纳米技术的缺点范文第1篇

摘 要：文章阐述了一些制备ZnO纳米半导体材料的常用技术，如模板制备法、物理气相沉积、脉冲激光沉积、分子束外延、金属有机化合物气相沉积，并分析了各种方法的优缺点。 关键词：ZnO；模板制备法; PVD; PLD; 金属有机化合物气相沉积 随着科学和商业的飞速发展，人们对纳米半导体材料有了更加深入的认识，对其在光学器件和电学器件方面的应用产生了浓厚的兴趣。最初人们在研究ZnSe和GaN等短波长纳米半导体材料方面取得了一定的进展， GaN制备蓝绿光LED的技术已经相当成熟。但是，由于ZnSe稳定性较差，一直使之无法商品化生产。在长期的对宽带半导体材料的科学研究中，人们发现ZnO半导体纳米材料具有更多的优点。ZnO是一种新型的宽禁带半导体氧化物材料，室温下能带宽度为3.37eV，略低于GaN的3.39eV，其激子束缚能（60 meV）远大于GaN（25 meV）的激子束缚能。由于纳米ZnO在紫外波段有较强的激子跃迁发光特性，所以在短波长光子学器件领域有较广的应用前景。此外，ZnO纳米半导体材料还可沉积在除Si以外的多种衬底上，如玻璃、Al2O3、GaAs等，并在 0.4-2μm 的波长范围内透明，对器件相关电路的单片集成有很大帮助，在光电集成器件中具有很大的潜力。本文阐述了近年来ZnO纳米半导体材料的制备技术，并对这些技术的优缺点进行了分析。 ZnO 是一种应用较广的半导体材料，在很多光学器件和电学器件中有很广泛的应用，由此也产生了多种纳米半导体器件的制备方法，主要有以下几种： 1模板制备法 模板制备法是一种用化学方法进行纳米材料制备的方法，被广泛地用来合成各种各样的纳米棒、纳米线、纳米管等。此种方法使分散的纳米粒子在已做好的纳米模板中成核和生长，因此，纳米模板的尺寸和形状决定了纳米产物的外部特征。科学家们已经利用孔径为40 nm和20 nm左右的多孔氧化铝模板得到了高度有序的ZnO纳米线。郑华均等人用电化学阳极氧化-化学溶蚀技术制备出了一种新型铝基纳米点阵模板，此模板由无数纳米凹点和凸点构成，并在此模板上沉积出ZnO纳米薄膜。此外，李长全、傅敏恭等人以十二烷基硫酸钠为模板制备出ZnO纳米管。该方法优点：较容易控制纳米产物的尺寸、形状。缺点：需要模板有较高的质量。 2物理气相沉积（PVD）

物理气相沉积可以用来制备一维ZnO纳米线和二维ZnO纳米薄膜，原理是通过对含Zn材料进行溅射、蒸发或电离等过程，产生Zn粒子并与反应气体中的O反应，生成ZnO化合物，在衬底表面沉积。物理气象沉积技术已经演化出三种不同的方法，它们是真空蒸发法，真空溅射法和离子镀，离子镀是目前应用较广的。离子镀是人们在实践中获得的一种新技术，将真空蒸发法和溅射法结合起来，在高真空环境中加热材料使之汽化后通入氢气，在基体相对于材料间加负高压，产生辉光放电，通过电场作用使大量被电离的材料的正离子射向负高压的衬底，进行沉积。张琦锋、孙晖等人用气相沉积方法已经制备出了一维ZnO纳米半导体材料。优点：所得到的纳米产物纯度高，污染小；薄膜厚度易于控制；材料不受限制。但是这种方法对真空度要求较高。 3脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition) 脉冲激光沉积也称PLD，常用于纳米薄膜的制备。其工作原理就是用特定波长和功率的激光脉冲聚焦光束，溅射真空状态下特定气压中的加热靶材，激光束与靶材相互作用而产生的粒子团喷射到衬底表面，通过控制气流速度控制材料在衬底表面的沉积速度。牛海军等人用一种新颖的垂直靶向脉冲激光沉积(VTPLD)方法,在常温常压空气环境下,在玻璃基底上得到ZnO纳米薄膜。该方法优点：制备的薄膜物质比例与靶材相同；实验控制条件较少，易于控制；衬底温度要求较低。缺点：薄膜杂志较多；单纯溅射产生的粒子团密度不易控制，因此无法大面积生长均匀的薄膜。 4分子束外延(Molecular Beam Epitaxy) 分子束外延(MBE)技术可以制备高质量薄膜。MBE技术可以在特定超高真空条件下较为精确的控制分子束强度，把分子束入射到被加热的基片上，可使分子或原子按晶体排列一层层地“长”在基片上形成薄膜。分子束外延设备主要包括超高真空系统、分子束源、样品架、四极质谱计QMS和反射式高能电子衍射装置RHEED。周映雪等人利用分子束外延(MBE) 和氧等离子体源辅助MBE方法分别在三种不同衬底硅(100)、砷化镓(100)和蓝宝石 (0001)上先制备合适的缓冲层，然后在缓冲层上得到外延生长的ZnO薄膜。该方法优点：生长速度极慢，每秒1～10；薄膜可控性较强；外延生长所需温度较低。缺点：真空环境要求较高；无法大量生产。目前常用于生长高质量的ZnO薄膜分子束外延有两种：一种是等离子增强，另一种是激光，两种方法均已生长出高质量的ZnO 薄膜。 5金属有机化合物气相沉积( Metal Organic Chemical Vapor Deposition): 金属有机化合物气相沉积(MOCVD)是一种利用有机金属在加热衬底上的热分解反应进行气相外延生长薄膜的方法。反应室是MOCVD 的核心部分，它对外延层厚度、组分均匀性、异质结界面梯度、本底杂质浓度以及产量有极大的影响。按反应室形状的不同，可分为水平式反应室和立式反应室，同时根据反应室的压力又可分为常压 MOCVD 和低压MOCVD。刘成有利用MOCVD方法制备出高质量的ZnO薄膜。在一定衬底温度及压强下,制备出ZnO纳米管。该方法优点是： 薄膜可控性较强；适合大批量生产。其缺点有：需精确控制；传输气体有毒性。但目前不仅利用 MOCVD 法已生长出较高质量的 ZnO 薄膜，而且还获得了 MgZnO 三元系薄膜。 除上述纳米材料的常用制备技术，还有很多其他方法。随着科技的发展和高质量纳米产品的需求，人们对纳米半导体材料的研究会更加深入，对其生长机理理解的更为透彻，随之纳米半导体材料制备技术将不断地发展和完善。高质量纳米半导体产品会不断出现，并被广泛的应用于人们的生活中。 参考文献： [1]谢自力,张荣,修向前,等.GaN纳米线材料的特性和制备技术[J].纳米技术与精密工程,2004,2(3):187-192. [2]张利宁,李清山,潘志峰.模板合成法制备ZnO纳米线的研究[J].量子电子学报,2006,(4). [3]李长全,傅敏恭.十二烷基硫酸钠为模板制备ZnO纳米管新方法的研究[J].无机化学学报, 2006,(9). [4]张琦锋,孙晖,潘光虎,等.维纳米结构氧化锌材料的气相沉积制备及生长特性研究[J].真空科学与技术学报,2006,26(1). [5]牛海军,樊丽权,李晨明,等.垂直靶向脉冲激光沉积制备ZnO纳米薄膜[J].光电子•激光 2007,18(3). [6]周映雪,俞根才,吴志浩,等.ZnO薄膜的分子束外延生长及性能[J].发光学报,2004,(3). [7]刘成有.MOCVD法生长ZnO纳米管及光学性能评价[J].通化师范学院学报,2007,28(4). [8]鞠振刚,张吉英,蒋大勇.MOCVD生长MgZnO薄膜及太阳盲紫外光电探测器[J].发光学报, 2008,(5):865-868.

