纳米科学论文范文
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第1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
第2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
第3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
第4篇
《大学化学》课程的积极性兴趣既是学习的最好老师。能否将学生自然地引入到材料化学专业的学习中来，让学生感受到材料化学的魅力，教师上好前言课可以说至关重要。新生上第一门专业基础课时，一般都充满好奇与渴望。教师若照本宣科、泛泛而谈，学生只能按图索骥，被动接受教材上的受死知识，他们大多兴味索然甚至大失所望。教师若能独辟蹊径，借助多媒体优势，向学生合理展示人类自古至今、特别是近年来材料科学界发展的新成就，如金刚石、宝石、发光材料、功能奇异的C60、N60、C90(目前报道的最小的碳纳米管［3］)、N70、碳纳米管，无机超分子，原子簇化合物，无机功能材料(如功能配合物、无机纳米新材料与功能材料)，纳米陶瓷、磁性、催化剂、气敏及传感材料等。事实上，这些五彩缤纷、性能奇特、形貌特异的材料大多可通过即将学习的《大学化学》课程的相关知识来制备、合成，而并不是遥不可及、的高端技术。通过这种方式，则深深吸引学生的目光，能激发学生学习的兴趣。学生因此也能了解学习好《大学化学》课程的重要性，进而增强对材料化学专业学习的责任感和信心。在各章节的教学过程中，教师都应把其相关知识点与材料的合成、性能研究等密切联系起来。比如，在学习晶体结构部分的知识时，我们在这一块的讲授就与其他专业的授课明显不同，尽可能地把常见晶体(如NaCl、CsCl、ZnS、CaF2、K2S、CaTiO3、TiO2、Al2O3、MgAl2O4、Fe3O4、Co3O4、AgCl、AgI等)的晶体类别、空间结构等向学生讲解阐述清楚，为其学习常见无机化合物、无机材料打下坚实的基础。
2突破传统的教学理念与方法，夯实理论基础
讲授法教学仍然是目前多数课程所用的最基本的教学方式，具有一定的优势，即教师能连贯地向学生传授基础知识，并配合其它方法，可将基本概念、基本原理及相关课程知识传授给学生。教授法运用得当，不仅能将讲授内容系统、科学而准确地传递给学生，而且还能很好地突显讲授内容的重点和难点。然而，实际教学过程中若自始至终均采用这一方法，学生极易疲劳，产生厌倦甚至烦躁的心理。事实上，有些教师一直喜欢满堂灌和填鸭式教学，教师在课堂上洋洋洒洒、痛痛快快地大讲特讲，却完全忽略了学生作为教学主体的作用。这种教学，只是教师知识的倾泻，而不是传授，其结果是教师教得非常累，学生听得更累，因而教学效果往往显得特别差。在近几年材料化学专业的学生对《大学化学》课程的授课评价中我们可以清楚地看到，学生对那些采取满堂灌式教学的教师微词颇多，普遍要求采用灵活多样的教学方法，要充分激发学生学习的积极性。在我系《大学化学》课程教学团队中，我们都十分重视教学理念的转变、更新和教学方法的改革。我们都视其为课程能否鲜活生动的源泉。首先，我们确立了以学生学习为中心的教学观念，以学生最大程度掌握好专业基础知识为目标。如果把教师作为工程师或技术工人，那么学生将可看成为其加工的“产品”。“产品”质量的优劣，能否赢得市场，是检验作为教师教学质量是否合格的标准。要做到这一点，必须对学生进行科学合理地训练和培养。因此，在课堂教学上，教师要积极引导，在十分融洽的环境下合理有序地向学生传授知识，并能激起学生的求知欲，使其在课后有进一步跟踪并深入研究的渴望。其次，为更好地传授知识，改革教学方法，要采用灵活多样、切实可行的教学方法，使学生以最直接、最有效的方式获得知识。比如，在课前，教师要布置任务，设置问题，引导学生进行预习，通过多种途径了解有关课题的成就以及最新发展动态，以吸引学生的注意力，让其对所学内容产生浓厚的兴趣。在课堂上，以多媒体教学为主，必需的板书为辅;以探讨和学生参与教学作为主线，以教师补充和更正作为辅线;以经典基础知识的教学和实际应用为主要教学内容，以相关科学前沿知识的穿插为辅助内容。课后，学生以完成经典题目作业为主要巩固课程内容的方式，以查阅相关知识，进行实验和撰写课程小论文来扩大视野，等等。《大学化学》课程理论众多，在有限的课时里让学生牢固掌握众多理论，难度较大。我们主要通过精选教学内容，采用精讲、精练的方式，理论与实际相结合，科学前沿介绍与教师的科研课题相结合，深入简出，形象生动地向学生进行传授。通过具体的材料合成与应用示例，夯实基础理论，加深《大学化学》与材料化学之间的联系，使学生产生强烈的欲望和浓厚的兴趣。
3转变课程的管理机制
课程管理机制的建立与课程改革相适应，课程管理机制的优劣将直接关系到课程教学质量。课程改革的深入开展应是课程教学管理的核心内容，我们应积极探索新的教学理念，大力开展创新教育，逐步推进教学新模式的转变，确保教学质量的提高。第一，我们要求《大学化学》课程教师都要进行教学研究，特别注重课堂教学、教学内容、教学模式以及教学细节方面的探索与研究。通过对课堂教学过程、特别是教学细节等方面的研究，让教师更加重视教学规律。第二，加强课堂教学的诚信教育和情感交流，培养师生感情，帮助学生正确掌握求知观，不仅要培养学生的道德情操和知识品德，还要增进学生服务于社会的意识和责任感。第三，不断转变教学方式，由封闭式教学向开放式教学转变，由单向式教学向双向式教学转变。第四，教师要转变自己的角色，尽快由“教书匠”转变为“研究者”，由知识的“储备者”向知识的“传播者”转变。教师要经常进行反思，逐步实现深层次创新，使自己成为一个教学理念、教学实践的开拓者和研究者，崇尚科学，崇尚学术。第五，加强课堂教学的监督机制。我们主要通过教学督导、教研室听课与评教、院领导随机听课以及学生期中进行教学评价等方式来提高课堂教学的管理与监督机制。第六，加强课程学习的奖惩机制。对本课程学习比较优秀的学生应及时进行表扬、鼓励甚至奖励，树立模范。对那些不爱学习、偷懒疲沓的学生要及时教育、激励以及必要的课程惩罚，如阅读几篇科学论文，撰写小论文等。
4加大学生实践与创新能力的培养
创新是关乎国家和民族昌盛兴旺的灵魂和永不衰竭的动力源泉。创新人才的培养是大学教育义不容辞的责任。当代大学生创新人才的培养可以分为创新能力和创业素质的训练两个部分。《大学化学》作为专业基础学科，在大学生创新能力培养方面具有更重要的基础性作用，是其他学科无可替代的。因此，结合我系材料化学专业近几年的发展，通过《大学化学》课程的教学与实践，主要在以下几个方面实施对大学生创新能力大力进行培养。(1)教师首先要有创新意识和创新实践活动。通过教师教研和科研课题的申报与立项，教学改革的实施，教学方法的改进，教师进行各种形式的进修，通过指导学生申报课题项目，引导学生参与科学研究。带领大学生参与各种竞赛，领导学生直接服务于社会等，切实提高教师的创新意识和实践活动。(2)精选并优化教学内容，使教学内容更加系统化、科学化。将大学化学课程中无机化学与化学分析中的相关知识紧密结合起来，尽量节省课时。(3)加大基础实验的权重，增设综合性、设计性实验和开放性实验。(4)教师进行课题讲座，通过专题研究，加强《大学化学》课程与专业学习的联系。同时，挑选一些能力较强的学生在课堂上进行小专题报告，培养和锻炼学生进行理论交流的能力。(5)积极邀请学生参与教师课题组或科研课题中来。让学生参与教师的课题研究，不仅使学生了解科研的一般途径，更重的是培养了学生的科研意识和素质，能使学生在进行课程学习时不自觉地提高了科学分辩和吸收的能力。
5结语
第5篇
摘要:以我国1999~2009年运动人体科学专业硕士学位论文为研究样本,从论文选题、研究对象、研究方法、论文研究成果的应用价值等方面进行分析,总结我国运动人体科学专业硕士学位论文的特点和变化趋势。结果显示:随着招生规模的扩大,运动人体科学专业的硕士学位论文选题应用基础性研究较多,纯基础研究和开发性研究相对较少,选题创新性不够,出现选题重复和与运动实践脱节的现象;论文的研究对象,大多以动物为主,而以人体的相对较少;论文研究方法以实验法和定量分析法为主;论文研究成果应用于竞技体育领域相对较多,应用于大众运动健身及学校体育的相对较少。
关键词:体育文献计量;运动人体科学;硕士研究生学位论文;中国
中图分类号:G804文献标识码:A文章编号:1006-7116(2010)11-0111-04
Analysis of theses written for a Master of Science degree in the human movement science specialty between 1999 and 2009 in China
LIN Hua,XIA Xue
(School of Physical Education,Liaoning Normal University,Dalian 116029,China)
Abstract: By basing their research specimens on theses written for a Master of Science degree in the human movement science specialty between 1999 and 2009 in China, the authors analyzed these theses in terms of thesis topic selection, thesis research subjects, thesis research methods, and application value of thesis research achievements, summed up the characteristics and changing trend of these theses, and revealed the following findings: with the expansion of the scale of recruitment of graduate students studying for a Master of Science degree, in the selection of thesis topics written for a Master of Science degree in the human movement science specialty, there were more fundamental application researches than pure fundamental researches and developing researches, and there were signs of inadequate novelty of topic selection, repeated topic selection, and deviation of topic selection from sports practice; the thesis research subjects are mainly animals, seldom the human body; the thesis research methods were mainly experimental methods and quantitative methods; more thesis research achievements were applied to the competitive sport area than to mass sports fitness and scholastic physical education.
