時間：2022-07-16 23:48:31
序論：在您撰寫科學和技術論文時，參考他人的優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您的創作熱情，引導您走向新的創作高度。
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
納米科學和技術所涉及的是具有尺寸在1-100納米范圍的結構的制備和表征。在這個領域的研究舉世矚目。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致人們對納米尺度結構和器件的興趣的增加。第一個理由是，納米結構（尺度小于20納米）足夠小以至于量子力學效應占主導地位，這導致非經典的行為，譬如，量子限制效應和分立化的能態、庫侖阻塞以及單電子邃穿等。這些現象除引起人們對基礎物理的興趣外，亦給我們帶來全新的器件制備和功能實現的想法和觀念，例如，單電子輸運器件和量子點激光器等。第二個理由是，在半導體工業有器件持續微型化的趨勢。根據“國際半導體技術路向（2001）“雜志，2005年前動態隨機存取存儲器（DRAM）和微處理器（MPU）的特征尺寸預期降到80納米，而MPU中器件的柵長更是預期降到45納米。然而，到2003年在MPU制造中一些不知其解的問題預期就會出現。到2005年類似的問題將預期出現在DRAM的制造過程中。半導體器件特征尺寸的深度縮小不僅要求新型光刻技術保證能使尺度刻的更小，而且要求全新的器件設計和制造方案，因為當MOS器件的尺寸縮小到一定程度時基礎物理極限就會達到。隨著傳統器件尺寸的進一步縮小，量子效應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，在電子學上，單電子輸運器件如單電子晶體管、旋轉柵門管以及電子泵給我們帶來諸多的微尺度好處，他們僅僅通過數個而非以往的成千上萬的電子來運作，這導致超低的能量消耗，在功率耗散上也顯著減弱，以及帶來快得多的開關速度。在光電子學上，量子點激光器展現出低閾值電流密度、弱閾值電流溫度依賴以及大的微分增益等優點，其中大微分增益可以產生大的調制帶寬。在傳感器件應用上，納米傳感器和納米探測器能夠測量極其微量的化學和生物分子，而且開啟了細胞內探測的可能性，這將導致生物醫學上迷你型的侵入診斷技術出現。納米尺度量子點的其他器件應用，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，也已經被提出，可以肯定這些應用會給我們帶來許多潛在的好處?？偠灾?，無論是從基礎研究（探索基于非經典效應的新物理現象）的觀念出發，還是從應用（受因結構減少空間維度而帶來的優點以及因應半導體器件特征尺寸持續減小而需要這兩個方面的因素驅使）的角度來看，納米結構都是令人極其感興趣的。
II.納米結構的制備———首次浪潮
有兩種制備納米結構的基本方法：build-up和build-down。所謂build-up方法就是將已預制好的納米部件（納米團簇、納米線以及納米管）組裝起來；而build-down方法就是將納米結構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合成可以用來制備納米元件。目前，在國內、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，這些納米結構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@些合成的納米結構直到目前為止仍然難以有什么實際應用，這是因為它們缺乏實用所苛求的尺寸、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構的功能性質相當差。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探測器，原因是垂直于襯底生長的納米結構適合此類的應用要求。
“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代工業裝置相匹配，換句話說，它是利用廣泛已知的各種外延技術如分子束外延(MBE)、化學氣相淀積（MOVCD）等來進行器件制造的傳統方法?！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路徑來制造納米結構。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構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構。這兩種技術都要求使用開有小尺寸窗口的光刻版。第三種技術是通過自組裝機制來制造量子點結構。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換成三維的島狀生長，這時量子點就會生成。業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）的連續波量子點激光器也已經報道。無論是何種材料系統，量子點激光器件都預期具有低閾值電流密度，這預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接近或達到商業化器件所要求的指標，預期量子點基的此類材料激光器將很快在市場上出現。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構的優化。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致它們的光發射的非均勻展寬，因此減弱了使用零維體系制作器件所期望的優點。由于量子點尺寸的統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光譜典型地很寬。在豎直疊立的多層量子點結構中這種譜展寬效應可以被減弱。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而帶來的優點。怎樣優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重要的。
很清楚納米科學的首次浪潮發生在過去的十年中。在這段時期，研究者已經證明了納米結構的許多嶄新的性質。學者們更進一步征明可以用“build-down”或者“build-up”方法來進行納米結構制造。這些成果向我們展示，如果納米結構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，納米科學和技術的第二次浪潮很可能發生。在這個新的時期，科學家和工程師需要征明納米結構的潛能以及期望功能能夠得到兌現。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人們對納米器件所期望的功能。因此，納米科學的下次浪潮的關鍵點是納米結構的人為可控性。
III.納米結構尺寸、成份、位序以及密度的控制——第二次浪潮
為了充分發揮量子點的優勢之處，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預刻有圖形的襯底上。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態子能級效應，如對于GaN材料量子點的橫向尺寸要小于8納米）才能實現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性的技術難題。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光刻所能達到的精度極限。有幾項技術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（proximityeffect）而嚴重影響了光刻的極限精度，這個效應造成制備空間上緊鄰的納米結構的困難。這項技術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，這不適宜于大規模工業生產。電子束投影系統如SCALPEL（scatteringwithangularlimitationprojectionelectronlithography）正在發展之中以便使這項技術較適于用于規模生產。目前，耗時和近鄰干擾效應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。但不同于電子束光刻的是這種技術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，而且高能離子束可能造成襯底損傷。
—掃描微探針術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。此項技術已經用來刻劃金屬（Ti和Cr）、半導體（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、樣片偏壓以及環境濕度等。空間分辨率受限于針尖尺寸和形狀（雖然氧化區域典型地小于針尖尺寸）。這項技術已用于制造有序的量子點陣列和單電子晶體管。這項技術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上的技術進展—使用懸臂樑陣列已將掃描速度提高到4mm/s。此項技術的顯著優點是它的杰出的分辨率和能產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。
—多孔膜作為淀積掩版的技術。多孔膜能用多種光刻術再加腐蝕來制備，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制。用這項技術已制造出含有細至40nm的空洞的鎢、鉬、鉑以及金膜。
—倍塞（diblock）共聚物圖形制作術是一種基于不同聚合物的混合物能夠產生可控及可重復的相分離機制的技術。目前，經過反應離子刻蝕后，在旋轉涂敷的倍塞共聚物層中產生的圖形已被成功地轉移到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生；在第二種情況，島狀結構能夠產生。目前利用倍塞共聚物光刻技術已制造出GaAs納米結構，結構的側向特征尺寸約為23nm,密度高達1011/cm2。
—與倍塞共聚物圖形制作術緊密相關的一項技術是納米球珠光刻術。此項技術的基本思路是將在旋轉涂敷的球珠膜中形成的圖形轉移到襯底上。各種尺寸的聚合物球珠是商業化的產品。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、半導體以及絕緣體襯底上使用納米球珠光刻術的能力已得到確認。納米球珠光刻術（納米球珠膜的旋轉涂敷結合反應離子刻蝕）已被用來在一些半導體表面上制造空洞和柱狀體納米結構。
—將圖形從母體版轉移到襯底上的其他光刻技術。幾種所謂“軟光刻“方法，比如復制鑄模法、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。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。復制鑄模法的可能優點是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）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點是不需要加熱。納米壓印術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。在此類技術中溫度被發現是一個關鍵因素。此外，應該選用具有較低的玻璃化轉變溫度的聚合物。為了取得高產，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化
5）長戳子壽命。
具有低穿刺率的大尺寸戳子已經被制作出來。已有少量研究工作在試圖優化壓印溫度和壓力，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化參數。高圖形密度戳子的制作依然在發展之中。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，以及連續壓印之間戳子的清洗需要等。盡管進一步的優化和改良是必需的，但此項技術似乎有希望獲得高生產率。壓印過程包括對準、加熱及冷卻循環等，整個過程所需時間大約20分鐘。使用具有較低玻璃化轉換溫度的聚合物可以縮短加熱和冷卻循環所需時間，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
上述每一種用于在襯底上圖形刻制的技術都有其優點和缺點。目前，似乎沒有哪個單一種技術可以用來高產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制模版上的圖形
3．轉移在過渡性或者功能性材料上復制的圖形。