纳米技术的缺点范文第2篇

“纳米科技的迅猛发展将在21世纪促使几乎所有工业领域产生一场革命性的变化。”西安纳米科技学会秘书长张纯槐在接受记者采访时表示，现在包括美国、日本、德国等发达国家的政府和企业对纳米科技的研发进行大量的投入，目的是为了抢占这一21世纪科技战略制高点。

与此同时，由纳米技术而衍生的纳米产业化进程也发展迅速。据预测，到 2014年，纳米技术产业将达到2.6万亿美元，占整个制造业产值的15%。

“近代社会以蒸汽机技术、电器化技术为主导技术的产业革命我们都错过了，微电子技术的高潮我们也没有赶上。现在纳米技术使大家几乎都处在同一起跑线上，以5000米长跑来形容，少数发达国家最多也才跑了500米，现在我们落后得不是很多，有的还不大落后，这个时候，如果没有正确的认识，没有正确的发展观，是要误大事的，是要对历史负责任的。”中国科学院固体物理研究所研究员、著名纳米专家张立德表示。

因此从战略的高度看待我国纳米科技的发展就是一件十分重要的事情。当前，我国必须制定纳米科技的长远发展战略和规划，从而赶上欧美一些发达国家的脚步。

在另外一个方面，科技也是一把双刃剑。未来我国纳米科技的发展和应用必须要在规范的轨道下进行，如果其发展和应用没有规范，就会出现一些负面效应，其应用甚至会走上邪路。

中国科学院固体物理研究所功能材料研究副主任杨昭荣研究员表示，由于纳米尺度的物质极其微小，其可以通过人体毛孔进入人体血液之中，因此纺织品、化妆品等物品中随意使用，也会给人体带来潜在的健康威胁。遗憾的是，目前还没有针对纳米材料使用的安全防范。这让其在人体医学等与人的身体密切相关行业的应用上留下了安全方面的缺陷。

北京化工大学材料科学与工程学院教授苑会林表示，目前我国纳米行业之所以乱象横生，“伪纳米泛滥”，主要也是没有相关规范，也没有人管。这些年，由于“伪纳米”盛行，很多人打着纳米科技的幌子四处招摇撞骗，也给这个行业造成了很大的负面影响。

中科院院长白春礼认为，“已经出现的纳米技术或纳米产品是真是伪，不是由产品上贴着的纳米标签说了算，也不是由工商部门说了算，甚至也不是由专家说了算，而应根据纳米技术标准来评判是非。”

纳米技术的缺点范文第3篇

关键词：纳米技术；药物制剂；应用分析

随着不断研究给药系统理论，高分子科学得到了高速的发展，药物系统的剂型和研究品种也一致增多和变化。新兴的科技逐渐的应用于药物制剂中，相比较来说纳米技术已经比较成熟，现在已经在各个领域以及医药卫生行业广泛应用，尤其是药物制剂上。经过研究发现，大部分物质得到纳米的尺度后，就可能出现性能突变，表现为一些不同于分子形式和宏观形式的特殊性能，这些特点均可以列入新型药物开发中，也说明药物研发开始了一个新的时代。由于现代药学制剂的研究主要是运用新型科室的手段，将过去药物的束缚摒弃，制造新型的药物，让药物具有更多的优点，这些优点纳米药物均具备，使其能够帮助人们更好的战胜疾病。