Key words: sports bibliometrics;human movement science;thesis written for a Master of Science degree;China
学位论文在某种程度上能够集中反映某个领域的热点问题和研究现状,是衡量研究生学习、科研能力和培养质量的重要指标。本文以运动人体科学专业硕士研究生学位论文为研究对象,以中国知网“中国优秀硕士学位论文全文数据库”为检索数据源,检索项为学科专业名称,检索词为运动人体科学,检索范围从1999~2010年,匹配条件为精确,截止2010年5月12日,由此获得963个检索结果,其中通过筛选剔除与本研究不相关的学位论文35篇,最后将928篇运动人体科学专业全日制硕士毕业学位论文作为本文研究对象。
运动人体科学是体育科学研究内容的一部分,是研究人体从事体育活动过程中人体变化规律的科学,包括运动生理学、运动医学、运动生物化学、运动解剖学、运动生物力学、运动心理学等,基本属于自然科学的研究范畴[1]。根据体育科研成果的性质可将体育科学研究分为基础性研究、应用性研究和开发性研究3类[2]。其中基础性研究又可分为纯基础研究和应用基础研究两类,而应用性研究和开发性研究又常被归为一类,以“应用研究”统称[3]。
1硕士学位论文选题
选题是科学研究工作的第一步,也是最重要的一步。英国著名科学家贝尔纳[4]曾指出:“课题的形成和选择,无论作为外部的经济技术要求,或作为科学本身的要求,都是研究工作中最复杂的一个阶段。一般来说,提出课题比解决问题更困难。”因此,硕士研究生学位论文的选题具有重要的意义。
2002年以前硕士研究生学位论文大多是以生物学传统的动物实验、生理生化指标测定、技术动作分析等微观实验研究为主,而近些年硕士研究生学位论文逐渐采用一些新技术手段,如蛋白质组技术、基因芯片技术、激光共聚焦技术等,在运动性心脏、骨骼肌以及运动性疲劳方面的研究也有所突破,从传统的生物学研究向多层次、全方位开展跨学科研究,以系统整体观点来综合宏观和微观研究,依托基础性研究突出应用研究。
由表1可以看出,运动人体科学专业硕士研究生学位论文选题,应用基础性研究论文有509篇,占54.85%,应用性研究论文次之,有327篇,占总数的35.24%,而开发性研究和纯基础性研究论文数仅占8.19%和1.72%。
结果显示,纯基础性研究和开发性研究选题较少,虽说运动人体科学隶属于自然科学范畴,具有应用基础性研究课题的属性,但其本身还是存在着基础研究-应用研究-开发研究的内在结构,只有各研究类型均衡发展,才能够有效促进整个学科研究的进步。因此,在研究生学位论文这个特殊科研群体中,应特别注重科学研究的均衡发展。
从运动人体科学专业硕士研究生学位论文的分析来看,研究内容丰富,选题方向多样,能够体现当前运动人体科学研究领域的新热点、新问题。运动生理学、运动解剖学、运动生物化学、运动生物力学、运动医学、体育保健学等传统研究方向的研究内容不断深化的同时,一些新型的研究方向也逐渐呈现在运动人体科学专业硕士学位论文中,如低氧训练的生物学基础、高原训练和运动员机能监控、人体功效学、生物力学研究及运动器材研发、体育工程学等。
2002年以前运动人体科学硕士学位论文研究集中,在骨骼肌生理、心血管机能、疲劳与恢复、营养、激素及内分泌、机能评定、免疫等方面,研究高原训练、代谢方面的论文分别有7篇和6篇[5],而现在硕士学位论文研究高原训练和代谢的增加到37篇和96篇。如今运动人体科学硕士学位论文在传统研究领域更加深入,同时还有些新的研究内容不断增加,如基因多态性与运动能力的关联性研究、纳米技术、蛋白质组学技术、中医保健以及运动人体科学网络教学平台的建立等。不过,近年一些研究如基于核磁共振的代谢组学方法、自由基生物学等生物工程技术已应用于运动人体中,但硕士学位论文中还甚少涉及。
运动人体科学是体育教育训练学和民族传统体育学的基础[6]。交叉和综合选题成为运动人体科学专业硕士学位论文中的普遍现象,不仅涉及到同级学科不同方向之间的交叉选题,还涉及到同级学科之间和跨学科之间的交叉选题,使研究课题具有更强的生命力。因此,运动人体科学研究生在进行论文选题时要拓宽研究视野,突破思维局限,敢于创新呈现更有价值的研究成果。
2硕士学位论文研究对象
研究对象是科研论文根据研究目的所选择和组成的客体,本文通过对928篇运动人体科学专业硕士研究生学位论文的梳理,发现以动物模型为研究对象的有409篇,占44.07%;以运动员为研究对象208篇,占22.41%;以军人、老年人、患病者等为研究对象的有104篇,占总数11.21%;以大学生为研究对象的有93篇,占10.02%;以少年儿童为研究对象有67篇,仅占总数的7.22%。
由此可见,运动人体科学专业的硕士学位论文以动物模型为研究对象最多,而以人体为研究对象的论文,选择的群体相对广泛,选择研究对象最多的是运动员,其次是大学生,少年儿童相对较少。
3硕士学位论文研究方法
一门科学的发展依赖于研究方法手段,而研究方法的发展有利于该科学的发展,运动人体科学是体育科学中一门重要的基础性学科,它的发展直接影响着体育科学研究的进程,作为体育科学的一个分支学科,它的发展同研究方法手段发展也是分不开的[7]。从本文分析的硕士学位论文看,大部分论文能够从多层次、多角度、多学科的范围研究问题,采用的研究方法有文献资料法、调查法、实验法、访谈法、测量法等,采用最多的是实验法,这也符合运动人体科学专业的研究特点。而与体育人文社会学专业学位论文多采用文献资料法,调查法等[8]不同的是运动人体科学论文的研究习惯以实验为基础,以客观量化的数理统计为依据,以观察法、访谈法、文献资料法为辅助研究手段进行多种方法综合运用的研究。
从质与量的角度可将研究方法分为比较、归纳、分类等的定性分析法,数理统计的定量分析法及运用数理统计而仍以定性方法研究的半定量分析法。在本研究中发现,运用定量分析法研究的学位论文占总数的63.79%,定性分析法研究占13.69%,半定量分析法研究占22.52%。其中运动生物力学、运动生物化学、体育测量与评价研究采用定量分析法的分别占82.27%、80.53%、70.15%。结果充分体现研究论文多以定量数据分析为主。
4硕士学位论文的应用价值
动物实验在生命科学、医学等研究中越来越显示出它的巨大作用,也成为生物学、医学的一门主要研究方法,是探讨生命奥秘、人类疾病机制及治疗等不可缺少的手段。运动人体科学与生物学、医学一样,同属于自然科学的分支学科。单从研究对象选择可以看出,运动人体科学专业硕士学位论文多以动物实验为主,大多数运动机制是在动物实验中实现的。近年来,随着基因技术的日益发展,各种基因表达形式也逐渐成为运动人体科学研究的热点。
研究动物的优点在于动物具有广泛的遗传基础,个体差异较大,在模拟人体运动的某些研究中是比较有用的,其实验结果也带有一般性和普遍性,尤其在选择一些诱发性动物模型时,能够在短期内复制出大量模型,并能严格控制各种条件,使复制出的模型运用于不同研究目的要求,具有一定的代表性。如能正确的掌握和运用动物实验方法,可使实验者节省人力、物力和时间,同时还能获得可靠的实验结果,减少研究的盲目性。但动物实验同时存在着很多缺陷。运动人体科学毕竟是要研究人运动的一些机能机制,动物的发生发展过程、运动特征及环境与所效仿的人类运动还存在不同程度的差异。在体育领域中,从实用价值角度看,人体实验的研究更能直接说明问题。
