時間：2022-07-16 23:48:31
序論：在您撰寫科學(xué)和技術(shù)論文時，參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野，小編為您整理的7篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導(dǎo)您走向新的創(chuàng)作高度。
關(guān)鍵詞：納米科學(xué)納米技術(shù)納米管納米線納米團簇半導(dǎo)體
NanoscienceandNanotechnology–theSecondRevolution
Abstract:Thefirstrevolutionofnanosciencetookplaceinthepast10years.Inthisperiod,researchersinChina,HongKongandworldwidehavedemonstratedtheabilitytofabricatelargequantitiesofnanotubes,nanowiresandnanoclustersofdifferentmaterials,usingeitherthe“build-up”or“build-down”approach.Theseeffortshaveshownthatifnanostructurescanbefabricatedinexpensively,therearemanyrewardstobereaped.Structuressmallerthan20nmexhibitnon-classicalpropertiesandtheyofferthebasisforentirelydifferentthinkinginmakingdevicesandhowdevicesfunction.Theabilitytofabricatestructureswithdimensionlessthan70nmallowthecontinuationofminiaturizationofdevicesinthesemiconductorindustry.Thesecondnanoscienceandnantechnologyrevolutionwilllikelytakeplaceinthenext10years.Inthisnewperiod,scientistsandengineerswillneedtoshowthatthepotentialandpromiseofnanostructurescanberealized.Therealizationisthefabricationofpracticaldeviceswithgoodcontrolinsize,composition,orderandpuritysothatsuchdeviceswilldeliverthepromisedfunctions.Weshalldiscusssomedifficultiesandchallengesfacedinthisnewperiod.Anumberofalternativeapproacheswillbediscussed.Weshallalsodiscusssomeoftherewardsifthesedifficultiescanbeovercome.
Keywords:Nanoscience,Nanotechnology,Nanotubes,Nanowires,Nanoclusters,“build-up”,“build-down”,Semiconductor
I.引言
納米科學(xué)和技術(shù)所涉及的是具有尺寸在1-100納米范圍的結(jié)構(gòu)的制備和表征。在這個領(lǐng)域的研究舉世矚目。例如，美國政府2001財政年度在納米尺度科學(xué)上的投入要比2000財政年增長83%，達到5億美金。有兩個主要的理由導(dǎo)致人們對納米尺度結(jié)構(gòu)和器件的興趣的增加。第一個理由是，納米結(jié)構(gòu)（尺度小于20納米）足夠小以至于量子力學(xué)效應(yīng)占主導(dǎo)地位，這導(dǎo)致非經(jīng)典的行為，譬如，量子限制效應(yīng)和分立化的能態(tài)、庫侖阻塞以及單電子邃穿等。這些現(xiàn)象除引起人們對基礎(chǔ)物理的興趣外，亦給我們帶來全新的器件制備和功能實現(xiàn)的想法和觀念，例如，單電子輸運器件和量子點激光器等。第二個理由是，在半導(dǎo)體工業(yè)有器件持續(xù)微型化的趨勢。根據(jù)“國際半導(dǎo)體技術(shù)路向（2001）“雜志，2005年前動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）和微處理器（MPU）的特征尺寸預(yù)期降到80納米，而MPU中器件的柵長更是預(yù)期降到45納米。然而，到2003年在MPU制造中一些不知其解的問題預(yù)期就會出現(xiàn)。到2005年類似的問題將預(yù)期出現(xiàn)在DRAM的制造過程中。半導(dǎo)體器件特征尺寸的深度縮小不僅要求新型光刻技術(shù)保證能使尺度刻的更小，而且要求全新的器件設(shè)計和制造方案，因為當MOS器件的尺寸縮小到一定程度時基礎(chǔ)物理極限就會達到。隨著傳統(tǒng)器件尺寸的進一步縮小，量子效應(yīng)比如載流子邃穿會造成器件漏電流的增加，這是我們不想要的但卻是不可避免的。因此，解決方案將會是制造基于量子效應(yīng)操作機制的新型器件，以便小物理尺寸對器件功能是有益且必要的而不是有害的。如果我們能夠制造納米尺度的器件，我們肯定會獲益良多。譬如，在電子學(xué)上，單電子輸運器件如單電子晶體管、旋轉(zhuǎn)柵門管以及電子泵給我們帶來諸多的微尺度好處，他們僅僅通過數(shù)個而非以往的成千上萬的電子來運作，這導(dǎo)致超低的能量消耗，在功率耗散上也顯著減弱，以及帶來快得多的開關(guān)速度。在光電子學(xué)上，量子點激光器展現(xiàn)出低閾值電流密度、弱閾值電流溫度依賴以及大的微分增益等優(yōu)點，其中大微分增益可以產(chǎn)生大的調(diào)制帶寬。在傳感器件應(yīng)用上，納米傳感器和納米探測器能夠測量極其微量的化學(xué)和生物分子，而且開啟了細胞內(nèi)探測的可能性，這將導(dǎo)致生物醫(yī)學(xué)上迷你型的侵入診斷技術(shù)出現(xiàn)。納米尺度量子點的其他器件應(yīng)用，比如，鐵磁量子點磁記憶器件、量子點自旋過濾器及自旋記憶器等，也已經(jīng)被提出，可以肯定這些應(yīng)用會給我們帶來許多潛在的好處?？偠灾?，無論是從基礎(chǔ)研究（探索基于非經(jīng)典效應(yīng)的新物理現(xiàn)象）的觀念出發(fā)，還是從應(yīng)用（受因結(jié)構(gòu)減少空間維度而帶來的優(yōu)點以及因應(yīng)半導(dǎo)體器件特征尺寸持續(xù)減小而需要這兩個方面的因素驅(qū)使）的角度來看，納米結(jié)構(gòu)都是令人極其感興趣的。
II.納米結(jié)構(gòu)的制備———首次浪潮
有兩種制備納米結(jié)構(gòu)的基本方法：build-up和build-down。所謂build-up方法就是將已預(yù)制好的納米部件（納米團簇、納米線以及納米管）組裝起來；而build-down方法就是將納米結(jié)構(gòu)直接地淀積在襯底上。前一種方法包含有三個基本步驟：1）納米部件的制備；2）納米部件的整理和篩選；3）納米部件組裝成器件（這可以包括不同的步驟如固定在襯底及電接觸的淀積等等）?！癰uild-up“的優(yōu)點是個體納米部件的制備成本低以及工藝簡單快捷。有多種方法如氣相合成以及膠體化學(xué)合成可以用來制備納米元件。目前，在國內(nèi)、在香港以及在世界上許多的實驗室里這些方法正在被用來合成不同材料的納米線、納米管以及納米團簇。這些努力已經(jīng)證明了這些方法的有效性。這些合成方法的主要缺點是材料純潔度較差、材料成份難以控制以及相當大的尺寸和形狀的分布。此外，這些納米結(jié)構(gòu)的合成后工藝再加工相當困難。特別是，如何整理和篩選有著窄尺寸分布的納米元件是一個至關(guān)重要的問題，這一問題迄今仍未有解決。盡管存在如上的困難和問題，“build-up“依然是一種能合成大量納米團簇以及納米線、納米管的有效且簡單的方法?？墒沁@些合成的納米結(jié)構(gòu)直到目前為止仍然難以有什么實際應(yīng)用，這是因為它們?nèi)狈嵱盟燎蟮某叽纭⒔M份以及材料純度方面的要求。而且，因為同樣的原因用這種方法合成的納米結(jié)構(gòu)的功能性質(zhì)相當差。不過上述方法似乎適宜用來制造傳感器件以及生物和化學(xué)探測器，原因是垂直于襯底生長的納米結(jié)構(gòu)適合此類的應(yīng)用要求。
“Build-down”方法提供了杰出的材料純度控制，而且它的制造機理與現(xiàn)代工業(yè)裝置相匹配，換句話說，它是利用廣泛已知的各種外延技術(shù)如分子束外延(MBE)、化學(xué)氣相淀積（MOVCD）等來進行器件制造的傳統(tǒng)方法?！癇uild-down”方法的缺點是較高的成本。在“build-down”方法中有幾條不同的技術(shù)路徑來制造納米結(jié)構(gòu)。最簡單的一種，也是最早使用的一種是直接在襯底上刻蝕結(jié)構(gòu)來得到量子點或者量子線。另外一種是包括用離子注入來形成納米結(jié)構(gòu)。這兩種技術(shù)都要求使用開有小尺寸窗口的光刻版。第三種技術(shù)是通過自組裝機制來制造量子點結(jié)構(gòu)。自組裝方法是在晶格失配的材料中自然生長納米尺度的島。在Stranski-Krastanov生長模式中，當材料生長到一定厚度后，二維的逐層生長將轉(zhuǎn)換成三維的島狀生長，這時量子點就會生成。業(yè)已證明基于自組裝量子點的激光器件具有比量子阱激光器更好的性能。量子點器件的飽和材料增益要比相應(yīng)的量子阱器件大50倍，微分增益也要高3個量級。閾值電流密度低于100A/cm2、室溫輸出功率在瓦特量級（典型的量子阱基激光器的輸出功率是5-50mW）的連續(xù)波量子點激光器也已經(jīng)報道。無論是何種材料系統(tǒng)，量子點激光器件都預(yù)期具有低閾值電流密度，這預(yù)示目前還要求在大閾值電流條件下才能激射的寬帶系材料如III組氮化物基激光器還有很大的顯著改善其性能的空間。目前這類器件的性能已經(jīng)接近或達到商業(yè)化器件所要求的指標，預(yù)期量子點基的此類材料激光器將很快在市場上出現(xiàn)。量子點基光電子器件的進一步改善主要取決于量子點幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。雖然在生長條件上如襯底溫度、生長元素的分氣壓等的變化能夠在一定程度上控制點的尺寸和密度，自組裝量子點還是典型底表現(xiàn)出在大小、密度及位置上的隨機變化，其中僅僅是密度可以粗糙地控制。自組裝量子點在尺寸上的漲落導(dǎo)致它們的光發(fā)射的非均勻展寬，因此減弱了使用零維體系制作器件所期望的優(yōu)點。由于量子點尺寸的統(tǒng)計漲落和位置的隨機變化，一層含有自組裝量子點材料的光致發(fā)光譜典型地很寬。在豎直疊立的多層量子點結(jié)構(gòu)中這種譜展寬效應(yīng)可以被減弱。如果隔離層足夠薄，豎直疊立的多層量子點可典型地展現(xiàn)出豎直對準排列，這可以有效地改善量子點的均勻性。然而，當隔離層薄的時候，在一列量子點中存在載流子的耦合，這將失去因使用零維系統(tǒng)而帶來的優(yōu)點。怎樣優(yōu)化量子點的尺寸和隔離層的厚度以便既能獲得好均勻性的量子點又同時保持載流子能夠限制在量子點的個體中對于獲得器件的良好性能是至關(guān)重要的。
很清楚納米科學(xué)的首次浪潮發(fā)生在過去的十年中。在這段時期，研究者已經(jīng)證明了納米結(jié)構(gòu)的許多嶄新的性質(zhì)。學(xué)者們更進一步征明可以用“build-down”或者“build-up”方法來進行納米結(jié)構(gòu)制造。這些成果向我們展示，如果納米結(jié)構(gòu)能夠大量且廉價地被制造出來，我們必將收獲更多的成果。
在未來的十年中，納米科學(xué)和技術(shù)的第二次浪潮很可能發(fā)生。在這個新的時期，科學(xué)家和工程師需要征明納米結(jié)構(gòu)的潛能以及期望功能能夠得到兌現(xiàn)。只有獲得在尺寸、成份、位序以及材料純度上良好可控能力并成功地制造出實用器件才能實現(xiàn)人們對納米器件所期望的功能。因此，納米科學(xué)的下次浪潮的關(guān)鍵點是納米結(jié)構(gòu)的人為可控性。
III.納米結(jié)構(gòu)尺寸、成份、位序以及密度的控制——第二次浪潮
為了充分發(fā)揮量子點的優(yōu)勢之處，我們必須能夠控制量子點的位置、大小、成份已及密度。其中一個可行的方法是將量子點生長在已經(jīng)預(yù)刻有圖形的襯底上。由于量子點的橫向尺寸要處在10-20納米范圍（或者更小才能避免高激發(fā)態(tài)子能級效應(yīng)，如對于GaN材料量子點的橫向尺寸要小于8納米）才能實現(xiàn)室溫工作的光電子器件，在襯底上刻蝕如此小的圖形是一項挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題。對于單電子晶體管來說，如果它們能在室溫下工作，則要求量子點的直徑要小至1-5納米的范圍。這些微小尺度要求已超過了傳統(tǒng)光刻所能達到的精度極限。有幾項技術(shù)可望用于如此的襯底圖形制作。
—電子束光刻通?？梢杂脕碇谱魈卣鞒叨刃≈?0納米的圖形。如果特殊薄膜能夠用作襯底來最小化電子散射問題，那特征尺寸小至2納米的圖形可以制作出來。在電子束光刻中的電子散射因為所謂近鄰干擾效應(yīng)（proximityeffect）而嚴重影響了光刻的極限精度，這個效應(yīng)造成制備空間上緊鄰的納米結(jié)構(gòu)的困難。這項技術(shù)的主要缺點是相當費時。例如，刻寫一張4英寸的硅片需要時間1小時，這不適宜于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。電子束投影系統(tǒng)如SCALPEL（scatteringwithangularlimitationprojectionelectronlithography）正在發(fā)展之中以便使這項技術(shù)較適于用于規(guī)模生產(chǎn)。目前，耗時和近鄰干擾效應(yīng)這兩個問題還沒有得到解決。
—聚焦離子束光刻是一種機制上類似于電子束光刻的技術(shù)。但不同于電子束光刻的是這種技術(shù)并不受在光刻膠中的離子散射以及從襯底來的離子背散射影響。它能刻出特征尺寸細到6納米的圖形，但它也是一種耗時的技術(shù)，而且高能離子束可能造成襯底損傷。
—掃描微探針術(shù)可以用來劃刻或者氧化襯底表面，甚至可以用來操縱單個原子和分子。最常用的方法是基于材料在探針作用下引入的高度局域化增強的氧化機制的。此項技術(shù)已經(jīng)用來刻劃金屬（Ti和Cr）、半導(dǎo)體（Si和GaAs）以及絕緣材料（Si3N4和silohexanes），還用在LB膜和自聚集分子單膜上。此種方法具有可逆和簡單易行等優(yōu)點。引入的氧化圖形依賴于實驗條件如掃描速度、樣片偏壓以及環(huán)境濕度等?？臻g分辨率受限于針尖尺寸和形狀（雖然氧化區(qū)域典型地小于針尖尺寸）。這項技術(shù)已用于制造有序的量子點陣列和單電子晶體管。這項技術(shù)的主要缺點是處理速度慢（典型的刻寫速度為1mm/s量級）。然而，最近在原子力顯微術(shù)上的技術(shù)進展—使用懸臂樑陣列已將掃描速度提高到4mm/s。此項技術(shù)的顯著優(yōu)點是它的杰出的分辨率和能產(chǎn)生任意幾何形狀的圖形能力。但是，是否在刻寫速度上的改善能使它適用于除制造光刻版和原型器件之外的其他目的還有待于觀察。直到目前為止，它是一項能操控單個原子和分子的唯一技術(shù)。
—多孔膜作為淀積掩版的技術(shù)。多孔膜能用多種光刻術(shù)再加腐蝕來制備，它也可以用簡單的陽極氧化方法來制備。鋁膜在酸性腐蝕液中陽極氧化就可以在鋁膜上產(chǎn)生六角密堆的空洞，空洞的尺寸可以控制在5-200nm范圍。制備多孔膜的其他方法是從納米溝道玻璃膜復(fù)制。用這項技術(shù)已制造出含有細至40nm的空洞的鎢、鉬、鉑以及金膜。
—倍塞（diblock）共聚物圖形制作術(shù)是一種基于不同聚合物的混合物能夠產(chǎn)生可控及可重復(fù)的相分離機制的技術(shù)。目前，經(jīng)過反應(yīng)離子刻蝕后，在旋轉(zhuǎn)涂敷的倍塞共聚物層中產(chǎn)生的圖形已被成功地轉(zhuǎn)移到Si3N4膜上，圖形中空洞直徑20nm，空洞之間間距40nm。在聚苯乙烯基體中的自組織形成的聚異戊二烯（polyisoprene）或聚丁二烯（polybutadiene）球（或者柱體）可以被臭氧去掉或者通過鋨染色而保留下來。在第一種情況，空洞能夠在氮化硅上產(chǎn)生；在第二種情況，島狀結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生。目前利用倍塞共聚物光刻技術(shù)已制造出GaAs納米結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的側(cè)向特征尺寸約為23nm,密度高達1011/cm2。
—與倍塞共聚物圖形制作術(shù)緊密相關(guān)的一項技術(shù)是納米球珠光刻術(shù)。此項技術(shù)的基本思路是將在旋轉(zhuǎn)涂敷的球珠膜中形成的圖形轉(zhuǎn)移到襯底上。各種尺寸的聚合物球珠是商業(yè)化的產(chǎn)品。然而，要制作出含有良好有序的小尺寸球珠薄膜也是比較困難的。用球珠單層膜已能制備出特征尺寸約為球珠直徑1/5的三角形圖形。雙層膜納米球珠掩膜版也已被制作出。能夠在金屬、半導(dǎo)體以及絕緣體襯底上使用納米球珠光刻術(shù)的能力已得到確認。納米球珠光刻術(shù)（納米球珠膜的旋轉(zhuǎn)涂敷結(jié)合反應(yīng)離子刻蝕）已被用來在一些半導(dǎo)體表面上制造空洞和柱狀體納米結(jié)構(gòu)。
—將圖形從母體版轉(zhuǎn)移到襯底上的其他光刻技術(shù)。幾種所謂“軟光刻“方法，比如復(fù)制鑄模法、微接觸印刷法、溶劑輔助鑄模法以及用硬模版浮雕法等已被探索開發(fā)。其中微接觸印刷法已被證明只能用來刻制特征尺寸大于100nm的圖形。復(fù)制鑄模法的可能優(yōu)點是ellastometric聚合物可被用來制作成一個戳子，以便可用同一個戳子通過對戳子的機械加壓能夠制作不同側(cè)向尺寸的圖形。在溶劑輔助鑄模法和用硬模版浮雕法（或通常稱之為納米壓印術(shù)）之間的主要差異是，前者中溶劑被用于軟化聚合物，而后者中軟化聚合物依靠的是溫度變化。溶劑輔助鑄模法的可能優(yōu)點是不需要加熱。納米壓印術(shù)已被證明可用來制作具有容量達400Gb/in2的納米激光光盤，在6英寸硅片上刻制亞100nm分辨的圖形，刻制10nmX40nm面積的長方形，以及在4英寸硅片上進行圖形刻制。除傳統(tǒng)的平面納米壓印光刻法之外，滾軸型納米壓印光刻法也已被提出。在此類技術(shù)中溫度被發(fā)現(xiàn)是一個關(guān)鍵因素。此外，應(yīng)該選用具有較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的聚合物。為了取得高產(chǎn)，下列因素要解決：