很顯然第二步是最具挑戰性的一步。先前描述的各項技術，例如電子束光刻或者掃描微探針光刻技術，已經能夠刻寫非常細小的圖形。然而，這些技術都因相當費時而不適于規模生產。納米壓印術則因可作多片并行處理而可能解決規模生產問題。此項技術似乎很有希望，但是在它能被廣泛應用之前現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則提供了將第一步和第二步整合的解決方案。在這些技術中，圖形由球珠的尺寸或者倍塞共聚物的成分來確定。然而，用這兩種光刻術刻寫的納米結構的形狀非常有限。當這些技術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雜結構的圖形。為了能夠制造出高質量的納米器件，不但必須能夠可靠地將圖形轉移到功能材料上，還必須保證在刻蝕過程中引入最小的損傷。濕法腐蝕技術典型地不產生或者產生最小的損傷，可是濕法腐蝕并不十分適于制備需要陡峭側墻的結構，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構的刻制。另一方面，用干法刻蝕技術，譬如，反應離子刻蝕(RIE)或者電子回旋共振（ECR）刻蝕，在優化條件下可以獲得陡峭的側墻。直到今天大多數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構都有大的表面-體積比，必須盡可能地減少在納米結構表面或者靠近的任何缺陷。
隨著器件持續微型化的趨勢的發展，普通光刻技術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，以及修正光學近鄰干擾效應等措施，特征尺寸小至80nm的圖形已能用普通光刻技術制備出。然而不大可能用普通光刻技術再進一步顯著縮小尺寸。采用X光和EUV的光刻技術仍在研發之中，可是發展這些技術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性的問題需要解決，特別是需要克服電子束散射以及相關聯的近鄰干擾效應問題，但投影式電子束光刻似乎是有希望的一種技術。掃描微探針技術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。利用轉移在自組裝薄膜中形成的圖形的技術，例如倍塞共聚物以及納米球珠刻寫技術則提供了實現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，此類技術是足夠用的，但并不能解決微電子工業所面對的問題。需要將圖形從一張模版復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途徑。模版可以用其他慢寫技術來刻制，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，要想獲得高生產率，某些技術問題如穿刺及因灰塵導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而言，它的運行和維修成本應該低，它應具備可靠地制備尺寸小但密度高的納米結構的能力，還應有在非平面上刻制圖形的能力以及制備三維結構的功能。此外，它也應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圖形的單項技術能同時滿足上述所有條件?，F在還難說是否上述技術中的一種或者它們的某種組合會取代傳統的光刻技術。究竟是現有刻寫技術的組合還是一種全新的技術會成為最終的納米刻寫技術還有待于觀察。
另一項挑戰是，為了更新我們關于納米結構的認識和知識，有必要改善現有的表征技術或者發展一種新技術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構的能力對于研究這些結構的物理性質是絕對至關重要的。目前表征單個納米結構的能力非常有限。譬如，沒有一種結構表征工具能夠用來確定一個納米結構的表面結構到0.1À的精度或者更佳。透射電子顯微術(TEM)能夠用來研究一個晶體結構的內部情況，但是它不能提供有關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（STM）和原子力顯微術（AFM）能夠給出表面某區域的形貌，但它們并不能提供定量結構信息好到能仔細理解表面性質所要求的精度。當近場光學方法能夠給出局部區域光譜信息時，它們能給出的關于局部雜質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能夠擴展到能夠用來研究單個納米體的表面和內部情況，否則能夠得到的有關納米結構的所有重要結構和組份的定量信息非常有限。
V.展望
關鍵詞：納米科學納米技術納米管納米線納米團簇半導體
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
納米科學和技術所涉及的是具有尺寸在1-100納米范圍的結構的制備和表征。在這個領域的研究舉世矚目。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致人們對納米尺度結構和器件的興趣的增加。第一個理由是，納米結構（尺度小于20納米）足夠小以至于量子力學效應占主導地位，這導致非經典的行為，譬如，量子限制效應和分立化的能態、庫侖阻塞以及單電子邃穿等。這些現象除引起人們對基礎物理的興趣外，亦給我們帶來全新的器件制備和功能實現的想法和觀念，例如，單電子輸運器件和量子點激光器等。第二個理由是，在半導體工業有器件持續微型化的趨勢。根據“國際半導體技術路向（2001）“雜志，2005年前動態隨機存取存儲器（DRAM）和微處理器（MPU）的特征尺寸預期降到80納米，而MPU中器件的柵長更是預期降到45納米。然而，到2003年在MPU制造中一些不知其解的問題預期就會出現。到2005年類似的問題將預期出現在DRAM的制造過程中。半導體器件特征尺寸的深度縮小不僅要求新型光刻技術保證能使尺度刻的更小，而且要求全新的器件設計和制造方案，因為當MOS器件的尺寸縮小到一定程度時基礎物理極限就會達到。隨著傳統器件尺寸的進一步縮小，量子效應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，在電子學上，單電子輸運器件如單電子晶體管、旋轉柵門管以及電子泵給我們帶來諸多的微尺度好處，他們僅僅通過數個而非以往的成千上萬的電子來運作，這導致超低的能量消耗，在功率耗散上也顯著減弱，以及帶來快得多的開關速度。在光電子學上，量子點激光器展現出低閾值電流密度、弱閾值電流溫度依賴以及大的微分增益等優點，其中大微分增益可以產生大的調制帶寬。在傳感器件應用上，納米傳感器和納米探測器能夠測量極其微量的化學和生物分子，而且開啟了細胞內探測的可能性，這將導致生物醫學上迷你型的侵入診斷技術出現。納米尺度量子點的其他器件應用，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，也已經被提出，可以肯定這些應用會給我們帶來許多潛在的好處?？偠灾?，無論是從基礎研究（探索基于非經典效應的新物理現象）的觀念出發，還是從應用（受因結構減少空間維度而帶來的優點以及因應半導體器件特征尺寸持續減小而需要這兩個方面的因素驅使）的角度來看，納米結構都是令人極其感興趣的。
II.納米結構的制備———首次浪潮
有兩種制備納米結構的基本方法：build-up和build-down。所謂build-up方法就是將已預制好的納米部件（納米團簇、納米線以及納米管）組裝起來；而build-down方法就是將納米結構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）。“build-up“的優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合成可以用來制備納米元件。目前，在國內、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，這些納米結構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構直到目前為止仍然難以有什么實際應用，這是因為它們缺乏實用所苛求的尺寸、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構的功能性質相當差。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探測器，原因是垂直于襯底生長的納米結構適合此類的應用要求。
“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代工業裝置相匹配，換句話說，它是利用廣泛已知的各種外延技術如分子束外延(MBE)、化學氣相淀積（MOVCD）等來進行器件制造的傳統方法?！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路徑來制造納米結構。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構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構。這兩種技術都要求使用開有小尺寸窗口的光刻版。第三種技術是通過自組裝機制來制造量子點結構。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換成三維的島狀生長，這時量子點就會生成。業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）的連續波量子點激光器也已經報道。無論是何種材料系統，量子點激光器件都預期具有低閾值電流密度，這預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接近或達到商業化器件所要求的指標，預期量子點基的此類材料激光器將很快在市場上出現。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構的優化。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致它們的光發射的非均勻展寬，因此減弱了使用零維體系制作器件所期望的優點。由于量子點尺寸的統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光譜典型地很寬。在豎直疊立的多層量子點結構中這種譜展寬效應可以被減弱。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而帶來的優點。怎樣優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重要的。
很清楚納米科學的首次浪潮發生在過去的十年中。在這段時期，研究者已經證明了納米結構的許多嶄新的性質。學者們更進一步征明可以用“build-down”或者“build-up”方法來進行納米結構制造。這些成果向我們展示，如果納米結構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，納米科學和技術的第二次浪潮很可能發生。在這個新的時期，科學家和工程師需要征明納米結構的潛能以及期望功能能夠得到兌現。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人們對納米器件所期望的功能。因此，納米科學的下次浪潮的關鍵點是納米結構的人為可控性。
III.納米結構尺寸、成份、位序以及密度的控制——第二次浪潮
為了充分發揮量子點的優勢之處，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預刻有圖形的襯底上。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態子能級效應，如對于GaN材料量子點的橫向尺寸要小于8納米）才能實現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性的技術難題。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光刻所能達到的精度極限。有幾項技術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（proximityeffect）而嚴重影響了光刻的極限精度，這個效應造成制備空間上緊鄰的納米結構的困難。這項技術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，這不適宜于大規模工業生產。電子束投影系統如SCALPEL（scatteringwithangularlimitationprojectionelectronlithography）正在發展之中以便使這項技術較適于用于規模生產。目前，耗時和近鄰干擾效應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。但不同于電子束光刻的是這種技術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，而且高能離子束可能造成襯底損傷。
—掃描微探針術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。此項技術已經用來刻劃金屬（Ti和Cr）、半導體（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、樣片偏壓以及環境濕度等。空間分辨率受限于針尖尺寸和形狀（雖然氧化區域典型地小于針尖尺寸）。這項技術已用于制造有序的量子點陣列和單電子晶體管。這項技術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上的技術進展—使用懸臂樑陣列已將掃描速度提高到4mm/s。此項技術的顯著優點是它的杰出的分辨率和能產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。
—多孔膜作為淀積掩版的技術。多孔膜能用多種光刻術再加腐蝕來制備，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制。用這項技術已制造出含有細至40nm的空洞的鎢、鉬、鉑以及金膜。