纵观运动人体科学专业硕士学位论文的发展,根据科学研究的目的、任务和需要,运动人体科学硕士学位论文研究成果应多从研究人类运动的角度出发,将基础理论研究合理运用到运动实践中。
除了以动物模型为实验对象外的519篇论文中,研究成果与竞技体育有关的论文230篇,其中基础性研究63篇,应用性研究119篇,开发性研究48篇,主要研究运动员身体机能评定与训练监控,运动员身体恢复的手段和方法、新技术、特殊仪器应用于运动员训练等。如低氧训练是当前运动训练研究的热点之一,在运动人体科学专业硕士学位论文中有40篇论文与低氧训练的机制及应用有关。
从多维角度思考,研究成果的“社会化”既是满足社会需要的程度,也是衡量体育科学研究社会价值的最好尺度[9],在运动人体科学领域,除服务于竞技体育研究范围外,在全民健身范围内,人类健康与健身运动领域也应得到重视,大众体育的发展,必将接受运动人体科学理论的指导,并将体育纳入“一级预防”的“预防医学”框架之中。在我国推出《全民健身计划纲要》的目的就是为了建立科学、文明、健康的生活方式,提高全民族的身体素质[10]。在运动人体科学硕士学位论文中与群众体育有关的研究有115篇,占总数的22.16%,主要研究包括不同运动方式对人体身体形态、机能及身体素质的研究,各种力学负荷对人体运动功能的影响,慢性病患者的运动健身指导方案,“现代文明病”的根治及抗衰老与体育运动保健的研究,人体体质健康状况及因素分析,不同人群运动健身的特点与方法,运动与营养膳食处方的指导等。
近年来我国的肥胖症患病率呈上升趋势,肥胖少年的增长比例更大,成为儿童时期一个重要的健康问题,儿童单纯性肥胖可作为高血压、高血脂、动脉粥样硬化、糖尿病等诱发因素之一。学校体育也成为现在体育科学研究的领域之一。学位论文的研究涉及到学校体育的有174篇,其中包括对学生的体质健康水平状况、儿童青少年生长发育状况、不同运动对学生生理机能评定、体育院校学生专项教学训练素质等。
5小结
运动人体科学是一门综合应用性很强的学科,通过对运动人体科学专业硕士学位论文的分析,发现运动人体科学专业研究生论文选题多以应用基础研究为主,纯基础研究及开发性研究比例相对较少,选题方向不均衡,但随着体育科学研究领域研究内容日益发展,创新性研究课题也将成为研究生学位论文的选题的必然趋势。
运动人体科学专业硕士学位论文的研究对象大多以动物模型为主导,继承自然科学研究传统的研究模式,但为了能更好在体育运动领域发挥运动人体科学研究的作用,直接采用人体实验将是运动人体科学应用于运动实践的突破点。在设计实验,采取合适的研究对象是科研论文成败的关键,在硕士论文研究中应重点考虑如何将人体实验与动物实验的优势相结合。
运动人体科学专业硕士研究生学位论文的研究方法,还是以传统的实验研究与定量分析法为主流验证结论,定性研究与定量研究相结合的多元综合方法应用将在今后运动人体领域科学研究稳步发展,移植更新更有效的研究方法必将成为体育领域科学研究的重点。
从运动人体科学专业硕士研究生学位论文整体分析来看,其学位论文的研究成果应用价值更多的还是局限在竞技体育范围内,应用于大众运动健身以及学校体育领域相对较少。
参考文献:
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[8] 方千华,黄汉升. 我国体育人文社会学研究生学位论文研究方法的调查与分析[J]. 体育学刊,2007,14(2):127-130.
第6篇
关键词:体育文献计量;运动人体科学;硕士研究生学位论文;中国
中图分类号:G804文献标识码:A文章编号:1006-7116(2010)11-0111-04
Analysis of theses written for a Master of Science degree in the human movement science specialty between 1999 and 2009 in China
LIN Hua,XIA Xue
(School of Physical Education,Liaoning Normal University,Dalian 116029,China)
Abstract: By basing their research specimens on theses written for a Master of Science degree in the human movement science specialty between 1999 and 2009 in China, the authors analyzed these theses in terms of thesis topic selection, thesis research subjects, thesis research methods, and application value of thesis research achievements, summed up the characteristics and changing trend of these theses, and revealed the following findings: with the expansion of the scale of recruitment of graduate students studying for a Master of Science degree, in the selection of thesis topics written for a Master of Science degree in the human movement science specialty, there were more fundamental application researches than pure fundamental researches and developing researches, and there were signs of inadequate novelty of topic selection, repeated topic selection, and deviation of topic selection from sports practice; the thesis research subjects are mainly animals, seldom the human body; the thesis research methods were mainly experimental methods and quantitative methods; more thesis research achievements were applied to the competitive sport area than to mass sports fitness and scholastic physical education.