1）大的戳子尺寸
2）高圖形密度戳子
3）低穿刺（lowsticking）
4）壓印溫度和壓力的優(yōu)化
5）長戳子壽命。
具有低穿刺率的大尺寸戳子已經(jīng)被制作出來。已有少量研究工作在試圖優(yōu)化壓印溫度和壓力，但顯然需要進行更多的研究工作才能得到溫度和壓力的優(yōu)化參數(shù)。高圖形密度戳子的制作依然在發(fā)展之中。還沒有足夠量的工作來研究戳子的壽命問題。曾有研究報告報道，覆蓋有超薄的特氟隆類薄膜的模板可以用來進行50次的浮刻而不需要中間清洗。報告指出最大的性能退化來自于嵌在戳子和聚合物之間的灰塵顆粒。如果戳子是從ellastometric母版制作出來的，抗穿刺層可能需要使用，而且進行大約5次壓印后需要更換。值得關(guān)心的其他可能問題包括鑲嵌的灰塵顆引起的戳子損傷或聚合物中圖形損傷，以及連續(xù)壓印之間戳子的清洗需要等。盡管進一步的優(yōu)化和改良是必需的，但此項技術(shù)似乎有希望獲得高生產(chǎn)率。壓印過程包括對準、加熱及冷卻循環(huán)等，整個過程所需時間大約20分鐘。使用具有較低玻璃化轉(zhuǎn)換溫度的聚合物可以縮短加熱和冷卻循環(huán)所需時間，因此可以縮短整個壓印過程時間。
IV．納米制造所面對的困難和挑戰(zhàn)
上述每一種用于在襯底上圖形刻制的技術(shù)都有其優(yōu)點和缺點。目前，似乎沒有哪個單一種技術(shù)可以用來高產(chǎn)量地刻制納米尺度且任意形狀的圖形。我們可以將圖形刻制的全過程分成下列步驟：
1．在一塊模版上刻寫圖形
2．在過渡性或者功能性材料上復(fù)制模版上的圖形
3．轉(zhuǎn)移在過渡性或者功能性材料上復(fù)制的圖形。
很顯然第二步是最具挑戰(zhàn)性的一步。先前描述的各項技術(shù)，例如電子束光刻或者掃描微探針光刻技術(shù)，已經(jīng)能夠刻寫非常細小的圖形。然而，這些技術(shù)都因相當費時而不適于規(guī)模生產(chǎn)。納米壓印術(shù)則因可作多片并行處理而可能解決規(guī)模生產(chǎn)問題。此項技術(shù)似乎很有希望，但是在它能被廣泛應(yīng)用之前現(xiàn)存的嚴重的材料問題必須加以解決。納米球珠和倍塞共聚物光刻術(shù)則提供了將第一步和第二步整合的解決方案。在這些技術(shù)中，圖形由球珠的尺寸或者倍塞共聚物的成分來確定。然而，用這兩種光刻術(shù)刻寫的納米結(jié)構(gòu)的形狀非常有限。當這些技術(shù)被人們看好有很大的希望用來刻寫圖形以便生長出有序的納米量子點陣列時，它們卻完全不適于用來刻制任意形狀和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的圖形。為了能夠制造出高質(zhì)量的納米器件，不但必須能夠可靠地將圖形轉(zhuǎn)移到功能材料上，還必須保證在刻蝕過程中引入最小的損傷。濕法腐蝕技術(shù)典型地不產(chǎn)生或者產(chǎn)生最小的損傷，可是濕法腐蝕并不十分適于制備需要陡峭側(cè)墻的結(jié)構(gòu)，這是因為在掩模版下一定程度的鉆蝕是不可避免的，而這個鉆蝕決定性地影響微小結(jié)構(gòu)的刻制。另一方面，用干法刻蝕技術(shù)，譬如，反應(yīng)離子刻蝕(RIE)或者電子回旋共振（ECR）刻蝕，在優(yōu)化條件下可以獲得陡峭的側(cè)墻。直到今天大多數(shù)刻蝕研究都集中于刻蝕速度以及刻蝕出垂直墻的能力，而關(guān)于刻蝕引入損傷的研究嚴重不足。已有研究表明，能在表面下100nm深處探測到刻蝕引入的損傷。當器件中的個別有源區(qū)尺寸小于100nm時，如此大的損傷是不能接受的。還有就是因為所有的納米結(jié)構(gòu)都有大的表面-體積比，必須盡可能地減少在納米結(jié)構(gòu)表面或者靠近的任何缺陷。
隨著器件持續(xù)微型化的趨勢的發(fā)展，普通光刻技術(shù)的精度將很快達到它的由光的衍射定律以及材料物理性質(zhì)所確定的基本物理極限。通過采用深紫外光和相移版，以及修正光學(xué)近鄰干擾效應(yīng)等措施，特征尺寸小至80nm的圖形已能用普通光刻技術(shù)制備出。然而不大可能用普通光刻技術(shù)再進一步顯著縮小尺寸。采用X光和EUV的光刻技術(shù)仍在研發(fā)之中，可是發(fā)展這些技術(shù)遇到在光刻膠以及模版制備上的諸多困難。目前來看，雖然也有一些具挑戰(zhàn)性的問題需要解決，特別是需要克服電子束散射以及相關(guān)聯(lián)的近鄰干擾效應(yīng)問題，但投影式電子束光刻似乎是有希望的一種技術(shù)。掃描微探針技術(shù)提供了能分辨單個原子或分子的無可匹敵的精度，可是此項技術(shù)卻有固有的慢速度，目前還不清楚通過給它加裝陣列懸臂樑能否使它達到可以接受的刻寫速度。利用轉(zhuǎn)移在自組裝薄膜中形成的圖形的技術(shù)，例如倍塞共聚物以及納米球珠刻寫技術(shù)則提供了實現(xiàn)成本不是那么昂貴的大面積圖形刻寫的一種可能途徑。然而，在這種方式下形成的圖形僅局限于點狀或者柱狀圖形。對于制造相對簡單的器件而言，此類技術(shù)是足夠用的，但并不能解決微電子工業(yè)所面對的問題。需要將圖形從一張模版復(fù)制到聚合物膜上的各種所謂“軟光刻“方法提供了一種并行刻寫的技術(shù)途徑。模版可以用其他慢寫技術(shù)來刻制，然后在模版上的圖形可以通過要么熱輔助要么溶液輔助的壓印法來復(fù)制。同一塊模版可以用來刻寫多塊襯底，而且不像那些依賴化學(xué)自組裝圖形形成機制的方法，它可以用來刻制任意形狀的圖形。然而，要想獲得高生產(chǎn)率，某些技術(shù)問題如穿刺及因灰塵導(dǎo)致的損傷等問題需要加以解決。對一個理想的納米刻寫技術(shù)而言，它的運行和維修成本應(yīng)該低，它應(yīng)具備可靠地制備尺寸小但密度高的納米結(jié)構(gòu)的能力，還應(yīng)有在非平面上刻制圖形的能力以及制備三維結(jié)構(gòu)的功能。此外，它也應(yīng)能夠做高速并行操作，而且引入的缺陷密度要低。然而時至今日，仍然沒有任何一項能制作亞100nm圖形的單項技術(shù)能同時滿足上述所有條件?，F(xiàn)在還難說是否上述技術(shù)中的一種或者它們的某種組合會取代傳統(tǒng)的光刻技術(shù)。究竟是現(xiàn)有刻寫技術(shù)的組合還是一種全新的技術(shù)會成為最終的納米刻寫技術(shù)還有待于觀察。
另一項挑戰(zhàn)是，為了更新我們關(guān)于納米結(jié)構(gòu)的認識和知識，有必要改善現(xiàn)有的表征技術(shù)或者發(fā)展一種新技術(shù)能夠用來表征單個納米尺度物體。由于自組裝量子點在尺寸上的自然漲落，可信地表征單個納米結(jié)構(gòu)的能力對于研究這些結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)是絕對至關(guān)重要的。目前表征單個納米結(jié)構(gòu)的能力非常有限。譬如，沒有一種結(jié)構(gòu)表征工具能夠用來確定一個納米結(jié)構(gòu)的表面結(jié)構(gòu)到0.1À的精度或者更佳。透射電子顯微術(shù)(TEM)能夠用來研究一個晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部情況，但是它不能提供有關(guān)表面以及靠近表面的原子排列情況的信息。掃描隧道顯微術(shù)（STM）和原子力顯微術(shù)（AFM）能夠給出表面某區(qū)域的形貌，但它們并不能提供定量結(jié)構(gòu)信息好到能仔細理解表面性質(zhì)所要求的精度。當近場光學(xué)方法能夠給出局部區(qū)域光譜信息時，它們能給出的關(guān)于局部雜質(zhì)濃度的信息則很有限。除非目前用來表征表面和體材料的技術(shù)能夠擴展到能夠用來研究單個納米體的表面和內(nèi)部情況，否則能夠得到的有關(guān)納米結(jié)構(gòu)的所有重要結(jié)構(gòu)和組份的定量信息非常有限。
V.展望
關(guān)鍵詞：納米科學(xué)納米技術(shù)納米管納米線納米團簇半導(dǎo)體
NanoscienceandNanotechnology–theSecondRevolution
Abstract:Thefirstrevolutionofnanosciencetookplaceinthepast10years.Inthisperiod,researchersinChina,HongKongandworldwidehavedemonstratedtheabilitytofabricatelargequantitiesofnanotubes,nanowiresandnanoclustersofdifferentmaterials,usingeitherthe“build-up”or“build-down”approach.Theseeffortshaveshownthatifnanostructurescanbefabricatedinexpensively,therearemanyrewardstobereaped.Structuressmallerthan20nmexhibitnon-classicalpropertiesandtheyofferthebasisforentirelydifferentthinkinginmakingdevicesandhowdevicesfunction.Theabilitytofabricatestructureswithdimensionlessthan70nmallowthecontinuationofminiaturizationofdevicesinthesemiconductorindustry.Thesecondnanoscienceandnantechnologyrevolutionwilllikelytakeplaceinthenext10years.Inthisnewperiod,scientistsandengineerswillneedtoshowthatthepotentialandpromiseofnanostructurescanberealized.Therealizationisthefabricationofpracticaldeviceswithgoodcontrolinsize,composition,orderandpuritysothatsuchdeviceswilldeliverthepromisedfunctions.Weshalldiscusssomedifficultiesandchallengesfacedinthisnewperiod.Anumberofalternativeapproacheswillbediscussed.Weshallalsodiscusssomeoftherewardsifthesedifficultiescanbeovercome.
Keywords:Nanoscience,Nanotechnology,Nanotubes,Nanowires,Nanoclusters,“build-up”,“build-down”,Semiconductor
I.引言
納米科學(xué)和技術(shù)所涉及的是具有尺寸在1-100納米范圍的結(jié)構(gòu)的制備和表征。在這個領(lǐng)域的研究舉世矚目。例如，美國政府2001財政年度在納米尺度科學(xué)上的投入要比2000財政年增長83%，達到5億美金。有兩個主要的理由導(dǎo)致人們對納米尺度結(jié)構(gòu)和器件的興趣的增加。第一個理由是，納米結(jié)構(gòu)（尺度小于20納米）足夠小以至于量子力學(xué)效應(yīng)占主導(dǎo)地位，這導(dǎo)致非經(jīng)典的行為，譬如，量子限制效應(yīng)和分立化的能態(tài)、庫侖阻塞以及單電子邃穿等。這些現(xiàn)象除引起人們對基礎(chǔ)物理的興趣外，亦給我們帶來全新的器件制備和功能實現(xiàn)的想法和觀念，例如，單電子輸運器件和量子點激光器等。第二個理由是，在半導(dǎo)體工業(yè)有器件持續(xù)微型化的趨勢。根據(jù)“國際半導(dǎo)體技術(shù)路向（2001）“雜志，2005年前動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）和微處理器（MPU）的特征尺寸預(yù)期降到80納米，而MPU中器件的柵長更是預(yù)期降到45納米。然而，到2003年在MPU制造中一些不知其解的問題預(yù)期就會出現(xiàn)。到2005年類似的問題將預(yù)期出現(xiàn)在DRAM的制造過程中。半導(dǎo)體器件特征尺寸的深度縮小不僅要求新型光刻技術(shù)保證能使尺度刻的更小，而且要求全新的器件設(shè)計和制造方案，因為當MOS器件的尺寸縮小到一定程度時基礎(chǔ)物理極限就會達到。隨著傳統(tǒng)器件尺寸的進一步縮小，量子效應(yīng)比如載流子邃穿會造成器件漏電流的增加，這是我們不想要的但卻是不可避免的。因此，解決方案將會是制造基于量子效應(yīng)操作機制的新型器件，以便小物理尺寸對器件功能是有益且必要的而不是有害的。如果我們能夠制造納米尺度的器件，我們肯定會獲益良多。譬如，在電子學(xué)上，單電子輸運器件如單電子晶體管、旋轉(zhuǎn)柵門管以及電子泵給我們帶來諸多的微尺度好處，他們僅僅通過數(shù)個而非以往的成千上萬的電子來運作，這導(dǎo)致超低的能量消耗，在功率耗散上也顯著減弱，以及帶來快得多的開關(guān)速度。在光電子學(xué)上，量子點激光器展現(xiàn)出低閾值電流密度、弱閾值電流溫度依賴以及大的微分增益等優(yōu)點，其中大微分增益可以產(chǎn)生大的調(diào)制帶寬。在傳感器件應(yīng)用上，納米傳感器和納米探測器能夠測量極其微量的化學(xué)和生物分子，而且開啟了細胞內(nèi)探測的可能性，這將導(dǎo)致生物醫(yī)學(xué)上迷你型的侵入診斷技術(shù)出現(xiàn)。納米尺度量子點的其他器件應(yīng)用，比如，鐵磁量子點磁記憶器件、量子點自旋過濾器及自旋記憶器等，也已經(jīng)被提出，可以肯定這些應(yīng)用會給我們帶來許多潛在的好處?？偠灾瑹o論是從基礎(chǔ)研究（探索基于非經(jīng)典效應(yīng)的新物理現(xiàn)象）的觀念出發(fā)，還是從應(yīng)用（受因結(jié)構(gòu)減少空間維度而帶來的優(yōu)點以及因應(yīng)半導(dǎo)體器件特征尺寸持續(xù)減小而需要這兩個方面的因素驅(qū)使）的角度來看，納米結(jié)構(gòu)都是令人極其感興趣的。
II.納米結(jié)構(gòu)的制備———首次浪潮
有兩種制備納米結(jié)構(gòu)的基本方法：build-up和build-down。所謂build-up方法就是將已預(yù)制好的納米部件（納米團簇、納米線以及納米管）組裝起來；而build-down方法就是將納米結(jié)構(gòu)直接地淀積在襯底上。前一種方法包含有三個基本步驟：1）納米部件的制備；2）納米部件的整理和篩選；3）納米部件組裝成器件（這可以包括不同的步驟如固定在襯底及電接觸的淀積等等）?！癰uild-up“的優(yōu)點是個體納米部件的制備成本低以及工藝簡單快捷。有多種方法如氣相合成以及膠體化學(xué)合成可以用來制備納米元件。目前，在國內(nèi)、在香港以及在世界上許多的實驗室里這些方法正在被用來合成不同材料的納米線、納米管以及納米團簇。這些努力已經(jīng)證明了這些方法的有效性。這些合成方法的主要缺點是材料純潔度較差、材料成份難以控制以及相當大的尺寸和形狀的分布。此外，這些納米結(jié)構(gòu)的合成后工藝再加工相當困難。特別是，如何整理和篩選有著窄尺寸分布的納米元件是一個至關(guān)重要的問題，這一問題迄今仍未有解決。盡管存在如上的困難和問題，“build-up“依然是一種能合成大量納米團簇以及納米線、納米管的有效且簡單的方法。可是這些合成的納米結(jié)構(gòu)直到目前為止仍然難以有什么實際應(yīng)用，這是因為它們?nèi)狈嵱盟燎蟮某叽?、組份以及材料純度方面的要求。而且，因為同樣的原因用這種方法合成的納米結(jié)構(gòu)的功能性質(zhì)相當差。不過上述方法似乎適宜用來制造傳感器件以及生物和化學(xué)探測器，原因是垂直于襯底生長的納米結(jié)構(gòu)適合此類的應(yīng)用要求。
“Build-down”方法提供了杰出的材料純度控制，而且它的制造機理與現(xiàn)代工業(yè)裝置相匹配，換句話說，它是利用廣泛已知的各種外延技術(shù)如分子束外延(MBE)、化學(xué)氣相淀積（MOVCD）等來進行器件制造的傳統(tǒng)方法?！癇uild-down”方法的缺點是較高的成本。在“build-down”方法中有幾條不同的技術(shù)路徑來制造納米結(jié)構(gòu)。最簡單的一種，也是最早使用的一種是直接在襯底上刻蝕結(jié)構(gòu)來得到量子點或者量子線。另外一種是包括用離子注入來形成納米結(jié)構(gòu)。這兩種技術(shù)都要求使用開有小尺寸窗口的光刻版。第三種技術(shù)是通過自組裝機制來制造量子點結(jié)構(gòu)。自組裝方法是在晶格失配的材料中自然生長納米尺度的島。在Stranski-Krastanov生長模式中，當材料生長到一定厚度后，二維的逐層生長將轉(zhuǎn)換成三維的島狀生長，這時量子點就會生成。業(yè)已證明基于自組裝量子點的激光器件具有比量子阱激光器更好的性能。量子點器件的飽和材料增益要比相應(yīng)的量子阱器件大50倍，微分增益也要高3個量級。閾值電流密度低于100A/cm2、室溫輸出功率在瓦特量級（典型的量子阱基激光器的輸出功率是5-50mW）的連續(xù)波量子點激光器也已經(jīng)報道。無論是何種材料系統(tǒng)，量子點激光器件都預(yù)期具有低閾值電流密度，這預(yù)示目前還要求在大閾值電流條件下才能激射的寬帶系材料如III組氮化物基激光器還有很大的顯著改善其性能的空間。目前這類器件的性能已經(jīng)接近或達到商業(yè)化器件所要求的指標，預(yù)期量子點基的此類材料激光器將很快在市場上出現(xiàn)。量子點基光電子器件的進一步改善主要取決于量子點幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。雖然在生長條件上如襯底溫度、生長元素的分氣壓等的變化能夠在一定程度上控制點的尺寸和密度，自組裝量子點還是典型底表現(xiàn)出在大小、密度及位置上的隨機變化，其中僅僅是密度可以粗糙地控制。自組裝量子點在尺寸上的漲落導(dǎo)致它們的光發(fā)射的非均勻展寬，因此減弱了使用零維體系制作器件所期望的優(yōu)點。由于量子點尺寸的統(tǒng)計漲落和位置的隨機變化，一層含有自組裝量子點材料的光致發(fā)光譜典型地很寬。在豎直疊立的多層量子點結(jié)構(gòu)中這種譜展寬效應(yīng)可以被減弱。如果隔離層足夠薄，豎直疊立的多層量子點可典型地展現(xiàn)出豎直對準排列，這可以有效地改善量子點的均勻性。然而，當隔離層薄的時候，在一列量子點中存在載流子的耦合，這將失去因使用零維系統(tǒng)而帶來的優(yōu)點。怎樣優(yōu)化量子點的尺寸和隔離層的厚度以便既能獲得好均勻性的量子點又同時保持載流子能夠限制在量子點的個體中對于獲得器件的良好性能是至關(guān)重要的。
