到自然及工程科學的所有領(lǐng)域，如電子技術(shù)、機械技術(shù)、光學、物理學、化學、生物醫(yī)學、材料科學、能源科學等〖3〗。
MEMS的發(fā)展開辟了一個全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)。它們不僅可以降低機電系統(tǒng)的成本，而且還可以完成許多大尺寸機電系統(tǒng)所不能完成的任務。正是由于MEMS器件和系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、可靠性高、性能優(yōu)異及功能強大等傳統(tǒng)傳感器無法比擬的優(yōu)點,因而MEMS在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們接觸到的所有領(lǐng)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(wèi)星控制、汽車自動駕駛、汽車防撞氣囊、汽車防抱死系統(tǒng)（ABS）、穩(wěn)定控制和玩具；微流量系統(tǒng)和微分析儀可用于微推進、傷員救護；信息MEMS系統(tǒng)將在射頻系統(tǒng)、全光通訊系統(tǒng)和高密度存儲器和顯示等方面發(fā)揮重大作用；同時MEMS系統(tǒng)還可以用于醫(yī)療、光譜分析、信息采集等等。現(xiàn)在已經(jīng)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(shù)及其產(chǎn)品的增長速度非常之高，目前正處在技術(shù)發(fā)展時期，再過若干年將會迎來MEMS產(chǎn)業(yè)化高速發(fā)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(guān)的市場達到1000億美元。
目前，MEMS系統(tǒng)與集成電路發(fā)展的初期情況極為相似。集成電路發(fā)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(fā)展。集成電路技術(shù)的進步,加快了計算機更新?lián)Q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(fā)展。集成電路和計算機在發(fā)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(xiàn)階段的微機電系統(tǒng)專用性很強，單個系統(tǒng)的應用范圍非常有限,還沒有出現(xiàn)類似于CPU和RAM這樣量大面廣的產(chǎn)品。隨著微機電系統(tǒng)的進步，最后將有可能形成像微電子技術(shù)一樣有廣泛應用前景的新產(chǎn)業(yè)，從而對人們的社會生產(chǎn)和生活方式產(chǎn)生重大影響。
當前MEMS系統(tǒng)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(tǒng)理論與基礎技術(shù)方面取得突破性進展，使人們依靠掌握的理論和基礎技術(shù)可以高效地設計制造出所需的微系統(tǒng)；第二是找準應用突破口，揚長避短，以特別適合微系統(tǒng)應用的重大領(lǐng)域為目標進行研究,取得突破，從而帶動微系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在MEMS發(fā)展中需要繼續(xù)解決的問題主要有：MEMS建模與設計方法學研究；三維微結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)與集成技術(shù)等。
微電子與生物技術(shù)緊密結(jié)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(lǐng)域的另一個熱點和新的經(jīng)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(gòu)建具有預期性狀的新物種或新品系，并與工程技術(shù)相結(jié)合進行加工生產(chǎn)，它是生命科學與技術(shù)科學相結(jié)合的產(chǎn)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(guān)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(shù)，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(nèi)檢測或發(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)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(zhì)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(jīng)利用微電子技術(shù)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(zhì)，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(lǐng)域也非常廣泛：它不僅可以用于基因?qū)W研究、生物醫(yī)學等，而且隨著DNA芯片的發(fā)展還將形成微電子生物信息系統(tǒng)，這樣該技術(shù)將廣泛應用到農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學和環(huán)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(shù)及超分子自組裝技術(shù)，在固體芯片表面構(gòu)建的微分析單元和系統(tǒng)，以實現(xiàn)對化合物、蛋白質(zhì)、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(xiàn)技術(shù)、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(jié)語
在微電子學發(fā)展歷程的前50年中，創(chuàng)新和基礎研究曾起到非常關(guān)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(xiàn)、新一代SOC的發(fā)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(chuàng)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(shù)發(fā)展歷程，使我們深切地感受到，世紀之交的微電子技術(shù)對我們既是一個重大的機遇，也是一個嚴峻的挑戰(zhàn)，如果我們能夠抓住這個機遇，立足創(chuàng)新，去勇敢地迎接這個挑戰(zhàn)，則有可能使我國微電子技術(shù)實現(xiàn)騰飛，在新一代微電子技術(shù)中擁有自己的知識產(chǎn)權(quán)，促進我國微電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)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(shù)基礎，以重鑄中華民族的輝煌！
參考文獻
[1]S.M.SZE:LecturenoteatPekingUniversity,FourDecadesofDevelopmentsinMicroelectronics:Achievementsandchallenges.
[2]BobSchaller.TheOrigin,Natureandlmplicationof“Moore’sLaw”,.1996.
[3]張興、郝一龍、李志宏、王陽元。跨世紀的新技術(shù)－微電子機械系統(tǒng)。電子科技導報，1999，4：2
[4]NicholasWadeWhereComputersandBiologyMeet:MakingaDNAChip.NewYorkTimes,April8,1997