Key words: sports bibliometrics;human movement science;thesis written for a Master of Science degree;China
学位论文在某种程度上能够集中反映某个领域的热点问题和研究现状,是衡量研究生学习、科研能力和培养质量的重要指标。本文以运动人体科学专业硕士研究生学位论文为研究对象,以中国知网“中国优秀硕士学位论文全文数据库”为检索数据源,检索项为学科专业名称,检索词为运动人体科学,检索范围从1999~2010年,匹配条件为精确,截止2010年5月12日,由此获得963个检索结果,其中通过筛选剔除与本研究不相关的学位论文35篇,最后将928篇运动人体科学专业全日制硕士毕业学位论文作为本文研究对象。
运动人体科学是体育科学研究内容的一部分,是研究人体从事体育活动过程中人体变化规律的科学,包括运动生理学、运动医学、运动生物化学、运动解剖学、运动生物力学、运动心理学等,基本属于自然科学的研究范畴[1]。根据体育科研成果的性质可将体育科学研究分为基础性研究、应用性研究和开发性研究3类[2]。其中基础性研究又可分为纯基础研究和应用基础研究两类,而应用性研究和开发性研究又常被归为一类,以“应用研究”统称[3]。
1硕士学位论文选题
选题是科学研究工作的第一步,也是最重要的一步。英国著名科学家贝尔纳[4]曾指出:“课题的形成和选择,无论作为外部的经济技术要求,或作为科学本身的要求,都是研究工作中最复杂的一个阶段。一般来说,提出课题比解决问题更困难。”因此,硕士研究生学位论文的选题具有重要的意义。
2002年以前硕士研究生学位论文大多是以生物学传统的动物实验、生理生化指标测定、技术动作分析等微观实验研究为主,而近些年硕士研究生学位论文逐渐采用一些新技术手段,如蛋白质组技术、基因芯片技术、激光共聚焦技术等,在运动性心脏、骨骼肌以及运动性疲劳方面的研究也有所突破,从传统的生物学研究向多层次、全方位开展跨学科研究,以系统整体观点来综合宏观和微观研究,依托基础性研究突出应用研究。
由表1可以看出,运动人体科学专业硕士研究生学位论文选题,应用基础性研究论文有509篇,占54.85%,应用性研究论文次之,有327篇,占总数的35.24%,而开发性研究和纯基础性研究论文数仅占8.19%和1.72%。
结果显示,纯基础性研究和开发性研究选题较少,虽说运动人体科学隶属于自然科学范畴,具有应用基础性研究课题的属性,但其本身还是存在着基础研究-应用研究-开发研究的内在结构,只有各研究类型均衡发展,才能够有效促进整个学科研究的进步。因此,在研究生学位论文这个特殊科研群体中,应特别注重科学研究的均衡发展。
从运动人体科学专业硕士研究生学位论文的分析来看,研究内容丰富,选题方向多样,能够体现当前运动人体科学研究领域的新热点、新问题。运动生理学、运动解剖学、运动生物化学、运动生物力学、运动医学、体育保健学等传统研究方向的研究内容不断深化的同时,一些新型的研究方向也逐渐呈现在运动人体科学专业硕士学位论文中,如低氧训练的生物学基础、高原训练和运动员机能监控、人体功效学、生物力学研究及运动器材研发、体育工程学等。
2002年以前运动人体科学硕士学位论文研究集中,在骨骼肌生理、心血管机能、疲劳与恢复、营养、激素及内分泌、机能评定、免疫等方面,研究高原训练、代谢方面的论文分别有7篇和6篇[5],而现在硕士学位论文研究高原训练和代谢的增加到37篇和96篇。如今运动人体科学硕士学位论文在传统研究领域更加深入,同时还有些新的研究内容不断增加,如基因多态性与运动能力的关联性研究、纳米技术、蛋白质组学技术、中医保健以及运动人体科学网络教学平台的建立等。不过,近年一些研究如基于核磁共振的代谢组学方法、自由基生物学等生物工程技术已应用于运动人体中,但硕士学位论文中还甚少涉及。
运动人体科学是体育教育训练学和民族传统体育学的基础[6]。交叉和综合选题成为运动人体科学专业硕士学位论文中的普遍现象,不仅涉及到同级学科不同方向之间的交叉选题,还涉及到同级学科之间和跨学科之间的交叉选题,使研究课题具有更强的生命力。因此,运动人体科学研究生在进行论文选题时要拓宽研究视野,突破思维局限,敢于创新呈现更有价值的研究成果。
2硕士学位论文研究对象
研究对象是科研论文根据研究目的所选择和组成的客体,本文通过对928篇运动人体科学专业硕士研究生学位论文的梳理,发现以动物模型为研究对象的有409篇,占44.07%;以运动员为研究对象208篇,占22.41%;以军人、老年人、患病者等为研究对象的有104篇,占总数11.21%;以大学生为研究对象的有93篇,占10.02%;以少年儿童为研究对象有67篇,仅占总数的7.22%。
由此可见,运动人体科学专业的硕士学位论文以动物模型为研究对象最多,而以人体为研究对象的论文,选择的群体相对广泛,选择研究对象最多的是运动员,其次是大学生,少年儿童相对较少。
3硕士学位论文研究方法
一门科学的发展依赖于研究方法手段,而研究方法的发展有利于该科学的发展,运动人体科学是体育科学中一门重要的基础性学科,它的发展直接影响着体育科学研究的进程,作为体育科学的一个分支学科,它的发展同研究方法手段发展也是分不开的[7]。从本文分析的硕士学位论文看,大部分论文能够从多层次、多角度、多学科的范围研究问题,采用的研究方法有文献资料法、调查法、实验法、访谈法、测量法等,采用最多的是实验法,这也符合运动人体科学专业的研究特点。而与体育人文社会学专业学位论文多采用文献资料法,调查法等[8]不同的是运动人体科学论文的研究习惯以实验为基础,以客观量化的数理统计为依据,以观察法、访谈法、文献资料法为辅助研究手段进行多种方法综合运用的研究。
从质与量的角度可将研究方法分为比较、归纳、分类等的定性分析法,数理统计的定量分析法及运用数理统计而仍以定性方法研究的半定量分析法。在本研究中发现,运用定量分析法研究的学位论文占总数的63.79%,定性分析法研究占13.69%,半定量分析法研究占22.52%。其中运动生物力学、运动生物化学、体育测量与评价研究采用定量分析法的分别占82.27%、80.53%、70.15%。结果充分体现研究论文多以定量数据分析为主。
4硕士学位论文的应用价值
动物实验在生命科学、医学等研究中越来越显示出它的巨大作用,也成为生物学、医学的一门主要研究方法,是探讨生命奥秘、人类疾病机制及治疗等不可缺少的手段。运动人体科学与生物学、医学一样,同属于自然科学的分支学科。单从研究对象选择可以看出,运动人体科学专业硕士学位论文多以动物实验为主,大多数运动机制是在动物实验中实现的。近年来,随着基因技术的日益发展,各种基因表达形式也逐渐成为运动人体科学研究的热点。
研究动物的优点在于动物具有广泛的遗传基础,个体差异较大,在模拟人体运动的某些研究中是比较有用的,其实验结果也带有一般性和普遍性,尤其在选择一些诱发性动物模型时,能够在短期内复制出大量模型,并能严格控制各种条件,使复制出的模型运用于不同研究目的要求,具有一定的代表性。如能正确的掌握和运用动物实验方法,可使实验者节省人力、物力和时间,同时还能获得可靠的实验结果,减少研究的盲目性。但动物实验同时存在着很多缺陷。运动人体科学毕竟是要研究人运动的一些机能机制,动物的发生发展过程、运动特征及环境与所效仿的人类运动还存在不同程度的差异。在体育领域中,从实用价值角度看,人体实验的研究更能直接说明问题。
纵观运动人体科学专业硕士学位论文的发展,根据科学研究的目的、任务和需要,运动人体科学硕士学位论文研究成果应多从研究人类运动的角度出发,将基础理论研究合理运用到运动实践中。
除了以动物模型为实验对象外的519篇论文中,研究成果与竞技体育有关的论文230篇,其中基础性研究63篇,应用性研究119篇,开发性研究48篇,主要研究运动员身体机能评定与训练监控,运动员身体恢复的手段和方法、新技术、特殊仪器应用于运动员训练等。如低氧训练是当前运动训练研究的热点之一,在运动人体科学专业硕士学位论文中有40篇论文与低氧训练的机制及应用有关。
从多维角度思考,研究成果的“社会化”既是满足社会需要的程度,也是衡量体育科学研究社会价值的最好尺度[9],在运动人体科学领域,除服务于竞技体育研究范围外,在全民健身范围内,人类健康与健身运动领域也应得到重视,大众体育的发展,必将接受运动人体科学理论的指导,并将体育纳入“一级预防”的“预防医学”框架之中。在我国推出《全民健身计划纲要》的目的就是为了建立科学、文明、健康的生活方式,提高全民族的身体素质[10]。在运动人体科学硕士学位论文中与群众体育有关的研究有115篇,占总数的22.16%,主要研究包括不同运动方式对人体身体形态、机能及身体素质的研究,各种力学负荷对人体运动功能的影响,慢性病患者的运动健身指导方案,“现代文明病”的根治及抗衰老与体育运动保健的研究,人体体质健康状况及因素分析,不同人群运动健身的特点与方法,运动与营养膳食处方的指导等。
近年来我国的肥胖症患病率呈上升趋势,肥胖少年的增长比例更大,成为儿童时期一个重要的健康问题,儿童单纯性肥胖可作为高血压、高血脂、动脉粥样硬化、糖尿病等诱发因素之一。学校体育也成为现在体育科学研究的领域之一。学位论文的研究涉及到学校体育的有174篇,其中包括对学生的体质健康水平状况、儿童青少年生长发育状况、不同运动对学生生理机能评定、体育院校学生专项教学训练素质等。
5小结
运动人体科学是一门综合应用性很强的学科,通过对运动人体科学专业硕士学位论文的分析,发现运动人体科学专业研究生论文选题多以应用基础研究为主,纯基础研究及开发性研究比例相对较少,选题方向不均衡,但随着体育科学研究领域研究内容日益发展,创新性研究课题也将成为研究生学位论文的选题的必然趋势。
运动人体科学专业硕士学位论文的研究对象大多以动物模型为主导,继承自然科学研究传统的研究模式,但为了能更好在体育运动领域发挥运动人体科学研究的作用,直接采用人体实验将是运动人体科学应用于运动实践的突破点。在设计实验,采取合适的研究对象是科研论文成败的关键,在硕士论文研究中应重点考虑如何将人体实验与动物实验的优势相结合。
运动人体科学专业硕士研究生学位论文的研究方法,还是以传统的实验研究与定量分析法为主流验证结论,定性研究与定量研究相结合的多元综合方法应用将在今后运动人体领域科学研究稳步发展,移植更新更有效的研究方法必将成为体育领域科学研究的重点。
从运动人体科学专业硕士研究生学位论文整体分析来看,其学位论文的研究成果应用价值更多的还是局限在竞技体育范围内,应用于大众运动健身以及学校体育领域相对较少。
参考文献:
[1] 中国体育科学学会. 2006-2007体育科学学科发展报告[R]. 北京:中国科学技术出版社,2007.
