奈米科學與技術論文
奈米科學和技術所涉及的是具有尺寸在1-100奈米範圍的結構的製備和表徵。下面小編給大家分享一些，大家快來跟小編一起欣賞吧。
篇一
奈米科學和技術的二次浪潮
摘要: 在過去的十年裡奈米科學的首次浪潮澎湃而過。在此期間， 國際、國內以及香港的學者已向世人證實他們可以採用“build-up”或“build-down”的辦法制造大量的奈米管、奈米線以及奈米團簇。這些努力已經表明，如果奈米結構能夠低廉地製造，那我們就會有更豐碩的收穫。尺度小於20奈米的結構會展現非經典的性質，這提供給我們一個用全新的想法來製造功能器件的基礎。在半導體工業，製造結構尺寸小於70奈米器件的能力允許器件的持續微型化。在下一個10 年中，奈米科學和技術的另次浪潮將可能來臨。在這個新時期， 科學家和工程師需要展示人們對奈米結構的期待功能以及證實他們的進一步的潛力，擁有在奈米結構實際器件的尺寸、組份、有序和純度上的良好控制能力將實現人們期望的功能。在本文中，我們將討論奈米科學和技術在新時期裡 發展所面對的困難和挑戰。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穫。
關鍵詞：奈米科學 奈米技術 奈米管 奈米線 奈米團簇 半導體
Nanoscience and Nanotechnology – the Second Revolution
Abstract: The first revolution of nanoscience took place in the past 10 years. In this period, researchers in China, Hong Kong and worldwide have demonstrated the ability to fabricate large quantities of nanotubes, nanowires and nanoclusters of different materials, using Either the “build-up” or “build-down” approach. These efforts have shown that if nanostructures can be fabricated inexpensively, there are many rewards to be reaped. Structures smaller than 20nm exhibit non-classical properties and they offer the basis for entirely different thinking in making devices and how devices function. The ability to fabricate structures with dimension less than 70nm allow the continuation of miniaturization of devices in the semiconductor industry. The second nanoscience and nantechnology revolution will likely take place in the next 10 years. In this new period, scientists and engineers will need to show that the potential and promise of nanostructures can be realized. The realization is the fabrication of practical devices with good control in size, composition, order and purity so that such devices will deliver the promised functions. We shall discuss some difficulties and challenges faced in this new period. A number of alternative approaches will be discussed. We shall also discuss some of the rewards if these difficulties can be overcome.
Key words: Nanoscience, Nanotechnology, Nanotubes, Nanowires, Nanoclusters, “build-up”, “build-down”, Semiconductor
I. 引言
奈米科學和技術所涉及的是具有尺寸在1-100奈米範圍的結構的製備和表徵。在這個領域的研究舉世矚目。例如， 美國政府2001 財政年度在奈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奈米尺度結構和器件的興趣的增加。第一個理由是，奈米結構***尺度小於20奈米***足夠小以至於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製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鐳射器等。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***“雜誌，2005年前動態隨機存取儲存器***DRAM***和微處理器***MPU***的特徵尺寸預期降到80奈米，而MPU中器件的柵長更是預期降到45奈米。然而，到2003 年在MPU製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的製造過程中。半導體器件特徵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製造方案，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，解決方案將會是製造基於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。如果我們能夠製造奈米尺度的器件，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電晶體、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，量子點鐳射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製頻寬。在感測器件 應用上，奈米感測器和奈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。奈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。總而言之，無論是從基礎研究***探索基於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徵尺寸持續減小而需要這兩個方面的因素驅使***的角度來看，奈米結構都是令人極其感興趣的。