很清楚納米科學(xué)的首次浪潮發(fā)生在過去的十年中。在這段時期，研究者已經(jīng)證明了納米結(jié)構(gòu)的許多嶄新的性質(zhì)。學(xué)者們更進一步征明可以用“build-down”或者“build-up”方法來進行納米結(jié)構(gòu)制造。這些成果向我們展示，如果納米結(jié)構(gòu)能夠大量且廉價地被制造出來，我們必將收獲更多的成果。
在未來的十年中，納米科學(xué)和技術(shù)的第二次浪潮很可能發(fā)生。在這個新的時期，科學(xué)家和工程師需要征明納米結(jié)構(gòu)的潛能以及期望功能能夠得到兌現(xiàn)。只有獲得在尺寸、成份、位序以及材料純度上良好可控能力并成功地制造出實用器件才能實現(xiàn)人們對納米器件所期望的功能。因此，納米科學(xué)的下次浪潮的關(guān)鍵點是納米結(jié)構(gòu)的人為可控性。
III.納米結(jié)構(gòu)尺寸、成份、位序以及密度的控制——第二次浪潮
為了充分發(fā)揮量子點的優(yōu)勢之處，我們必須能夠控制量子點的位置、大小、成份已及密度。其中一個可行的方法是將量子點生長在已經(jīng)預(yù)刻有圖形的襯底上。由于量子點的橫向尺寸要處在10-20納米范圍（或者更小才能避免高激發(fā)態(tài)子能級效應(yīng)，如對于GaN材料量子點的橫向尺寸要小于8納米）才能實現(xiàn)室溫工作的光電子器件，在襯底上刻蝕如此小的圖形是一項挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題。對于單電子晶體管來說，如果它們能在室溫下工作，則要求量子點的直徑要小至1-5納米的范圍。這些微小尺度要求已超過了傳統(tǒng)光刻所能達到的精度極限。有幾項技術(shù)可望用于如此的襯底圖形制作。
—電子束光刻通?？梢杂脕碇谱魈卣鞒叨刃≈?0納米的圖形。如果特殊薄膜能夠用作襯底來最小化電子散射問題，那特征尺寸小至2納米的圖形可以制作出來。在電子束光刻中的電子散射因為所謂近鄰干擾效應(yīng)（proximityeffect）而嚴重影響了光刻的極限精度，這個效應(yīng)造成制備空間上緊鄰的納米結(jié)構(gòu)的困難。這項技術(shù)的主要缺點是相當費時。例如，刻寫一張4英寸的硅片需要時間1小時，這不適宜于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。電子束投影系統(tǒng)如SCALPEL（scatteringwithangularlimitationprojectionelectronlithography）正在發(fā)展之中以便使這項技術(shù)較適于用于規(guī)模生產(chǎn)。目前，耗時和近鄰干擾效應(yīng)這兩個問題還沒有得到解決。
—聚焦離子束光刻是一種機制上類似于電子束光刻的技術(shù)。但不同于電子束光刻的是這種技術(shù)并不受在光刻膠中的離子散射以及從襯底來的離子背散射影響。它能刻出特征尺寸細到6納米的圖形，但它也是一種耗時的技術(shù)，而且高能離子束可能造成襯底損傷。
—掃描微探針術(shù)可以用來劃刻或者氧化襯底表面，甚至可以用來操縱單個原子和分子。最常用的方法是基于材料在探針作用下引入的高度局域化增強的氧化機制的。此項技術(shù)已經(jīng)用來刻劃金屬（Ti和Cr）、半導(dǎo)體（Si和GaAs）以及絕緣材料（Si3N4和silohexanes），還用在LB膜和自聚集分子單膜上。此種方法具有可逆和簡單易行等優(yōu)點。引入的氧化圖形依賴于實驗條件如掃描速度、樣片偏壓以及環(huán)境濕度等?？臻g分辨率受限于針尖尺寸和形狀（雖然氧化區(qū)域典型地小于針尖尺寸）。這項技術(shù)已用于制造有序的量子點陣列和單電子晶體管。這項技術(shù)的主要缺點是處理速度慢（典型的刻寫速度為1mm/s量級）。然而，最近在原子力顯微術(shù)上的技術(shù)進展—使用懸臂樑陣列已將掃描速度提高到4mm/s。此項技術(shù)的顯著優(yōu)點是它的杰出的分辨率和能產(chǎn)生任意幾何形狀的圖形能力。但是，是否在刻寫速度上的改善能使它適用于除制造光刻版和原型器件之外的其他目的還有待于觀察。直到目前為止，它是一項能操控單個原子和分子的唯一技術(shù)。
—多孔膜作為淀積掩版的技術(shù)。多孔膜能用多種光刻術(shù)再加腐蝕來制備，它也可以用簡單的陽極氧化方法來制備。鋁膜在酸性腐蝕液中陽極氧化就可以在鋁膜上產(chǎn)生六角密堆的空洞，空洞的尺寸可以控制在5-200nm范圍。制備多孔膜的其他方法是從納米溝道玻璃膜復(fù)制。用這項技術(shù)已制造出含有細至40nm的空洞的鎢、鉬、鉑以及金膜。
—倍塞（diblock）共聚物圖形制作術(shù)是一種基于不同聚合物的混合物能夠產(chǎn)生可控及可重復(fù)的相分離機制的技術(shù)。目前，經(jīng)過反應(yīng)離子刻蝕后，在旋轉(zhuǎn)涂敷的倍塞共聚物層中產(chǎn)生的圖形已被成功地轉(zhuǎn)移到Si3N4膜上，圖形中空洞直徑20nm，空洞之間間距40nm。在聚苯乙烯基體中的自組織形成的聚異戊二烯（polyisoprene）或聚丁二烯（polybutadiene）球（或者柱體）可以被臭氧去掉或者通過鋨染色而保留下來。在第一種情況，空洞能夠在氮化硅上產(chǎn)生；在第二種情況，島狀結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生。目前利用倍塞共聚物光刻技術(shù)已制造出GaAs納米結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的側(cè)向特征尺寸約為23nm,密度高達1011/cm2。
—與倍塞共聚物圖形制作術(shù)緊密相關(guān)的一項技術(shù)是納米球珠光刻術(shù)。此項技術(shù)的基本思路是將在旋轉(zhuǎn)涂敷的球珠膜中形成的圖形轉(zhuǎn)移到襯底上。各種尺寸的聚合物球珠是商業(yè)化的產(chǎn)品。然而，要制作出含有良好有序的小尺寸球珠薄膜也是比較困難的。用球珠單層膜已能制備出特征尺寸約為球珠直徑1/5的三角形圖形。雙層膜納米球珠掩膜版也已被制作出。能夠在金屬、半導(dǎo)體以及絕緣體襯底上使用納米球珠光刻術(shù)的能力已得到確認。納米球珠光刻術(shù)（納米球珠膜的旋轉(zhuǎn)涂敷結(jié)合反應(yīng)離子刻蝕）已被用來在一些半導(dǎo)體表面上制造空洞和柱狀體納米結(jié)構(gòu)。
—將圖形從母體版轉(zhuǎn)移到襯底上的其他光刻技術(shù)。幾種所謂“軟光刻“方法，比如復(fù)制鑄模法、微接觸印刷法、溶劑輔助鑄模法以及用硬模版浮雕法等已被探索開發(fā)。其中微接觸印刷法已被證明只能用來刻制特征尺寸大于100nm的圖形。復(fù)制鑄模法的可能優(yōu)點是ellastometric聚合物可被用來制作成一個戳子，以便可用同一個戳子通過對戳子的機械加壓能夠制作不同側(cè)向尺寸的圖形。在溶劑輔助鑄模法和用硬模版浮雕法（或通常稱之為納米壓印術(shù)）之間的主要差異是，前者中溶劑被用于軟化聚合物，而后者中軟化聚合物依靠的是溫度變化。溶劑輔助鑄模法的可能優(yōu)點是不需要加熱。納米壓印術(shù)已被證明可用來制作具有容量達400Gb/in2的納米激光光盤，在6英寸硅片上刻制亞100nm分辨的圖形，刻制10nmX40nm面積的長方形，以及在4英寸硅片上進行圖形刻制。除傳統(tǒng)的平面納米壓印光刻法之外，滾軸型納米壓印光刻法也已被提出。在此類技術(shù)中溫度被發(fā)現(xiàn)是一個關(guān)鍵因素。此外，應(yīng)該選用具有較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的聚合物。為了取得高產(chǎn)，下列因素要解決：
1）大的戳子尺寸
2）高圖形密度戳子
3）低穿刺（lowsticking）
4）壓印溫度和壓力的優(yōu)化
5）長戳子壽命。
具有低穿刺率的大尺寸戳子已經(jīng)被制作出來。已有少量研究工作在試圖優(yōu)化壓印溫度和壓力，但顯然需要進行更多的研究工作才能得到溫度和壓力的優(yōu)化參數(shù)。高圖形密度戳子的制作依然在發(fā)展之中。還沒有足夠量的工作來研究戳子的壽命問題。曾有研究報告報道，覆蓋有超薄的特氟隆類薄膜的模板可以用來進行50次的浮刻而不需要中間清洗。報告指出最大的性能退化來自于嵌在戳子和聚合物之間的灰塵顆粒。如果戳子是從ellastometric母版制作出來的，抗穿刺層可能需要使用，而且進行大約5次壓印后需要更換。值得關(guān)心的其他可能問題包括鑲嵌的灰塵顆引起的戳子損傷或聚合物中圖形損傷，以及連續(xù)壓印之間戳子的清洗需要等。盡管進一步的優(yōu)化和改良是必需的，但此項技術(shù)似乎有希望獲得高生產(chǎn)率。壓印過程包括對準、加熱及冷卻循環(huán)等，整個過程所需時間大約20分鐘。使用具有較低玻璃化轉(zhuǎn)換溫度的聚合物可以縮短加熱和冷卻循環(huán)所需時間，因此可以縮短整個壓印過程時間。IV．納米制造所面對的困難和挑戰(zhàn)
上述每一種用于在襯底上圖形刻制的技術(shù)都有其優(yōu)點和缺點。目前，似乎沒有哪個單一種技術(shù)可以用來高產(chǎn)量地刻制納米尺度且任意形狀的圖形。我們可以將圖形刻制的全過程分成下列步驟：
1．在一塊模版上刻寫圖形
2．在過渡性或者功能性材料上復(fù)制模版上的圖形
3．轉(zhuǎn)移在過渡性或者功能性材料上復(fù)制的圖形。
很顯然第二步是最具挑戰(zhàn)性的一步。先前描述的各項技術(shù)，例如電子束光刻或者掃描微探針光刻技術(shù)，已經(jīng)能夠刻寫非常細小的圖形。然而，這些技術(shù)都因相當費時而不適于規(guī)模生產(chǎn)。納米壓印術(shù)則因可作多片并行處理而可能解決規(guī)模生產(chǎn)問題。此項技術(shù)似乎很有希望，但是在它能被廣泛應(yīng)用之前現(xiàn)存的嚴重的材料問題必須加以解決。納米球珠和倍塞共聚物光刻術(shù)則提供了將第一步和第二步整合的解決方案。在這些技術(shù)中，圖形由球珠的尺寸或者倍塞共聚物的成分來確定。然而，用這兩種光刻術(shù)刻寫的納米結(jié)構(gòu)的形狀非常有限。當這些技術(shù)被人們看好有很大的希望用來刻寫圖形以便生長出有序的納米量子點陣列時，它們卻完全不適于用來刻制任意形狀和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的圖形。為了能夠制造出高質(zhì)量的納米器件，不但必須能夠可靠地將圖形轉(zhuǎn)移到功能材料上，還必須保證在刻蝕過程中引入最小的損傷。濕法腐蝕技術(shù)典型地不產(chǎn)生或者產(chǎn)生最小的損傷，可是濕法腐蝕并不十分適于制備需要陡峭側(cè)墻的結(jié)構(gòu)，這是因為在掩模版下一定程度的鉆蝕是不可避免的，而這個鉆蝕決定性地影響微小結(jié)構(gòu)的刻制。另一方面，用干法刻蝕技術(shù)，譬如，反應(yīng)離子刻蝕(RIE)或者電子回旋共振（ECR）刻蝕，在優(yōu)化條件下可以獲得陡峭的側(cè)墻。直到今天大多數(shù)刻蝕研究都集中于刻蝕速度以及刻蝕出垂直墻的能力，而關(guān)于刻蝕引入損傷的研究嚴重不足。已有研究表明，能在表面下100nm深處探測到刻蝕引入的損傷。當器件中的個別有源區(qū)尺寸小于100nm時，如此大的損傷是不能接受的。還有就是因為所有的納米結(jié)構(gòu)都有大的表面-體積比，必須盡可能地減少在納米結(jié)構(gòu)表面或者靠近的任何缺陷。
隨著器件持續(xù)微型化的趨勢的發(fā)展，普通光刻技術(shù)的精度將很快達到它的由光的衍射定律以及材料物理性質(zhì)所確定的基本物理極限。通過采用深紫外光和相移版，以及修正光學(xué)近鄰干擾效應(yīng)等措施，特征尺寸小至80nm的圖形已能用普通光刻技術(shù)制備出。然而不大可能用普通光刻技術(shù)再進一步顯著縮小尺寸。采用X光和EUV的光刻技術(shù)仍在研發(fā)之中，可是發(fā)展這些技術(shù)遇到在光刻膠以及模版制備上的諸多困難。目前來看，雖然也有一些具挑戰(zhàn)性的問題需要解決，特別是需要克服電子束散射以及相關(guān)聯(lián)的近鄰干擾效應(yīng)問題，但投影式電子束光刻似乎是有希望的一種技術(shù)。掃描微探針技術(shù)提供了能分辨單個原子或分子的無可匹敵的精度，可是此項技術(shù)卻有固有的慢速度，目前還不清楚通過給它加裝陣列懸臂樑能否使它達到可以接受的刻寫速度。利用轉(zhuǎn)移在自組裝薄膜中形成的圖形的技術(shù)，例如倍塞共聚物以及納米球珠刻寫技術(shù)則提供了實現(xiàn)成本不是那么昂貴的大面積圖形刻寫的一種可能途徑。然而，在這種方式下形成的圖形僅局限于點狀或者柱狀圖形。對于制造相對簡單的器件而言，此類技術(shù)是足夠用的，但并不能解決微電子工業(yè)所面對的問題。需要將圖形從一張模版復(fù)制到聚合物膜上的各種所謂“軟光刻“方法提供了一種并行刻寫的技術(shù)途徑。模版可以用其他慢寫技術(shù)來刻制，然后在模版上的圖形可以通過要么熱輔助要么溶液輔助的壓印法來復(fù)制。同一塊模版可以用來刻寫多塊襯底，而且不像那些依賴化學(xué)自組裝圖形形成機制的方法，它可以用來刻制任意形狀的圖形。然而，要想獲得高生產(chǎn)率，某些技術(shù)問題如穿刺及因灰塵導(dǎo)致的損傷等問題需要加以解決。對一個理想的納米刻寫技術(shù)而言，它的運行和維修成本應(yīng)該低，它應(yīng)具備可靠地制備尺寸小但密度高的納米結(jié)構(gòu)的能力，還應(yīng)有在非平面上刻制圖形的能力以及制備三維結(jié)構(gòu)的功能。此外，它也應(yīng)能夠做高速并行操作，而且引入的缺陷密度要低。然而時至今日，仍然沒有任何一項能制作亞100nm圖形的單項技術(shù)能同時滿足上述所有條件。現(xiàn)在還難說是否上述技術(shù)中的一種或者它們的某種組合會取代傳統(tǒng)的光刻技術(shù)。究竟是現(xiàn)有刻寫技術(shù)的組合還是一種全新的技術(shù)會成為最終的納米刻寫技術(shù)還有待于觀察。
另一項挑戰(zhàn)是，為了更新我們關(guān)于納米結(jié)構(gòu)的認識和知識，有必要改善現(xiàn)有的表征技術(shù)或者發(fā)展一種新技術(shù)能夠用來表征單個納米尺度物體。由于自組裝量子點在尺寸上的自然漲落，可信地表征單個納米結(jié)構(gòu)的能力對于研究這些結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)是絕對至關(guān)重要的。目前表征單個納米結(jié)構(gòu)的能力非常有限。譬如，沒有一種結(jié)構(gòu)表征工具能夠用來確定一個納米結(jié)構(gòu)的表面結(jié)構(gòu)到0.1À的精度或者更佳。透射電子顯微術(shù)(TEM)能夠用來研究一個晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部情況，但是它不能提供有關(guān)表面以及靠近表面的原子排列情況的信息。掃描隧道顯微術(shù)（STM）和原子力顯微術(shù)（AFM）能夠給出表面某區(qū)域的形貌，但它們并不能提供定量結(jié)構(gòu)信息好到能仔細理解表面性質(zhì)所要求的精度。當近場光學(xué)方法能夠給出局部區(qū)域光譜信息時，它們能給出的關(guān)于局部雜質(zhì)濃度的信息則很有限。除非目前用來表征表面和體材料的技術(shù)能夠擴展到能夠用來研究單個納米體的表面和內(nèi)部情況，否則能夠得到的有關(guān)納米結(jié)構(gòu)的所有重要結(jié)構(gòu)和組份的定量信息非常有限。
V.展望
關(guān)鍵詞：納米科學(xué)納米技術(shù)納米管納米線納米團簇半導(dǎo)體
NanoscienceandNanotechnology–theSecondRevolution
Abstract:Thefirstrevolutionofnanosciencetookplaceinthepast10years.Inthisperiod,researchersinChina,HongKongandworldwidehavedemonstratedtheabilitytofabricatelargequantitiesofnanotubes,nanowiresandnanoclustersofdifferentmaterials,usingeitherthe“build-up”or“build-down”approach.Theseeffortshaveshownthatifnanostructurescanbefabricatedinexpensively,therearemanyrewardstobereaped.Structuressmallerthan20nmexhibitnon-classicalpropertiesandtheyofferthebasisforentirelydifferentthinkinginmakingdevicesandhowdevicesfunction.Theabilitytofabricatestructureswithdimensionlessthan70nmallowthecontinuationofminiaturizationofdevicesinthesemiconductorindustry.Thesecondnanoscienceandnantechnologyrevolutionwilllikelytakeplaceinthenext10years.Inthisnewperiod,scientistsandengineerswillneedtoshowthatthepotentialandpromiseofnanostructurescanberealized.Therealizationisthefabricationofpracticaldeviceswithgoodcontrolinsize,composition,orderandpuritysothatsuchdeviceswilldeliverthepromisedfunctions.Weshalldiscusssomedifficultiesandchallengesfacedinthisnewperiod.Anumberofalternativeapproacheswillbediscussed.Weshallalsodiscusssomeoftherewardsifthesedifficultiescanbeovercome.