—倍塞（diblock）共聚物圖形制作術是一種基于不同聚合物的混合物能夠產生可控及可重復的相分離機制的技術。目前，經過反應離子刻蝕后，在旋轉涂敷的倍塞共聚物層中產生的圖形已被成功地轉移到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生；在第二種情況，島狀結構能夠產生。目前利用倍塞共聚物光刻技術已制造出GaAs納米結構，結構的側向特征尺寸約為23nm,密度高達1011/cm2。
—與倍塞共聚物圖形制作術緊密相關的一項技術是納米球珠光刻術。此項技術的基本思路是將在旋轉涂敷的球珠膜中形成的圖形轉移到襯底上。各種尺寸的聚合物球珠是商業化的產品。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、半導體以及絕緣體襯底上使用納米球珠光刻術的能力已得到確認。納米球珠光刻術（納米球珠膜的旋轉涂敷結合反應離子刻蝕）已被用來在一些半導體表面上制造空洞和柱狀體納米結構。
—將圖形從母體版轉移到襯底上的其他光刻技術。幾種所謂“軟光刻“方法，比如復制鑄模法、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。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。復制鑄模法的可能優點是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）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點是不需要加熱。納米壓印術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。在此類技術中溫度被發現是一個關鍵因素。此外，應該選用具有較低的玻璃化轉變溫度的聚合物。為了取得高產，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化
5）長戳子壽命。
具有低穿刺率的大尺寸戳子已經被制作出來。已有少量研究工作在試圖優化壓印溫度和壓力，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化參數。高圖形密度戳子的制作依然在發展之中。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，以及連續壓印之間戳子的清洗需要等。盡管進一步的優化和改良是必需的，但此項技術似乎有希望獲得高生產率。壓印過程包括對準、加熱及冷卻循環等，整個過程所需時間大約20分鐘。使用具有較低玻璃化轉換溫度的聚合物可以縮短加熱和冷卻循環所需時間，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
上述每一種用于在襯底上圖形刻制的技術都有其優點和缺點。目前，似乎沒有哪個單一種技術可以用來高產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制模版上的圖形
3．轉移在過渡性或者功能性材料上復制的圖形。
很顯然第二步是最具挑戰性的一步。先前描述的各項技術，例如電子束光刻或者掃描微探針光刻技術，已經能夠刻寫非常細小的圖形。然而，這些技術都因相當費時而不適于規模生產。納米壓印術則因可作多片并行處理而可能解決規模生產問題。此項技術似乎很有希望，但是在它能被廣泛應用之前現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則提供了將第一步和第二步整合的解決方案。在這些技術中，圖形由球珠的尺寸或者倍塞共聚物的成分來確定。然而，用這兩種光刻術刻寫的納米結構的形狀非常有限。當這些技術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雜結構的圖形。為了能夠制造出高質量的納米器件，不但必須能夠可靠地將圖形轉移到功能材料上，還必須保證在刻蝕過程中引入最小的損傷。濕法腐蝕技術典型地不產生或者產生最小的損傷，可是濕法腐蝕并不十分適于制備需要陡峭側墻的結構，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構的刻制。另一方面，用干法刻蝕技術，譬如，反應離子刻蝕(RIE)或者電子回旋共振（ECR）刻蝕，在優化條件下可以獲得陡峭的側墻。直到今天大多數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構都有大的表面-體積比，必須盡可能地減少在納米結構表面或者靠近的任何缺陷。
隨著器件持續微型化的趨勢的發展，普通光刻技術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，以及修正光學近鄰干擾效應等措施，特征尺寸小至80nm的圖形已能用普通光刻技術制備出。然而不大可能用普通光刻技術再進一步顯著縮小尺寸。采用X光和EUV的光刻技術仍在研發之中，可是發展這些技術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性的問題需要解決，特別是需要克服電子束散射以及相關聯的近鄰干擾效應問題，但投影式電子束光刻似乎是有希望的一種技術。掃描微探針技術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。利用轉移在自組裝薄膜中形成的圖形的技術，例如倍塞共聚物以及納米球珠刻寫技術則提供了實現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，此類技術是足夠用的，但并不能解決微電子工業所面對的問題。需要將圖形從一張模版復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途徑。模版可以用其他慢寫技術來刻制，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，要想獲得高生產率，某些技術問題如穿刺及因灰塵導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而言，它的運行和維修成本應該低，它應具備可靠地制備尺寸小但密度高的納米結構的能力，還應有在非平面上刻制圖形的能力以及制備三維結構的功能。此外，它也應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圖形的單項技術能同時滿足上述所有條件?，F在還難說是否上述技術中的一種或者它們的某種組合會取代傳統的光刻技術。究竟是現有刻寫技術的組合還是一種全新的技術會成為最終的納米刻寫技術還有待于觀察。
另一項挑戰是，為了更新我們關于納米結構的認識和知識，有必要改善現有的表征技術或者發展一種新技術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構的能力對于研究這些結構的物理性質是絕對至關重要的。目前表征單個納米結構的能力非常有限。譬如，沒有一種結構表征工具能夠用來確定一個納米結構的表面結構到0.1À的精度或者更佳。透射電子顯微術(TEM)能夠用來研究一個晶體結構的內部情況，但是它不能提供有關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（STM）和原子力顯微術（AFM）能夠給出表面某區域的形貌，但它們并不能提供定量結構信息好到能仔細理解表面性質所要求的精度。當近場光學方法能夠給出局部區域光譜信息時，它們能給出的關于局部雜質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能夠擴展到能夠用來研究單個納米體的表面和內部情況，否則能夠得到的有關納米結構的所有重要結構和組份的定量信息非常有限。
V.展望
關鍵詞：納米科學納米技術納米管納米線納米團簇半導體
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
納米科學和技術所涉及的是具有尺寸在1-100納米范圍的結構的制備和表征。在這個領域的研究舉世矚目。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致人們對納米尺度結構和器件的興趣的增加。第一個理由是，納米結構（尺度小于20納米）足夠小以至于量子力學效應占主導地位，這導致非經典的行為，譬如，量子限制效應和分立化的能態、庫侖阻塞以及單電子邃穿等。這些現象除引起人們對基礎物理的興趣外，亦給我們帶來全新的器件制備和功能實現的想法和觀念，例如，單電子輸運器件和量子點激光器等。第二個理由是，在半導體工業有器件持續微型化的趨勢。根據“國際半導體技術路向（2001）“雜志，2005年前動態隨機存取存儲器（DRAM）和微處理器（MPU）的特征尺寸預期降到80納米，而MPU中器件的柵長更是預期降到45納米。然而，到2003年在MPU制造中一些不知其解的問題預期就會出現。到2005年類似的問題將預期出現在DRAM的制造過程中。半導體器件特征尺寸的深度縮小不僅要求新型光刻技術保證能使尺度刻的更小，而且要求全新的器件設計和制造方案，因為當MOS器件的尺寸縮小到一定程度時基礎物理極限就會達到。隨著傳統器件尺寸的進一步縮小，量子效應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，在電子學上，單電子輸運器件如單電子晶體管、旋轉柵門管以及電子泵給我們帶來諸多的微尺度好處，他們僅僅通過數個而非以往的成千上萬的電子來運作，這導致超低的能量消耗，在功率耗散上也顯著減弱，以及帶來快得多的開關速度。在光電子學上，量子點激光器展現出低閾值電流密度、弱閾值電流溫度依賴以及大的微分增益等優點，其中大微分增益可以產生大的調制帶寬。在傳感器件應用上，納米傳感器和納米探測器能夠測量極其微量的化學和生物分子，而且開啟了細胞內探測的可能性，這將導致生物醫學上迷你型的侵入診斷技術出現。納米尺度量子點的其他器件應用，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，也已經被提出，可以肯定這些應用會給我們帶來許多潛在的好處?？偠灾?，無論是從基礎研究（探索基于非經典效應的新物理現象）的觀念出發，還是從應用（受因結構減少空間維度而帶來的優點以及因應半導體器件特征尺寸持續減小而需要這兩個方面的因素驅使）的角度來看，納米結構都是令人極其感興趣的。
II.納米結構的制備———首次浪潮
有兩種制備納米結構的基本方法：build-up和build-down。所謂build-up方法就是將已預制好的納米部件（納米團簇、納米線以及納米管）組裝起來；而build-down方法就是將納米結構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合成可以用來制備納米元件。目前，在國內、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，這些納米結構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@些合成的納米結構直到目前為止仍然難以有什么實際應用，這是因為它們缺乏實用所苛求的尺寸、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構的功能性質相當差。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探測器，原因是垂直于襯底生長的納米結構適合此類的應用要求。
“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代工業裝置相匹配，換句話說，它是利用廣泛已知的各種外延技術如分子束外延(MBE)、化學氣相淀積（MOVCD）等來進行器件制造的傳統方法?！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路徑來制造納米結構。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構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構。這兩種技術都要求使用開有小尺寸窗口的光刻版。第三種技術是通過自組裝機制來制造量子點結構。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換成三維的島狀生長，這時量子點就會生成。業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）的連續波量子點激光器也已經報道。無論是何種材料系統，量子點激光器件都預期具有低閾值電流密度，這預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接近或達到商業化器件所要求的指標，預期量子點基的此類材料激光器將很快在市場上出現。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構的優化。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致它們的光發射的非均勻展寬，因此減弱了使用零維體系制作器件所期望的優點。由于量子點尺寸的統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光譜典型地很寬。在豎直疊立的多層量子點結構中這種譜展寬效應可以被減弱。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而帶來的優點。怎樣優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重要的。