[2] 黄汉升. 体育科学研究方法[M]. 北京:高等教育出版社,2006.
[3] 王瑞元,周越. 体育基础研究与应用研究的关系:现状与展望[J]. 北京体育大学学报,2006,29(11):1441-1445.
[4] 贝尔纳J D. 科学研究的战略[G]//科学学译文集. 北京:科学出版社,1980.
[5] 张瑞华,朱晗,张哲,等. 对我国运动人体科学专业研究生论文选题的分析[J]. 北京体育大学学报,2006,29(9):1232-1234.
[6] 张雪霞. 从学位论文选题的跨学科现象看研究生的培养模式[J]. 体育学刊,2006,13(1):88-91.
[7] 黄翠,藏威,李国金,等. 运动人体科学研究方法的现状及展望[J]. 中国组织工程研究与临床康复,2009,13(7):1367-1370.
[8] 方千华,黄汉升. 我国体育人文社会学研究生学位论文研究方法的调查与分析[J]. 体育学刊,2007,14(2):127-130.
第7篇
以色列的崛起固然有美国的扶植，但最重要的还是内在因素。探索其中的原由，也许对我们不无裨益。一、强大的民族凝聚力和自强不息的精神，是以色列国家发展永不枯竭的原动力。犹太民族是一个苦难深重的民族。历史上数次大迁徙、大流散，犹太人惨遭奴役、驱逐和杀戮。尤其是第二次世界大战期间，有600万犹太人被德国纳粹杀害。“逆境生人”，这些历史遭遇没有使犹太人灭绝，也没有使之屈服，相反却锤炼了犹太民族高度的爱国主义和不屈不挠的抗争精神。世界上犹太人大约有1200万人，其中一半生活在以色列，一半散居国外。犹太人无论在哪里，都时时刻刻牵挂着自己的祖国，尽一切可能帮助和支持自己的国家。凡犹太人居住地都有犹太社团，他们千方百计地设法影响驻在国对以色列的政策，其中以美国的犹太集团为最大，对美国对以色列政策的影响也最大。散居国外的富有犹太人不但回国投资，也大笔大笔地捐款给学校、研究机构和慈善事业。犹太民族自强不息、奋斗不止、勇于创新的精神，一直为人们所称道。正是靠着这种精神，犹太民族哺育出众多杰出的历史人物。被称为改变世界历史的伟人马克思就是犹太人，著名科学家爱因斯坦也是犹太人。据统计，诺贝尔奖金获得者中，30％以上是犹太人。正是靠着这种精神，犹太民族变荒漠为良田，变贫穷为富裕，变积弱为强盛。这种精神，有改天换地的力量。
二、重视教育，把知识教育和传统教育结合起来，提高民族的综合素质。以色列重视教育，把教育看作是开创未来的关键。其主要做法，一是对教育的投入一直很高，始终保持在占GDP的9―12％。政府为每个小学生每年花费3938美元，为每个大学生花费11036美元，均高于其他发达国家。以色列犹太人中受过高等教育的占38％，受过中等教育的占70％，这在世界上也是名列前茅的。二是将教育置于法律的基础上，成为教育法制化国家。“义务教育法”规定5―17岁孩子必须接受免费义务教育，18岁未学完国家规定课程的成年人要学完高中课程。此外，还有“国家教育法”、“高等教育委员会法”、“学校督导法”、“特殊教育法”，从教学内容到具体管理，从一般培养到特殊教育，甚至对学生的课时都做了规定。三是注重启发式教育。无论是中学还是大学，教学都比较宽松。但对中小学课时做了规定，学校教育每周4天，每天不得少于8小时，周末学习一天不得少于5小时，星期五不得少于4小时。这些规定是要学生把课程主要消化在学校里和课堂上，减轻学生负担，没有繁杂的家庭作业。四是注重课外教育。参观展示二战期间犹太人悲惨遭遇的“大屠杀博物馆”是每个学生的必修课。学校还组织学生参观众多的博物馆、展览馆、农产品展览、花卉展览等，使学生接受爱国主义教育和广博的课外知识。五是部队教育作为青年人成长教育的重要一环。凡满18―26岁的犹太人，男子服兵役三年，女子一年半。这实际是学校教育的继续。在军队青年人接触一些先进的武器装备，培养了必备的各种技能，同时培养团队精神，团结协作，互相支持。这都为今后工作奠定了良好的基础。
三、科技立国，科技兴国，使以色列在当今世界综合国力的竞争中出奇制胜。以色列前副总理兼外长西蒙・佩雷斯曾说过，在以色列这样的国家，不靠天、不靠地、就是靠科技。以色列年均降雨量200毫米，水资源严重缺乏，荒漠化土地占土地总面积的60％。多年来以色列在农业科技的研发、治理荒漠化土地、节水农业、工厂化农业、作物品种的改良和推广、生态农业、植物保护等方面取得的成就举世瞩目。农业人口由当初占全国人口的70％减少到现在的3％，小麦、花卉、水果、棉花等农产品不但自给有余，还大量出口。以色列高科技产业异军突起，信息产业已成为国民经济的支柱产业。新兴公司数量仅次于美国，居世界第二，高新技术出口占全部出口收入的70％。电子产品出口占全部工业品出口的40％。软件产业成为国际软件业的一支主要力量，是国际认可的软件设计中心。近年来，以色列在卫星图像、纳米技术、反导系统、农业新技术开发、太阳能发电、生物技术等领域都取得显著的成果。
以色列在发展高科技方面有以下值得注意的特点：一是以高质量的人力资源为后盾。以色列从事高技术研发的科学家和工程师的比例是世界上最高的。据1999年统计，每1万人中有145人，而美国是85人，日本是70多人，德国不到60人。以色列25％的劳动力在技术行业工作，这个比例也是世界上最高的。按人口平均，以色列科学技术出版物数量也是世界第一。二是有关法律及配套的政策规定，为高科技的发展创造了良好条件。科技方面的立法主要有“工业研发鼓励法”和“投资鼓励法”。前者规定政府向企业的研发项目提供一定比例的无息贷款，政府和企业共担风险，鼓励企业向高技术研发投资，推动高技术产业的发展。后者规定政府向具有一定条件的工业、旅游业及农业领域的投资项目提供一定比例的投资补贴以及减免税等优惠条件，吸引投资。以色列一向重视科技研发投入。2000年，研发投入占GDP的3．5％，在世界上属第三位。以色列还鼓励国防技术转移到民用，把整个高技术产业提高到一个新台阶。三是重视国际交流与合作。以色列把研发出来的科技成果作为资源，生产和出售知识产品，扩大在国际市场的占有份额，并通过科技合作，进一步提高自己的科技水平。以色列科技合作重点是美、欧和远东地区。最大合作伙伴是美国，其次是德国、法国等西欧国家；俄罗斯、乌克兰等国都有双边合作协议。以色列同我国也签有政府间科技合作协定。以色列和一些国家及地区设立了工业开发合作基金，和美国合作的基金达1亿多美元。以色列科学家发表在国外杂志的科学论文有1／3是同外国科学家合作的。绝大多数大学毕业生在国内开始研究工作之前，都要到国外一流科研机构工作1―2年。以色列大学的知名教授大多在美国及西欧的著名大学兼作客座教授，美国和西欧的知名教授也常到以色列大学授课。这都有利于以色列学者同国外的沟通，以便掌握世界最新的科技动态。四是发展科技有超前意识。“小荷才露尖尖角，早有蜻蜓在上头”。20世纪90年代初，以色列便开始以高新技术为核心的产业结构调整，大力发展信息产业，使其成为国民经济的新的增长点。在信息产业居领先地位之后，又把更多的注意力投到生物技术的开发，以争得21世纪科技竞争的有利地位。为适应全球化，以色列开始酝酿新的科技政策，重点是减轻高科技公司的税收负担，减少高科技公司外流，培育高科技跨国公司。以色列千方百计捕捉未来高科技发展新动向，力图着鞭在先，夺取科技领域制高点。