一、何为纳米技术

纳米属于一种长度单位，用符号表现为nm。1纳米等于1毫微米，是一米的十亿分之一，约为10个原子的总长度。做一个形象的比喻，假如说一个头发的直径是0.05mm，将其径向剖为5万根，每根的厚度大约就是1nm。

纳米技术是研究在0.1～100nm结构尺寸范围内的原子、电子以及分子的特性以及运动规律，这属于一项新兴的技术，也属于纳米级的制造技术。科学家在长时间研究后发现，在物质的构成上，纳米尺度下隔离的原子或者分子具有很多新的特性，合理的运用这些设备能够制造出一些特定的功能，换句话说就是纳米技术。纳米技术也就是一种用单个分子、原子射程物质的技术。

二、纳米技术与药物制剂

在药剂学领域所说的纳米范围包括了超过100nm的亚微米粒子，正是因物质的物理空间出现了变化，才导致物质的生物学特性、理化特性等出现了巨大的改变。在药学领域应用纳米技术，已经作为一种前沿科学，被研究人员不断的探索。最近几年，在药物制备方面已经广泛应用纳米技术，同时经过研究发现，纳米技术能够加强药物的稳定性，降低刺激胃肠道的成都，引起的不良反应术后，而且药物的利用度很高等诸多优点。大部分药剂学中指的纳米粒指的是纳米药物及纳米载体，所说的纳米药物是说通过纳米技术能够直接将原料药加工诶纳米粒，纳米粒从本质上上即为超粉技术以及微粉化技术进一步的发展；纳米载体也是说将多种未见溶解和分散的纳米粒，具体是指纳米球、聚合物胶囊、聚合物纳米囊以及纳米脂质体等等。纳米药物制剂与过去的药物制剂相比，具有明显的优势。

以下主要介绍纳米技术制备用于纳米新型药物的几种形式：

（1）纳米乳液 为一类运用纳米微乳化技术制成的微粒直径属于纳米级同时动力学和热力学稳定的胶体分散体系。微乳液主要是由水相、油相、表面活性剂以及助表面活性剂构成的一种外观透明或者半透明的液体稳定体系。微乳液是在微乳化技术下形成的制剂，是物质或者药物更有助于穿透生物膜同时被吸收。纳米乳液的主要作用是促进药物通过皮肤进行吸收，延长药物的消除半衰期，提高其生物利用度。

（2）纳米凝胶 主要是一种新型的运用纳米技术载药系统，通过纳米级聚合物在结果上网格组成水凝胶颗粒，主要包括化学凝胶和物理凝胶两种。化学凝胶是由交联共价键形成，物理凝胶是由非共价键形成，使其具有良好的稳定性能和较强的负载能力，发挥靶向治疗的效果，生物利用度较高，效果好。

（3）固体脂质纳米粒（SLN） 多是指物质粒直径在10～1000nm，表现为固态胶体颗粒状，主要是常温下固态的合成或者天然类脂为载体的一种新型给药系统。通过研究发现，SLN不仅能够对药物的释放速度进行控制，同时还可以避免药物出现泄漏或者药物发生降解，能够发挥很好的靶向治疗等诸多优点。

（4）聚合物纳米粒 分天然和人工合成两种，多在10～1000nm之间的粒径，呈固态胶体颗粒，属于一种低毒、高效的靶向药物载体。聚合物纳米粒已经被广泛应用与人工化学合成药物以及蛋白类药物等方面，发展前景广阔。

（5）纳米药物结晶：主要是运用多种不同的技术将药物转变为纳米微粒，直径多不超过1000nm，分散形成所说的纳米晶体。其具有毒性低等优势，但是纳米药物结晶基本适合用于全部药物类型，甚至是一些对水存在高度敏感性的药物，也可以制备成为纳米结晶。

三、小结

纳米技术主要用于药物制剂中生产的新型药物，具体有纳米凝胶、微乳液、固体脂质纳米粒等等，通过研究发现这类新型药物制剂能够对改善药物的稳定性、控制药物的释放、提升药物的生物利用度、减低药物的不良反应以及提升药物的靶向治疗等等。在药物制剂中应用新型纳米技术避免了过去药物制剂中存在的问题和缺陷。在药物制剂上纳米技术发挥了明显的效果。纳米技术还在不断的进步和完善，相信不久的将来必然会出现多种新型纳米药物制剂，与此同时也提醒我们注意应用纳米药物的前提是遵循自然规律，更快更好的促进药物制剂的发展，使其更好的为人类服务。