II. 奈米結構的製備———首次浪潮
有兩種製備奈米結構的基本方法：build-up和 build-down。所謂build-up方法就是將已預製好的奈米部件***奈米團簇、奈米線以及奈米管***組裝起來;而build-down 方法就是將奈米結構直接地澱積在襯底上。前一種方法包含有三個基本步驟：1***奈米部件的製備;2***奈米部件的整理和篩選;3***奈米部件組裝成器件***這可以包括不同的步驟如固定在襯底及電接觸的澱積等等***。“build-up“的優點是個體奈米部件的製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製備奈米元件。目前，在國內、在香港以及在世界上許多的實驗室裡這些方法正在被用來合成不同材料的奈米線、 奈米管以及奈米團簇。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佈。此外，這些奈米結構的合成後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佈的奈米元件是一個至關重要的問題，這一問題迄今仍未有解決。儘管存在如上的困難和問題，“build-up“依然是一種能合成大量奈米團簇以及奈米線、奈米管的有效且簡單的方法。可是這些合成的奈米結構直到目前為止仍然難以有什麼實際應用， 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奈米結構的功能性質相當差。不過上述方法似乎適宜用來製造感測器件以及生物和化學探測器，原因是垂直於襯底生長的奈米結構適合此類的應用要求。
“Build-down”方法提供了傑出的材料純度控制，而且它的製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***、化學氣相澱積***MOVCD***等來進行器件製造的傳統方法。“Build-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製造奈米結構。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奈米結構。這兩種技術都要求使用開有小尺寸視窗的光刻版。第三種技術是通過自組裝機制來製造量子點結構。自組裝方法是在晶格失配的材料中自然生長奈米尺度的島。在Stranski-Krastanov生長模式中，當材料生長到一定厚度後，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。業已證明基於自組裝量子點的鐳射器件具有比量子阱鐳射器更好的效能。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。閾值電流密度低於100 A/cm2、室溫輸出功率在瓦特量級***典型的量子阱基鐳射器的輸出功率是5-50 mW***的連續波量子點鐳射器也已經報道。無論是何種材料系統，量子點鐳射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頻系材料如III組氮化物基鐳射器還有很大的顯著改善其效能的空間。目前這類器件的效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鐳射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於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製作器件所期望的優點。由於量子點尺寸的 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繫統而帶來的優點。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於獲得器件的良好效能是至關重要的。
很清楚奈米科學的首次浪潮發生在過去的十年中。在這段時期，研究者已經證明了奈米結構的許多嶄新的性質。學者們更進一步徵明可以用“build-down”或者“build-up” 方法來進行奈米結構製造。這些成果向我們展示，如果奈米結構能夠大量且廉價地被製造出來，我們必將收穫更多的成果。
在未來的十年中，奈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徵明奈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併成功地製造出實用器件才能實現人們對奈米器件所期望的功能。 因此，奈米科學的下次浪潮的關鍵點是奈米結構的人為可控性。
III. 奈米結構尺寸、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。由於量子點的橫向尺寸要處在10-20奈米範圍***或者更小才能避免高激發態子能級效應，如對於GaN材料量子點的橫向尺寸要小於8奈米***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。對於單電子電晶體來說，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奈米的範圍。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。有幾項技術可望用於如此的襯底圖形制作。