Keywords:Nanoscience,Nanotechnology,Nanotubes,Nanowires,Nanoclusters,“build-up”,“build-down”,Semiconductor
I.引言
納米科學(xué)和技術(shù)所涉及的是具有尺寸在1-100納米范圍的結(jié)構(gòu)的制備和表征。在這個領(lǐng)域的研究舉世矚目。例如，美國政府2001財政年度在納米尺度科學(xué)上的投入要比2000財政年增長83%，達到5億美金。有兩個主要的理由導(dǎo)致人們對納米尺度結(jié)構(gòu)和器件的興趣的增加。第一個理由是，納米結(jié)構(gòu)（尺度小于20納米）足夠小以至于量子力學(xué)效應(yīng)占主導(dǎo)地位，這導(dǎo)致非經(jīng)典的行為，譬如，量子限制效應(yīng)和分立化的能態(tài)、庫侖阻塞以及單電子邃穿等。這些現(xiàn)象除引起人們對基礎(chǔ)物理的興趣外，亦給我們帶來全新的器件制備和功能實現(xiàn)的想法和觀念，例如，單電子輸運器件和量子點激光器等。第二個理由是，在半導(dǎo)體工業(yè)有器件持續(xù)微型化的趨勢。根據(jù)“國際半導(dǎo)體技術(shù)路向（2001）“雜志，2005年前動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）和微處理器（MPU）的特征尺寸預(yù)期降到80納米，而MPU中器件的柵長更是預(yù)期降到45納米。然而，到2003年在MPU制造中一些不知其解的問題預(yù)期就會出現(xiàn)。到2005年類似的問題將預(yù)期出現(xiàn)在DRAM的制造過程中。半導(dǎo)體器件特征尺寸的深度縮小不僅要求新型光刻技術(shù)保證能使尺度刻的更小，而且要求全新的器件設(shè)計和制造方案，因為當MOS器件的尺寸縮小到一定程度時基礎(chǔ)物理極限就會達到。隨著傳統(tǒng)器件尺寸的進一步縮小，量子效應(yīng)比如載流子邃穿會造成器件漏電流的增加，這是我們不想要的但卻是不可避免的。因此，解決方案將會是制造基于量子效應(yīng)操作機制的新型器件，以便小物理尺寸對器件功能是有益且必要的而不是有害的。如果我們能夠制造納米尺度的器件，我們肯定會獲益良多。譬如，在電子學(xué)上，單電子輸運器件如單電子晶體管、旋轉(zhuǎn)柵門管以及電子泵給我們帶來諸多的微尺度好處，他們僅僅通過數(shù)個而非以往的成千上萬的電子來運作，這導(dǎo)致超低的能量消耗，在功率耗散上也顯著減弱，以及帶來快得多的開關(guān)速度。在光電子學(xué)上，量子點激光器展現(xiàn)出低閾值電流密度、弱閾值電流溫度依賴以及大的微分增益等優(yōu)點，其中大微分增益可以產(chǎn)生大的調(diào)制帶寬。在傳感器件應(yīng)用上，納米傳感器和納米探測器能夠測量極其微量的化學(xué)和生物分子，而且開啟了細胞內(nèi)探測的可能性，這將導(dǎo)致生物醫(yī)學(xué)上迷你型的侵入診斷技術(shù)出現(xiàn)。納米尺度量子點的其他器件應(yīng)用，比如，鐵磁量子點磁記憶器件、量子點自旋過濾器及自旋記憶器等，也已經(jīng)被提出，可以肯定這些應(yīng)用會給我們帶來許多潛在的好處。總而言之，無論是從基礎(chǔ)研究（探索基于非經(jīng)典效應(yīng)的新物理現(xiàn)象）的觀念出發(fā)，還是從應(yīng)用（受因結(jié)構(gòu)減少空間維度而帶來的優(yōu)點以及因應(yīng)半導(dǎo)體器件特征尺寸持續(xù)減小而需要這兩個方面的因素驅(qū)使）的角度來看，納米結(jié)構(gòu)都是令人極其感興趣的。
II.納米結(jié)構(gòu)的制備———首次浪潮
有兩種制備納米結(jié)構(gòu)的基本方法：build-up和build-down。所謂build-up方法就是將已預(yù)制好的納米部件（納米團簇、納米線以及納米管）組裝起來；而build-down方法就是將納米結(jié)構(gòu)直接地淀積在襯底上。前一種方法包含有三個基本步驟：1）納米部件的制備；2）納米部件的整理和篩選；3）納米部件組裝成器件（這可以包括不同的步驟如固定在襯底及電接觸的淀積等等）?！癰uild-up“的優(yōu)點是個體納米部件的制備成本低以及工藝簡單快捷。有多種方法如氣相合成以及膠體化學(xué)合成可以用來制備納米元件。目前，在國內(nèi)、在香港以及在世界上許多的實驗室里這些方法正在被用來合成不同材料的納米線、納米管以及納米團簇。這些努力已經(jīng)證明了這些方法的有效性。這些合成方法的主要缺點是材料純潔度較差、材料成份難以控制以及相當大的尺寸和形狀的分布。此外，這些納米結(jié)構(gòu)的合成后工藝再加工相當困難。特別是，如何整理和篩選有著窄尺寸分布的納米元件是一個至關(guān)重要的問題，這一問題迄今仍未有解決。盡管存在如上的困難和問題，“build-up“依然是一種能合成大量納米團簇以及納米線、納米管的有效且簡單的方法。可是這些合成的納米結(jié)構(gòu)直到目前為止仍然難以有什么實際應(yīng)用，這是因為它們?nèi)狈嵱盟燎蟮某叽纭⒔M份以及材料純度方面的要求。而且，因為同樣的原因用這種方法合成的納米結(jié)構(gòu)的功能性質(zhì)相當差。不過上述方法似乎適宜用來制造傳感器件以及生物和化學(xué)探測器，原因是垂直于襯底生長的納米結(jié)構(gòu)適合此類的應(yīng)用要求。
“Build-down”方法提供了杰出的材料純度控制，而且它的制造機理與現(xiàn)代工業(yè)裝置相匹配，換句話說，它是利用廣泛已知的各種外延技術(shù)如分子束外延(MBE)、化學(xué)氣相淀積（MOVCD）等來進行器件制造的傳統(tǒng)方法?！癇uild-down”方法的缺點是較高的成本。在“build-down”方法中有幾條不同的技術(shù)路徑來制造納米結(jié)構(gòu)。最簡單的一種，也是最早使用的一種是直接在襯底上刻蝕結(jié)構(gòu)來得到量子點或者量子線。另外一種是包括用離子注入來形成納米結(jié)構(gòu)。這兩種技術(shù)都要求使用開有小尺寸窗口的光刻版。第三種技術(shù)是通過自組裝機制來制造量子點結(jié)構(gòu)。自組裝方法是在晶格失配的材料中自然生長納米尺度的島。在Stranski-Krastanov生長模式中，當材料生長到一定厚度后，二維的逐層生長將轉(zhuǎn)換成三維的島狀生長，這時量子點就會生成。業(yè)已證明基于自組裝量子點的激光器件具有比量子阱激光器更好的性能。量子點器件的飽和材料增益要比相應(yīng)的量子阱器件大50倍，微分增益也要高3個量級。閾值電流密度低于100A/cm2、室溫輸出功率在瓦特量級（典型的量子阱基激光器的輸出功率是5-50mW）的連續(xù)波量子點激光器也已經(jīng)報道。無論是何種材料系統(tǒng)，量子點激光器件都預(yù)期具有低閾值電流密度，這預(yù)示目前還要求在大閾值電流條件下才能激射的寬帶系材料如III組氮化物基激光器還有很大的顯著改善其性能的空間。目前這類器件的性能已經(jīng)接近或達到商業(yè)化器件所要求的指標，預(yù)期量子點基的此類材料激光器將很快在市場上出現(xiàn)。量子點基光電子器件的進一步改善主要取決于量子點幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。雖然在生長條件上如襯底溫度、生長元素的分氣壓等的變化能夠在一定程度上控制點的尺寸和密度，自組裝量子點還是典型底表現(xiàn)出在大小、密度及位置上的隨機變化，其中僅僅是密度可以粗糙地控制。自組裝量子點在尺寸上的漲落導(dǎo)致它們的光發(fā)射的非均勻展寬，因此減弱了使用零維體系制作器件所期望的優(yōu)點。由于量子點尺寸的統(tǒng)計漲落和位置的隨機變化，一層含有自組裝量子點材料的光致發(fā)光譜典型地很寬。在豎直疊立的多層量子點結(jié)構(gòu)中這種譜展寬效應(yīng)可以被減弱。如果隔離層足夠薄，豎直疊立的多層量子點可典型地展現(xiàn)出豎直對準排列，這可以有效地改善量子點的均勻性。然而，當隔離層薄的時候，在一列量子點中存在載流子的耦合，這將失去因使用零維系統(tǒng)而帶來的優(yōu)點。怎樣優(yōu)化量子點的尺寸和隔離層的厚度以便既能獲得好均勻性的量子點又同時保持載流子能夠限制在量子點的個體中對于獲得器件的良好性能是至關(guān)重要的。
很清楚納米科學(xué)的首次浪潮發(fā)生在過去的十年中。在這段時期，研究者已經(jīng)證明了納米結(jié)構(gòu)的許多嶄新的性質(zhì)。學(xué)者們更進一步征明可以用“build-down”或者“build-up”方法來進行納米結(jié)構(gòu)制造。這些成果向我們展示，如果納米結(jié)構(gòu)能夠大量且廉價地被制造出來，我們必將收獲更多的成果。
在未來的十年中，納米科學(xué)和技術(shù)的第二次浪潮很可能發(fā)生。在這個新的時期，科學(xué)家和工程師需要征明納米結(jié)構(gòu)的潛能以及期望功能能夠得到兌現(xiàn)。只有獲得在尺寸、成份、位序以及材料純度上良好可控能力并成功地制造出實用器件才能實現(xiàn)人們對納米器件所期望的功能。因此，納米科學(xué)的下次浪潮的關(guān)鍵點是納米結(jié)構(gòu)的人為可控性。
III.納米結(jié)構(gòu)尺寸、成份、位序以及密度的控制——第二次浪潮
為了充分發(fā)揮量子點的優(yōu)勢之處，我們必須能夠控制量子點的位置、大小、成份已及密度。其中一個可行的方法是將量子點生長在已經(jīng)預(yù)刻有圖形的襯底上。由于量子點的橫向尺寸要處在10-20納米范圍（或者更小才能避免高激發(fā)態(tài)子能級效應(yīng)，如對于GaN材料量子點的橫向尺寸要小于8納米）才能實現(xiàn)室溫工作的光電子器件，在襯底上刻蝕如此小的圖形是一項挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題。對于單電子晶體管來說，如果它們能在室溫下工作，則要求量子點的直徑要小至1-5納米的范圍。這些微小尺度要求已超過了傳統(tǒng)光刻所能達到的精度極限。有幾項技術(shù)可望用于如此的襯底圖形制作。
—電子束光刻通?？梢杂脕碇谱魈卣鞒叨刃≈?0納米的圖形。如果特殊薄膜能夠用作襯底來最小化電子散射問題，那特征尺寸小至2納米的圖形可以制作出來。在電子束光刻中的電子散射因為所謂近鄰干擾效應(yīng)（proximityeffect）而嚴重影響了光刻的極限精度，這個效應(yīng)造成制備空間上緊鄰的納米結(jié)構(gòu)的困難。這項技術(shù)的主要缺點是相當費時。例如，刻寫一張4英寸的硅片需要時間1小時，這不適宜于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。電子束投影系統(tǒng)如SCALPEL（scatteringwithangularlimitationprojectionelectronlithography）正在發(fā)展之中以便使這項技術(shù)較適于用于規(guī)模生產(chǎn)。目前，耗時和近鄰干擾效應(yīng)這兩個問題還沒有得到解決。
—聚焦離子束光刻是一種機制上類似于電子束光刻的技術(shù)。但不同于電子束光刻的是這種技術(shù)并不受在光刻膠中的離子散射以及從襯底來的離子背散射影響。它能刻出特征尺寸細到6納米的圖形，但它也是一種耗時的技術(shù)，而且高能離子束可能造成襯底損傷。
—掃描微探針術(shù)可以用來劃刻或者氧化襯底表面，甚至可以用來操縱單個原子和分子。最常用的方法是基于材料在探針作用下引入的高度局域化增強的氧化機制的。此項技術(shù)已經(jīng)用來刻劃金屬（Ti和Cr）、半導(dǎo)體（Si和GaAs）以及絕緣材料（Si3N4和silohexanes），還用在LB膜和自聚集分子單膜上。此種方法具有可逆和簡單易行等優(yōu)點。引入的氧化圖形依賴于實驗條件如掃描速度、樣片偏壓以及環(huán)境濕度等?？臻g分辨率受限于針尖尺寸和形狀（雖然氧化區(qū)域典型地小于針尖尺寸）。這項技術(shù)已用于制造有序的量子點陣列和單電子晶體管。這項技術(shù)的主要缺點是處理速度慢（典型的刻寫速度為1mm/s量級）。然而，最近在原子力顯微術(shù)上的技術(shù)進展—使用懸臂樑陣列已將掃描速度提高到4mm/s。此項技術(shù)的顯著優(yōu)點是它的杰出的分辨率和能產(chǎn)生任意幾何形狀的圖形能力。但是，是否在刻寫速度上的改善能使它適用于除制造光刻版和原型器件之外的其他目的還有待于觀察。直到目前為止，它是一項能操控單個原子和分子的唯一技術(shù)。
—多孔膜作為淀積掩版的技術(shù)。多孔膜能用多種光刻術(shù)再加腐蝕來制備，它也可以用簡單的陽極氧化方法來制備。鋁膜在酸性腐蝕液中陽極氧化就可以在鋁膜上產(chǎn)生六角密堆的空洞，空洞的尺寸可以控制在5-200nm范圍。制備多孔膜的其他方法是從納米溝道玻璃膜復(fù)制。用這項技術(shù)已制造出含有細至40nm的空洞的鎢、鉬、鉑以及金膜。
—倍塞（diblock）共聚物圖形制作術(shù)是一種基于不同聚合物的混合物能夠產(chǎn)生可控及可重復(fù)的相分離機制的技術(shù)。目前，經(jīng)過反應(yīng)離子刻蝕后，在旋轉(zhuǎn)涂敷的倍塞共聚物層中產(chǎn)生的圖形已被成功地轉(zhuǎn)移到Si3N4膜上，圖形中空洞直徑20nm，空洞之間間距40nm。在聚苯乙烯基體中的自組織形成的聚異戊二烯（polyisoprene）或聚丁二烯（polybutadiene）球（或者柱體）可以被臭氧去掉或者通過鋨染色而保留下來。在第一種情況，空洞能夠在氮化硅上產(chǎn)生；在第二種情況，島狀結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生。目前利用倍塞共聚物光刻技術(shù)已制造出GaAs納米結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的側(cè)向特征尺寸約為23nm,密度高達1011/cm2。
—與倍塞共聚物圖形制作術(shù)緊密相關(guān)的一項技術(shù)是納米球珠光刻術(shù)。此項技術(shù)的基本思路是將在旋轉(zhuǎn)涂敷的球珠膜中形成的圖形轉(zhuǎn)移到襯底上。各種尺寸的聚合物球珠是商業(yè)化的產(chǎn)品。然而，要制作出含有良好有序的小尺寸球珠薄膜也是比較困難的。用球珠單層膜已能制備出特征尺寸約為球珠直徑1/5的三角形圖形。雙層膜納米球珠掩膜版也已被制作出。能夠在金屬、半導(dǎo)體以及絕緣體襯底上使用納米球珠光刻術(shù)的能力已得到確認。納米球珠光刻術(shù)（納米球珠膜的旋轉(zhuǎn)涂敷結(jié)合反應(yīng)離子刻蝕）已被用來在一些半導(dǎo)體表面上制造空洞和柱狀體納米結(jié)構(gòu)。
—將圖形從母體版轉(zhuǎn)移到襯底上的其他光刻技術(shù)。幾種所謂“軟光刻“方法，比如復(fù)制鑄模法、微接觸印刷法、溶劑輔助鑄模法以及用硬模版浮雕法等已被探索開發(fā)。其中微接觸印刷法已被證明只能用來刻制特征尺寸大于100nm的圖形。復(fù)制鑄模法的可能優(yōu)點是ellastometric聚合物可被用來制作成一個戳子，以便可用同一個戳子通過對戳子的機械加壓能夠制作不同側(cè)向尺寸的圖形。在溶劑輔助鑄模法和用硬模版浮雕法（或通常稱之為納米壓印術(shù)）之間的主要差異是，前者中溶劑被用于軟化聚合物，而后者中軟化聚合物依靠的是溫度變化。溶劑輔助鑄模法的可能優(yōu)點是不需要加熱。納米壓印術(shù)已被證明可用來制作具有容量達400Gb/in2的納米激光光盤，在6英寸硅片上刻制亞100nm分辨的圖形，刻制10nmX40nm面積的長方形，以及在4英寸硅片上進行圖形刻制。除傳統(tǒng)的平面納米壓印光刻法之外，滾軸型納米壓印光刻法也已被提出。在此類技術(shù)中溫度被發(fā)現(xiàn)是一個關(guān)鍵因素。此外，應(yīng)該選用具有較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的聚合物。為了取得高產(chǎn)，下列因素要解決：
1）大的戳子尺寸
2）高圖形密度戳子
3）低穿刺（lowsticking）
4）壓印溫度和壓力的優(yōu)化
5）長戳子壽命。
具有低穿刺率的大尺寸戳子已經(jīng)被制作出來。已有少量研究工作在試圖優(yōu)化壓印溫度和壓力，但顯然需要進行更多的研究工作才能得到溫度和壓力的優(yōu)化參數(shù)。高圖形密度戳子的制作依然在發(fā)展之中。還沒有足夠量的工作來研究戳子的壽命問題。曾有研究報告報道，覆蓋有超薄的特氟隆類薄膜的模板可以用來進行50次的浮刻而不需要中間清洗。報告指出最大的性能退化來自于嵌在戳子和聚合物之間的灰塵顆粒。如果戳子是從ellastometric母版制作出來的，抗穿刺層可能需要使用，而且進行大約5次壓印后需要更換。值得關(guān)心的其他可能問題包括鑲嵌的灰塵顆引起的戳子損傷或聚合物中圖形損傷，以及連續(xù)壓印之間戳子的清洗需要等。盡管進一步的優(yōu)化和改良是必需的，但此項技術(shù)似乎有希望獲得高生產(chǎn)率。壓印過程包括對準、加熱及冷卻循環(huán)等，整個過程所需時間大約20分鐘。使用具有較低玻璃化轉(zhuǎn)換溫度的聚合物可以縮短加熱和冷卻循環(huán)所需時間，因此可以縮短整個壓印過程時間。
IV．納米制造所面對的困難和挑戰(zhàn)
上述每一種用于在襯底上圖形刻制的技術(shù)都有其優(yōu)點和缺點。目前，似乎沒有哪個單一種技術(shù)可以用來高產(chǎn)量地刻制納米尺度且任意形狀的圖形。我們可以將圖形刻制的全過程分成下列步驟：
1．在一塊模版上刻寫圖形
2．在過渡性或者功能性材料上復(fù)制模版上的圖形
3．轉(zhuǎn)移在過渡性或者功能性材料上復(fù)制的圖形。
很顯然第二步是最具挑戰(zhàn)性的一步。先前描述的各項技術(shù)，例如電子束光刻或者掃描微探針光刻技術(shù)，已經(jīng)能夠刻寫非常細小的圖形。然而，這些技術(shù)都因相當費時而不適于規(guī)模生產(chǎn)。納米壓印術(shù)則因可作多片并行處理而可能解決規(guī)模生產(chǎn)問題。此項技術(shù)似乎很有希望，但是在它能被廣泛應(yīng)用之前現(xiàn)存的嚴重的材料問題必須加以解決。納米球珠和倍塞共聚物光刻術(shù)則提供了將第一步和第二步整合的解決方案。在這些技術(shù)中，圖形由球珠的尺寸或者倍塞共聚物的成分來確定。然而，用這兩種光刻術(shù)刻寫的納米結(jié)構(gòu)的形狀非常有限。當這些技術(shù)被人們看好有很大的希望用來刻寫圖形以便生長出有序的納米量子點陣列時，它們卻完全不適于用來刻制任意形狀和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的圖形。為了能夠制造出高質(zhì)量的納米器件，不但必須能夠可靠地將圖形轉(zhuǎn)移到功能材料上，還必須保證在刻蝕過程中引入最小的損傷。濕法腐蝕技術(shù)典型地不產(chǎn)生或者產(chǎn)生最小的損傷，可是濕法腐蝕并不十分適于制備需要陡峭側(cè)墻的結(jié)構(gòu)，這是因為在掩模版下一定程度的鉆蝕是不可避免的，而這個鉆蝕決定性地影響微小結(jié)構(gòu)的刻制。另一方面，用干法刻蝕技術(shù)，譬如，反應(yīng)離子刻蝕(RIE)或者電子回旋共振（ECR）刻蝕，在優(yōu)化條件下可以獲得陡峭的側(cè)墻。直到今天大多數(shù)刻蝕研究都集中于刻蝕速度以及刻蝕出垂直墻的能力，而關(guān)于刻蝕引入損傷的研究嚴重不足。已有研究表明，能在表面下100nm深處探測到刻蝕引入的損傷。當器件中的個別有源區(qū)尺寸小于100nm時，如此大的損傷是不能接受的。還有就是因為所有的納米結(jié)構(gòu)都有大的表面-體積比，必須盡可能地減少在納米結(jié)構(gòu)表面或者靠近的任何缺陷。
隨著器件持續(xù)微型化的趨勢的發(fā)展，普通光刻技術(shù)的精度將很快達到它的由光的衍射定律以及材料物理性質(zhì)所確定的基本物理極限。通過采用深紫外光和相移版，以及修正光學(xué)近鄰干擾效應(yīng)等措施，特征尺寸小至80nm的圖形已能用普通光刻技術(shù)制備出。然而不大可能用普通光刻技術(shù)再進一步顯著縮小尺寸。采用X光和EUV的光刻技術(shù)仍在研發(fā)之中，可是發(fā)展這些技術(shù)遇到在光刻膠以及模版制備上的諸多困難。目前來看，雖然也有一些具挑戰(zhàn)性的問題需要解決，特別是需要克服電子束散射以及相關(guān)聯(lián)的近鄰干擾效應(yīng)問題，但投影式電子束光刻似乎是有希望的一種技術(shù)。掃描微探針技術(shù)提供了能分辨單個原子或分子的無可匹敵的精度，可是此項技術(shù)卻有固有的慢速度，目前還不清楚通過給它加裝陣列懸臂樑能否使它達到可以接受的刻寫速度。利用轉(zhuǎn)移在自組裝薄膜中形成的圖形的技術(shù)，例如倍塞共聚物以及納米球珠刻寫技術(shù)則提供了實現(xiàn)成本不是那么昂貴的大面積圖形刻寫的一種可能途徑。然而，在這種方式下形成的圖形僅局限于點狀或者柱狀圖形。對于制造相對簡單的器件而言，此類技術(shù)是足夠用的，但并不能解決微電子工業(yè)所面對的問題。需要將圖形從一張模版復(fù)制到聚合物膜上的各種所謂“軟光刻“方法提供了一種并行刻寫的技術(shù)途徑。模版可以用其他慢寫技術(shù)來刻制，然后在模版上的圖形可以通過要么熱輔助要么溶液輔助的壓印法來復(fù)制。同一塊模版可以用來刻寫多塊襯底，而且不像那些依賴化學(xué)自組裝圖形形成機制的方法，它可以用來刻制任意形狀的圖形。然而，要想獲得高生產(chǎn)率，某些技術(shù)問題如穿刺及因灰塵導(dǎo)致的損傷等問題需要加以解決。對一個理想的納米刻寫技術(shù)而言，它的運行和維修成本應(yīng)該低，它應(yīng)具備可靠地制備尺寸小但密度高的納米結(jié)構(gòu)的能力，還應(yīng)有在非平面上刻制圖形的能力以及制備三維結(jié)構(gòu)的功能。此外，它也應(yīng)能夠做高速并行操作，而且引入的缺陷密度要低。然而時至今日，仍然沒有任何一項能制作亞100nm圖形的單項技術(shù)能同時滿足上述所有條件。現(xiàn)在還難說是否上述技術(shù)中的一種或者它們的某種組合會取代傳統(tǒng)的光刻技術(shù)。究竟是現(xiàn)有刻寫技術(shù)的組合還是一種全新的技術(shù)會成為最終的納米刻寫技術(shù)還有待于觀察。
另一項挑戰(zhàn)是，為了更新我們關(guān)于納米結(jié)構(gòu)的認識和知識，有必要改善現(xiàn)有的表征技術(shù)或者發(fā)展一種新技術(shù)能夠用來表征單個納米尺度物體。由于自組裝量子點在尺寸上的自然漲落，可信地表征單個納米結(jié)構(gòu)的能力對于研究這些結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)是絕對至關(guān)重要的。目前表征單個納米結(jié)構(gòu)的能力非常有限。譬如，沒有一種結(jié)構(gòu)表征工具能夠用來確定一個納米結(jié)構(gòu)的表面結(jié)構(gòu)到0.1À的精度或者更佳。透射電子顯微術(shù)(TEM)能夠用來研究一個晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部情況，但是它不能提供有關(guān)表面以及靠近表面的原子排列情況的信息。掃描隧道顯微術(shù)（STM）和原子力顯微術(shù)（AFM）能夠給出表面某區(qū)域的形貌，但它們并不能提供定量結(jié)構(gòu)信息好到能仔細理解表面性質(zhì)所要求的精度。當近場光學(xué)方法能夠給出局部區(qū)域光譜信息時，它們能給出的關(guān)于局部雜質(zhì)濃度的信息則很有限。除非目前用來表征表面和體材料的技術(shù)能夠擴展到能夠用來研究單個納米體的表面和內(nèi)部情況，否則能夠得到的有關(guān)納米結(jié)構(gòu)的所有重要結(jié)構(gòu)和組份的定量信息非常有限。
V.展望
碩士論文應(yīng)能表明作者確已在本門學(xué)科上掌握了堅實的基礎(chǔ)理論和系統(tǒng)的專門知識，并對所研究課題有新的見解，有從事科學(xué)研究工作或獨立擔(dān)負專門技術(shù)工作的能力。博士論文應(yīng)能表明作者確已在本門學(xué)科上掌握了堅實寬廣的基礎(chǔ)理論和系統(tǒng)深入的專門知識，并具有獨立從事科學(xué)研究工作的能力，在科學(xué)或?qū)ｉT技術(shù)上做出了創(chuàng)造性的成果。 2.3 學(xué)術(shù)論文學(xué)術(shù)論文是某一學(xué)術(shù)課題在實驗性、理論性或觀測性上具有新的科學(xué)研究成果或創(chuàng)新見解和知識的科學(xué)記錄；或是某種已知原理應(yīng)用于實際中取得新進展的科學(xué)總結(jié)，用以提供學(xué)術(shù)會議上宣讀、交流或討論；或在學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表；或作其他用途的書面文件。學(xué)術(shù)論文應(yīng)提供新的科技信息，其內(nèi)容應(yīng)有所發(fā)現(xiàn)、有所發(fā)明、有所創(chuàng)造、有所前進，而不是重復(fù)、模仿、抄襲前人的工作。 3 編寫要求 報告、論文的中文稿必須用白色稿紙單面繕寫或打字；外文稿必須用打字?？梢杂貌煌噬膹?fù)制本。報告、論文宜用(210mm×297mm)標準大小的白紙，應(yīng)便于閱讀、復(fù)制和拍攝縮微制品。報告、論文在書寫、打字或印刷時，要求紙的四周留足空白邊緣，以便裝訂、復(fù)制和讀者批注。每一面的上方(天頭)和左側(cè)(訂口)應(yīng)分別留邊25mm以上，下方(地腳)和右側(cè)(切口)應(yīng)分別留邊20mm以上。 4 編寫格式 4.1 報告、論文章、條的編號參照國家標準 GB1.1《標準化工作導(dǎo)則標準編寫的基本規(guī)定》第8章“標準條文的編排”的有關(guān)規(guī)定，采用阿拉伯數(shù)字分級編號。 4.2 報告、論文的構(gòu)成 5 前置部分 5.1 封面 5.1.1 封面是報告、論文的外表面，提供應(yīng)有的信息，并起保護作用。封面不是必不可少的。學(xué)術(shù)論文如作為期刊、書或其他出版物的一部分，無需封面；如作為預(yù)印本、抽印本等單行本時，可以有封面。 5.1.2 封面上可包括下列內(nèi)容： a.分類號在左上角注明分類號，便于信息交換和處理。一般應(yīng)注明《中國圖書資料分類法》的類號，同時應(yīng)盡可能注明《國際十進分類法UDC》的類號。
b.本單位編號一般標注在右上角。學(xué)術(shù)論文無必要。
c.密級視報告、論文的內(nèi)容，按國家規(guī)定的保密條例，在右上角注明密級。如系公開發(fā)行，不注密級。
d.題名和副題名或分冊題名用大號字標注于明顯地位。
關(guān)鍵詞：科學(xué)技術(shù)異同比較概念厘清
Abstract:AlthoughScienceandTechnologyhavecloseconnectionandsimilarities,butafteralltheyaretwodifferentconcepts.Thispaperdiscussestheirdifferencesfromthepursuingaim，researchableobject，activity''''sdirection，processofquesting，concernedproblems，adoptivemethods，thoughtmodes，constitutiveelements，languageexpressions，finalresults，evaluativestandards，containsofvalues，normoffollowing，occupationalconstitution，socialinfluences，historicaloriginanddevelopment，developmentandprogress.