参考文献：

[1]马莉，魏玉辉，段好刚等.地西泮固体脂质纳米粒的制备及大鼠经鼻腔给药的药动学研究[J].中国药学杂志.2011，24（01）：548-549

[2]梁健钦，刘华钢.白藜芦醇固体脂质纳米粒制备工艺及形态学研究[J].中国实验方剂学杂志.2010，30（14）：105-106

[3]杨涛，吕扬，杜冠华.影响仿制药物临床疗效的因素分析[J].中国药学杂志.2010，36（19）：697-698

纳米技术的缺点范文第4篇

关键词：纳米科学纳米技术纳米管纳米线纳米团簇半导体

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

纳米科学和技术所涉及的是具有尺寸在1-100纳米范围的结构的制备和表征。在这个领域的研究举世瞩目。例如，美国政府2001财政年度在纳米尺度科学上的投入要比2000财政年增长83%，达到5亿美金。有两个主要的理由导致人们对纳米尺度结构和器件的兴趣的增加。第一个理由是，纳米结构（尺度小于20纳米）足够小以至于量子力学效应占主导地位，这导致非经典的行为，譬如，量子限制效应和分立化的能态、库仑阻塞以及单电子邃穿等。这些现象除引起人们对基础物理的兴趣外，亦给我们带来全新的器件制备和功能实现的想法和观念，例如，单电子输运器件和量子点激光器等。第二个理由是，在半导体工业有器件持续微型化的趋势。根据“国际半导体技术路向（2001）“杂志，2005年前动态随机存取存储器（DRAM）和微处理器（MPU）的特征尺寸预期降到80纳米，而MPU中器件的栅长更是预期降到45纳米。然而，到2003年在MPU制造中一些不知其解的问题预期就会出现。到2005年类似的问题将预期出现在DRAM的制造过程中。半导体器件特征尺寸的深度缩小不仅要求新型光刻技术保证能使尺度刻的更小，而且要求全新的器件设计和制造方案，因为当MOS器件的尺寸缩小到一定程度时基础物理极限就会达到。随着传统器件尺寸的进一步缩小，量子效应比如载流子邃穿会造成器件漏电流的增加，这是我们不想要的但却是不可避免的。因此，解决方案将会是制造基于量子效应操作机制的新型器件，以便小物理尺寸对器件功能是有益且必要的而不是有害的。如果我们能够制造纳米尺度的器件，我们肯定会获益良多。譬如，在电子学上，单电子输运器件如单电子晶体管、旋转栅门管以及电子泵给我们带来诸多的微尺度好处，他们仅仅通过数个而非以往的成千上万的电子来运作，这导致超低的能量消耗，在功率耗散上也显著减弱，以及带来快得多的开关速度。在光电子学上，量子点激光器展现出低阈值电流密度、弱阈值电流温度依赖以及大的微分增益等优点，其中大微分增益可以产生大的调制带宽。在传感器件应用上，纳米传感器和纳米探测器能够测量极其微量的化学和生物分子，而且开启了细胞内探测的可能性，这将导致生物医学上迷你型的侵入诊断技术出现。纳米尺度量子点的其他器件应用，比如，铁磁量子点磁记忆器件、量子点自旋过滤器及自旋记忆器等，也已经被提出，可以肯定这些应用会给我们带来许多潜在的好处。总而言之，无论是从基础研究（探索基于非经典效应的新物理现象）的观念出发，还是从应用（受因结构减少空间维度而带来的优点以及因应半导体器件特征尺寸持续减小而需要这两个方面的因素驱使）的角度来看，纳米结构都是令人极其感兴趣的。

II.纳米结构的制备———首次浪潮

有两种制备纳米结构的基本方法：build-up和build-down。所谓build-up方法就是将已预制好的纳米部件（纳米团簇、纳米线以及纳米管）组装起来；而build-down方法就是将纳米结构直接地淀积在衬底上。前一种方法包含有三个基本步骤：1）纳米部件的制备；2）纳米部件的整理和筛选；3）纳米部件组装成器件（这可以包括不同的步骤如固定在衬底及电接触的淀积等等）。“build-up“的优点是个体纳米部件的制备成本低以及工艺简单快捷。有多种方法如气相合成以及胶体化学合成可以用来制备纳米元件。目前，在国内、在香港以及在世界上许多的实验室里这些方法正在被用来合成不同材料的纳米线、纳米管以及纳米团簇。这些努力已经证明了这些方法的有效性。这些合成方法的主要缺点是材料纯洁度较差、材料成份难以控制以及相当大的尺寸和形状的分布。此外，这些纳米结构的合成后工艺再加工相当困难。特别是，如何整理和筛选有着窄尺寸分布的纳米元件是一个至关重要的问题，这一问题迄今仍未有解决。尽管存在如上的困难和问题，“build-up“依然是一种能合成大量纳米团簇以及纳米线、纳米管的有效且简单的方法。可是这些合成的纳米结构直到目前为止仍然难以有什么实际应用，这是因为它们缺乏实用所苛求的尺寸、组份以及材料纯度方面的要求。而且，因为同样的原因用这种方法合成的纳米结构的功能性质相当差。不过上述方法似乎适宜用来制造传感器件以及生物和化学探测器，原因是垂直于衬底生长的纳米结构适合此类的应用要求。