很清楚納米科學的首次浪潮發生在過去的十年中。在這段時期，研究者已經證明了納米結構的許多嶄新的性質。學者們更進一步征明可以用“build-down”或者“build-up”方法來進行納米結構制造。這些成果向我們展示，如果納米結構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，納米科學和技術的第二次浪潮很可能發生。在這個新的時期，科學家和工程師需要征明納米結構的潛能以及期望功能能夠得到兌現。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人們對納米器件所期望的功能。因此，納米科學的下次浪潮的關鍵點是納米結構的人為可控性。
III.納米結構尺寸、成份、位序以及密度的控制——第二次浪潮
為了充分發揮量子點的優勢之處，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預刻有圖形的襯底上。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態子能級效應，如對于GaN材料量子點的橫向尺寸要小于8納米）才能實現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性的技術難題。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光刻所能達到的精度極限。有幾項技術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（proximityeffect）而嚴重影響了光刻的極限精度，這個效應造成制備空間上緊鄰的納米結構的困難。這項技術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，這不適宜于大規模工業生產。電子束投影系統如SCALPEL（scatteringwithangularlimitationprojectionelectronlithography）正在發展之中以便使這項技術較適于用于規模生產。目前，耗時和近鄰干擾效應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。但不同于電子束光刻的是這種技術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，而且高能離子束可能造成襯底損傷。
—掃描微探針術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。此項技術已經用來刻劃金屬（Ti和Cr）、半導體（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、樣片偏壓以及環境濕度等。空間分辨率受限于針尖尺寸和形狀（雖然氧化區域典型地小于針尖尺寸）。這項技術已用于制造有序的量子點陣列和單電子晶體管。這項技術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上的技術進展—使用懸臂樑陣列已將掃描速度提高到4mm/s。此項技術的顯著優點是它的杰出的分辨率和能產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。
—多孔膜作為淀積掩版的技術。多孔膜能用多種光刻術再加腐蝕來制備，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制。用這項技術已制造出含有細至40nm的空洞的鎢、鉬、鉑以及金膜。
—倍塞（diblock）共聚物圖形制作術是一種基于不同聚合物的混合物能夠產生可控及可重復的相分離機制的技術。目前，經過反應離子刻蝕后，在旋轉涂敷的倍塞共聚物層中產生的圖形已被成功地轉移到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生；在第二種情況，島狀結構能夠產生。目前利用倍塞共聚物光刻技術已制造出GaAs納米結構，結構的側向特征尺寸約為23nm,密度高達1011/cm2。
—與倍塞共聚物圖形制作術緊密相關的一項技術是納米球珠光刻術。此項技術的基本思路是將在旋轉涂敷的球珠膜中形成的圖形轉移到襯底上。各種尺寸的聚合物球珠是商業化的產品。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、半導體以及絕緣體襯底上使用納米球珠光刻術的能力已得到確認。納米球珠光刻術（納米球珠膜的旋轉涂敷結合反應離子刻蝕）已被用來在一些半導體表面上制造空洞和柱狀體納米結構。
—將圖形從母體版轉移到襯底上的其他光刻技術。幾種所謂“軟光刻“方法，比如復制鑄模法、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。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。復制鑄模法的可能優點是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）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點是不需要加熱。納米壓印術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。在此類技術中溫度被發現是一個關鍵因素。此外，應該選用具有較低的玻璃化轉變溫度的聚合物。為了取得高產，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化
5）長戳子壽命。
具有低穿刺率的大尺寸戳子已經被制作出來。已有少量研究工作在試圖優化壓印溫度和壓力，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化參數。高圖形密度戳子的制作依然在發展之中。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，以及連續壓印之間戳子的清洗需要等。盡管進一步的優化和改良是必需的，但此項技術似乎有希望獲得高生產率。壓印過程包括對準、加熱及冷卻循環等，整個過程所需時間大約20分鐘。使用具有較低玻璃化轉換溫度的聚合物可以縮短加熱和冷卻循環所需時間，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
上述每一種用于在襯底上圖形刻制的技術都有其優點和缺點。目前，似乎沒有哪個單一種技術可以用來高產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制模版上的圖形
3．轉移在過渡性或者功能性材料上復制的圖形。
很顯然第二步是最具挑戰性的一步。先前描述的各項技術，例如電子束光刻或者掃描微探針光刻技術，已經能夠刻寫非常細小的圖形。然而，這些技術都因相當費時而不適于規模生產。納米壓印術則因可作多片并行處理而可能解決規模生產問題。此項技術似乎很有希望，但是在它能被廣泛應用之前現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則提供了將第一步和第二步整合的解決方案。在這些技術中，圖形由球珠的尺寸或者倍塞共聚物的成分來確定。然而，用這兩種光刻術刻寫的納米結構的形狀非常有限。當這些技術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雜結構的圖形。為了能夠制造出高質量的納米器件，不但必須能夠可靠地將圖形轉移到功能材料上，還必須保證在刻蝕過程中引入最小的損傷。濕法腐蝕技術典型地不產生或者產生最小的損傷，可是濕法腐蝕并不十分適于制備需要陡峭側墻的結構，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構的刻制。另一方面，用干法刻蝕技術，譬如，反應離子刻蝕(RIE)或者電子回旋共振（ECR）刻蝕，在優化條件下可以獲得陡峭的側墻。直到今天大多數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構都有大的表面-體積比，必須盡可能地減少在納米結構表面或者靠近的任何缺陷。
隨著器件持續微型化的趨勢的發展，普通光刻技術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，以及修正光學近鄰干擾效應等措施，特征尺寸小至80nm的圖形已能用普通光刻技術制備出。然而不大可能用普通光刻技術再進一步顯著縮小尺寸。采用X光和EUV的光刻技術仍在研發之中，可是發展這些技術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性的問題需要解決，特別是需要克服電子束散射以及相關聯的近鄰干擾效應問題，但投影式電子束光刻似乎是有希望的一種技術。掃描微探針技術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。利用轉移在自組裝薄膜中形成的圖形的技術，例如倍塞共聚物以及納米球珠刻寫技術則提供了實現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，此類技術是足夠用的，但并不能解決微電子工業所面對的問題。需要將圖形從一張模版復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途徑。模版可以用其他慢寫技術來刻制，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，要想獲得高生產率，某些技術問題如穿刺及因灰塵導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而言，它的運行和維修成本應該低，它應具備可靠地制備尺寸小但密度高的納米結構的能力，還應有在非平面上刻制圖形的能力以及制備三維結構的功能。此外，它也應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圖形的單項技術能同時滿足上述所有條件?，F在還難說是否上述技術中的一種或者它們的某種組合會取代傳統的光刻技術。究竟是現有刻寫技術的組合還是一種全新的技術會成為最終的納米刻寫技術還有待于觀察。
另一項挑戰是，為了更新我們關于納米結構的認識和知識，有必要改善現有的表征技術或者發展一種新技術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構的能力對于研究這些結構的物理性質是絕對至關重要的。目前表征單個納米結構的能力非常有限。譬如，沒有一種結構表征工具能夠用來確定一個納米結構的表面結構到0.1À的精度或者更佳。透射電子顯微術(TEM)能夠用來研究一個晶體結構的內部情況，但是它不能提供有關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（STM）和原子力顯微術（AFM）能夠給出表面某區域的形貌，但它們并不能提供定量結構信息好到能仔細理解表面性質所要求的精度。當近場光學方法能夠給出局部區域光譜信息時，它們能給出的關于局部雜質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能夠擴展到能夠用來研究單個納米體的表面和內部情況，否則能夠得到的有關納米結構的所有重要結構和組份的定量信息非常有限。
V.展望
碩士論文應能表明作者確已在本門學科上掌握了堅實的基礎理論和系統的專門知識，并對所研究課題有新的見解，有從事科學研究工作或獨立擔負專門技術工作的能力。博士論文應能表明作者確已在本門學科上掌握了堅實寬廣的基礎理論和系統深入的專門知識，并具有獨立從事科學研究工作的能力，在科學或專門技術上做出了創造性的成果。 2.3 學術論文學術論文是某一學術課題在實驗性、理論性或觀測性上具有新的科學研究成果或創新見解和知識的科學記錄；或是某種已知原理應用于實際中取得新進展的科學總結，用以提供學術會議上宣讀、交流或討論；或在學術刊物上發表；或作其他用途的書面文件。學術論文應提供新的科技信息，其內容應有所發現、有所發明、有所創造、有所前進，而不是重復、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?？梢杂貌煌噬膹椭票尽蟾?、論文宜用(210mm×297mm)標準大小的白紙，應便于閱讀、復制和拍攝縮微制品。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、復制和讀者批注。每一面的上方(天頭)和左側(訂口)應分別留邊25mm以上，下方(地腳)和右側(切口)應分別留邊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《標準化工作導則標準編寫的基本規定》第8章“標準條文的編排”的有關規定，采用阿拉伯數字分級編號。 4.2 報告、論文的構成 5 前置部分 5.1 封面 5.1.1 封面是報告、論文的外表面，提供應有的信息，并起保護作用。封面不是必不可少的。學術論文如作為期刊、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。一般應注明《中國圖書資料分類法》的類號，同時應盡可能注明《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。學術論文無必要。