KeyWords:science,technology,comparisonofsimilaritiesanddifferences,clarifyvingconcepts.
在現(xiàn)代，科學(xué)和技術(shù)關(guān)系密切，之所以如此，除了二者相互依賴和相互促進——科學(xué)要借助技術(shù)更新設(shè)備、啟示問題、激勵靈感，技術(shù)要借助科學(xué)提高理論水準、擴展發(fā)明視野、開拓新奇領(lǐng)地——之外，也在于科學(xué)和技術(shù)確實有諸多相通或相近之處。正如考爾丁所說，科學(xué)和技術(shù)二者都處理物理世界，使用相同種類的物質(zhì)世界的知識。二者在研究中使用經(jīng)驗方法，雇用在科學(xué)中受訓(xùn)練的人，使用類似的詞匯表。技術(shù)因它所應(yīng)用的知識依賴科學(xué)，有時也為科學(xué)進展提供未加工的材料，即新觀察或其他的激勵研究的東西。
考爾丁只是籠統(tǒng)論之。其實，條分縷析一下科學(xué)和技術(shù)的各個要素，問題就更清楚了。例如，在建制方面，科學(xué)與技術(shù)都是高度創(chuàng)造性的行當，它們都給予那些能夠以有意思的方法合成完全不會在其他人那里發(fā)生的思想的人們以一種獎勵。在規(guī)范方面，科學(xué)和技術(shù)都具有非本地化和世界主義的特征?？茖W(xué)不是由于定義才是普適的，而是通過許多努力消解本地發(fā)現(xiàn)的與境的。技術(shù)不是自動地可用于其他境況的，它要求技術(shù)和境況兩方面適應(yīng)，以創(chuàng)造起作用的技術(shù)。這個消解與境過程的社會方面也是深入科學(xué)和技術(shù)之域消解與境，它在于在實踐、流通和網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)造之間的交流。在結(jié)構(gòu)方面，一切科學(xué)都有理論、觀察、實驗這三個部分，技術(shù)同樣如此。因此，把技術(shù)和科學(xué)對立起來的做法是毫無意義的?？茖W(xué)和技術(shù)都進行觀察和實驗，提出理論，提出關(guān)于（通過實驗）造成一定條件的方式的陳述。在基礎(chǔ)研究問題上二者也有一定的重合。在方法方面，技術(shù)研究與科學(xué)研究沒有什么區(qū)別。其研究周期圖式都是一樣的：確定問題；用現(xiàn)行的理論知識和經(jīng)驗知識解決問題；倘若嘗試失敗，就找出某些可能的解決問題的假設(shè)以至整個假設(shè)-演繹系統(tǒng)；借助新概念系統(tǒng)尋求問題的解決；檢驗解決問題與結(jié)果；對假設(shè)或初始問題的表達方式做出必要的修正。在評價方面，
任何特定技術(shù)的發(fā)展是否值得的裁決必須永遠是暫定的，對借助新證據(jù)重新評價是開放的。以這種方式，對于科學(xué)使用的問題不能給出永恒的答案，正如科學(xué)理論本身的真理問題不能給出永恒的答案一樣。
特別使我們感興趣的是，在哲學(xué)底蘊方面，科學(xué)和技術(shù)都體現(xiàn)了操縱或擺布的思想。西方科學(xué)是作為實驗科學(xué)發(fā)展起來的，而為了進行實驗，它必須發(fā)展精確和可靠的操縱能力，也就是說進行檢驗的技術(shù)，人們操縱擺弄是為了檢驗。技術(shù)也操縱自然界的對象，同時也引起新的人操縱人的過程，或者說社會實體操縱人類個人的過程。隨著技術(shù)的發(fā)展發(fā)明了新的和十分微妙的操縱方式，在這種方式中，對事物的操縱同時需要人類接受操縱技術(shù)的奴役。
也許正是由于這些相通或相近之處，不少人認為，科學(xué)和技術(shù)沒有本質(zhì)上的不同，或者沒有原則性的區(qū)別，在二者之間是無法劃界的。譬如，克羅斯和巴克堅持，在20世紀，科學(xué)和技術(shù)就形式而言似乎是一個有機的整體，在不把二者蠻橫地弄得支離破碎的情況下，不可能把科學(xué)和技術(shù)作為分離的實體與整體分開。雷斯蒂沃則一言以蔽之，純粹科學(xué)的神話是近代科學(xué)作為禮拜堂的基石。近代科學(xué)的意識形態(tài)使我們之中的許多人相信，在科學(xué)和技術(shù)之間可以劃界，并因我們社會和環(huán)境的疾病而責(zé)備技術(shù)。
誠然，在科學(xué)和技術(shù)之間“存在邊界起初不可能十分尖銳地顯示出來的領(lǐng)域，正如在遺傳工程和基因治療的情況中那樣”。誠然，“許多現(xiàn)代建制的探究形式把科學(xué)的知識進展的興趣與特定技術(shù)的較大效率的目標融合在一起，一致在二者之間不存在建制上的劃線?？茖W(xué)和技術(shù)在醫(yī)學(xué)科學(xué)沒有簡單的可維持的區(qū)分，雖然在極端的對照中是清楚的?！闭\然，在科學(xué)和技術(shù)之間的任何區(qū)分實際上都可能強烈地受到意識形態(tài)因素的影響，如規(guī)劃的制定和資金的提供就涉及區(qū)分問題。科學(xué)和技術(shù)的區(qū)分還缺乏明晰的和毫不含糊的劃界標準，在一種與境中是所謂“科學(xué)”和“科學(xué)的”東西，在另一種與境中往往被稱為“技術(shù)”和“技術(shù)的”東西，反之亦然。然而，
不管怎樣，從學(xué)理上講，科學(xué)和技術(shù)畢竟不是一回事，二者的區(qū)別眾多而明顯。從實踐上講，把二者混同起來，也會在實際工作造成不應(yīng)有的危害——我國科學(xué)政策和科研管理方面的諸多偏差，在很大程度上歸因于混淆了科學(xué)和技術(shù)的概念和轄域。為此，我們必須盡可能把科學(xué)和技術(shù)區(qū)分開來，以便于澄清概念上的混亂和糾正管理上的不當。
邦格曾經(jīng)以表格的形式，列舉了科學(xué)和技術(shù)之間的某些相似點和和相異點。陳昌曙教授也從十個方面揭示了科學(xué)與技術(shù)之間原則上的、本質(zhì)性的不同：基本的性質(zhì)和功能，解決問題的結(jié)構(gòu)和組成，研究的過程和方法，相鄰領(lǐng)域和相關(guān)知識，實現(xiàn)的目標和結(jié)果，衡量的標準，研究過程和勞動特點，人才的素質(zhì)和成長，發(fā)展的進展和水平，社會價值、意義和影響。在我的心目中，科學(xué)和技術(shù)一直是兩個有別的概念和范疇。在混亂日盛且大有蔓延之勢的情況下，我接連寫了數(shù)篇強調(diào)科學(xué)和技術(shù)有別的文章，力圖予以匡正。當時我沒有研讀多少資料，主要是憑直觀和經(jīng)驗發(fā)議論的。在這里，我準備把原來簡略的框架和十分有限的文字予以擴充，比較詳盡地厘清一下科學(xué)和技術(shù)的差異。
（1）從追求目的上看，科學(xué)以致知求真為鵠的，其目標在于探索和認識自然；技術(shù)以應(yīng)用厚生為歸宿，其意圖在于利用和改造自然。科學(xué)著眼于理論知識的不斷進展，技術(shù)追求生產(chǎn)目標的有效實現(xiàn)。盡管技術(shù)也涉及知識——應(yīng)用零散的經(jīng)驗知識和系統(tǒng)的科學(xué)知識，也創(chuàng)造一些實用性知識——但是它把知識工具化。也就是說，科學(xué)把知識始終視為目的，而技術(shù)僅僅把知識當作手段。
盡管在某些現(xiàn)實的研究課題或項目中，致知求真和應(yīng)用厚生這兩個目的是相伴出現(xiàn)的，即便研究者只涉及一個方面；盡管每一個正確的科學(xué)理論都可能潛在地導(dǎo)致技術(shù)應(yīng)用，而每一項技術(shù)研究項目也可能促進科學(xué)知識的進展；但是，這并不能掩蓋科學(xué)和技術(shù)在目的上的鴻溝之分。考爾丁對此洞若觀火：科學(xué)和技術(shù)的基本區(qū)分還是在于目的。科學(xué)的目的是獲取知識，技術(shù)的目的是應(yīng)用知識控制物質(zhì)。技術(shù)人員的問題是分派給他的，希望他提供答案；而科學(xué)中某種研究自由是基本的。于是，科學(xué)的發(fā)展遵從它自己固有的需要，即對真理的追求；而技術(shù)的發(fā)展遵循公眾的物質(zhì)需要。桜井邦朋也一語中的：
科學(xué)和技術(shù)本來是有差別的東西，科學(xué)被認為是就隱藏在我們周圍擴展的自然中所看到的各種現(xiàn)象的奧秘中的真理，換言之，是就各種事實和在它們之間存在的法則研究的學(xué)問；與之相對，技術(shù)是立足于把科學(xué)的成果作為在我們的生活中有用的東西熟練使用的目的而加以研究、而組成的東西，是實用性極強的東西。
不用說，純粹科學(xué)，如果它是實驗性的，也控制和改造世界，但只是為了認識實在在很小的規(guī)模上這樣做，而不是以此為目的。科學(xué)是為了認識而去變革，而技術(shù)卻是為了變革而去認識。希爾也表達了類似的看法：“科學(xué)可以可以發(fā)明、改進和推廣儀器工具，但是這不是它的首要關(guān)心。它的首要任務(wù)是認識，并通過認識擴大我們的知識。技術(shù)并不這么多地關(guān)心認識，它關(guān)心為最佳的利益而生產(chǎn)和使用。”
（2）從研究對象上看，科學(xué)以自在的自然實在為研究對象，不管這些對象是實體實在還是關(guān)系實在，不管它們是以物質(zhì)形態(tài)存在還是以能量或信息形態(tài)存在，也不管它們是有生命的還是無生命的。總而言之，它們是自在的自然的。當然，為了獲取自在的自然實在的知識，實驗科學(xué)家也在受控實驗中對其進行某些干預(yù)，但是這種干預(yù)是小規(guī)模的、不成氣候的。更重要的是，如此干預(yù)只是作為獲取自然奧秘的手段，而決不是為干預(yù)而干預(yù)，決不是把干預(yù)自然作為目的。相反地，技術(shù)的對象則是現(xiàn)實的或擬想的人造物，也就是說，它要設(shè)計或制造出某個自然界中沒有的人工東西來。當然，技術(shù)也針對自在的自然對象做研究和試驗，例如研究和利用天然石頭作為建筑材料，但是無論從研究的出發(fā)點講，還是從試驗的結(jié)局上講，都聚焦于實用和使用，其結(jié)果，已經(jīng)使自在的自然存在變成為人的非純粹的自然存在了，如砌墻基的方形花崗巖石料、拋光和切割的大理石平板。
（3）從活動取向上看，科學(xué)活動是好奇取向的（curiosity-oriented），與社會與境和社會需要關(guān)系疏遠；技術(shù)是任務(wù)取向的（mission-oriented），與社會現(xiàn)實和社會需求關(guān)系密切。科學(xué)本來就是在有閑暇的條件下，由人的好奇天性觸發(fā)的?？茖W(xué)愛好的激起，科學(xué)問題的提出，研究沖動的萌生，在很大程度上無一不是由好奇心驅(qū)使的。一個沒有好奇心和驚奇感的人，是不會成為天才的科學(xué)家的。科學(xué)的好奇既表現(xiàn)在對自然現(xiàn)象的好奇（如愛因斯坦對指南針的好奇）上，又表現(xiàn)在對科學(xué)理論的好奇（如愛因斯坦對歐幾里得幾何學(xué)的好奇，對空間和時間問題的好奇，對經(jīng)典力學(xué)和電動力學(xué)關(guān)于運動相對性解釋的不協(xié)調(diào)的好奇）上，這些都可能成為新發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)火線或助產(chǎn)士。愛因斯坦說得好：
重要的是不停地追問。好奇心有它自己存在的理由。一個人當他看到永恒之謎、生命之謎、實在的奇妙的結(jié)構(gòu)之謎時，他不能不從心理感到敬畏。如果人們能夠每天設(shè)法理解這個秘密的一點點，那就足夠了。永遠不要失去神圣的好奇心。
他還這樣講過：“如果要使科學(xué)服務(wù)于實用的目的，那么科學(xué)就會停滯不前?！?/p>
另外，技術(shù)像現(xiàn)代社會的許多建制一樣，其取向往往是短視的，科學(xué)則不是如此、也不能如此。多爾比認為，短視的觀點可能在技術(shù)的語境中被捍衛(wèi)，但是卻會使科學(xué)研究遭難。因為集中關(guān)于可預(yù)見的眼前利益，會使科學(xué)完全轉(zhuǎn)向應(yīng)用的和任務(wù)取向的科學(xué)，會減少產(chǎn)生未曾料到的新知識的能力，從而也會使未來技術(shù)的源泉枯竭。因為技術(shù)常常是為了滿足眼前的需求而研制、應(yīng)對市場當下的急需而生產(chǎn)的，所以不得不采取急功近利的態(tài)度和做法。科學(xué)一般不會如此短視，因為科學(xué)與人的物質(zhì)欲求和市場的急需沒有多少聯(lián)系。假若出現(xiàn)短視的科學(xué)，也只能欲速則不達，美國攻克癌癥計劃的失敗就是一個鮮明的例子，因為科學(xué)的發(fā)現(xiàn)是無法預(yù)見和計劃的，只有在科學(xué)內(nèi)部的各種條件具備和時機成熟之時（如舊有理論的完備，相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，實驗資料的積累，天才科學(xué)家的關(guān)注等）才有可能取得理論突破。正是由于取向的不同，科學(xué)研究的自由度要大得多，而技術(shù)的進展則要受到社會與境多方面的約束和限制。
（4）從探索過程上看，科學(xué)發(fā)現(xiàn)的目標常常不甚明了，摸索性極強，偶然性很多，失敗遠多于成功。因此，科學(xué)家在探究過程中隨時掉轉(zhuǎn)方向、動輒改換門庭是常有的事。誠如俗語所說：你本來要進這一個房間，卻步入另一個屋子。在這種情勢下，你根本無法計劃和組織科學(xué)研究；即使硬著頭皮做出計劃，也不過是鏡花水月而已，你根本無法在實踐中實施。大凡頭腦機敏的科學(xué)家對這一點都心知肚明。一般來說，他們只有一個大致的研究范圍，至多只有一個飄忽不定、若隱若現(xiàn)的靶子，但是他們卻具有審時度勢、隨機應(yīng)變的本領(lǐng)——這是他們成功的秘訣之一。
相比之下，技術(shù)發(fā)明對準的靶子往往事先就很明確，可以做出比較詳細、比較周密的組織和規(guī)劃，然后或按圖索驥，或有的放矢，偶然性較少，成功率較高。美國的曼哈頓計劃和登月計劃，中國的兩彈一星工程，就是技術(shù)項目計劃周到、組織嚴密、完成出色的絕佳表演，而剛才提及的美國攻癌計劃則是計劃科學(xué)失敗的典型例證。正如我先前所寫的：學(xué)術(shù)科學(xué)或基礎(chǔ)研究是不可計劃和組織的！組織和計劃的學(xué)術(shù)科學(xué)不利于科學(xué)發(fā)展！在這里，愛因斯坦的告誡值得我們認真汲?。骸叭藗兡軌虬岩呀?jīng)做出的發(fā)現(xiàn)的應(yīng)用組織起來，但是不能把發(fā)現(xiàn)本身組織起來。只有自由的個人才能做出發(fā)現(xiàn)?！彼€說：
科學(xué)史表明，偉大的科學(xué)成就并不是通過組織和計劃取得的；新思想發(fā)源于某一個人的心中。因此，學(xué)者個人的研究自由是科學(xué)進步的首要條件。除了在某些有意識的領(lǐng)域，如天文學(xué)、氣象學(xué)、地球物理學(xué)、植物地理學(xué)中，一個組織對于科學(xué)工作來說只是一種蹩腳的工具。
（5）從關(guān)注問題上看，科學(xué)需要了解“是什么”（what）和“為什么”（why），而技術(shù)面對的問題則是“做什么”（dowhat）和“如何做”（howdo）。邦格用一句話點明：技術(shù)的中心問題是設(shè)計而非發(fā)現(xiàn)。正因為如此，技術(shù)雖然以應(yīng)用科學(xué)為基礎(chǔ)，但是并非機械地追隨應(yīng)用科學(xué)。盡管實際情況遠比想象的復(fù)雜——大量的、很好的甚至是很出色的科學(xué)工作，是在有著明確技術(shù)目的的研究過程中完成的，而且科學(xué)家自己在“科學(xué)”與“技術(shù)”職業(yè)之間來更而不改變自己實際從事的工作——然而“這些構(gòu)成科學(xué)的問題是認識論意義上的問題，而技術(shù)研究的本質(zhì)卻是一件經(jīng)濟的和社會的工作?！?/p>
更為值得注意的是，科學(xué)發(fā)現(xiàn)的原創(chuàng)性和技術(shù)發(fā)明的原創(chuàng)性是不同的?！斑@兩者的原創(chuàng)性都受人欣賞，但是在科學(xué)中，原創(chuàng)性在于比別人更深入地看到事物的本質(zhì)的能力，而在技術(shù)中，原創(chuàng)性則在于發(fā)明家把已知的事實轉(zhuǎn)化為驚人的利益的創(chuàng)造力。”因此，技師的啟發(fā)性熱情是以他自己迥異的焦點為中心的。他遵循的不是自然秩序的前兆，而是能使事物以一種新的方式運作以便達到某一可接受的目的，并能便宜地得到利潤的可能性的前兆。在向新的問題摸索著前進時，技術(shù)專家所考慮的必定是科學(xué)家所忽視的利益與危害的整個全景圖。他必定對人的需求特別敏感，并有能力評估他們準備滿足這些需求時所付出的代價?？茖W(xué)家的眼光則全神貫注在大自然的內(nèi)部法則上。
（6）從采用方法上看，科學(xué)主要運用實驗推理、歸納演繹諸方法，而技術(shù)多用調(diào)查設(shè)計、試驗修正等方法?？紶柖〕姓J，技術(shù)研究的方法與科學(xué)方法有類似之處，如在實驗中控制可變因素，使用矯正的參數(shù)，但是作為一個整體的方法根本不同于科學(xué)方法?？茖W(xué)的實驗指向理解研究中的系統(tǒng)，本質(zhì)上與科學(xué)方法的其他部分即說明的假設(shè)形成關(guān)聯(lián)。沒有導(dǎo)致新理解的實驗是失敗，實驗通常借助一些假設(shè)設(shè)計，以便證實它或否證它。另一方面，技術(shù)的實驗除了部分利用科學(xué)已經(jīng)贏得的知識外，僅利用試錯法，它不導(dǎo)致對自然的任何新的理解。技術(shù)通常滿足于列舉的觀察資料，以方便的形式達到某種特定的目的，而不追求理解觀察資料之間的關(guān)系。技術(shù)以科學(xué)的理解為先決條件，但它通常不為理解做貢獻。廣泛而精確的定量資料表并不構(gòu)成知識，盡管它們可以是科學(xué)家的未加工的材料。
（7）從思維方式上看，科學(xué)思維除了在科學(xué)發(fā)現(xiàn)的突破時刻以形象思維為主外，在大多數(shù)場合下是以抽象思維和概念思維見長的，而技術(shù)思維是具象思維和形象思維統(tǒng)治著技術(shù)設(shè)計和工業(yè)設(shè)計。由于科學(xué)理論具有非自然的特征，科學(xué)思維必須擺脫與常識相聯(lián)系的自然思維強加的模式，以理性批判和概念分析開路。技術(shù)思維在早期是直接與常識和經(jīng)驗密切相關(guān)，爾后出現(xiàn)的以科學(xué)理論為基礎(chǔ)的技術(shù)，還帶有常識思維和自然思維的胎記和烙印，它直接沿著現(xiàn)成的科學(xué)知識下行，化形而上的抽象為形而下的具體，注重可行性和成本效益分析。沃爾珀特徑直指明，技術(shù)的許多方面是看和非詞語的，這完全不同于科學(xué)思維。這并不是說，科學(xué)家不使他們建構(gòu)的概念和機制形象化，不過對科學(xué)來說，說明是基本的，必須把圖像翻譯為語言和符號，尤其是數(shù)學(xué)。由于未受詞語化的理論的牽累，技術(shù)設(shè)計者在他們的心智中把不同的要素會聚在新組合中。與科學(xué)相對照，從文藝復(fù)興直到19世紀的技術(shù)知識刊載在圖示占統(tǒng)治地位的書中——信息主要以繪圖的形式刊載。