“Build-down”方法提供了杰出的材料纯度控制，而且它的制造机理与现代工业装置相匹配，换句话说，它是利用广泛已知的各种外延技术如分子束外延(MBE)、化学气相淀积（MOVCD）等来进行器件制造的传统方法。“Build-down”方法的缺点是较高的成本。在“build-down”方法中有几条不同的技术路径来制造纳米结构。最简单的一种，也是最早使用的一种是直接在衬底上刻蚀结构来得到量子点或者量子线。另外一种是包括用离子注入来形成纳米结构。这两种技术都要求使用开有小尺寸窗口的光刻版。第三种技术是通过自组装机制来制造量子点结构。自组装方法是在晶格失配的材料中自然生长纳米尺度的岛。在Stranski-Krastanov生长模式中，当材料生长到一定厚度后，二维的逐层生长将转换成三维的岛状生长，这时量子点就会生成。业已证明基于自组装量子点的激光器件具有比量子阱激光器更好的性能。量子点器件的饱和材料增益要比相应的量子阱器件大50倍，微分增益也要高3个量级。阈值电流密度低于100A/cm2、室温输出功率在瓦特量级（典型的量子阱基激光器的输出功率是5-50mW）的连续波量子点激光器也已经报道。无论是何种材料系统，量子点激光器件都预期具有低阈值电流密度，这预示目前还要求在大阈值电流条件下才能激射的宽带系材料如III组氮化物基激光器还有很大的显著改善其性能的空间。目前这类器件的性能已经接近或达到商业化器件所要求的指标，预期量子点基的此类材料激光器将很快在市场上出现。量子点基光电子器件的进一步改善主要取决于量子点几何结构的优化。虽然在生长条件上如衬底温度、生长元素的分气压等的变化能够在一定程度上控制点的尺寸和密度，自组装量子点还是典型底表现出在大小、密度及位置上的随机变化，其中仅仅是密度可以粗糙地控制。自组装量子点在尺寸上的涨落导致它们的光发射的非均匀展宽，因此减弱了使用零维体系制作器件所期望的优点。由于量子点尺寸的统计涨落和位置的随机变化，一层含有自组装量子点材料的光致发光谱典型地很宽。在竖直叠立的多层量子点结构中这种谱展宽效应可以被减弱。如果隔离层足够薄，竖直叠立的多层量子点可典型地展现出竖直对准排列，这可以有效地改善量子点的均匀性。然而，当隔离层薄的时候，在一列量子点中存在载流子的耦合，这将失去因使用零维系统而带来的优点。怎样优化量子点的尺寸和隔离层的厚度以便既能获得好均匀性的量子点又同时保持载流子能够限制在量子点的个体中对于获得器件的良好性能是至关重要的。

很清楚纳米科学的首次浪潮发生在过去的十年中。在这段时期，研究者已经证明了纳米结构的许多崭新的性质。学者们更进一步征明可以用“build-down”或者“build-up”方法来进行纳米结构制造。这些成果向我们展示，如果纳米结构能够大量且廉价地被制造出来，我们必将收获更多的成果。

在未来的十年中，纳米科学和技术的第二次浪潮很可能发生。在这个新的时期，科学家和工程师需要征明纳米结构的潜能以及期望功能能够得到兑现。只有获得在尺寸、成份、位序以及材料纯度上良好可控能力并成功地制造出实用器件才能实现人们对纳米器件所期望的功能。因此，纳米科学的下次浪潮的关键点是纳米结构的人为可控性。

III.纳米结构尺寸、成份、位序以及密度的控制——第二次浪潮

为了充分发挥量子点的优势之处，我们必须能够控制量子点的位置、大小、成份已及密度。其中一个可行的方法是将量子点生长在已经预刻有图形的衬底上。由于量子点的横向尺寸要处在10-20纳米范围（或者更小才能避免高激发态子能级效应，如对于GaN材料量子点的横向尺寸要小于8纳米）才能实现室温工作的光电子器件，在衬底上刻蚀如此小的图形是一项挑战性的技术难题。对于单电子晶体管来说，如果它们能在室温下工作，则要求量子点的直径要小至1-5纳米的范围。这些微小尺度要求已超过了传统光刻所能达到的精度极限。有几项技术可望用于如此的衬底图形制作。

—电子束光刻通常可以用来制作特征尺度小至50纳米的图形。如果特殊薄膜能够用作衬底来最小化电子散射问题，那特征尺寸小至2纳米的图形可以制作出来。在电子束光刻中的电子散射因为所谓近邻干扰效应（proximityeffect）而严重影响了光刻的极限精度，这个效应造成制备空间上紧邻的纳米结构的困难。这项技术的主要缺点是相当费时。例如，刻写一张4英寸的硅片需要时间1小时，这不适宜于大规模工业生产。电子束投影系统如SCALPEL（scatteringwithangularlimitationprojectionelectronlithography）正在发展之中以便使这项技术较适于用于规模生产。目前，耗时和近邻干扰效应这两个问题还没有得到解决。

—聚焦离子束光刻是一种机制上类似于电子束光刻的技术。但不同于电子束光刻的是这种技术并不受在光刻胶中的离子散射以及从衬底来的离子背散射影响。它能刻出特征尺寸细到6纳米的图形，但它也是一种耗时的技术，而且高能离子束可能造成衬底损伤。

—扫描微探针术可以用来划刻或者氧化衬底表面，甚至可以用来操纵单个原子和分子。最常用的方法是基于材料在探针作用下引入的高度局域化增强的氧化机制的。此项技术已经用来刻划金属（Ti和Cr）、半导体（Si和GaAs）以及绝缘材料（Si3N4和silohexanes），还用在LB膜和自聚集分子单膜上。此种方法具有可逆和简单易行等优点。引入的氧化图形依赖于实验条件如扫描速度、样片偏压以及环境湿度等。空间分辨率受限于针尖尺寸和形状（虽然氧化区域典型地小于针尖尺寸）。这项技术已用于制造有序的量子点阵列和单电子晶体管。这项技术的主要缺点是处理速度慢（典型的刻写速度为1mm/s量级）。然而，最近在原子力显微术上的技术进展—使用悬臂樑阵列已将扫描速度提高到4mm/s。此项技术的显著优点是它的杰出的分辨率和能产生任意几何形状的图形能力。但是，是否在刻写速度上的改善能使它适用于除制造光刻版和原型器件之外的其他目的还有待于观察。直到目前为止，它是一项能操控单个原子和分子的唯一技术。