c.密級視報告、論文的內容，按國家規定的保密條例，在右上角注明密級。如系公開發行，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。
關鍵詞：科學技術異同比較概念厘清
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.
在現代，科學和技術關系密切，之所以如此，除了二者相互依賴和相互促進——科學要借助技術更新設備、啟示問題、激勵靈感，技術要借助科學提高理論水準、擴展發明視野、開拓新奇領地——之外，也在于科學和技術確實有諸多相通或相近之處。正如考爾丁所說，科學和技術二者都處理物理世界，使用相同種類的物質世界的知識。二者在研究中使用經驗方法，雇用在科學中受訓練的人，使用類似的詞匯表。技術因它所應用的知識依賴科學，有時也為科學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。
考爾丁只是籠統論之。其實，條分縷析一下科學和技術的各個要素，問題就更清楚了。例如，在建制方面，科學與技術都是高度創造性的行當，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生的思想的人們以一種獎勵。在規范方面，科學和技術都具有非本地化和世界主義的特征?？茖W不是由于定義才是普適的，而是通過許多努力消解本地發現的與境的。技術不是自動地可用于其他境況的，它要求技術和境況兩方面適應，以創造起作用的技術。這個消解與境過程的社會方面也是深入科學和技術之域消解與境，它在于在實踐、流通和網絡創造之間的交流。在結構方面，一切科學都有理論、觀察、實驗這三個部分，技術同樣如此。因此，把技術和科學對立起來的做法是毫無意義的?？茖W和技術都進行觀察和實驗，提出理論，提出關于（通過實驗）造成一定條件的方式的陳述。在基礎研究問題上二者也有一定的重合。在方法方面，技術研究與科學研究沒有什么區別。其研究周期圖式都是一樣的：確定問題；用現行的理論知識和經驗知識解決問題；倘若嘗試失敗，就找出某些可能的解決問題的假設以至整個假設-演繹系統；借助新概念系統尋求問題的解決；檢驗解決問題與結果；對假設或初始問題的表達方式做出必要的修正。在評價方面，
任何特定技術的發展是否值得的裁決必須永遠是暫定的，對借助新證據重新評價是開放的。以這種方式，對于科學使用的問題不能給出永恒的答案，正如科學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，在哲學底蘊方面，科學和技術都體現了操縱或擺布的思想。西方科學是作為實驗科學發展起來的，而為了進行實驗，它必須發展精確和可靠的操縱能力，也就是說進行檢驗的技術，人們操縱擺弄是為了檢驗。技術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。隨著技術的發展發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，科學和技術沒有本質上的不同，或者沒有原則性的區別，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，科學和技術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，不可能把科學和技術作為分離的實體與整體分開。雷斯蒂沃則一言以蔽之，純粹科學的神話是近代科學作為禮拜堂的基石。近代科學的意識形態使我們之中的許多人相信，在科學和技術之間可以劃界，并因我們社會和環境的疾病而責備技術。
誠然，在科學和技術之間“存在邊界起初不可能十分尖銳地顯示出來的領域，正如在遺傳工程和基因治療的情況中那樣”。誠然，“許多現代建制的探究形式把科學的知識進展的興趣與特定技術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和技術在醫學科學沒有簡單的可維持的區分，雖然在極端的對照中是清楚的?！闭\然，在科學和技術之間的任何區分實際上都可能強烈地受到意識形態因素的影響，如規劃的制定和資金的提供就涉及區分問題?？茖W和技術的區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”和“科學的”東西，在另一種與境中往往被稱為“技術”和“技術的”東西，反之亦然。然而，
不管怎樣，從學理上講，科學和技術畢竟不是一回事，二者的區別眾多而明顯。從實踐上講，把二者混同起來，也會在實際工作造成不應有的危害——我國科學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和技術的概念和轄域。為此，我們必須盡可能把科學和技術區分開來，以便于澄清概念上的混亂和糾正管理上的不當。
邦格曾經以表格的形式，列舉了科學和技術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與技術之間原則上的、本質性的不同：基本的性質和功能，解決問題的結構和組成，研究的過程和方法，相鄰領域和相關知識，實現的目標和結果，衡量的標準，研究過程和勞動特點，人才的素質和成長，發展的進展和水平，社會價值、意義和影響。在我的心目中，科學和技術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，我接連寫了數篇強調科學和技術有別的文章，力圖予以匡正。當時我沒有研讀多少資料，主要是憑直觀和經驗發議論的。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和技術的差異。
（1）從追求目的上看，科學以致知求真為鵠的，其目標在于探索和認識自然；技術以應用厚生為歸宿，其意圖在于利用和改造自然?？茖W著眼于理論知識的不斷進展，技術追求生產目標的有效實現。盡管技術也涉及知識——應用零散的經驗知識和系統的科學知識，也創造一些實用性知識——但是它把知識工具化。也就是說，科學把知識始終視為目的，而技術僅僅把知識當作手段。
盡管在某些現實的研究課題或項目中，致知求真和應用厚生這兩個目的是相伴出現的，即便研究者只涉及一個方面；盡管每一個正確的科學理論都可能潛在地導致技術應用，而每一項技術研究項目也可能促進科學知識的進展；但是，這并不能掩蓋科學和技術在目的上的鴻溝之分?？紶柖Υ硕慈粲^火：科學和技術的基本區分還是在于目的。科學的目的是獲取知識，技術的目的是應用知識控制物質。技術人員的問題是分派給他的，希望他提供答案；而科學中某種研究自由是基本的。于是，科學的發展遵從它自己固有的需要，即對真理的追求；而技術的發展遵循公眾的物質需要。桜井邦朋也一語中的：
科學和技術本來是有差別的東西，科學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問；與之相對，技術是立足于把科學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，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模上這樣做，而不是以此為目的?？茖W是為了認識而去變革，而技術卻是為了變革而去認識。希爾也表達了類似的看法：“科學可以可以發明、改進和推廣儀器工具，但是這不是它的首要關心。它的首要任務是認識，并通過認識擴大我們的知識。技術并不這么多地關心認識，它關心為最佳的利益而生產和使用。”
（2）從研究對象上看，科學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系實在，不管它們是以物質形態存在還是以能量或信息形態存在，也不管它們是有生命的還是無生命的?？偠灾?，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，實驗科學家也在受控實驗中對其進行某些干預，但是這種干預是小規模的、不成氣候的。更重要的是，如此干預只是作為獲取自然奧秘的手段，而決不是為干預而干預，決不是把干預自然作為目的。相反地，技術的對象則是現實的或擬想的人造物，也就是說，它要設計或制造出某個自然界中沒有的人工東西來。當然，技術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點講，還是從試驗的結局上講，都聚焦于實用和使用，其結果，已經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，科學活動是好奇取向的（curiosity-oriented），與社會與境和社會需要關系疏遠；技術是任務取向的（mission-oriented），與社會現實和社會需求關系密切?？茖W本來就是在有閑暇的條件下，由人的好奇天性觸發的?？茖W愛好的激起，科學問題的提出，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家的?？茖W的好奇既表現在對自然現象的好奇（如愛因斯坦對指南針的好奇）上，又表現在對科學理論的好奇（如愛因斯坦對歐幾里得幾何學的好奇，對空間和時間問題的好奇，對經典力學和電動力學關于運動相對性解釋的不協調的好奇）上，這些都可能成為新發現的導火線或助產士。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、實在的奇妙的結構之謎時，他不能不從心理感到敬畏。如果人們能夠每天設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：“如果要使科學服務于實用的目的，那么科學就會停滯不前。”
另外，技術像現代社會的許多建制一樣，其取向往往是短視的，科學則不是如此、也不能如此。多爾比認為，短視的觀點可能在技術的語境中被捍衛，但是卻會使科學研究遭難。因為集中關于可預見的眼前利益，會使科學完全轉向應用的和任務取向的科學，會減少產生未曾料到的新知識的能力，從而也會使未來技術的源泉枯竭。因為技術常常是為了滿足眼前的需求而研制、應對市場當下的急需而生產的，所以不得不采取急功近利的態度和做法?？茖W一般不會如此短視，因為科學與人的物質欲求和市場的急需沒有多少聯系。假若出現短視的科學，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，因為科學的發現是無法預見和計劃的，只有在科學內部的各種條件具備和時機成熟之時（如舊有理論的完備，相關學科的發展，實驗資料的積累，天才科學家的關注等）才有可能取得理論突破。正是由于取向的不同，科學研究的自由度要大得多，而技術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，科學發現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，科學家在探究過程中隨時掉轉方向、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、若隱若現的靶子，但是他們卻具有審時度勢、隨機應變的本領——這是他們成功的秘訣之一。
相比之下，技術發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失敗的典型例證。正如我先前所寫的：學術科學或基礎研究是不可計劃和組織的！組織和計劃的學術科學不利于科學發展！在這里，愛因斯坦的告誡值得我們認真汲取：“人們能夠把已經做出的發現的應用組織起來，但是不能把發現本身組織起來。只有自由的個人才能做出發現?！彼€說：
科學史表明，偉大的科學成就并不是通過組織和計劃取得的；新思想發源于某一個人的心中。因此，學者個人的研究自由是科學進步的首要條件。除了在某些有意識的領域，如天文學、氣象學、地球物理學、植物地理學中，一個組織對于科學工作來說只是一種蹩腳的工具。
（5）從關注問題上看，科學需要了解“是什么”（what）和“為什么”（why），而技術面對的問題則是“做什么”（dowhat）和“如何做”（howdo）。邦格用一句話點明：技術的中心問題是設計而非發現。正因為如此，技術雖然以應用科學為基礎，但是并非機械地追隨應用科學。盡管實際情況遠比想象的復雜——大量的、很好的甚至是很出色的科學工作，是在有著明確技術目的的研究過程中完成的，而且科學家自己在“科學”與“技術”職業之間來更而不改變自己實際從事的工作——然而“這些構成科學的問題是認識論意義上的問題，而技術研究的本質卻是一件經濟的和社會的工作?！?/p>
更為值得注意的是，科學發現的原創性和技術發明的原創性是不同的?！斑@兩者的原創性都受人欣賞，但是在科學中，原創性在于比別人更深入地看到事物的本質的能力，而在技術中，原創性則在于發明家把已知的事實轉化為驚人的利益的創造力?！币虼?，技師的啟發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，技術專家所考慮的必定是科學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家的眼光則全神貫注在大自然的內部法則上。
（6）從采用方法上看，科學主要運用實驗推理、歸納演繹諸方法，而技術多用調查設計、試驗修正等方法。考爾丁承認，技術研究的方法與科學方法有類似之處，如在實驗中控制可變因素，使用矯正的參數，但是作為一個整體的方法根本不同于科學方法?？茖W的實驗指向理解研究中的系統，本質上與科學方法的其他部分即說明的假設形成關聯。沒有導致新理解的實驗是失敗，實驗通常借助一些假設設計，以便證實它或否證它。另一方面，技術的實驗除了部分利用科學已經贏得的知識外，僅利用試錯法，它不導致對自然的任何新的理解。技術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系。技術以科學的理解為先決條件，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成知識，盡管它們可以是科學家的未加工的材料。