第8篇
有一类具有共同演化特征的产业在19世纪末逐渐形成，并在二战后导致了全球经济和社会的巨大变化，而进入21世纪，这类产业逐渐成为国家经济的新引擎。这类产业的发展与科学进步有很强的关联性，将其称之为“基于科学的产业”。基于科学的产业可能推动整个经济范式的改变，这充分体现在19世纪现代电气工业与化工业及20世纪半导体对整个经济范式的改造。而21世纪生物化学、生物医药、新能源、新材料等产业的影响初见端倪，逐渐成为国际产业竞争的焦点，也成为各国政府所密切关注的产业。改革开放三十多年来，我国在水利工程、机床制造、家电业等基于技术的产业领域取得了很大成就，但主要是基于产品和工艺技术、工程技术的改良。而在基于科学的产业领域，尽管我国在政策、投资、研发、新技术产业化等方面都进行了诸多努力，但发达国家相对于我国始终保持着较为稳定、强劲的竞争优势。我国在上述产业领域的赶超存在诸多困难，在于没有厘清基于科学的产业其独特的现象和发展规律。本文通过访谈剑桥大学工程系石墨烯中心以及北京大学医学院心血管科的研究人员获得一手资料，结合二手数据分析心电图和石墨烯两个产业的发展历程，分析并提出了基于科学的产业“积淀—突破—爆炸式增长”的发展模式以及该模式中的三类关系，即科学与技术的Z字形互动关系、核心产品与衍生产品的关系以及形成主导设计后本产业与其他产业的融合。
1文献回顾与分析框架
1.1基于科学的产业概念的界定基于科学的产业有其一系列独特的发展规律。如科学在该类产业发展中始终起着关键作用，是每一次产业根本性进步的发端；经历长期的基础科学研究的积淀，往往出现科学上的根本性突破，引发爆炸性的科研浪潮，形成平台，支撑科学、技术、产业的快速发展；当产业的核心技术形成及核心产品结构定性后，技术往往与其他产业技术融合或向多个产业扩散。上述基于科学的产业中的技术进步现象用现有的六代创新模型都难以解释。由于这六代模型形成时的商业环境和产业环境与现代有很大差异，导致其并没有洞察这种新发展范式的特点。通过对六代创新模型的总结发现，后三代创新模型侧重于关注创新的组织模式，前三代模型更多地关注创新的原始动力。然而由于20世纪50年代到80年代的经济环境，学者们并没有关注科学作为一种重要的创新原始动力对创新的独特影响（如表1所示）。自20世纪70年代起，学者们开始专注这类基于科学的产业。Gibbons和Johnston首次提出了“基于科学的产业”这个概念，认为有一类产业，相对于其他产业，其技术创新明显更加依赖于科学进步。Nelson和Winter在其《经济演化理论》一书中对不同产业的技术创新进行了实证研究，提出了两类技术体制，即“基于科学的技术体制”和“积累性的技术体制”。他们认为在前者产业中，技术创新的原始动力是产业发展的外生变量，如大学基础科研的突破；而后者产业中，技术创新更多地依靠产业内部的技术积累。其他学者们也发现了这类产业的特性，并对其进行了研究。在总结上述学者研究的基础上，本文将产业分为两类：基于科学的产业：产业发展强烈地依赖于科学研究，产业的核心技术进步普遍地、一贯地、强烈地依赖于科学新发现。典型产业如生物化学、制药业、有机化学、化妆品业等。基于技术的产业：产业发展对科学研究依赖性弱，该产业的技术进步主要表现为技术自身的演化，也就是由已有技术的突破、改进、组合、调整、变形而形成的新技术。典型产业如水利工程、道路桥梁建设、家具业、印刷业等。前人对上述两类产业的特点进行了描述，在此基础上分别将基于科学和基于技术的产业特点总结如下。基于科学的产业特点：（1）创新显著地来源于科学研究成果。（2）创新源往往来自企业外部，多为公共研究部门。大学和研究所参与创新的程度很高，产学研是最典型的创新模式。产品和工艺等创新的本质是将科学新发现商业化。（3）企业与公共研究部门保持密切联系来获得外部知识成为创新成功的关键要素。（4）产业的技术创新机会丰富，科学上的进步创造了一系列的潜在产品。（5）R&D投入强度很高。（6）在这类产业—科学关联中，往往是产业与其所基于的科学两个领域发展都不成熟。例如生物医药业，该产业处于成长期，所基于的科学领域——生命科学、生物医学也处于快速发展时期，不断有新的研究发现[11]。基于技术的产业特点：（1）创新是技术本身的发展或工程活动的结果。（2）企业创新能力主要来源于组织内部积累性的学习过程。（3）创新成功的关键要素在于本企业的技术投入、技术积累以及对各种技术知识和能力要素的整合。（4）技术创新机会的增长相对稳定。（5）R&D投入强度相对较低。（6）在这类产业—科学关联中，往往是产业处于成长期或成熟期，而相关的科学领域发展比较成熟。如公路、铁路桥梁工程、船舶制造、机床制造等工程领域，对应的机械原理、工程学等相对成熟、稳定，在较长的时间内没有突破性的新发展。
1.2基于科学的产业发展模式的分析框架经典的产业发展模式分析一般重点关注技术和市场（或产品、产业）两个维度的演化问题。技术维度的分析主要涉及Dosi的技术范式和技术轨道理论，Christensen、Kim等人提出了技术成长曲线理论以及Galvin、Probert总结的技术路线图工具。市场、产品、产业层面主要涉及Vernon的产品生命周期理论、Abernathy和Utterback的A-U模型以及Gort和klepper的产业生命周期理论。由于本文的研究对象——基于科学的产业其发展强烈地依赖于科学研究，产业的核心技术进步普遍地、一贯地、强烈地依赖于科学新发现，本文将科学作为一个维度来分析该类产业发展与科研的关系。同时，通过初步的数据分析，发现基于科学的产业存在普遍的产业融合现象，为了研究产业融合问题，本文将相关产业设为一个与科学、技术、产业平行的维度进行分析。
1.2.1分析的维度科学：重点关注重大的科研事件，剖析科研事件之间的联系，如核心科学突破与科学进步之间的关系结构以及对技术发展的影响。技术：关注技术突破的典型事件，技术突破之间的关系，技术突破对科学的影响，以及技术突破对产业发展的影响，如技术兴起对产业兴起的影响，主导设计对产业发展的影响等。产业：关注早期市场需求的形成、早期产品的形成、何时开始产业化并出现专利、核心产品与衍生产品等典型产业发展事件。其他产业：关注相关产业技术对所研究的产业的影响，分析产业融合问题。