—多孔膜作为淀积掩版的技术。多孔膜能用多种光刻术再加腐蚀来制备，它也可以用简单的阳极氧化方法来制备。铝膜在酸性腐蚀液中阳极氧化就可以在铝膜上产生六角密堆的空洞，空洞的尺寸可以控制在5-200nm范围。制备多孔膜的其他方法是从纳米沟道玻璃膜复制。用这项技术已制造出含有细至40nm的空洞的钨、钼、铂以及金膜。

—倍塞（diblock）共聚物图形制作术是一种基于不同聚合物的混合物能够产生可控及可重复的相分离机制的技术。目前，经过反应离子刻蚀后，在旋转涂敷的倍塞共聚物层中产生的图形已被成功地转移到Si3N4膜上，图形中空洞直径20nm，空洞之间间距40nm。在聚苯乙烯基体中的自组织形成的聚异戊二烯（polyisoprene）或聚丁二烯（polybutadiene）球（或者柱体）可以被臭氧去掉或者通过锇染色而保留下来。在第一种情况，空洞能够在氮化硅上产生；在第二种情况，岛状结构能够产生。目前利用倍塞共聚物光刻技术已制造出GaAs纳米结构，结构的侧向特征尺寸约为23nm,密度高达1011/cm2。

—与倍塞共聚物图形制作术紧密相关的一项技术是纳米球珠光刻术。此项技术的基本思路是将在旋转涂敷的球珠膜中形成的图形转移到衬底上。各种尺寸的聚合物球珠是商业化的产品。然而，要制作出含有良好有序的小尺寸球珠薄膜也是比较困难的。用球珠单层膜已能制备出特征尺寸约为球珠直径1/5的三角形图形。双层膜纳米球珠掩膜版也已被制作出。能够在金属、半导体以及绝缘体衬底上使用纳米球珠光刻术的能力已得到确认。纳米球珠光刻术（纳米球珠膜的旋转涂敷结合反应离子刻蚀）已被用来在一些半导体表面上制造空洞和柱状体纳米结构。

—将图形从母体版转移到衬底上的其他光刻技术。几种所谓“软光刻“方法，比如复制铸模法、微接触印刷法、溶剂辅助铸模法以及用硬模版浮雕法等已被探索开发。其中微接触印刷法已被证明只能用来刻制特征尺寸大于100nm的图形。复制铸模法的可能优点是ellastometric聚合物可被用来制作成一个戳子，以便可用同一个戳子通过对戳子的机械加压能够制作不同侧向尺寸的图形。在溶剂辅助铸模法和用硬模版浮雕法（或通常称之为纳米压印术）之间的主要差异是，前者中溶剂被用于软化聚合物，而后者中软化聚合物依靠的是温度变化。溶剂辅助铸模法的可能优点是不需要加热。纳米压印术已被证明可用来制作具有容量达400Gb/in2的纳米激光光盘，在6英寸硅片上刻制亚100nm分辨的图形，刻制10nmX40nm面积的长方形，以及在4英寸硅片上进行图形刻制。除传统的平面纳米压印光刻法之外，滚轴型纳米压印光刻法也已被提出。在此类技术中温度被发现是一个关键因素。此外，应该选用具有较低的玻璃化转变温度的聚合物。为了取得高产，下列因素要解决：

1）大的戳子尺寸

2）高图形密度戳子

3）低穿刺（lowsticking）

4）压印温度和压力的优化

5）长戳子寿命。

具有低穿刺率的大尺寸戳子已经被制作出来。已有少量研究工作在试图优化压印温度和压力，但显然需要进行更多的研究工作才能得到温度和压力的优化参数。高图形密度戳子的制作依然在发展之中。还没有足够量的工作来研究戳子的寿命问题。曾有研究报告报道，覆盖有超薄的特氟隆类薄膜的模板可以用来进行50次的浮刻而不需要中间清洗。报告指出最大的性能退化来自于嵌在戳子和聚合物之间的灰尘颗粒。如果戳子是从ellastometric母版制作出来的，抗穿刺层可能需要使用，而且进行大约5次压印后需要更换。值得关心的其他可能问题包括镶嵌的灰尘颗引起的戳子损伤或聚合物中图形损伤，以及连续压印之间戳子的清洗需要等。尽管进一步的优化和改良是必需的，但此项技术似乎有希望获得高生产率。压印过程包括对准、加热及冷却循环等，整个过程所需时间大约20分钟。使用具有较低玻璃化转换温度的聚合物可以缩短加热和冷却循环所需时间，因此可以缩短整个压印过程时间。IV．纳米制造所面对的困难和挑战

上述每一种用于在衬底上图形刻制的技术都有其优点和缺点。目前，似乎没有哪个单一种技术可以用来高产量地刻制纳米尺度且任意形状的图形。我们可以将图形刻制的全过程分成下列步骤：