尤其值得指出的是，技術(shù)思維是由技術(shù)理性或曰主觀理性、工具理性主導(dǎo)的，科學(xué)思維則在很大程度上體現(xiàn)的是科學(xué)理性或曰客觀理性、純粹理性。所謂客觀理性，按照霍克海默等人的觀點，是指客觀結(jié)構(gòu)是個體思想和行為的量尺，而非人和他的目標。在這里，關(guān)鍵是目的而不是手段。也就是說，客觀理性關(guān)心的是事物之“自在”而不是事物之“為我”，它要說明的是那些無條件的、絕對的規(guī)則而不是假設(shè)性的規(guī)則。所謂技術(shù)理性，關(guān)心的是手段和目標，追求效率和行動方案的正確，而很少關(guān)心目的是否合理的問題。它是圍繞技術(shù)實踐形成的一套基本的文化價值。它預(yù)設(shè)了笛卡兒式的主體-客體、精神-自然的二元對立，也預(yù)示了一種人對自然的新的體驗方式：人作為主體，雄居于所有客體之上，把世界看成是一個可以縱和統(tǒng)治的集合體。它包括這樣一整套基本文化旨趣：人類征服自然，自然的定量化，有效性思維，社會組織生活的理性化，人類物質(zhì)需求的先決性。
（8）從構(gòu)成要素上看，科學(xué)的構(gòu)成要素可以說是非物的——科學(xué)知識體系純粹是非物的；研究過程雖然離不開實驗設(shè)備的支撐和物資的消耗，但是這些物本身并不進入科學(xué)的結(jié)果即科學(xué)理論之中。尤其是，基礎(chǔ)研究或?qū)W術(shù)科學(xué)對物的依賴是很少的，甚至可以忽略不計，一支筆加幾張紙足矣——難怪有人把相對論和量子力學(xué)革命稱為“紙上的革命”。即便非要把科學(xué)與物扯在一起，科學(xué)也只是“抽象物”的科學(xué)或“物之共相”的科學(xué)。相反地，技術(shù)則是實實在在的物的技術(shù)，時時處處與具體物打交道，起碼或多或少是離不開物的。盡管在學(xué)術(shù)層面，學(xué)人對技術(shù)構(gòu)成要素的理解還有“技術(shù)非物”和“技術(shù)是物”的歧見，但是技術(shù)恐怕很難完全與物脫離干系。只是“對于不同的技術(shù)，物的因素所占的份額和所起的作用是有所區(qū)別的。或者說，在人工自然的創(chuàng)造或技術(shù)活動中，人們可以讓物質(zhì)實物扮演各種角色，如載體角色、對立體角色、匹配體角色和包容體角色（這當然是不確切的劃分）?！?/p>
（9）從表達語言上看，科學(xué)語言也使用日常語言進行事實的描繪和實驗的敘述，但是其中無論如何缺少不了科學(xué)概念或術(shù)語。在科學(xué)理論中，更偏重抽象的概念說明和的繁難的數(shù)學(xué)推演，這一點在科學(xué)的典型代表物理科學(xué)中表現(xiàn)得淋漓盡致。特別是要嚴密、精確地陳述科學(xué)理論，非數(shù)學(xué)語言和數(shù)學(xué)公式莫屬。相形之下，技術(shù)語言多是具體的、平實的描述，缺乏復(fù)雜的概念分析和數(shù)學(xué)演繹。在技術(shù)中也運用數(shù)學(xué)工具，但大都是具體的數(shù)值羅列和一般的數(shù)字計算，技術(shù)結(jié)果也不要求絕對精確，只要滿足實用需要，在某一誤差范圍內(nèi)得出具體的數(shù)值即可。尤其是，表達科學(xué)知識和理論的科學(xué)語言的是可傳達的、可交流的、可用文字和數(shù)學(xué)符號書寫和記載的，科學(xué)共同體實際上是科學(xué)語言共同體，這個共同體使用相同的詞匯表或詞典?？墒牵诩夹g(shù)方面，情況就不同了：有些技術(shù)事項是無法用語言、文字或數(shù)學(xué)符號表達清楚的，因此得借助圖示、模型、樣品等來說明。更為歧異的是，不少屬于技術(shù)的技藝、訣竅之類的東西根本無法用語言解釋和傳達，也無法從書本學(xué)到手，只能像師傅帶徒弟那樣，邊干邊學(xué)，邊觀察邊體味，才能逐漸達到心領(lǐng)神會、游刃有余的境界。此類知識就是波蘭尼所謂的“私人知識”（personalknowledge）或不可言傳的知識（tacitknowledge）——后者也可譯為“意會知識”或“默會知識”——技術(shù)知識的某些分野就歸屬這樣的知識。
（10）從最終結(jié)果上看，科學(xué)研究所得到的最終結(jié)果是某種關(guān)于自然的理論或知識體系，技術(shù)活動所得到的最終結(jié)果是某種程序或人工器物?？茖W(xué)成果是人類精神的非物質(zhì)成就，而不是設(shè)計和生產(chǎn)的物質(zhì)成品。史蒂文森斷定，科學(xué)不是技術(shù)，它不在于器械的發(fā)明?？茖W(xué)的中心關(guān)注和最終結(jié)果是knowingwhat即真理的知識，與knowinghow即如何做的技術(shù)知識相對。當然，這兩類知識是相互關(guān)聯(lián)的，尤其是在現(xiàn)代。沃爾珀特斷言，科學(xué)的最終產(chǎn)物是觀念和信息，也許是在科學(xué)論文中；技術(shù)的最終產(chǎn)物是人工制品，比如說鐘表和電機。與科學(xué)不同，技術(shù)的產(chǎn)物不是針對自然實在衡量的，而是借助于新奇性和特定的文化加于其上的價值衡量的。巴薩拉（Basalla）道同志合：“雖然科學(xué)和技術(shù)二者包含認知過程，但是它們的終極結(jié)果是不同的。創(chuàng)新的科學(xué)活動的最后產(chǎn)物最可能是寫成的陳述、科學(xué)論文、公布的實驗發(fā)現(xiàn)或新的理論見解。相對比，創(chuàng)新的技術(shù)活動的最后結(jié)果典型地是對人工制造的世界的添加物：石錘、鐘表、電動機?！?/p>
（11）從評價標準上看，對科學(xué)的評價以是非正誤為主，以優(yōu)劣美丑為輔，真理和審美是其準繩；對技術(shù)的評價是利弊得失、好壞善惡，以功利和價值為尺度。沃爾珀特一言蔽之：“技術(shù)的成功與欲求和需要有關(guān)，而科學(xué)的成功依賴于與實在符合。”對此，多爾比論述說，就作為知識形式的科學(xué)和技術(shù)而言，二者之間的關(guān)鍵區(qū)分是，技術(shù)借助于實用標準“它奏效嗎？”評價，而科學(xué)知識則借助于“它為真嗎？”評價。他繼而指出：
對技術(shù)和科學(xué)而言，成功的標準依然是不同的。在技術(shù)中，成功與起作用的產(chǎn)品、尤其是與在目前市場條件下在商業(yè)上的產(chǎn)品俱來。相對照，在科學(xué)中，成功的標準不是它起作用，而是它被接受為真。
（12）從價值蘊涵上看，作為知識體系的科學(xué)大體上是價值中立（value-neutrality）的，或者說其本身僅蘊涵為數(shù)不多的價值成分；而技術(shù)處處滲透價值，時時體現(xiàn)價值，與價值有不解之緣。莫爾就是這樣看問題的。他說，真正的科學(xué)知識在倫理的意義上是善的，而在技術(shù)中，情況就完全不同了。每一項技術(shù)成就，必然使人又愛又恨（有矛盾心理）：它能夠或善或惡，技術(shù)必然是雙刃工具。盡管把已知的技術(shù)成就分類為善或惡從來也不是確定的，但是任何一項給定的技術(shù)總是在倫理上能夠分為善或惡，這取決于人心中的目的，取決于過去、現(xiàn)在和將來的邊界條件。邦格詳細地陳述了他的觀點：對科學(xué)家來說，所有具體對象都是同樣值得研究的，而不涉及價值問題。技術(shù)專家卻不是這樣：他把實在分為原料、產(chǎn)品和其他部分（即一堆無用之物），他最珍視產(chǎn)品，其次是原料，最輕視其他部分。技術(shù)知識和技術(shù)活動的價值準則是與純粹科學(xué)的價值中性相對立。技術(shù)專家凡事都要衡量其價值，而科學(xué)家只衡量自己的活動和成果的價值?？茖W(xué)家甚至以擺脫價值觀念的方式去處理價值問題。雖然基礎(chǔ)研究作為心理過程的評價，它也做出價值判斷，但是這完全是內(nèi)在的：它們涉及科學(xué)研究的要素，諸如資料、假設(shè)和方法，而不涉及科學(xué)研究的對象。另一方面，工程技術(shù)專家不僅做出內(nèi)在的價值判斷，而且也做出外在的價值判斷：他評價他能得手的每一事物?；A(chǔ)研究就其自身目的而言，是尋求新知識，是不涉及價值的，在道德上是中性的。當可以做某些有利于或不利于他人的幸?；蛏畹氖虑闀r，才涉及道德，工程技術(shù)專家恰恰在這里有份兒。他們應(yīng)該遵守可以稱之為技術(shù)命令（technologicalimperative）的東西：
你應(yīng)該只設(shè)計或幫助完成不會危害公眾幸福的工程，應(yīng)該警告公眾反對任何不能滿足這種條件的工程。
（13）從遵循規(guī)范上看，科學(xué)遵循的規(guī)范是美國科學(xué)社會學(xué)家默頓所謂的普遍性（universalism）、公有性（communism）、無功利性（disinterestedness）、有組織的懷疑主義（organizedscepticism）；技術(shù)的規(guī)范與此大相徑庭，它以獲取經(jīng)濟效益和物質(zhì)利益為旨歸，其特質(zhì)是事前多保密，事后有專利。波蘭尼看到這種天壤之別：“科學(xué)知識與技術(shù)操作原則之間的不同被專利法認識到了。專利法對發(fā)現(xiàn)和發(fā)明做了鮮明的區(qū)分。發(fā)現(xiàn)增加我們關(guān)于大自然的知識，而發(fā)明則建立一個服務(wù)于某一得到承認的利益的新的操作原則。”普賴斯也十分清楚：
存在著科學(xué)和技術(shù)之間最為重要和最有意思的一種對照。大家都明白，在科學(xué)上只要你第一個發(fā)表了，你就打敗了其他人。通過發(fā)表來表明你對知識產(chǎn)權(quán)的私有要求。非常不可思議的是，你的發(fā)表越公開，你的產(chǎn)權(quán)要求就越安全地為你所獨占。在技術(shù)上則是另一回事。當你做出發(fā)明時，你必須為其取得專利，你必須防止工業(yè)間諜的竊取，你必須看見它遠在能夠被競爭者復(fù)制或取代之前就被制造出來并銷售出去。在技術(shù)上你得用通常的保護方法來確保你的私有權(quán)。
他進而揭橥，這種差異的原因在于，從哲學(xué)意義上看，即使科學(xué)是對規(guī)律的一種概括和發(fā)明過程，自然卻非常強烈地表現(xiàn)出似乎只有一個世界可以被發(fā)現(xiàn)，如果波義耳沒有發(fā)現(xiàn)波義耳定律，那么必然會有其他人去發(fā)現(xiàn)。但是，技術(shù)中的大部分競爭比在科學(xué)中有更多的回旋余地。技術(shù)是一種文明所獲得的，而科學(xué)則讓人感到更像是自然的規(guī)定而不是人的大腦所擁有的。
（14）從職業(yè)建制上看，科學(xué)和技術(shù)無疑是相互滲透的，并且經(jīng)常看上去好戴著同一頂帽子或穿著同樣的實驗服裝。但是將兩者混淆起來的做法是把表面的東西——例如機構(gòu)聯(lián)合——當成了深層的東西。在科學(xué)共同體中，其主要成員是以思想型、理論型、動腦能力見長的研究員和教授；而在技術(shù)共同體中，其主要成員則是以實踐型、經(jīng)驗型、動手能力見長的發(fā)明家和工程師。前者的建制實體是國家科學(xué)院、科學(xué)各學(xué)科研究所、科學(xué)學(xué)會、綜合大學(xué)的科學(xué)研究機構(gòu)等，后者則是國家工程院、工科院校的研究機構(gòu)、工程學(xué)會、工業(yè)部門的研究所、工業(yè)實驗室、高技術(shù)開發(fā)區(qū)的企事業(yè)單位等。不同的職業(yè)建制也體現(xiàn)在人才培養(yǎng)模式的差異上?？茖W(xué)人才的培養(yǎng)主要在綜合大學(xué)的理科院系和科學(xué)研究所進行，注重理論知識、概念辨析、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、邏輯推理的訓(xùn)練；技術(shù)人才主要在工科院校、工業(yè)研究所和實驗室培養(yǎng)，偏重專門技能知識、數(shù)值計算、實際操作的訓(xùn)練。盡管這兩種角色可以轉(zhuǎn)換，也有可能一身二任，但是轉(zhuǎn)化總得有一個學(xué)習(xí)和適應(yīng)過程，而且“雙肩挑”的人畢竟是稀少的，即便兼而有之，此類人物也是有所側(cè)重的。
（15）從社會影響上看，科學(xué)和技術(shù)對社會的影響都是巨大而深遠的，而且各自作為子文化，都是文化進化的重要推動力，顯示出很強的文化滲透性。但是，二者的社會影響無論如何是有相當大的差別的?？茖W(xué)主要是觀念形態(tài)的東西，它的社會影響基本上是思想上的和精神上的，尤其是科學(xué)思想、科學(xué)方法和科學(xué)精神直接作用于人的心靈，促使人更新觀念、提升素質(zhì)、完善人性，而它對政治、經(jīng)濟、軍事、環(huán)境和生態(tài)基本上沒有直接的影響。技術(shù)則不然：技術(shù)往往是以器物的形態(tài)出現(xiàn)的，它對人的思想和精神的影響是間接的，但是卻直接作用于社會的其他各個方面，其影響是巨大的，而且具有兩重性。反過來，由于科學(xué)自身的本性，社會對科學(xué)的影響較小、約束力弱，但是對技術(shù)影響很大、約束力也強烈得多。
（16）從歷史沿革上看，技術(shù)的歷史是古老而漫長的，可以說從原始人打制第一塊石器時就開始了，而科學(xué)的歷史沿革是相當短暫的，至今不過三百余年的歷程，即使把科學(xué)的萌芽時期計算在內(nèi)，也僅僅有兩千多年。與技術(shù)的歷史相比，科學(xué)的歷史短得簡直可以忽略不計。此外，技術(shù)依賴于科學(xué)的時間，就更為短暫了。沃爾珀特對此印象深刻，他進而還洞察到科學(xué)和技術(shù)在歷史上相互影響的不對等性，以及科學(xué)起源與技術(shù)起源在特點上的差異。他說，在確立科學(xué)的非自然本性（反常識的和反直覺的）時，必然要在科學(xué)和技術(shù)之間做出區(qū)分。區(qū)分的證據(jù)主要來自歷史。技術(shù)比科學(xué)要古老得多，它的大多數(shù)成就——從原始農(nóng)業(yè)、陶器的燒制、金屬的冶煉制造、大教堂的建筑乃至蒸汽機的發(fā)明——無論如何是獨立于科學(xué)的，直至19世紀科學(xué)才對技術(shù)產(chǎn)生影響（合成染料和電氣工業(yè)）。這些技術(shù)基于常識和經(jīng)驗的實踐手藝，而實踐取向無助于純粹知識。技術(shù)的歷史大都是無名的歷史，這再次不同于科學(xué)。就觀念和器械而言，歷史上的科學(xué)嚴重地依賴可以得到的技術(shù)，技術(shù)對科學(xué)有深刻的影響，反過來，科學(xué)對技術(shù)的影響是相當晚近的事情。一旦承認科學(xué)和技術(shù)之間的區(qū)別，科學(xué)在希臘的起源就呈現(xiàn)出特殊的意義?？茖W(xué)的特殊本性對科學(xué)僅僅一次出現(xiàn)負責(zé)。往往被認為是科學(xué)家的中國人實際上是熟練的工程師，對科學(xué)做出的貢獻微不足道。他們的哲學(xué)是神秘主義的。容許科學(xué)在西方得以發(fā)展的，也許是理性和支配自然的定律的概念。史蒂文森也明確地意識到，與科學(xué)不同，技術(shù)在某種程度上對一直存在的每一種人類文化是共同的。與技術(shù)不同，科學(xué)并不是在人類歷史的每一個階段都存在或在每一個文化傳統(tǒng)中都存在。
（17）從發(fā)展進步上看，科學(xué)和技術(shù)都具有發(fā)展進步的性質(zhì)，在這一點它們與文學(xué)、藝術(shù)、哲學(xué)不盡相同。但是，它們二者在發(fā)展進步的特點上判若黑白。列維特揭示，科學(xué)發(fā)展與技術(shù)進步，科學(xué)與作為在社會、經(jīng)濟、歷史中展開的技術(shù)的邏輯，是很不相同的，盡管這兩個建制看起來并肩前進。關(guān)鍵的差別在于，科學(xué)——仍然是指對惟一的物理世界的探索——的確是邏輯的，無論是作為一個過程還是作為已經(jīng)完成的提煉過的理論結(jié)構(gòu)。科學(xué)的發(fā)展結(jié)構(gòu)基本上是樹枝狀的，即新的知識分支不斷從老的枝干上生長出來，盡管在更深的層次上是一體的。與之相比，技術(shù)展開的機制完全不同。那些在生長點和結(jié)點工作的人是混合的集群，很難以一種簡單的方式加以概括。關(guān)鍵人物可以是科學(xué)家或工程師，但也可能是行政領(lǐng)導(dǎo)、官僚、銀行家、軍官或政治家。技術(shù)的進步、后退、停滯或分叉看起來并不遵循任何可以概括的邏輯。沃爾珀特指出驅(qū)使科學(xué)和技術(shù)發(fā)展的動力大相徑庭：對技術(shù)來說，它是市場的需求或進展中的技術(shù)“造成”的需要。情況似乎是，發(fā)明活動是受發(fā)明的預(yù)期的價值支配的，在投入高峰時即是發(fā)明高峰——科學(xué)往往不是這樣的。斯科利莫夫斯基（H.Skolimowski）認為，二者進步在目標上各行其是：與科學(xué)進步的目標在于接近真理相對應(yīng)，技術(shù)進步的內(nèi)在目標在于提高有效性。這種有效性在具體的技術(shù)實踐中表現(xiàn)為精確性、耐久性和低成本（或稱效率性）。還有一點必須提及：盡管科學(xué)知識單元在進化過程可能出現(xiàn)復(fù)雜和多樣的局面，但這只是暫時的、過渡的現(xiàn)象，它最終必將趨向簡單性和惟一性?？墒?，技術(shù)物品的單元在進化中趨向復(fù)雜性和多樣性，各種用途的錘子，各種大小和型號的扳手、螺絲，各種面料和花色品種的紡織品，各種配方和商標的牙膏、香皂等等。
科學(xué)和技術(shù)在歷史上的絕大多數(shù)時間是分離的，科學(xué)大規(guī)模地轉(zhuǎn)化為技術(shù)的高峰時期也寥寥可數(shù)，可是在現(xiàn)代，科學(xué)趨于技術(shù)化和技術(shù)趨于科學(xué)化也是不爭的事實。為此，斯平納提出認知-技術(shù)合成體（cognitive-technicalcomplex）和現(xiàn)實化的科學(xué)（realizedscience）的概念，拉圖爾甚至和盤托出了“技科學(xué)”或“技術(shù)科學(xué)”（technoscience）的生硬概念。這種科學(xué)技術(shù)一體化的思想是后現(xiàn)代主義的主題思想之一，誠如福曼（P.Forman）所言，技術(shù)取向的科學(xué)（technologicallyorientedscience）以及科學(xué)取向的技術(shù)（scientificallyorientedtechnology）其范圍之廣和力量之大是眾所周知的。這是后現(xiàn)代性之結(jié)果。為了說明科學(xué)和技術(shù)之間的密切關(guān)系，人們提出了諸多說明模型，例如“線性模型”、“舞伴模型”、“雜交模型”等。這些模型都有可取之處，也道出了部分真理。但是，線性模型似乎簡單化了一些，把科學(xué)和技術(shù)復(fù)雜、多變的關(guān)系描繪得過于徑直，而且易于引起技術(shù)神話。舞伴模型亦有把科學(xué)和技術(shù)互動過程簡單化之嫌，同時它忽略了這樣一個事實：科學(xué)和技術(shù)不僅可以跳雙人舞，而且有時也獨舞。雜交模型把科學(xué)和技術(shù)視為一個新的綜合體，這實際上已經(jīng)使二者一體化了——這是我們絕對不能同意的——盡管這種一體化是部分的一體化而非整體的一體化。我覺得，可以接受的比較周全的觀點也許是：