1.2.2关注的指标时间及顺序：需要关注关键事件的发生时间及顺序，例如技术、产业兴起的时间节点，科研积淀、核心科学突破、主导设计确立、产业融合发生的时间区间，以及发生的先后次序。通过时间顺序初步推断事件间的因果关系。维度间的关系：关注4个维度的相互关系。在基于科学的产业这个分析背景下，在整个产业发展的系统中，重点关注科学与技术之间是什么关系，技术如何影响产业，产业间的融合又产生什么影响等。
2基于科学的产业发展案例
2.1研究方法与数据来源考虑到“基于科学的产业”这个研究课题尚未形成成熟的理论体系，本文选取心电图产业和石墨烯产业进行探索性案例研究，通过归纳法进行理论构建。选取心电图和石墨烯两个产业的原因在于这两个产业是典型的基于科学的产业，心电图的发明和石墨烯的成功制备分别获得了1924年诺贝尔医学奖和2010年诺贝尔物理学奖，两个产业的发展都持续地高度依赖于科学研究。本文通过对心电图和石墨烯两个案例的研究，探讨基于科学的产业的发展模式。案例资料数据来源：（1）科学论文：主要涉及心电图、石墨烯技术路径方面的文献。（2）图书：关于心电图、石墨发展史的图书。（3）访谈：分别对北大医学院心血管内科、剑桥大学工程系石墨烯中心的研究人员进行了访谈，收集了一手数据。心电图领域的访谈主要涉及心电图科研成果、技术、产品的关系以及在临床上的应用等。剑桥大学工程系石墨烯中心在全球石墨烯研究处于领先地位，笔者对该中心的几名研究人员进行了访谈，主要涉及石墨烯基础科研发展之间的关系以及石墨烯的应用前景。
2.2心电图产业案例概况本文梳理了心电图领域科学、技术、产业以及相关产业4个层面在发展历史上的重大事件，厘清了各个事件之间的逻辑关系，总结为表2，并根据表2总结了心电图产业发展路径（见图1）。心电图产业的发展可以分为早期基础科研、心电图兴起和近现代心电图产业发展三个时期。第一时期（17世纪—18世纪）：电的利用，电对生物体组织的影响的观察以及生物电的发现。17世纪初，物理学家Gilbert、Browne等发现了静电的存在，在此之后，各种静电计不断被发明出来。在静电计的帮助下，18世纪中叶到19世纪中叶的一个世纪里，Bancroft、Walsh、Sowdon、Galvani、Kite、Nobili等学者陆续发现并验证了生物电的存在，并通过解剖实验发现了生物电与肌肉、神经和部分器官（特别是心脏）机能之间的联系。第二时期（1800—1895）：为了检测出心电，验电设备不断改进，机器灵敏度不断提高。在19世纪一个世纪里，Oerste、Schweigger、Nobi-li、Thompson、Arsonval、Deprez等学者不断推动着验电设备的进步。1858年Thompson发明了镜式电流计。1872年Lippmann发明了毛细管电位计。由于验电设备越来越灵敏，新的心电现象得以观察，很多猜想得到了验证。1850年，Hoffa证明了电流会导致心颤。1856年Koelliker和Muller利用电流表证明了每一次心跳都伴随着电流变化。1875年Caton制成了第一份有明确记载的心电图记录。1885年Einthoven首次从体表记录到心电波形。1887年Waller通过毛细管静电计记录下历史上第一个人类的心电图，证明了人类心脏跳动伴随着有规律的电流变化并提出“心电图（electrocardiogram）”一词。1890年Burch通过数学方法，将毛细管静电计记录的数据转化为图形。第三时期（1895至今）：第一个精确心电图问世，心电图逐渐产业化为一种医疗工具。1895年Einthoven利用改良后的静电计和1890年Burch改良的数据—图像算法，检测到人类心电5种波形：P、Q、R、S和T，成为现代心电治疗的基础。1903年，Einthoven开始与剑桥科学仪器公司商讨弧线电流计的商业化生产。1906年，通过心电图仪（以弦线电流计为基础）测度的正常和异常心电图，Ein-thoven首次系统地论述了许多心电医学现象如：左、右心房、心室肥厚时，U波，QRS波，室性早搏，室性二联律，心房扑动和完全性心脏传导阻滞等。自此，有了心电图仪和通过5种波形表达的标准正常心电图，形成了现代心脏医疗和设备创新的基本逻辑：医学家们逐步形成某类心脏疾病的心电图确诊标准—测度心电图—与正常心电图对比发现某类波形的异常—心电干预仪器—临床治疗。遵循这种基本逻辑，20世纪初至今，左、右心房、心室肥厚时，U波、QRS波、室性早搏、室性二联律、房颤、心绞痛、梗死、心动过速等越来越多的心脏疾病被发现并形成确诊的心电图标准。同时，心电图仪在一个多世纪的时间里也越来越先进，并与其他电路技术、无线技术结合，如1978年晶体管应用于心电图仪。另外，起搏器、除颤器等心电干预设备得以问世并不断改良，越来越轻薄，并可植入人体。1924年，Einthoven因发现心电图机制获诺贝尔生理学或医学奖。
2.3石墨烯产业案例概况与心电图产业的分析类似，本文梳理了石墨烯领域科学、技术、产业以及相关产业4个层面在发展历史上的重大事件，厘清了各个事件之间的逻辑关系，总结为表3，并根据表3总结了石墨烯产业发展路径（见图2）。与心电图产业不同，石墨烯产业兴起于2004年，发展时间短但产业化速度快，科学、技术、产业3个层次间的时滞不如心电图产业那样明显。另外，由于材料产业本身的特点，石墨烯产业与其他相关产业的关联十分密切。石墨烯产业的发展可以分为早期基础科研、实验室石墨烯制备、石墨烯产业化发展3个时期。第一时期（1859—2004）：石墨结构和性质的早期研究，及石墨薄片的分离方法探索。1859年，英国化学家Brodie发现了氧化石墨具有层状结构。20世纪初，X射线晶体学创立以来，石墨薄片的研究开始兴起，科学家们努力尝试观察并分离更薄的石墨薄片。另一方面，也有很多科学家认为石墨烯是不可能在常温下存在的。1918年，Kohlschütter和Haenni通过粉末衍射法发现了石墨氧化物薄片（graphiteoxidepaper）的性质。1924年，通过单晶衍射法发现了石墨氧化物质的结构。1934年，Peierls提出准二维晶体材料由于其本身的热力学不稳定性，在室温环境下会迅速分解或拆解。关于石墨烯存在的可能性，科学界一直有争论。1947年，Wallace率先开始研究石墨烯的性质，这是对石墨三维电子性质探索的开始。在这期间，Semenoff、DeVincenzo和Mele提出了无质量狄拉克方程，提出狄拉克点导致量子霍尔效应（石墨烯的特性之一是存在常温量子霍尔效应）。随着电子级显微技术的发展以及分离萃取技术的发展，科学家们提取出的石墨薄片越来越薄。1948年，Ruess和Vogt发表了最早用透射电子显微镜拍摄的少层石墨（层数在3~10层之间的石墨）图像。随后，电子显微镜观察到单层石墨。1966年，Mermin和Wagner提出Mermin-Wagner理论，证明不可能存在二维晶体材料。因此，作为二维晶体材料的石墨烯只是作为研究碳质材料的理论模型，一直未受到广泛关注。然而对石墨薄片的研究热情依然没有减退，20世纪70年代，对单层碳原子石墨平面材料的关注超过了其他材料，这期间对石墨的研究主要依靠透射电子显微镜。