1．在一块模版上刻写图形

2．在过渡性或者功能性材料上复制模版上的图形

3．转移在过渡性或者功能性材料上复制的图形。

很显然第二步是最具挑战性的一步。先前描述的各项技术，例如电子束光刻或者扫描微探针光刻技术，已经能够刻写非常细小的图形。然而，这些技术都因相当费时而不适于规模生产。纳米压印术则因可作多片并行处理而可能解决规模生产问题。此项技术似乎很有希望，但是在它能被广泛应用之前现存的严重的材料问题必须加以解决。纳米球珠和倍塞共聚物光刻术则提供了将第一步和第二步整合的解决方案。在这些技术中，图形由球珠的尺寸或者倍塞共聚物的成分来确定。然而，用这两种光刻术刻写的纳米结构的形状非常有限。当这些技术被人们看好有很大的希望用来刻写图形以便生长出有序的纳米量子点阵列时，它们却完全不适于用来刻制任意形状和复杂结构的图形。为了能够制造出高质量的纳米器件，不但必须能够可靠地将图形转移到功能材料上，还必须保证在刻蚀过程中引入最小的损伤。湿法腐蚀技术典型地不产生或者产生最小的损伤，可是湿法腐蚀并不十分适于制备需要陡峭侧墙的结构，这是因为在掩模版下一定程度的钻蚀是不可避免的，而这个钻蚀决定性地影响微小结构的刻制。另一方面，用干法刻蚀技术，譬如，反应离子刻蚀(RIE)或者电子回旋共振（ECR）刻蚀，在优化条件下可以获得陡峭的侧墙。直到今天大多数刻蚀研究都集中于刻蚀速度以及刻蚀出垂直墙的能力，而关于刻蚀引入损伤的研究严重不足。已有研究表明，能在表面下100nm深处探测到刻蚀引入的损伤。当器件中的个别有源区尺寸小于100nm时，如此大的损伤是不能接受的。还有就是因为所有的纳米结构都有大的表面-体积比，必须尽可能地减少在纳米结构表面或者靠近的任何缺陷。

随着器件持续微型化的趋势的发展，普通光刻技术的精度将很快达到它的由光的衍射定律以及材料物理性质所确定的基本物理极限。通过采用深紫外光和相移版，以及修正光学近邻干扰效应等措施，特征尺寸小至80nm的图形已能用普通光刻技术制备出。然而不大可能用普通光刻技术再进一步显著缩小尺寸。采用X光和EUV的光刻技术仍在研发之中，可是发展这些技术遇到在光刻胶以及模版制备上的诸多困难。目前来看，虽然也有一些具挑战性的问题需要解决，特别是需要克服电子束散射以及相关联的近邻干扰效应问题，但投影式电子束光刻似乎是有希望的一种技术。扫描微探针技术提供了能分辨单个原子或分子的无可匹敌的精度，可是此项技术却有固有的慢速度，目前还不清楚通过给它加装阵列悬臂樑能否使它达到可以接受的刻写速度。利用转移在自组装薄膜中形成的图形的技术，例如倍塞共聚物以及纳米球珠刻写技术则提供了实现成本不是那么昂贵的大面积图形刻写的一种可能途径。然而，在这种方式下形成的图形仅局限于点状或者柱状图形。对于制造相对简单的器件而言，此类技术是足够用的，但并不能解决微电子工业所面对的问题。需要将图形从一张模版复制到聚合物膜上的各种所谓“软光刻“方法提供了一种并行刻写的技术途径。模版可以用其他慢写技术来刻制，然后在模版上的图形可以通过要么热辅助要么溶液辅助的压印法来复制。同一块模版可以用来刻写多块衬底，而且不像那些依赖化学自组装图形形成机制的方法，它可以用来刻制任意形状的图形。然而，要想获得高生产率，某些技术问题如穿刺及因灰尘导致的损伤等问题需要加以解决。对一个理想的纳米刻写技术而言，它的运行和维修成本应该低，它应具备可靠地制备尺寸小但密度高的纳米结构的能力，还应有在非平面上刻制图形的能力以及制备三维结构的功能。此外，它也应能够做高速并行操作，而且引入的缺陷密度要低。然而时至今日，仍然没有任何一项能制作亚100nm图形的单项技术能同时满足上述所有条件。现在还难说是否上述技术中的一种或者它们的某种组合会取代传统的光刻技术。究竟是现有刻写技术的组合还是一种全新的技术会成为最终的纳米刻写技术还有待于观察。

另一项挑战是，为了更新我们关于纳米结构的认识和知识，有必要改善现有的表征技术或者发展一种新技术能够用来表征单个纳米尺度物体。由于自组装量子点在尺寸上的自然涨落，可信地表征单个纳米结构的能力对于研究这些结构的物理性质是绝对至关重要的。目前表征单个纳米结构的能力非常有限。譬如，没有一种结构表征工具能够用来确定一个纳米结构的表面结构到0.1À的精度或者更佳。透射电子显微术(TEM)能够用来研究一个晶体结构的内部情况，但是它不能提供有关表面以及靠近表面的原子排列情况的信息。扫描隧道显微术（STM）和原子力显微术（AFM）能够给出表面某区域的形貌，但它们并不能提供定量结构信息好到能仔细理解表面性质所要求的精度。当近场光学方法能够给出局部区域光谱信息时，它们能给出的关于局部杂质浓度的信息则很有限。除非目前用来表征表面和体材料的技术能够扩展到能够用来研究单个纳米体的表面和内部情况，否则能够得到的有关纳米结构的所有重要结构和组份的定量信息非常有限。

V.展望

纳米技术的缺点范文第5篇

近十年来，包含纳米材料和纳米技术研究在内的纳米科技在生物学及医学领域应用成为目前研究重点之一，涉及细胞和生物分子分离纯化、药物和基因传输、肿瘤治疗、DNA 结构研究、磁共振成像(MRI) 增强、生物荧光标记、病原体和蛋白质等生物分子的检测、组织工程学等。在肿瘤内科诊疗领域则广泛用于药物传输体系和基因治疗研究，和作为探针用在生物检测开发方面。