— 電子束光刻通常可以用來製作特徵尺度小至50奈米的圖形。如果特殊薄膜能夠用作襯底來最小化電子散射問題，那特徵尺寸小至2奈米的圖形可以製作出來。在電子束光刻中的電子散射因為所謂近鄰干擾效應***proximity effect***而嚴重影響了光刻的極限精度，這個效應造成製備空間上緊鄰的奈米結構的困難。這項技術的主要缺點是相當費時。例如，刻寫一張4英寸的矽片需要時間1小時，這不適宜於大規模工業生產。電子束投影系統如SCALPEL ***scattering with angular limitation projection electron lithography***正在 發展之中以便使這項技術較適於用於規模生產。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於電子束光刻的技術。但不同於電子束光刻的是這種技術並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。它能刻出特徵尺寸細到6奈米的圖形，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。最常用的方法是基於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於實驗條件如掃描速度、樣片偏壓以及 環境溼度等。空間解析度受限於針尖尺寸和形狀***雖然氧化區域典型地小於針尖尺寸***。這項技術已用於製造有序的量子點陣列和單電子電晶體。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傑出的解析度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於除製造光刻版和原型器件之外的其他目的還有待於觀察。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。
— 多孔膜作為澱積掩版的技術。多孔膜能用多種光刻術再加腐蝕來製備，它也可以用簡單的陽極氧化方法來製備。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5-200 nm範圍。製備多孔膜的其他方法是從奈米溝道玻璃膜複製。用這項技術已製造出含有細至40 nm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於不同聚合物的混合物能夠產生可控及可重複的相分離機制的技術。目前，經過反應離子刻蝕後，在旋轉塗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20 nm，空洞之間間距40 nm。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，空洞能夠在氮化矽上產生;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製造出GaAs奈米結構，結構的側向特徵尺寸約為23 nm, 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奈米球珠光刻術。此項技術的基本思路是將在旋轉塗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，要製作出含有良好有序的小尺寸球珠薄膜也是比較困難的。用球珠單層膜已能製備出特徵尺寸約為球珠直徑1/5的三角形圖形。雙層膜奈米球珠掩膜版也已被製作出。能夠在金屬、半導體以及絕緣體襯底上使用奈米球珠光刻術的能力已得到確認。奈米球珠光刻術***奈米球珠膜的旋轉塗敷結合反應離子刻蝕***已被用來在一些半導體表面上製造空洞和柱狀體奈米結構。
— 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， 比如複製鑄模法、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徵尺寸大於100 nm的圖形。複製鑄模法的可能優點是ellastometric 聚合物可被用來製作成一個戳子，以便可用同一個戳子通過對戳子的 機械加壓能夠製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***或通常稱之為奈米壓印術***之間的主要差異是，前者中溶劑被用於軟化聚合物，而後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。奈米壓印術已被證明可用來製作具有容量達400 Gb/in2 的奈米鐳射光碟，在6英寸矽片上刻制亞100 nm分辨的圖形，刻制10 nm X 40 nm面積的長方形，以及在4英寸矽片上進行圖形刻制。除傳統的平面奈米壓印光刻法之外，滾軸型奈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***low sticking***
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製作出來。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引數。高圖形密度戳子的製作依然在 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。報告指出最大的效能退化來自於嵌在戳子和聚合物之間的灰塵顆粒。如果戳子是從ellastometric 母版製作出來的，抗穿刺層可能需要使用，而且進行大約5次壓印後需要更換。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。儘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、加熱及冷卻迴圈等，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迴圈所需時間，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
上述每一種用於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奈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覆制模版上的圖形
3. 轉移在過渡性或者功能性材料上覆制的圖形。