科學(xué)和技術(shù)是有聯(lián)系的，但并非一體化；科學(xué)和技術(shù)是有區(qū)別的，但并非決然對立；科學(xué)和技術(shù)有時是互動的，但互動的形式多種多樣，互動的過程錯綜復(fù)雜，而不是線性的和一義的。
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國人有意或無意地把科學(xué)視為“生產(chǎn)力”和“財神爺”，國人習(xí)慣于或集體無意識地把“科學(xué)和技術(shù)”稱為“科學(xué)技術(shù)”、進而簡化為“科技”，就是這種現(xiàn)狀的生動反映。有趣的是，這種狀況在東鄰日本也存在。正如桜井邦朋所言：“在我國，把科學(xué)和技術(shù)看做同質(zhì)的東西，在各種場合把‘科學(xué)技術(shù)’歸攏在一起使用。像現(xiàn)在這樣的科學(xué)發(fā)現(xiàn)經(jīng)過不了多久就被應(yīng)用于技術(shù)，進入到我們的生活之中，在屢屢經(jīng)歷這樣的經(jīng)驗期間，隨之認為科學(xué)和技術(shù)是水平同質(zhì)的東西?！眳⒁姉@井邦朋：《現(xiàn)代科學(xué)論15講》，東京教學(xué)社，1995年，p.1。
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邦格厘清了一種誤解：“經(jīng)常有人認為，技術(shù)與文化是格格不入的，甚至是彼此對立的。這是一種錯誤的觀點，是對技術(shù)過程尤其是對革新性技術(shù)過程的理論豐富性完全無知的表現(xiàn)?！聦嵣?，技術(shù)并不是一個孤立的組成部分，它與整個文化的其他各個分支有很大的相互作用。而且在現(xiàn)代文化中，只有技術(shù)和人文學(xué)科（特別是哲學(xué)）與其他文化分支有很大的相互作用。具體地說，技術(shù)與系統(tǒng)的哲學(xué)的幾個分支（邏輯、認識論、形而上學(xué)、價值論和倫理學(xué)）都有很強的相互作用?！眳⒁姲罡瘢杭夹g(shù)的哲學(xué)輸入和哲學(xué)輸出。
海森伯對此有具體的說明：從18世紀和19世紀初起，形成了一門以發(fā)展機械操作過程為基礎(chǔ)的技術(shù)，這起初只是舊手工工藝的發(fā)展和擴充，其基本原理人人都能掌握。甚至在蒸汽機得到應(yīng)用以后，技術(shù)的這一特性并未得到根本改變。但是，19世紀后半葉出現(xiàn)的電工技術(shù)，使得技術(shù)與舊手工工藝的聯(lián)系已經(jīng)不復(fù)存在，電力這種自然力的開發(fā)不是來自人們的直接經(jīng)驗，而是基于科學(xué)理論。參見海森伯：《物理學(xué)家的自然觀》，吳忠譯，北京：商務(wù)印書館，1990年第1版，第6~7頁。
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普賴斯的說法有一定的道理：科學(xué)的正常成長更多地來自科學(xué)，而技術(shù)的正常成長更多地來自技術(shù)。技術(shù)專家用的科學(xué)大多數(shù)是他們在學(xué)校學(xué)習(xí)和大眾知識中的科學(xué)，而科學(xué)家用的技術(shù)大多數(shù)是伴隨他們成長起來的那些技術(shù)。兩者之間的強有力的相互作用只出現(xiàn)在很少的時候，因而引人注目地形成歷史山脈的高峰。在17世紀的科學(xué)革命中，有一種從工匠技藝狀態(tài)向新型科學(xué)儀器的有力轉(zhuǎn)換，它使科學(xué)從古代狀態(tài)突破而獲得爆炸性的增長，并帶來現(xiàn)代的實驗傳統(tǒng)，帶來望遠鏡、顯微鏡、氣壓計、溫度計、抽氣機和各種靜電機械。在我們這一代，工業(yè)革命已經(jīng)達到一個新水平，主要通過物理學(xué)——特別是愛迪生的電學(xué)——科學(xué)找到了它回報技術(shù)的方法。在大多數(shù)情況下，科學(xué)并沒有給技術(shù)許多幫助，但偶爾你會遇到像晶體管和青霉素這樣完全相反的反常事件。同樣必須注意的是，這里存在的引人注目的例外而不是規(guī)律。高峰不是典型。不能以牛頓和愛因斯坦的標準去判斷科學(xué)家。不能以晶體管的特例去判斷科學(xué)對技術(shù)的影響。承認科學(xué)和技術(shù)大體上是只有松散聯(lián)系的系統(tǒng)，人們的動機目的甚至訓(xùn)練都非常不同，屬于完全不同的類型，這在理智上是沒有什么困難的。普賴斯：《巴比倫以來的科學(xué)》，第170~171頁。
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關(guān)鍵詞：納米科學(xué)納米技術(shù)納米管納米線納米團簇半導(dǎo)體
NanoscienceandNanotechnology–theSecondRevolution
Abstract:Thefirstrevolutionofnanosciencetookplaceinthepast10years.Inthisperiod,researchersinChina,HongKongandworldwidehavedemonstratedtheabilitytofabricatelargequantitiesofnanotubes,nanowiresandnanoclustersofdifferentmaterials,usingeitherthe“build-up”or“build-down”approach.Theseeffortshaveshownthatifnanostructurescanbefabricatedinexpensively,therearemanyrewardstobereaped.Structuressmallerthan20nmexhibitnon-classicalpropertiesandtheyofferthebasisforentirelydifferentthinkinginmakingdevicesandhowdevicesfunction.Theabilitytofabricatestructureswithdimensionlessthan70nmallowthecontinuationofminiaturizationofdevicesinthesemiconductorindustry.Thesecondnanoscienceandnantechnologyrevolutionwilllikelytakeplaceinthenext10years.Inthisnewperiod,scientistsandengineerswillneedtoshowthatthepotentialandpromiseofnanostructurescanberealized.Therealizationisthefabricationofpracticaldeviceswithgoodcontrolinsize,composition,orderandpuritysothatsuchdeviceswilldeliverthepromisedfunctions.Weshalldiscusssomedifficultiesandchallengesfacedinthisnewperiod.Anumberofalternativeapproacheswillbediscussed.Weshallalsodiscusssomeoftherewardsifthesedifficultiescanbeovercome.
Keywords:Nanoscience,Nanotechnology,Nanotubes,Nanowires,Nanoclusters,“build-up”,“build-down”,Semiconductor
I.引言
納米科學(xué)和技術(shù)所涉及的是具有尺寸在1-100納米范圍的結(jié)構(gòu)的制備和表征。在這個領(lǐng)域的研究舉世矚目。例如，美國政府2001財政年度在納米尺度科學(xué)上的投入要比2000財政年增長83%，達到5億美金。有兩個主要的理由導(dǎo)致人們對納米尺度結(jié)構(gòu)和器件的興趣的增加。第一個理由是，納米結(jié)構(gòu)（尺度小于20納米）足夠小以至于量子力學(xué)效應(yīng)占主導(dǎo)地位，這導(dǎo)致非經(jīng)典的行為，譬如，量子限制效應(yīng)和分立化的能態(tài)、庫侖阻塞以及單電子邃穿等。這些現(xiàn)象除引起人們對基礎(chǔ)物理的興趣外，亦給我們帶來全新的器件制備和功能實現(xiàn)的想法和觀念，例如，單電子輸運器件和量子點激光器等。第二個理由是，在半導(dǎo)體工業(yè)有器件持續(xù)微型化的趨勢。根據(jù)“國際半導(dǎo)體技術(shù)路向（2001）“雜志，2005年前動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）和微處理器（MPU）的特征尺寸預(yù)期降到80納米，而MPU中器件的柵長更是預(yù)期降到45納米。然而，到2003年在MPU制造中一些不知其解的問題預(yù)期就會出現(xiàn)。到2005年類似的問題將預(yù)期出現(xiàn)在DRAM的制造過程中。半導(dǎo)體器件特征尺寸的深度縮小不僅要求新型光刻技術(shù)保證能使尺度刻的更小，而且要求全新的器件設(shè)計和制造方案，因為當MOS器件的尺寸縮小到一定程度時基礎(chǔ)物理極限就會達到。隨著傳統(tǒng)器件尺寸的進一步縮小，量子效應(yīng)比如載流子邃穿會造成器件漏電流的增加，這是我們不想要的但卻是不可避免的。因此，解決方案將會是制造基于量子效應(yīng)操作機制的新型器件，以便小物理尺寸對器件功能是有益且必要的而不是有害的。如果我們能夠制造納米尺度的器件，我們肯定會獲益良多。譬如，在電子學(xué)上，單電子輸運器件如單電子晶體管、旋轉(zhuǎn)柵門管以及電子泵給我們帶來諸多的微尺度好處，他們僅僅通過數(shù)個而非以往的成千上萬的電子來運作，這導(dǎo)致超低的能量消耗，在功率耗散上也顯著減弱，以及帶來快得多的開關(guān)速度。在光電子學(xué)上，量子點激光器展現(xiàn)出低閾值電流密度、弱閾值電流溫度依賴以及大的微分增益等優(yōu)點，其中大微分增益可以產(chǎn)生大的調(diào)制帶寬。在傳感器件應(yīng)用上，納米傳感器和納米探測器能夠測量極其微量的化學(xué)和生物分子，而且開啟了細胞內(nèi)探測的可能性，這將導(dǎo)致生物醫(yī)學(xué)上迷你型的侵入診斷技術(shù)出現(xiàn)。納米尺度量子點的其他器件應(yīng)用，比如，鐵磁量子點磁記憶器件、量子點自旋過濾器及自旋記憶器等，也已經(jīng)被提出，可以肯定這些應(yīng)用會給我們帶來許多潛在的好處?？偠灾?，無論是從基礎(chǔ)研究（探索基于非經(jīng)典效應(yīng)的新物理現(xiàn)象）的觀念出發(fā)，還是從應(yīng)用（受因結(jié)構(gòu)減少空間維度而帶來的優(yōu)點以及因應(yīng)半導(dǎo)體器件特征尺寸持續(xù)減小而需要這兩個方面的因素驅(qū)使）的角度來看，納米結(jié)構(gòu)都是令人極其感興趣的。
II.納米結(jié)構(gòu)的制備———首次浪潮
有兩種制備納米結(jié)構(gòu)的基本方法：build-up和build-down。所謂build-up方法就是將已預(yù)制好的納米部件（納米團簇、納米線以及納米管）組裝起來；而build-down方法就是將納米結(jié)構(gòu)直接地淀積在襯底上。前一種方法包含有三個基本步驟：1）納米部件的制備；2）納米部件的整理和篩選；3）納米部件組裝成器件（這可以包括不同的步驟如固定在襯底及電接觸的淀積等等）?！癰uild-up“的優(yōu)點是個體納米部件的制備成本低以及工藝簡單快捷。有多種方法如氣相合成以及膠體化學(xué)合成可以用來制備納米元件。目前，在國內(nèi)、在香港以及在世界上許多的實驗室里這些方法正在被用來合成不同材料的納米線、納米管以及納米團簇。這些努力已經(jīng)證明了這些方法的有效性。這些合成方法的主要缺點是材料純潔度較差、材料成份難以控制以及相當大的尺寸和形狀的分布。此外，這些納米結(jié)構(gòu)的合成后工藝再加工相當困難。特別是，如何整理和篩選有著窄尺寸分布的納米元件是一個至關(guān)重要的問題，這一問題迄今仍未有解決。盡管存在如上的困難和問題，“build-up“依然是一種能合成大量納米團簇以及納米線、納米管的有效且簡單的方法?？墒沁@些合成的納米結(jié)構(gòu)直到目前為止仍然難以有什么實際應(yīng)用，這是因為它們?nèi)狈嵱盟燎蟮某叽?、組份以及材料純度方面的要求。而且，因為同樣的原因用這種方法合成的納米結(jié)構(gòu)的功能性質(zhì)相當差。不過上述方法似乎適宜用來制造傳感器件以及生物和化學(xué)探測器，原因是垂直于襯底生長的納米結(jié)構(gòu)適合此類的應(yīng)用要求。
“Build-down”方法提供了杰出的材料純度控制，而且它的制造機理與現(xiàn)代工業(yè)裝置相匹配，換句話說，它是利用廣泛已知的各種外延技術(shù)如分子束外延(MBE)、化學(xué)氣相淀積（MOVCD）等來進行器件制造的傳統(tǒng)方法?！癇uild-down”方法的缺點是較高的成本。在“build-down”方法中有幾條不同的技術(shù)路徑來制造納米結(jié)構(gòu)。最簡單的一種，也是最早使用的一種是直接在襯底上刻蝕結(jié)構(gòu)來得到量子點或者量子線。另外一種是包括用離子注入來形成納米結(jié)構(gòu)。這兩種技術(shù)都要求使用開有小尺寸窗口的光刻版。第三種技術(shù)是通過自組裝機制來制造量子點結(jié)構(gòu)。自組裝方法是在晶格失配的材料中自然生長納米尺度的島。在Stranski-Krastanov生長模式中，當材料生長到一定厚度后，二維的逐層生長將轉(zhuǎn)換成三維的島狀生長，這時量子點就會生成。業(yè)已證明基于自組裝量子點的激光器件具有比量子阱激光器更好的性能。量子點器件的飽和材料增益要比相應(yīng)的量子阱器件大50倍，微分增益也要高3個量級。閾值電流密度低于100A/cm2、室溫輸出功率在瓦特量級（典型的量子阱基激光器的輸出功率是5-50mW）的連續(xù)波量子點激光器也已經(jīng)報道。無論是何種材料系統(tǒng)，量子點激光器件都預(yù)期具有低閾值電流密度，這預(yù)示目前還要求在大閾值電流條件下才能激射的寬帶系材料如III組氮化物基激光器還有很大的顯著改善其性能的空間。目前這類器件的性能已經(jīng)接近或達到商業(yè)化器件所要求的指標，預(yù)期量子點基的此類材料激光器將很快在市場上出現(xiàn)。量子點基光電子器件的進一步改善主要取決于量子點幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。雖然在生長條件上如襯底溫度、生長元素的分氣壓等的變化能夠在一定程度上控制點的尺寸和密度，自組裝量子點還是典型底表現(xiàn)出在大小、密度及位置上的隨機變化，其中僅僅是密度可以粗糙地控制。自組裝量子點在尺寸上的漲落導(dǎo)致它們的光發(fā)射的非均勻展寬，因此減弱了使用零維體系制作器件所期望的優(yōu)點。由于量子點尺寸的統(tǒng)計漲落和位置的隨機變化，一層含有自組裝量子點材料的光致發(fā)光譜典型地很寬。在豎直疊立的多層量子點結(jié)構(gòu)中這種譜展寬效應(yīng)可以被減弱。如果隔離層足夠薄，豎直疊立的多層量子點可典型地展現(xiàn)出豎直對準排列，這可以有效地改善量子點的均勻性。然而，當隔離層薄的時候，在一列量子點中存在載流子的耦合，這將失去因使用零維系統(tǒng)而帶來的優(yōu)點。怎樣優(yōu)化量子點的尺寸和隔離層的厚度以便既能獲得好均勻性的量子點又同時保持載流子能夠限制在量子點的個體中對于獲得器件的良好性能是至關(guān)重要的。
很清楚納米科學(xué)的首次浪潮發(fā)生在過去的十年中。在這段時期，研究者已經(jīng)證明了納米結(jié)構(gòu)的許多嶄新的性質(zhì)。學(xué)者們更進一步征明可以用“build-down”或者“build-up”方法來進行納米結(jié)構(gòu)制造。這些成果向我們展示，如果納米結(jié)構(gòu)能夠大量且廉價地被制造出來，我們必將收獲更多的成果。
在未來的十年中，納米科學(xué)和技術(shù)的第二次浪潮很可能發(fā)生。在這個新的時期，科學(xué)家和工程師需要征明納米結(jié)構(gòu)的潛能以及期望功能能夠得到兌現(xiàn)。只有獲得在尺寸、成份、位序以及材料純度上良好可控能力并成功地制造出實用器件才能實現(xiàn)人們對納米器件所期望的功能。因此，納米科學(xué)的下次浪潮的關(guān)鍵點是納米結(jié)構(gòu)的人為可控性。
III.納米結(jié)構(gòu)尺寸、成份、位序以及密度的控制——第二次浪潮
為了充分發(fā)揮量子點的優(yōu)勢之處，我們必須能夠控制量子點的位置、大小、成份已及密度。其中一個可行的方法是將量子點生長在已經(jīng)預(yù)刻有圖形的襯底上。由于量子點的橫向尺寸要處在10-20納米范圍（或者更小才能避免高激發(fā)態(tài)子能級效應(yīng)，如對于GaN材料量子點的橫向尺寸要小于8納米）才能實現(xiàn)室溫工作的光電子器件，在襯底上刻蝕如此小的圖形是一項挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題。對于單電子晶體管來說，如果它們能在室溫下工作，則要求量子點的直徑要小至1-5納米的范圍。這些微小尺度要求已超過了傳統(tǒng)光刻所能達到的精度極限。有幾項技術(shù)可望用于如此的襯底圖形制作。
—電子束光刻通常可以用來制作特征尺度小至50納米的圖形。如果特殊薄膜能夠用作襯底來最小化電子散射問題，那特征尺寸小至2納米的圖形可以制作出來。在電子束光刻中的電子散射因為所謂近鄰干擾效應(yīng)（proximityeffect）而嚴重影響了光刻的極限精度，這個效應(yīng)造成制備空間上緊鄰的納米結(jié)構(gòu)的困難。這項技術(shù)的主要缺點是相當費時。例如，刻寫一張4英寸的硅片需要時間1小時，這不適宜于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。電子束投影系統(tǒng)如SCALPEL（scatteringwithangularlimitationprojectionelectronlithography）正在發(fā)展之中以便使這項技術(shù)較適于用于規(guī)模生產(chǎn)。目前，耗時和近鄰干擾效應(yīng)這兩個問題還沒有得到解決。
—聚焦離子束光刻是一種機制上類似于電子束光刻的技術(shù)。但不同于電子束光刻的是這種技術(shù)并不受在光刻膠中的離子散射以及從襯底來的離子背散射影響。它能刻出特征尺寸細到6納米的圖形，但它也是一種耗時的技術(shù)，而且高能離子束可能造成襯底損傷。