（7）從思維方式上看，科學思維除了在科學發現的突破時刻以形象思維為主外，在大多數場合下是以抽象思維和概念思維見長的，而技術思維是具象思維和形象思維統治著技術設計和工業設計。由于科學理論具有非自然的特征，科學思維必須擺脫與常識相聯系的自然思維強加的模式，以理性批判和概念分析開路。技術思維在早期是直接與常識和經驗密切相關，爾后出現的以科學理論為基礎的技術，還帶有常識思維和自然思維的胎記和烙印，它直接沿著現成的科學知識下行，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，技術的許多方面是看和非詞語的，這完全不同于科學思維。這并不是說，科學家不使他們建構的概念和機制形象化，不過對科學來說，說明是基本的，必須把圖像翻譯為語言和符號，尤其是數學。由于未受詞語化的理論的牽累，技術設計者在他們的心智中把不同的要素會聚在新組合中。與科學相對照，從文藝復興直到19世紀的技術知識刊載在圖示占統治地位的書中——信息主要以繪圖的形式刊載。
尤其值得指出的是，技術思維是由技術理性或曰主觀理性、工具理性主導的，科學思維則在很大程度上體現的是科學理性或曰客觀理性、純粹理性。所謂客觀理性，按照霍克海默等人的觀點，是指客觀結構是個體思想和行為的量尺，而非人和他的目標。在這里，關鍵是目的而不是手段。也就是說，客觀理性關心的是事物之“自在”而不是事物之“為我”，它要說明的是那些無條件的、絕對的規則而不是假設性的規則。所謂技術理性，關心的是手段和目標，追求效率和行動方案的正確，而很少關心目的是否合理的問題。它是圍繞技術實踐形成的一套基本的文化價值。它預設了笛卡兒式的主體-客體、精神-自然的二元對立，也預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，人類物質需求的先決性。
（8）從構成要素上看，科學的構成要素可以說是非物的——科學知識體系純粹是非物的；研究過程雖然離不開實驗設備的支撐和物資的消耗，但是這些物本身并不進入科學的結果即科學理論之中。尤其是，基礎研究或學術科學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革命稱為“紙上的革命”。即便非要把科學與物扯在一起，科學也只是“抽象物”的科學或“物之共相”的科學。相反地，技術則是實實在在的物的技術，時時處處與具體物打交道，起碼或多或少是離不開物的。盡管在學術層面，學人對技術構成要素的理解還有“技術非物”和“技術是物”的歧見，但是技術恐怕很難完全與物脫離干系。只是“對于不同的技術，物的因素所占的份額和所起的作用是有所區別的?；蛘哒f，在人工自然的創造或技術活動中，人們可以讓物質實物扮演各種角色，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）。”
（9）從表達語言上看，科學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概念或術語。在科學理論中，更偏重抽象的概念說明和的繁難的數學推演，這一點在科學的典型代表物理科學中表現得淋漓盡致。特別是要嚴密、精確地陳述科學理論，非數學語言和數學公式莫屬。相形之下，技術語言多是具體的、平實的描述，缺乏復雜的概念分析和數學演繹。在技術中也運用數學工具，但大都是具體的數值羅列和一般的數字計算，技術結果也不要求絕對精確，只要滿足實用需要，在某一誤差范圍內得出具體的數值即可。尤其是，表達科學知識和理論的科學語言的是可傳達的、可交流的、可用文字和數學符號書寫和記載的，科學共同體實際上是科學語言共同體，這個共同體使用相同的詞匯表或詞典?？墒?，在技術方面，情況就不同了：有些技術事項是無法用語言、文字或數學符號表達清楚的，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，也無法從書本學到手，只能像師傅帶徒弟那樣，邊干邊學，邊觀察邊體味，才能逐漸達到心領神會、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”——技術知識的某些分野就歸屬這樣的知識。
（10）從最終結果上看，科學研究所得到的最終結果是某種關于自然的理論或知識體系，技術活動所得到的最終結果是某種程序或人工器物?？茖W成果是人類精神的非物質成就，而不是設計和生產的物質成品。史蒂文森斷定，科學不是技術，它不在于器械的發明?？茖W的中心關注和最終結果是knowingwhat即真理的知識，與knowinghow即如何做的技術知識相對。當然，這兩類知識是相互關聯的，尤其是在現代。沃爾珀特斷言，科學的最終產物是觀念和信息，也許是在科學論文中；技術的最終產物是人工制品，比如說鐘表和電機。與科學不同，技術的產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：“雖然科學和技術二者包含認知過程，但是它們的終極結果是不同的。創新的科學活動的最后產物最可能是寫成的陳述、科學論文、公布的實驗發現或新的理論見解。相對比，創新的技術活動的最后結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，對科學的評價以是非正誤為主，以優劣美丑為輔，真理和審美是其準繩；對技術的評價是利弊得失、好壞善惡，以功利和價值為尺度。沃爾珀特一言蔽之：“技術的成功與欲求和需要有關，而科學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和技術而言，二者之間的關鍵區分是，技術借助于實用標準“它奏效嗎？”評價，而科學知識則借助于“它為真嗎？”評價。他繼而指出：
對技術和科學而言，成功的標準依然是不同的。在技術中，成功與起作用的產品、尤其是與在目前市場條件下在商業上的產品俱來。相對照，在科學中，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大體上是價值中立（value-neutrality）的，或者說其本身僅蘊涵為數不多的價值成分；而技術處處滲透價值，時時體現價值，與價值有不解之緣。莫爾就是這樣看問題的。他說，真正的科學知識在倫理的意義上是善的，而在技術中，情況就完全不同了。每一項技術成就，必然使人又愛又恨（有矛盾心理）：它能夠或善或惡，技術必然是雙刃工具。盡管把已知的技術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、現在和將來的邊界條件。邦格詳細地陳述了他的觀點：對科學家來說，所有具體對象都是同樣值得研究的，而不涉及價值問題。技術專家卻不是這樣：他把實在分為原料、產品和其他部分（即一堆無用之物），他最珍視產品，其次是原料，最輕視其他部分。技術知識和技術活動的價值準則是與純粹科學的價值中性相對立。技術專家凡事都要衡量其價值，而科學家只衡量自己的活動和成果的價值?？茖W家甚至以擺脫價值觀念的方式去處理價值問題。雖然基礎研究作為心理過程的評價，它也做出價值判斷，但是這完全是內在的：它們涉及科學研究的要素，諸如資料、假設和方法，而不涉及科學研究的對象。另一方面，工程技術專家不僅做出內在的價值判斷，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，工程技術專家恰恰在這里有份兒。他們應該遵守可以稱之為技術命令（technologicalimperative）的東西：
你應該只設計或幫助完成不會危害公眾幸福的工程，應該警告公眾反對任何不能滿足這種條件的工程。
（13）從遵循規范上看，科學遵循的規范是美國科學社會學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）；技術的規范與此大相徑庭，它以獲取經濟效益和物質利益為旨歸，其特質是事前多保密，事后有專利。波蘭尼看到這種天壤之別：“科學知識與技術操作原則之間的不同被專利法認識到了。專利法對發現和發明做了鮮明的區分。發現增加我們關于大自然的知識，而發明則建立一個服務于某一得到承認的利益的新的操作原則?！逼召囁挂彩智宄?/p>
存在著科學和技術之間最為重要和最有意思的一種對照。大家都明白，在科學上只要你第一個發表了，你就打敗了其他人。通過發表來表明你對知識產權的私有要求。非常不可思議的是，你的發表越公開，你的產權要求就越安全地為你所獨占。在技術上則是另一回事。當你做出發明時，你必須為其取得專利，你必須防止工業間諜的竊取，你必須看見它遠在能夠被競爭者復制或取代之前就被制造出來并銷售出去。在技術上你得用通常的保護方法來確保你的私有權。
他進而揭橥，這種差異的原因在于，從哲學意義上看，即使科學是對規律的一種概括和發明過程，自然卻非常強烈地表現出似乎只有一個世界可以被發現，如果波義耳沒有發現波義耳定律，那么必然會有其他人去發現。但是，技術中的大部分競爭比在科學中有更多的回旋余地。技術是一種文明所獲得的，而科學則讓人感到更像是自然的規定而不是人的大腦所擁有的。
（14）從職業建制上看，科學和技術無疑是相互滲透的，并且經?？瓷先ズ么髦豁斆弊踊虼┲瑯拥膶嶒灧b。但是將兩者混淆起來的做法是把表面的東西——例如機構聯合——當成了深層的東西。在科學共同體中，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；而在技術共同體中，其主要成員則是以實踐型、經驗型、動手能力見長的發明家和工程師。前者的建制實體是國家科學院、科學各學科研究所、科學學會、綜合大學的科學研究機構等，后者則是國家工程院、工科院校的研究機構、工程學會、工業部門的研究所、工業實驗室、高技術開發區的企事業單位等。不同的職業建制也體現在人才培養模式的差異上?？茖W人才的培養主要在綜合大學的理科院系和科學研究所進行，注重理論知識、概念辨析、數學基礎、邏輯推理的訓練；技術人才主要在工科院校、工業研究所和實驗室培養，偏重專門技能知識、數值計算、實際操作的訓練。盡管這兩種角色可以轉換，也有可能一身二任，但是轉化總得有一個學習和適應過程，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重的。
（15）從社會影響上看，科學和技術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。科學主要是觀念形態的東西，它的社會影響基本上是思想上的和精神上的，尤其是科學思想、科學方法和科學精神直接作用于人的心靈，促使人更新觀念、提升素質、完善人性，而它對政治、經濟、軍事、環境和生態基本上沒有直接的影響。技術則不然：技術往往是以器物的形態出現的，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，由于科學自身的本性，社會對科學的影響較小、約束力弱，但是對技術影響很大、約束力也強烈得多。
（16）從歷史沿革上看，技術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，即使把科學的萌芽時期計算在內，也僅僅有兩千多年。與技術的歷史相比，科學的歷史短得簡直可以忽略不計。此外，技術依賴于科學的時間，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和技術在歷史上相互影響的不對等性，以及科學起源與技術起源在特點上的差異。他說，在確立科學的非自然本性（反常識的和反直覺的）時，必然要在科學和技術之間做出區分。區分的證據主要來自歷史。技術比科學要古老得多，它的大多數成就——從原始農業、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明——無論如何是獨立于科學的，直至19世紀科學才對技術產生影響（合成染料和電氣工業）。這些技術基于常識和經驗的實踐手藝，而實踐取向無助于純粹知識。技術的歷史大都是無名的歷史，這再次不同于科學。就觀念和器械而言，歷史上的科學嚴重地依賴可以得到的技術，技術對科學有深刻的影響，反過來，科學對技術的影響是相當晚近的事情。一旦承認科學和技術之間的區別，科學在希臘的起源就呈現出特殊的意義?？茖W的特殊本性對科學僅僅一次出現負責。往往被認為是科學家的中國人實際上是熟練的工程師，對科學做出的貢獻微不足道。他們的哲學是神秘主義的。容許科學在西方得以發展的，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，與科學不同，技術在某種程度上對一直存在的每一種人類文化是共同的。與技術不同，科學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中都存在。
