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【論文關鍵詞】：納米科學納米技術納米管

【論文摘要】：討論納米科學和技術在新時期里發(fā)展所面對的困難和挑戰(zhàn)。一系列新的方法將被討論。我們還將討論倘若這些困難能夠被克服我們可能會有的收獲。

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。無論是從基礎研究（探索基于非經(jīng)典效應的新物理現(xiàn)象）的觀念出發(fā)，還是從應用（受因結構減少空間維度而帶來的優(yōu)點以及因應半導體器件特征尺寸持續(xù)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。

1.納米結構的制備

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-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(tǒng)方法?！癇uild-down”方法的缺點是較高的成本。

很清楚納米科學的首次浪潮發(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。

2.納米結構尺寸、成份、位序以及密度的控制

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，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。有幾項技術可望用于如此的襯底圖形制作。

⑴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。

⑵聚焦離子束光刻是一種機制上類似于電子束光刻的技術。

⑶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。

⑷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。

⑸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(chǎn)生可控及可重復的相分離機制的技術。

⑹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。

⑺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(fā)。

3.納米制造所面對的困難和挑戰(zhàn)

隨著器件持續(xù)微型化的趨勢的發(fā)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(fā)之中，可是發(fā)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(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聯(lián)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。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(xiàn)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(tǒng)的光刻技術。究竟是現(xiàn)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。

4.展望

目前，已有不少納米尺度圖形刻制技術，它們僅有的短處要么是刻寫速度慢要么是刻寫復雜圖形的能力有限。這些技術可以用來制造簡單的納米原型器件，這將能使我們研究這些器件的性質以及探討優(yōu)化器件結構以便進一步地改善它們的性能。必須發(fā)展新的表征技術，這不單是為了器件表征，也是為了能使我們擁有一個對器件制造過程中的必要工藝如版對準的能進行監(jiān)控的手段。隨著器件尺度的持續(xù)縮小，對制造技術的要求會更苛刻，理所當然地對評判方法的要求也變得更嚴格。隨著光學有源區(qū)尺寸的縮小，嶄新的光學現(xiàn)象很有可能被發(fā)現(xiàn)，這可能導致發(fā)明新的光電子器件。然而，不象電子工業(yè)發(fā)展那樣需要尋找MOS晶體管的替代品，光電子工業(yè)并沒有如此的立時尖銳問題需要迫切解決。納米探測器和納米傳感器是一個全新的領域，目前還難以預測它的進一步發(fā)展趨勢。然而，基于對嶄新診斷技術的預期需要，我們有理由相信這將是一個快速發(fā)展的領域?？偫ㄆ饋?，在所有三個主要領域里應用納米結構所要求的共同點是對納米結構的尺寸、材料純度、位序以及成份的精確控制。一旦這個問題能夠解決，就會有大量的嶄新器件誕生和被研究。

參考文獻

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