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於規模生產。奈米壓印術則因可作多片並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。奈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奈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奈米量子點陣列時，它們卻完全不適於用來刻制任意形狀和複雜結構的圖形。為了能夠製造出高質量的奈米器件，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。溼法腐蝕技術典型地不產生或者產生最小的損傷，可是溼法腐蝕並不十分適於製備需要陡峭側牆的結構，這是因為在掩模版下一定程度的鑽蝕是不可避免的，而這個鑽蝕決定性地影響微小結構的刻制。另一方面，用幹法刻蝕技術，譬如，反應離子刻蝕 ***RIE*** 或者電子迴旋共振***ECR***刻蝕，在優化條件下可以獲得陡峭的側牆。直到今天大多數刻蝕研究都集中於刻蝕速度以及刻蝕出垂直牆的能力，而關於刻蝕引入損傷的研究嚴重不足。已有研究表明，能在表面下100 nm 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於100 nm時，如此大的損傷是不能接受的。還有就是因為所有的奈米結構都有大的表面-體積比，必須儘可能地減少在奈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。通過採用深紫外光和相移版，以及修正光學近鄰干擾效應等措施，特徵尺寸小至80 nm的圖形已能用普通光刻技術製備出。然而不大可能用普通光刻技術再進一步顯著縮小尺寸。採用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製備上的諸多困難。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奈米球珠刻寫技術則提供了實現成本不是那麼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侷限於點狀或者柱狀圖形。對於製造相對簡單的器件而言，此類技術是足夠用的，但並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複製到聚合物膜上的各種所謂“軟光刻“方法提供了一種並行刻寫的技術途徑。模版可以用其他慢寫技術來刻制，然後在模版上的圖形可以通過要麼熱輔助要麼溶液輔助的壓印法來複制。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。對一個理想的奈米刻寫技術而言，它的執行和維修成本應該低，它應具備可靠地製備尺寸小但密度高的奈米結構的能力，還應有在非平面上刻製圖形的能力以及製備三維結構的功能。此外，它也應能夠做高速並行操作，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製作亞100 nm圖形的單項技術能同時滿足上述所有條件。現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奈米刻寫技術還有待於觀察。
另一項挑戰是，為了更新我們關於奈米結構的認識和知識，有必要改善現有的表徵技術或者 發展一種新技術能夠用來表徵單個奈米尺度物體。由於自組裝量子點在尺寸上的自然漲落，可信地表徵單個奈米結構的能力對於研究這些結構的物理性質是絕對至關重要的。目前表徵單個奈米結構的能力非常有限。譬如，沒有一種結構表徵工具能夠用來確定一個奈米結構的表面結構到0.1 À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資訊。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，但它們並不能提供定量結構資訊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區域性區域光譜資訊時，它們能給出的關於區域性雜質濃度的資訊則很有限。除非目前用來表徵表面和體材料的技術能夠擴充套件到能夠用來研究單個奈米體的表面和內部情況，否則能夠得到的有關奈米結構的所有重要結構和組份的定量資訊非常有限。
V. 展望
目前，已有不少奈米尺度圖形刻制技術，它們僅有的短處要麼是刻寫速度慢要麼是刻寫複雜圖形的能力有限。這些技術可以用來製造簡單的奈米原型器件，這將能使我們研究這些器件的性質以及探討優化器件結構以便進一步地改善它們的效能。必須發展新的表徵技術，這不單是為了器件表徵，也是為了能使我們擁有一個對器件製造過程中的必要工藝如版對準的能進行監控的手段。隨著器件尺度的持續縮小，對製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。這些評判方法得能夠用來評判製備出的結構是否滿足設計要求以及它們是否處於可接受的誤差範圍內。因此，除怎樣能夠將材料刻製成特徵尺寸在1-100 nm尺寸範圍結構的問題外，還有兩個重要的問題，那就是我們想要製備的哪些種類的新結構能充分利用在小尺度條件下所展現的量子效應，以及怎樣表徵所製備出來的結構。電子工業正面臨雙重挑戰，首先要克服將器件尺寸縮小到100 nm以下的技術困難，第二個困難是需要發明新器件以便能夠取代尺度縮小到其操作機制崩潰的現有器件。因為目前還不清楚哪種結構將能夠取代現在的電子器件，儘管傳統光刻技術在刻制奈米結構上的侷限性，但現在談論摒棄傳統技術尚為之過早。光電子工業則面對相對容易的困難，它的困難主要集中在圖形的刻制問題上。這僅僅影響器件有源區的尺寸以及幾何結構，但不存在需要克服的在器件執行機制上的基本極限。隨著光學有源區尺寸的縮小，嶄新的光學現象很有可能被發現，這可能導致發明新的光電子器件。然而，不象電子工業發展那樣需要尋找MOS電晶體的替代品，光電子工業並沒有如此的立時尖銳問題需要迫切解決。奈米探測器和奈米感測器是一個全新的領域，目前還難以預測它的進一步發展趨勢。然而，基於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展的領域。總括起來，在所有三個主要領域裡 應用奈米結構所要求的共同點是對奈米結構的尺寸、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。
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