1 纳米颗粒对细胞膜作用

为认识纳米颗粒的生物效应，了解纳米颗粒对细胞膜作用具有非常重要的意义。纳米颗粒尺寸比生物体细胞、红血球小得多，甚至小于细菌十至数十倍，与病毒尺寸接近，许多化学和生物反应过程均可在此层面上发生进行。纳米颗粒作用细胞膜主要表现为颗粒的膜上吸附、跨膜转运及其在作用过程中对细胞膜及膜上生物分子的影响。胞膜满布多种生物分子，纳米颗粒可影响成膜脂质分子及膜上其他生物大分子（蛋白等）结构和性质，导致膜生物分子结构变化，如纳米颗粒吸附致脂质分子重组，颗粒表面拓扑结构刺激膜上肌动蛋白伸展等。颗粒作用所导致的生物分子的变化可能是不可逆的，也可能是可逆变化，最终可致胞膜整体变化，包括结构和性质两方面：

1.1 膜结构的变化：纳米颗粒吸附致胞膜本身都将经历膜脂质分子重构和强烈的曲率变化过程。纳米颗粒吸附致膜厚度、有序度、单脂分子面积变化，甚至在膜上形成孔洞，最终可能会影响细胞活性。吸附还可造成胞膜弯曲，与细胞诸多活动密切相关。

1.2 膜性质的变化：带电纳米颗粒吸附导致胞膜上不同磷脂分子的分相，进而对细胞信号转导产生影响。纳米颗粒的作用还可能影响磷脂膜的其他一些性质，如表面张力、跨膜势、扩散系数等。分析细胞膜性质变化，有助于理解纳米颗粒胞膜作用机理。

2 纳米技术与肿瘤诊断、疗效监测

利用纳米技术，建立健全低丰度生物样本富集及微弱信号检测方法。

2.1 生物分子检测：检测DNA 和蛋白质对于肿瘤分子分型诊断以及疗效检测评价均极为重要。目前利用聚合酶链式反应(PCR)扩增荧光染色标记检测DNA 分子的分析方法存在某些本质缺陷，PCR 扩增过程常常会导致DNA 表达的失真。免疫染色检测蛋白质的传统则明显存在灵敏度不高和重复性差的特点。具更高灵敏度生物分子检测手段对于肿瘤内科临床的治疗方案制定与评价至关重要。生物检测关键是通过抗体、DNA等识别分子实现对靶标分子的捕获。这一过程中生物分子识别的效率是实现高灵敏生物检测的基础。纳米颗粒由于其较小的尺寸、较高的反应活性、优异的物理性质以及这些性质的可调控性，使其在制备用于蛋白质、核酸分子检测的生物亲和性传感器方面受到广泛关注，可以利用其建立新的检测方法以改善目前的检测方法所存在的缺陷，因而具有良好的应用前景。

2.2 细胞及生物分子的分离纯化：细胞及生物分子如蛋白质等的分离技术正在快步走向肿瘤内科临床。科学家利用纳米磁性颗粒成功分离出人体骨髓中癌细胞，利用原子力显微镜在纳米水平揭示肿瘤细胞形态特点。

目前细胞分离技术研究可明显提高稀有细胞(如抗原特异性B 细胞和T 细胞及稀有性外周血循环肿瘤细胞) 的分离纯度和分离效率的有效方法。大多数靶细胞存在浓度极低，这些细胞高纯度分离仍困难。目前方法仍然存在选择性较差且不易大规模进行的诸多不足。不过，新出现的基于纳米技术的磁性分离方法已成为生物学和临床医学上一种重要的细胞和蛋白质选择性分离技术，可大批量分离获得高纯度靶细胞，并且已经应用于临床。

3 纳米技术与药物治疗

以纳米粒作为载体的药物克服了传统药物的许多缺陷和无法解决的问题。纳米粒作为新型载体，具有很多优势，如无免疫原性、细胞毒性，有较高的基因转移效率，可获得靶基因的长期稳定表达，因此在抗肿瘤药、输送抗原或疫苗方面有着广泛应用前景。

3.1 靶向药物输送体系：药物输送体系的尺度大小有效输送相关药物至细胞内部的关键，血管自身孔径仅允许直径小于50nm 药物自由进出，而直径小于100nm 药物可穿透细胞膜进入其内部发挥疗效。仅有人工合成纳米输送系统能够较好的满足这一要求。药物溶解性是影响药物疗效的另一个重要因素，由于纳米颗粒较小的尺寸，使得纳米颗粒能够较为有效地进入细胞内部。纳米颗粒较大的比表面积使其能够有效结合、吸附及输送其它化合物如小分子药物、多肽、蛋白质及核酸分子，而且其较大的比表面积赋予纳米颗粒所负载的药物分子良好的药物动力学特性及其在靶向组织器官中优异的生物分散性，进而可以有效的提高药物疗效。纳米颗粒具有优先聚集于靶向位点的特性，这一特性使其所负载的药物在健康的组织器官部位的浓度较低，从而可以最大程度地降低纳米颗粒及药物本身的毒副作用。而且，纳米颗粒可以有效提高疏水药物在含水介质中的溶解性，使疏水药物能够适合于进行非肠道给药治疗。纳米颗粒还可以有效提高多种药物如疏水药物分子、多肽及寡聚核苷酸的稳定性。此外，生物可降解的纳米输送体系可以大幅度提高药物的生物相容性，并可在最大程度上降低药物本身的超敏反应。