（17）從發展進步上看，科學和技術都具有發展進步的性質，在這一點它們與文學、藝術、哲學不盡相同。但是，它們二者在發展進步的特點上判若黑白。列維特揭示，科學發展與技術進步，科學與作為在社會、經濟、歷史中展開的技術的邏輯，是很不相同的，盡管這兩個建制看起來并肩前進。關鍵的差別在于，科學——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完成的提煉過的理論結構?？茖W的發展結構基本上是樹枝狀的，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，技術展開的機制完全不同。那些在生長點和結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。關鍵人物可以是科學家或工程師，但也可能是行政領導、官僚、銀行家、軍官或政治家。技術的進步、后退、停滯或分叉看起來并不遵循任何可以概括的邏輯。沃爾珀特指出驅使科學和技術發展的動力大相徑庭：對技術來說，它是市場的需求或進展中的技術“造成”的需要。情況似乎是，發明活動是受發明的預期的價值支配的，在投入高峰時即是發明高峰——科學往往不是這樣的。斯科利莫夫斯基（H.Skolimowski）認為，二者進步在目標上各行其是：與科學進步的目標在于接近真理相對應，技術進步的內在目標在于提高有效性。這種有效性在具體的技術實踐中表現為精確性、耐久性和低成本（或稱效率性）。還有一點必須提及：盡管科學知識單元在進化過程可能出現復雜和多樣的局面，但這只是暫時的、過渡的現象，它最終必將趨向簡單性和惟一性?？墒?，技術物品的單元在進化中趨向復雜性和多樣性，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。
科學和技術在歷史上的絕大多數時間是分離的，科學大規模地轉化為技術的高峰時期也寥寥可數，可是在現代，科學趨于技術化和技術趨于科學化也是不爭的事實。為此，斯平納提出認知-技術合成體（cognitive-technicalcomplex）和現實化的科學（realizedscience）的概念，拉圖爾甚至和盤托出了“技科學”或“技術科學”（technoscience）的生硬概念。這種科學技術一體化的思想是后現代主義的主題思想之一，誠如福曼（P.Forman）所言，技術取向的科學（technologicallyorientedscience）以及科學取向的技術（scientificallyorientedtechnology）其范圍之廣和力量之大是眾所周知的。這是后現代性之結果。為了說明科學和技術之間的密切關系，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，把科學和技術復雜、多變的關系描繪得過于徑直，而且易于引起技術神話。舞伴模型亦有把科學和技術互動過程簡單化之嫌，同時它忽略了這樣一個事實：科學和技術不僅可以跳雙人舞，而且有時也獨舞。雜交模型把科學和技術視為一個新的綜合體，這實際上已經使二者一體化了——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：
科學和技術是有聯系的，但并非一體化；科學和技術是有區別的，但并非決然對立；科學和技術有時是互動的，但互動的形式多種多樣，互動的過程錯綜復雜，而不是線性的和一義的。
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邦格厘清了一種誤解：“經常有人認為，技術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，是對技術過程尤其是對革新性技術過程的理論豐富性完全無知的表現?！聦嵣希夹g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。而且在現代文化中，只有技術和人文學科（特別是哲學）與其他文化分支有很大的相互作用。具體地說，技術與系統的哲學的幾個分支（邏輯、認識論、形而上學、價值論和倫理學）都有很強的相互作用?！眳⒁姲罡瘢杭夹g的哲學輸入和哲學輸出。
海森伯對此有具體的說明：從18世紀和19世紀初起，形成了一門以發展機械操作過程為基礎的技術，這起初只是舊手工工藝的發展和擴充，其基本原理人人都能掌握。甚至在蒸汽機得到應用以后，技術的這一特性并未得到根本改變。但是，19世紀后半葉出現的電工技術，使得技術與舊手工工藝的聯系已經不復存在，電力這種自然力的開發不是來自人們的直接經驗，而是基于科學理論。參見海森伯：《物理學家的自然觀》，吳忠譯，北京：商務印書館，1990年第1版，第6~7頁。
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劉文海：《技術的政治價值》，北京：人民出版社，1996年第1版，第19頁。
普賴斯的說法有一定的道理：科學的正常成長更多地來自科學，而技術的正常成長更多地來自技術。技術專家用的科學大多數是他們在學校學習和大眾知識中的科學，而科學家用的技術大多數是伴隨他們成長起來的那些技術。兩者之間的強有力的相互作用只出現在很少的時候，因而引人注目地形成歷史山脈的高峰。在17世紀的科學革命中，有一種從工匠技藝狀態向新型科學儀器的有力轉換，它使科學從古代狀態突破而獲得爆炸性的增長，并帶來現代的實驗傳統，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，工業革命已經達到一個新水平，主要通過物理學——特別是愛迪生的電學——科學找到了它回報技術的方法。在大多數情況下，科學并沒有給技術許多幫助，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家。不能以晶體管的特例去判斷科學對技術的影響。承認科學和技術大體上是只有松散聯系的系統，人們的動機目的甚至訓練都非常不同，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》，第170~171頁。
H.F.Spinner,TheSilentRevolutionofRationalityinContemporaryScienceandItsConsequencesforthe“ScientificEthos”.RevolutioninScience,U.S.A.:ScienceHistoryPublications,1988,pp.192~204.
關鍵詞：納米科學納米技術納米管納米線納米團簇半導體
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
納米科學和技術所涉及的是具有尺寸在1-100納米范圍的結構的制備和表征。在這個領域的研究舉世矚目。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致人們對納米尺度結構和器件的興趣的增加。第一個理由是，納米結構（尺度小于20納米）足夠小以至于量子力學效應占主導地位，這導致非經典的行為，譬如，量子限制效應和分立化的能態、庫侖阻塞以及單電子邃穿等。這些現象除引起人們對基礎物理的興趣外，亦給我們帶來全新的器件制備和功能實現的想法和觀念，例如，單電子輸運器件和量子點激光器等。第二個理由是，在半導體工業有器件持續微型化的趨勢。根據“國際半導體技術路向（2001）“雜志，2005年前動態隨機存取存儲器（DRAM）和微處理器（MPU）的特征尺寸預期降到80納米，而MPU中器件的柵長更是預期降到45納米。然而，到2003年在MPU制造中一些不知其解的問題預期就會出現。到2005年類似的問題將預期出現在DRAM的制造過程中。半導體器件特征尺寸的深度縮小不僅要求新型光刻技術保證能使尺度刻的更小，而且要求全新的器件設計和制造方案，因為當MOS器件的尺寸縮小到一定程度時基礎物理極限就會達到。隨著傳統器件尺寸的進一步縮小，量子效應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，在電子學上，單電子輸運器件如單電子晶體管、旋轉柵門管以及電子泵給我們帶來諸多的微尺度好處，他們僅僅通過數個而非以往的成千上萬的電子來運作，這導致超低的能量消耗，在功率耗散上也顯著減弱，以及帶來快得多的開關速度。在光電子學上，量子點激光器展現出低閾值電流密度、弱閾值電流溫度依賴以及大的微分增益等優點，其中大微分增益可以產生大的調制帶寬。在傳感器件應用上，納米傳感器和納米探測器能夠測量極其微量的化學和生物分子，而且開啟了細胞內探測的可能性，這將導致生物醫學上迷你型的侵入診斷技術出現。納米尺度量子點的其他器件應用，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，也已經被提出，可以肯定這些應用會給我們帶來許多潛在的好處?？偠灾?，無論是從基礎研究（探索基于非經典效應的新物理現象）的觀念出發，還是從應用（受因結構減少空間維度而帶來的優點以及因應半導體器件特征尺寸持續減小而需要這兩個方面的因素驅使）的角度來看，納米結構都是令人極其感興趣的。
II.納米結構的制備———首次浪潮
有兩種制備納米結構的基本方法：build-up和build-down。所謂build-up方法就是將已預制好的納米部件（納米團簇、納米線以及納米管）組裝起來；而build-down方法就是將納米結構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合成可以用來制備納米元件。目前，在國內、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，這些納米結構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@些合成的納米結構直到目前為止仍然難以有什么實際應用，這是因為它們缺乏實用所苛求的尺寸、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構的功能性質相當差。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探測器，原因是垂直于襯底生長的納米結構適合此類的應用要求。
“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代工業裝置相匹配，換句話說，它是利用廣泛已知的各種外延技術如分子束外延(MBE)、化學氣相淀積（MOVCD）等來進行器件制造的傳統方法?！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路徑來制造納米結構。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構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構。這兩種技術都要求使用開有小尺寸窗口的光刻版。第三種技術是通過自組裝機制來制造量子點結構。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換成三維的島狀生長，這時量子點就會生成。業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）的連續波量子點激光器也已經報道。無論是何種材料系統，量子點激光器件都預期具有低閾值電流密度，這預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接近或達到商業化器件所要求的指標，預期量子點基的此類材料激光器將很快在市場上出現。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構的優化。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致它們的光發射的非均勻展寬，因此減弱了使用零維體系制作器件所期望的優點。由于量子點尺寸的統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光譜典型地很寬。在豎直疊立的多層量子點結構中這種譜展寬效應可以被減弱。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而帶來的優點。怎樣優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重要的。
很清楚納米科學的首次浪潮發生在過去的十年中。在這段時期，研究者已經證明了納米結構的許多嶄新的性質。學者們更進一步征明可以用“build-down”或者“build-up”方法來進行納米結構制造。這些成果向我們展示，如果納米結構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，納米科學和技術的第二次浪潮很可能發生。在這個新的時期，科學家和工程師需要征明納米結構的潛能以及期望功能能夠得到兌現。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人們對納米器件所期望的功能。因此，納米科學的下次浪潮的關鍵點是納米結構的人為可控性。
III.納米結構尺寸、成份、位序以及密度的控制——第二次浪潮
為了充分發揮量子點的優勢之處，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預刻有圖形的襯底上。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態子能級效應，如對于GaN材料量子點的橫向尺寸要小于8納米）才能實現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性的技術難題。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光刻所能達到的精度極限。有幾項技術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（proximityeffect）而嚴重影響了光刻的極限精度，這個效應造成制備空間上緊鄰的納米結構的困難。這項技術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，這不適宜于大規模工業生產。電子束投影系統如SCALPEL（scatteringwithangularlimitationprojectionelectronlithography）正在發展之中以便使這項技術較適于用于規模生產。目前，耗時和近鄰干擾效應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。但不同于電子束光刻的是這種技術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，而且高能離子束可能造成襯底損傷。