—掃描微探針術(shù)可以用來劃刻或者氧化襯底表面，甚至可以用來操縱單個原子和分子。最常用的方法是基于材料在探針作用下引入的高度局域化增強的氧化機制的。此項技術(shù)已經(jīng)用來刻劃金屬（Ti和Cr）、半導(dǎo)體（Si和GaAs）以及絕緣材料（Si3N4和silohexanes），還用在LB膜和自聚集分子單膜上。此種方法具有可逆和簡單易行等優(yōu)點。引入的氧化圖形依賴于實驗條件如掃描速度、樣片偏壓以及環(huán)境濕度等。空間分辨率受限于針尖尺寸和形狀（雖然氧化區(qū)域典型地小于針尖尺寸）。這項技術(shù)已用于制造有序的量子點陣列和單電子晶體管。這項技術(shù)的主要缺點是處理速度慢（典型的刻寫速度為1mm/s量級）。然而，最近在原子力顯微術(shù)上的技術(shù)進展—使用懸臂樑陣列已將掃描速度提高到4mm/s。此項技術(shù)的顯著優(yōu)點是它的杰出的分辨率和能產(chǎn)生任意幾何形狀的圖形能力。但是，是否在刻寫速度上的改善能使它適用于除制造光刻版和原型器件之外的其他目的還有待于觀察。直到目前為止，它是一項能操控單個原子和分子的唯一技術(shù)。
—多孔膜作為淀積掩版的技術(shù)。多孔膜能用多種光刻術(shù)再加腐蝕來制備，它也可以用簡單的陽極氧化方法來制備。鋁膜在酸性腐蝕液中陽極氧化就可以在鋁膜上產(chǎn)生六角密堆的空洞，空洞的尺寸可以控制在5-200nm范圍。制備多孔膜的其他方法是從納米溝道玻璃膜復(fù)制。用這項技術(shù)已制造出含有細至40nm的空洞的鎢、鉬、鉑以及金膜。
—倍塞（diblock）共聚物圖形制作術(shù)是一種基于不同聚合物的混合物能夠產(chǎn)生可控及可重復(fù)的相分離機制的技術(shù)。目前，經(jīng)過反應(yīng)離子刻蝕后，在旋轉(zhuǎn)涂敷的倍塞共聚物層中產(chǎn)生的圖形已被成功地轉(zhuǎn)移到Si3N4膜上，圖形中空洞直徑20nm，空洞之間間距40nm。在聚苯乙烯基體中的自組織形成的聚異戊二烯（polyisoprene）或聚丁二烯（polybutadiene）球（或者柱體）可以被臭氧去掉或者通過鋨染色而保留下來。在第一種情況，空洞能夠在氮化硅上產(chǎn)生；在第二種情況，島狀結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生。目前利用倍塞共聚物光刻技術(shù)已制造出GaAs納米結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的側(cè)向特征尺寸約為23nm,密度高達1011/cm2。
—與倍塞共聚物圖形制作術(shù)緊密相關(guān)的一項技術(shù)是納米球珠光刻術(shù)。此項技術(shù)的基本思路是將在旋轉(zhuǎn)涂敷的球珠膜中形成的圖形轉(zhuǎn)移到襯底上。各種尺寸的聚合物球珠是商業(yè)化的產(chǎn)品。然而，要制作出含有良好有序的小尺寸球珠薄膜也是比較困難的。用球珠單層膜已能制備出特征尺寸約為球珠直徑1/5的三角形圖形。雙層膜納米球珠掩膜版也已被制作出。能夠在金屬、半導(dǎo)體以及絕緣體襯底上使用納米球珠光刻術(shù)的能力已得到確認。納米球珠光刻術(shù)（納米球珠膜的旋轉(zhuǎn)涂敷結(jié)合反應(yīng)離子刻蝕）已被用來在一些半導(dǎo)體表面上制造空洞和柱狀體納米結(jié)構(gòu)。
—將圖形從母體版轉(zhuǎn)移到襯底上的其他光刻技術(shù)。幾種所謂“軟光刻“方法，比如復(fù)制鑄模法、微接觸印刷法、溶劑輔助鑄模法以及用硬模版浮雕法等已被探索開發(fā)。其中微接觸印刷法已被證明只能用來刻制特征尺寸大于100nm的圖形。復(fù)制鑄模法的可能優(yōu)點是ellastometric聚合物可被用來制作成一個戳子，以便可用同一個戳子通過對戳子的機械加壓能夠制作不同側(cè)向尺寸的圖形。在溶劑輔助鑄模法和用硬模版浮雕法（或通常稱之為納米壓印術(shù)）之間的主要差異是，前者中溶劑被用于軟化聚合物，而后者中軟化聚合物依靠的是溫度變化。溶劑輔助鑄模法的可能優(yōu)點是不需要加熱。納米壓印術(shù)已被證明可用來制作具有容量達400Gb/in2的納米激光光盤，在6英寸硅片上刻制亞100nm分辨的圖形，刻制10nmX40nm面積的長方形，以及在4英寸硅片上進行圖形刻制。除傳統(tǒng)的平面納米壓印光刻法之外，滾軸型納米壓印光刻法也已被提出。在此類技術(shù)中溫度被發(fā)現(xiàn)是一個關(guān)鍵因素。此外，應(yīng)該選用具有較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的聚合物。為了取得高產(chǎn)，下列因素要解決：
1）大的戳子尺寸
2）高圖形密度戳子
3）低穿刺（lowsticking）
4）壓印溫度和壓力的優(yōu)化
5）長戳子壽命。
具有低穿刺率的大尺寸戳子已經(jīng)被制作出來。已有少量研究工作在試圖優(yōu)化壓印溫度和壓力，但顯然需要進行更多的研究工作才能得到溫度和壓力的優(yōu)化參數(shù)。高圖形密度戳子的制作依然在發(fā)展之中。還沒有足夠量的工作來研究戳子的壽命問題。曾有研究報告報道，覆蓋有超薄的特氟隆類薄膜的模板可以用來進行50次的浮刻而不需要中間清洗。報告指出最大的性能退化來自于嵌在戳子和聚合物之間的灰塵顆粒。如果戳子是從ellastometric母版制作出來的，抗穿刺層可能需要使用，而且進行大約5次壓印后需要更換。值得關(guān)心的其他可能問題包括鑲嵌的灰塵顆引起的戳子損傷或聚合物中圖形損傷，以及連續(xù)壓印之間戳子的清洗需要等。盡管進一步的優(yōu)化和改良是必需的，但此項技術(shù)似乎有希望獲得高生產(chǎn)率。壓印過程包括對準、加熱及冷卻循環(huán)等，整個過程所需時間大約20分鐘。使用具有較低玻璃化轉(zhuǎn)換溫度的聚合物可以縮短加熱和冷卻循環(huán)所需時間，因此可以縮短整個壓印過程時間。
IV．納米制造所面對的困難和挑戰(zhàn)
上述每一種用于在襯底上圖形刻制的技術(shù)都有其優(yōu)點和缺點。目前，似乎沒有哪個單一種技術(shù)可以用來高產(chǎn)量地刻制納米尺度且任意形狀的圖形。我們可以將圖形刻制的全過程分成下列步驟：
1．在一塊模版上刻寫圖形
2．在過渡性或者功能性材料上復(fù)制模版上的圖形
3．轉(zhuǎn)移在過渡性或者功能性材料上復(fù)制的圖形。
很顯然第二步是最具挑戰(zhàn)性的一步。先前描述的各項技術(shù)，例如電子束光刻或者掃描微探針光刻技術(shù)，已經(jīng)能夠刻寫非常細小的圖形。然而，這些技術(shù)都因相當費時而不適于規(guī)模生產(chǎn)。納米壓印術(shù)則因可作多片并行處理而可能解決規(guī)模生產(chǎn)問題。此項技術(shù)似乎很有希望，但是在它能被廣泛應(yīng)用之前現(xiàn)存的嚴重的材料問題必須加以解決。納米球珠和倍塞共聚物光刻術(shù)則提供了將第一步和第二步整合的解決方案。在這些技術(shù)中，圖形由球珠的尺寸或者倍塞共聚物的成分來確定。然而，用這兩種光刻術(shù)刻寫的納米結(jié)構(gòu)的形狀非常有限。當這些技術(shù)被人們看好有很大的希望用來刻寫圖形以便生長出有序的納米量子點陣列時，它們卻完全不適于用來刻制任意形狀和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的圖形。為了能夠制造出高質(zhì)量的納米器件，不但必須能夠可靠地將圖形轉(zhuǎn)移到功能材料上，還必須保證在刻蝕過程中引入最小的損傷。濕法腐蝕技術(shù)典型地不產(chǎn)生或者產(chǎn)生最小的損傷，可是濕法腐蝕并不十分適于制備需要陡峭側(cè)墻的結(jié)構(gòu)，這是因為在掩模版下一定程度的鉆蝕是不可避免的，而這個鉆蝕決定性地影響微小結(jié)構(gòu)的刻制。另一方面，用干法刻蝕技術(shù)，譬如，反應(yīng)離子刻蝕(RIE)或者電子回旋共振（ECR）刻蝕，在優(yōu)化條件下可以獲得陡峭的側(cè)墻。直到今天大多數(shù)刻蝕研究都集中于刻蝕速度以及刻蝕出垂直墻的能力，而關(guān)于刻蝕引入損傷的研究嚴重不足。已有研究表明，能在表面下100nm深處探測到刻蝕引入的損傷。當器件中的個別有源區(qū)尺寸小于100nm時，如此大的損傷是不能接受的。還有就是因為所有的納米結(jié)構(gòu)都有大的表面-體積比，必須盡可能地減少在納米結(jié)構(gòu)表面或者靠近的任何缺陷。
隨著器件持續(xù)微型化的趨勢的發(fā)展，普通光刻技術(shù)的精度將很快達到它的由光的衍射定律以及材料物理性質(zhì)所確定的基本物理極限。通過采用深紫外光和相移版，以及修正光學(xué)近鄰干擾效應(yīng)等措施，特征尺寸小至80nm的圖形已能用普通光刻技術(shù)制備出。然而不大可能用普通光刻技術(shù)再進一步顯著縮小尺寸。采用X光和EUV的光刻技術(shù)仍在研發(fā)之中，可是發(fā)展這些技術(shù)遇到在光刻膠以及模版制備上的諸多困難。目前來看，雖然也有一些具挑戰(zhàn)性的問題需要解決，特別是需要克服電子束散射以及相關(guān)聯(lián)的近鄰干擾效應(yīng)問題，但投影式電子束光刻似乎是有希望的一種技術(shù)。掃描微探針技術(shù)提供了能分辨單個原子或分子的無可匹敵的精度，可是此項技術(shù)卻有固有的慢速度，目前還不清楚通過給它加裝陣列懸臂樑能否使它達到可以接受的刻寫速度。利用轉(zhuǎn)移在自組裝薄膜中形成的圖形的技術(shù)，例如倍塞共聚物以及納米球珠刻寫技術(shù)則提供了實現(xiàn)成本不是那么昂貴的大面積圖形刻寫的一種可能途徑。然而，在這種方式下形成的圖形僅局限于點狀或者柱狀圖形。對于制造相對簡單的器件而言，此類技術(shù)是足夠用的，但并不能解決微電子工業(yè)所面對的問題。需要將圖形從一張模版復(fù)制到聚合物膜上的各種所謂“軟光刻“方法提供了一種并行刻寫的技術(shù)途徑。模版可以用其他慢寫技術(shù)來刻制，然后在模版上的圖形可以通過要么熱輔助要么溶液輔助的壓印法來復(fù)制。同一塊模版可以用來刻寫多塊襯底，而且不像那些依賴化學(xué)自組裝圖形形成機制的方法，它可以用來刻制任意形狀的圖形。然而，要想獲得高生產(chǎn)率，某些技術(shù)問題如穿刺及因灰塵導(dǎo)致的損傷等問題需要加以解決。對一個理想的納米刻寫技術(shù)而言，它的運行和維修成本應(yīng)該低，它應(yīng)具備可靠地制備尺寸小但密度高的納米結(jié)構(gòu)的能力，還應(yīng)有在非平面上刻制圖形的能力以及制備三維結(jié)構(gòu)的功能。此外，它也應(yīng)能夠做高速并行操作，而且引入的缺陷密度要低。然而時至今日，仍然沒有任何一項能制作亞100nm圖形的單項技術(shù)能同時滿足上述所有條件?，F(xiàn)在還難說是否上述技術(shù)中的一種或者它們的某種組合會取代傳統(tǒng)的光刻技術(shù)。究竟是現(xiàn)有刻寫技術(shù)的組合還是一種全新的技術(shù)會成為最終的納米刻寫技術(shù)還有待于觀察。
另一項挑戰(zhàn)是，為了更新我們關(guān)于納米結(jié)構(gòu)的認識和知識，有必要改善現(xiàn)有的表征技術(shù)或者發(fā)展一種新技術(shù)能夠用來表征單個納米尺度物體。由于自組裝量子點在尺寸上的自然漲落，可信地表征單個納米結(jié)構(gòu)的能力對于研究這些結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)是絕對至關(guān)重要的。目前表征單個納米結(jié)構(gòu)的能力非常有限。譬如，沒有一種結(jié)構(gòu)表征工具能夠用來確定一個納米結(jié)構(gòu)的表面結(jié)構(gòu)到0.1À的精度或者更佳。透射電子顯微術(shù)(TEM)能夠用來研究一個晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部情況，但是它不能提供有關(guān)表面以及靠近表面的原子排列情況的信息。掃描隧道顯微術(shù)（STM）和原子力顯微術(shù)（AFM）能夠給出表面某區(qū)域的形貌，但它們并不能提供定量結(jié)構(gòu)信息好到能仔細理解表面性質(zhì)所要求的精度。當近場光學(xué)方法能夠給出局部區(qū)域光譜信息時，它們能給出的關(guān)于局部雜質(zhì)濃度的信息則很有限。除非目前用來表征表面和體材料的技術(shù)能夠擴展到能夠用來研究單個納米體的表面和內(nèi)部情況，否則能夠得到的有關(guān)納米結(jié)構(gòu)的所有重要結(jié)構(gòu)和組份的定量信息非常有限。
V.展望
新的科學(xué)技術(shù)將人類不斷帶入新的時代，然而藝術(shù)則不斷使這個時代變得更加豐富?？茖W(xué)與藝術(shù)作為人類生活的物質(zhì)與文化的兩個重要組成部分，它們之間的關(guān)系問題固然也成為當今研究者研討的熱點了。設(shè)計藝術(shù)是兩大要素的對立統(tǒng)一，即功能合理性所依托的科學(xué)技術(shù)和審美所依托的藝術(shù)。無論哪一種設(shè)計風(fēng)格或設(shè)計產(chǎn)品，它的最終服務(wù)對象和使用者都是人，人的需求一端連著科學(xué)技術(shù)解決實用性的問題而另一端則連著藝術(shù)創(chuàng)造解決審美問題，綜合起來就是設(shè)計藝術(shù)?？茖W(xué)技術(shù)與藝術(shù)可以說是一對雙胞胎，并以實踐為紐帶相互影響，并肩發(fā)展。科學(xué)技術(shù)是設(shè)計的基礎(chǔ)，而設(shè)計是科學(xué)技術(shù)實現(xiàn)為人類服務(wù)目標的手段?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展水平會直接影響設(shè)計水平?？茖W(xué)技術(shù)的進步造就了設(shè)計的大環(huán)境，科學(xué)技術(shù)的進步與社會背景、環(huán)境狀況的種種改變，都會影響著設(shè)計師的選用材料、設(shè)計風(fēng)格、設(shè)計方法。隨著方法、材料、工具的改變與變化，科學(xué)技術(shù)對設(shè)計活動產(chǎn)生著直接影響。
二、科學(xué)技術(shù)與設(shè)計藝術(shù)的交織展
2.1科學(xué)技術(shù)與設(shè)計藝術(shù)的交織
技術(shù)與藝術(shù)自古以來就是分不開的，無論是原始社會還是近現(xiàn)代社會，科學(xué)技術(shù)與設(shè)計都是聯(lián)系緊密，既相互對立又相互轉(zhuǎn)化的。設(shè)計是“藝術(shù)化的造物行為”，它與科學(xué)技術(shù)一樣，都需要創(chuàng)新，這樣制作出的物品才能夠滿足使用者的心理與使用需求。如西漢長信宮燈：宮燈燈體為鎏金，雙手執(zhí)燈靜坐的宮女，神態(tài)恬靜優(yōu)雅。燈體通高48厘米，重15.85公斤。長信宮燈設(shè)計十分巧妙，由頭部、右臂、身軀、燈罩、燈盤、燈座6個部分分別鑄造組成，頭部和右臂可以組裝拆卸，便于對燈具進行清洗。宮燈部分的燈盤分上下兩部分，刻有陰陽家的銘文，可以轉(zhuǎn)動以調(diào)整燈光的方向，鑲嵌于燈盤溝槽上的弧形瓦狀銅板可以調(diào)整出光口開口的大小來控制燈的亮度。右手與下垂的衣袖罩于銅燈頂部。宮女銅像體內(nèi)中空，其中空的右臂沉積于宮女體內(nèi)，不會大量散逸到周圍環(huán)境中，既防止了空氣污染，又有審美價值?？梢哉f長信宮燈非常符合現(xiàn)代人體工學(xué)和以人為本的概念，在環(huán)保功能與光學(xué)照明方面的設(shè)計運用。20世紀以來，科技文明的進步，使得科學(xué)與技術(shù)、藝術(shù)之間的關(guān)系密切程度提高了。21世紀后現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計要求設(shè)計師要更科學(xué)、更理性的去創(chuàng)造與認識一切，這樣現(xiàn)代先進的科學(xué)技術(shù)才能成為設(shè)計師設(shè)計創(chuàng)造的更有力的支持與保障。所以說現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計與科學(xué)技術(shù)是密不可分的兄弟關(guān)系。比如現(xiàn)代一個不懂計算機技術(shù)的設(shè)計師很難展開他的設(shè)計活動，或者說不用計算機的輔助，會在速度以及效果圖上落后于其他熟練操作各種輔助軟件的設(shè)計師。又比如即使是在傳統(tǒng)繪畫方面，也面臨著在新材料、新工藝的出現(xiàn)上，科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展帶來的各種問題，作為一個現(xiàn)代的藝術(shù)工作者，既要有返璞歸真的思想也要有勇于創(chuàng)新的勇氣，不能單一的去追求某個方面，否則就會走進思維的死胡同。
2.2科學(xué)技術(shù)推動藝術(shù)設(shè)計的發(fā)展
科學(xué)技術(shù)服務(wù)于人類的生活與生存需求，與設(shè)計的目的幾乎相同，同樣都是為人而設(shè)計。設(shè)計藝術(shù)需要借助科學(xué)技術(shù)創(chuàng)造更新、奇、異的效果?？茖W(xué)技術(shù)同樣也離不開藝術(shù)，因為他需要藝術(shù)的外殼來包裝自己、推廣自己、以最快的方式得到大眾的認可。所有的藝術(shù)都離不開日益更新的科學(xué)技術(shù)，有了新技術(shù)的血液注入，傳統(tǒng)的藝術(shù)形式才能夠得到繼承的同時被完善和發(fā)展，從而變得更加絢麗多彩。隨著經(jīng)濟與科技的發(fā)展，人類的生活變得更加豐富多彩了，但是由于活動的種類與規(guī)模的不斷拓寬，造成了嚴重的環(huán)境污染和大面積自然的過度開發(fā)。所以人類開始重新思考正確的發(fā)展模式，通過創(chuàng)新新能源或改進原有能源技術(shù)從根本上進行治理，提高現(xiàn)有能源的利用效率、開發(fā)清潔能源等。在七十年代，格魯斯在德國首先提高了再生循環(huán)處理設(shè)計思想，這種設(shè)計思想就是生態(tài)設(shè)計，也稱為綠色設(shè)計或生命周期設(shè)計，這是一種新的設(shè)計觀念，是將環(huán)境因素納入設(shè)計中，進而幫助設(shè)計決策方向。如今，人們開始進入“數(shù)字化”的時代。從前的二維設(shè)計狀態(tài)不斷地受到三維四維設(shè)計的沖擊，設(shè)計師在不斷探求新的領(lǐng)域，而受眾也在不斷嘗試接受新的設(shè)計狀態(tài)。由于技術(shù)的支持，藝術(shù)家的思維也延續(xù)到其他領(lǐng)域中去尋找突破的靈感。所以說“數(shù)字化”時代的科學(xué)技術(shù)為藝術(shù)設(shè)計創(chuàng)造活動提供了更廣闊的的造型基礎(chǔ)，現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計也逐漸由傳統(tǒng)設(shè)計方向向“數(shù)字化”方向轉(zhuǎn)變。