—掃描微探針術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。此項技術已經用來刻劃金屬（Ti和Cr）、半導體（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、樣片偏壓以及環境濕度等?？臻g分辨率受限于針尖尺寸和形狀（雖然氧化區域典型地小于針尖尺寸）。這項技術已用于制造有序的量子點陣列和單電子晶體管。這項技術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上的技術進展—使用懸臂樑陣列已將掃描速度提高到4mm/s。此項技術的顯著優點是它的杰出的分辨率和能產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。
—多孔膜作為淀積掩版的技術。多孔膜能用多種光刻術再加腐蝕來制備，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制。用這項技術已制造出含有細至40nm的空洞的鎢、鉬、鉑以及金膜。
—倍塞（diblock）共聚物圖形制作術是一種基于不同聚合物的混合物能夠產生可控及可重復的相分離機制的技術。目前，經過反應離子刻蝕后，在旋轉涂敷的倍塞共聚物層中產生的圖形已被成功地轉移到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生；在第二種情況，島狀結構能夠產生。目前利用倍塞共聚物光刻技術已制造出GaAs納米結構，結構的側向特征尺寸約為23nm,密度高達1011/cm2。
—與倍塞共聚物圖形制作術緊密相關的一項技術是納米球珠光刻術。此項技術的基本思路是將在旋轉涂敷的球珠膜中形成的圖形轉移到襯底上。各種尺寸的聚合物球珠是商業化的產品。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、半導體以及絕緣體襯底上使用納米球珠光刻術的能力已得到確認。納米球珠光刻術（納米球珠膜的旋轉涂敷結合反應離子刻蝕）已被用來在一些半導體表面上制造空洞和柱狀體納米結構。
—將圖形從母體版轉移到襯底上的其他光刻技術。幾種所謂“軟光刻“方法，比如復制鑄模法、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。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。復制鑄模法的可能優點是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）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點是不需要加熱。納米壓印術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。在此類技術中溫度被發現是一個關鍵因素。此外，應該選用具有較低的玻璃化轉變溫度的聚合物。為了取得高產，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化
5）長戳子壽命。
具有低穿刺率的大尺寸戳子已經被制作出來。已有少量研究工作在試圖優化壓印溫度和壓力，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化參數。高圖形密度戳子的制作依然在發展之中。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，以及連續壓印之間戳子的清洗需要等。盡管進一步的優化和改良是必需的，但此項技術似乎有希望獲得高生產率。壓印過程包括對準、加熱及冷卻循環等，整個過程所需時間大約20分鐘。使用具有較低玻璃化轉換溫度的聚合物可以縮短加熱和冷卻循環所需時間，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
上述每一種用于在襯底上圖形刻制的技術都有其優點和缺點。目前，似乎沒有哪個單一種技術可以用來高產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制模版上的圖形
3．轉移在過渡性或者功能性材料上復制的圖形。
很顯然第二步是最具挑戰性的一步。先前描述的各項技術，例如電子束光刻或者掃描微探針光刻技術，已經能夠刻寫非常細小的圖形。然而，這些技術都因相當費時而不適于規模生產。納米壓印術則因可作多片并行處理而可能解決規模生產問題。此項技術似乎很有希望，但是在它能被廣泛應用之前現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則提供了將第一步和第二步整合的解決方案。在這些技術中，圖形由球珠的尺寸或者倍塞共聚物的成分來確定。然而，用這兩種光刻術刻寫的納米結構的形狀非常有限。當這些技術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雜結構的圖形。為了能夠制造出高質量的納米器件，不但必須能夠可靠地將圖形轉移到功能材料上，還必須保證在刻蝕過程中引入最小的損傷。濕法腐蝕技術典型地不產生或者產生最小的損傷，可是濕法腐蝕并不十分適于制備需要陡峭側墻的結構，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構的刻制。另一方面，用干法刻蝕技術，譬如，反應離子刻蝕(RIE)或者電子回旋共振（ECR）刻蝕，在優化條件下可以獲得陡峭的側墻。直到今天大多數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構都有大的表面-體積比，必須盡可能地減少在納米結構表面或者靠近的任何缺陷。
隨著器件持續微型化的趨勢的發展，普通光刻技術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，以及修正光學近鄰干擾效應等措施，特征尺寸小至80nm的圖形已能用普通光刻技術制備出。然而不大可能用普通光刻技術再進一步顯著縮小尺寸。采用X光和EUV的光刻技術仍在研發之中，可是發展這些技術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性的問題需要解決，特別是需要克服電子束散射以及相關聯的近鄰干擾效應問題，但投影式電子束光刻似乎是有希望的一種技術。掃描微探針技術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。利用轉移在自組裝薄膜中形成的圖形的技術，例如倍塞共聚物以及納米球珠刻寫技術則提供了實現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，此類技術是足夠用的，但并不能解決微電子工業所面對的問題。需要將圖形從一張模版復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途徑。模版可以用其他慢寫技術來刻制，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，要想獲得高生產率，某些技術問題如穿刺及因灰塵導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而言，它的運行和維修成本應該低，它應具備可靠地制備尺寸小但密度高的納米結構的能力，還應有在非平面上刻制圖形的能力以及制備三維結構的功能。此外，它也應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圖形的單項技術能同時滿足上述所有條件?，F在還難說是否上述技術中的一種或者它們的某種組合會取代傳統的光刻技術。究竟是現有刻寫技術的組合還是一種全新的技術會成為最終的納米刻寫技術還有待于觀察。
另一項挑戰是，為了更新我們關于納米結構的認識和知識，有必要改善現有的表征技術或者發展一種新技術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構的能力對于研究這些結構的物理性質是絕對至關重要的。目前表征單個納米結構的能力非常有限。譬如，沒有一種結構表征工具能夠用來確定一個納米結構的表面結構到0.1À的精度或者更佳。透射電子顯微術(TEM)能夠用來研究一個晶體結構的內部情況，但是它不能提供有關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（STM）和原子力顯微術（AFM）能夠給出表面某區域的形貌，但它們并不能提供定量結構信息好到能仔細理解表面性質所要求的精度。當近場光學方法能夠給出局部區域光譜信息時，它們能給出的關于局部雜質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能夠擴展到能夠用來研究單個納米體的表面和內部情況，否則能夠得到的有關納米結構的所有重要結構和組份的定量信息非常有限。
V.展望
新的科學技術將人類不斷帶入新的時代，然而藝術則不斷使這個時代變得更加豐富?？茖W與藝術作為人類生活的物質與文化的兩個重要組成部分，它們之間的關系問題固然也成為當今研究者研討的熱點了。設計藝術是兩大要素的對立統一，即功能合理性所依托的科學技術和審美所依托的藝術。無論哪一種設計風格或設計產品，它的最終服務對象和使用者都是人，人的需求一端連著科學技術解決實用性的問題而另一端則連著藝術創造解決審美問題，綜合起來就是設計藝術?？茖W技術與藝術可以說是一對雙胞胎，并以實踐為紐帶相互影響，并肩發展?？茖W技術是設計的基礎，而設計是科學技術實現為人類服務目標的手段?？茖W技術的發展水平會直接影響設計水平?？茖W技術的進步造就了設計的大環境，科學技術的進步與社會背景、環境狀況的種種改變，都會影響著設計師的選用材料、設計風格、設計方法。隨著方法、材料、工具的改變與變化，科學技術對設計活動產生著直接影響。
二、科學技術與設計藝術的交織展
2.1科學技術與設計藝術的交織
技術與藝術自古以來就是分不開的，無論是原始社會還是近現代社會，科學技術與設計都是聯系緊密，既相互對立又相互轉化的。設計是“藝術化的造物行為”，它與科學技術一樣，都需要創新，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，雙手執燈靜坐的宮女，神態恬靜優雅。燈體通高48厘米，重15.85公斤。長信宮燈設計十分巧妙，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，可以轉動以調整燈光的方向，鑲嵌于燈盤溝槽上的弧形瓦狀銅板可以調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。宮女銅像體內中空，其中空的右臂沉積于宮女體內，不會大量散逸到周圍環境中，既防止了空氣污染，又有審美價值。可以說長信宮燈非常符合現代人體工學和以人為本的概念，在環保功能與光學照明方面的設計運用。20世紀以來，科技文明的進步，使得科學與技術、藝術之間的關系密切程度提高了。21世紀后現代藝術設計要求設計師要更科學、更理性的去創造與認識一切，這樣現代先進的科學技術才能成為設計師設計創造的更有力的支持與保障。所以說現代藝術設計與科學技術是密不可分的兄弟關系。比如現代一個不懂計算機技術的設計師很難展開他的設計活動，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計師。又比如即使是在傳統繪畫方面，也面臨著在新材料、新工藝的出現上，科學技術快速發展帶來的各種問題，作為一個現代的藝術工作者，既要有返璞歸真的思想也要有勇于創新的勇氣，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科學技術推動藝術設計的發展
科學技術服務于人類的生活與生存需求，與設計的目的幾乎相同，同樣都是為人而設計。設計藝術需要借助科學技術創造更新、奇、異的效果?？茖W技術同樣也離不開藝術，因為他需要藝術的外殼來包裝自己、推廣自己、以最快的方式得到大眾的認可。所有的藝術都離不開日益更新的科學技術，有了新技術的血液注入，傳統的藝術形式才能夠得到繼承的同時被完善和發展，從而變得更加絢麗多彩。隨著經濟與科技的發展，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模的不斷拓寬，造成了嚴重的環境污染和大面積自然的過度開發。所以人類開始重新思考正確的發展模式，通過創新新能源或改進原有能源技術從根本上進行治理，提高現有能源的利用效率、開發清潔能源等。在七十年代，格魯斯在德國首先提高了再生循環處理設計思想，這種設計思想就是生態設計，也稱為綠色設計或生命周期設計，這是一種新的設計觀念，是將環境因素納入設計中，進而幫助設計決策方向。如今，人們開始進入“數字化”的時代。從前的二維設計狀態不斷地受到三維四維設計的沖擊，設計師在不斷探求新的領域，而受眾也在不斷嘗試接受新的設計狀態。由于技術的支持，藝術家的思維也延續到其他領域中去尋找突破的靈感。所以說“數字化”時代的科學技術為藝術設計創造活動提供了更廣闊的的造型基礎，現代藝術設計也逐漸由傳統設計方向向“數字化”方向轉變。