1990年，开始尝试微机械分离法制作石墨薄片，但到2004年前，薄度一直在50~100层以上。2002年，出现最早的石墨薄片生产技术专利，叫做“纳米级石墨薄片”。这是最早的石墨薄片大规模生产的专利。第二时期（2004—2005）：成功分离单层碳原子石墨层，即石墨烯。2004年，Geim和Novoselov首次成功从石墨中分离出了单层碳原子石墨层，即石墨烯。由于上述提取技术，石墨烯的光、电、热传导、机械、生物化学、化学传感等一系列优良性质得以直接观察。2005年，Kim和Zhang证实了石墨烯的准粒子（quasiparti-cle）是无质量迪拉克费米子（diracfermion），引起一股研究石墨烯的热潮。自此，众多科学家投身于石墨烯的研究。第三时期（2005至今）：石墨烯的各种特性被发现，科学成果激发了许多技术创新，产业化迅猛发展。由于成功实现了石墨烯的制备，大大促进了科学研究的进度，石墨烯在光、电、热传导、机械、生物化学、化学传感等多方面的多种优良特性在9年的时间里不断被发现。如室温量子霍尔效应、室温高载流子迁移率、高光电转换效率、石墨烯薄片与单层氦键合形成绝缘的石墨烷、超高等效热导率和超低界面热阻等。同时，在9年的时间里，石墨烯的制备方法也有了改善，从最初的昂贵且产量小的机械剥离法到SiC热解外延生长法、氧化石墨还原法以及目前最常用的化学沉降法，成本不断降低，产量不断提升。科学领域，石墨烯的各种优良特性激发了一系列的技术创新，形成了石墨烯包装材料、石墨烯单分子传感器、石墨烯高频电路、石墨烯锂电池、石墨烯薄膜等。这些技术创新推动了海水淡化、DNA测序、飞机材料、包装材料、医用传感器、电子产品、光通讯系统、防弹衣等领域的发展。Geim和Novoselov因成功制备石墨烯获得了2010年诺贝尔物理学奖。
3对案例的讨论——基于科学的产业发展模式
3.1基于科学的产业中科学、技术、产业互动三角形基于科学的产业遵循积淀—突破—爆炸式增长的发展模式。图3描述了这种发展模式中科学、技术、产业以及其他产业的互动关系以及技术兴起、产业兴起、产业融合的现有顺序和科学重大突破、核心产品主导设计几个重要节点形成的时间区间。产业发展中这种互动系统依次经历技术的兴起、产业的兴起和与其他产业的融合几个阶段，形成了一个科学、技术、产业及其他产业的互动三角形。在科学的重大突破之前，有一个较长时间的科研积淀。在这个时期，技术和产业层面比较平静。经过长期的科研积淀，科学研究产生重大突破，形成科学研究、技术创新、产业发展爆炸式的进步，并形成一个发展的平台，支持相关的创新。科学的重大突破后产业开始逐渐形成。产业经过一定的发展形成核心产品的主导设计。而与其他产业的融合往往出现在核心产品的主导设计形成以后。在这个发展过程中，科学研究往往是每一项新进步的发端，是整个发展的原动力。上述科学研究的重大突破，根本性地提升了科学研究进步、技术创新、产业发展速率，使得整个领域的图景发生根本性变化。例如人类心电5种波形的发现和标准的确定就是心电图产业发展的一个“爆炸点”。人类将电疗应用于临床用了将近3个世纪的时间，而早搏，二联律，房颤，心绞痛，梗死，心动过速等一系列心脏疾病的诊断和治疗方法应用于临床一共经历了不到一个世纪的时间。总的来看，在爆炸点之前该领域科学、技术和产业的发展都相对平静，而爆炸点之后，形成了三方面的变化：科学层面，基于人类心电标准波形和心电图仪器的进步，上述很多心脏疾病得以研究。技术层面，心电标准的形成大大促进了心电图仪的进步，同时发端于对各种疾病的科学研究，对应的起搏器、除颤器等设备应运而生。产业层面，各种仪器设备越来越便携和便宜，产业化程度不断提高。再如，石墨烯领域“爆炸点”以前的平静和以后的活跃程度对比更加显著。人类分离石墨烯的尝试经历了150年的时间，而之后石墨烯迅猛发展并渗透到各个领域仅仅用了10年的时间。在“爆炸点”之后，科学层面，石墨烯各个方面的性质研究速度增长迅速，新研究成果的公布需要按月衡量。这种速度的暴涨也是因为石墨烯的成功分离吸引了众多其他相关领域的科学工作者进入该领域。技术层面，各类产品技术在10年的时间里迅速发展。产业层面，石墨烯向海水淡化、DNA测序、包装运输、通讯、电子等产业的渗透蓄势待发。图3说明的科研核心角色、核心与衍生创新的关系、与其他产业的融合以及科学与技术的Z字形互动关系将在下面中进行论述。这种互动三角形在心电图产业中表现十分典型，但在石墨烯产业中表现不很明显。主要是由于石墨烯产业兴起仅仅十几年的时间，整体的三角形互动模式还未完全显现。
3.2科研在基于科学的产业发展中的角色本文发现在基于科学的产业发展中，科学研究自始至终处于核心地位。这种科研在产业发展中的核心角色并不能被经典产业演化理论所解释。Ver-non将产品生命周期划分为导入期、成熟期和标准化期3个阶段。20世纪70年代，Abernathy和Utter-back提出了A-U模型，讨论了产品创新和工艺创新的关系，并将产品的创新过程分为流动、过度和确定3个阶段。Gort和Klepper提出了G-K模型，论述了产品的主导设计。他们按厂商数目对产品生命周期进行划分，提出引入、大量进入、稳定、大量退出（淘汰）和成熟等5个阶段。Phaal提出了产业发展的科学—技术—应用—市场（S-T-A-M）的转化，认为产业发展的S曲线上，随时间推移产业发展的核心遵循科学—技术—应用—市场的转化路径。Christensen、Kim等人提出了技术成长曲线，认为技术的发展遵循S型路径成长。Dos（i1982）等学者提出了技术范式和技术轨道的概念。上述理论的一个共同特点是认为在产业发展初期科学研究极其活跃，引领产业的发展，随后科学研发频率和规模下降，引领产业发展的核心要素向技术因素、工艺因素和市场因素转移。然而上述产业演化及创新理论都未能解释本文发现的这一现象，即在某些产业领域，科学自始至终处于核心和引领地位。例如心电图产业的发展过程中，科学研究一直是产业发展的原始动力，是每一次进步的发端。第一时期基础科学的进步阶段，观察电对生物体组织的影响以及发现生物电，特别是心电成为心电图产业发展的基础。正是这些基础科学的积淀，逐渐催生了心电图产业。这一阶段科学原理的发现也推动了技术层面各种验电设备的早期发展。第二时期心电图产业开始形成的直接原因在于实验室首次成功绘制了人类心电图。由于前一时期对生物电的长期科研积淀，人们对生物电有了充分的了解并认可临床的电疗方法，实验室心电图的成功发现使人们看到了它的临床价值。因为之前对心脏的电疗处于“误打误撞”碰运气的状态，并没有原理上的指导，电疗使病情加重甚至使病人加速死亡的现象十分常见。心电图的出现无疑成为了电疗的“眼睛”，从此电疗结束了误打误撞的发展阶段。实验室心电图的发现很快促成了产业化生产。到了第三时期，心电图产业的几乎所有发展都来源于Einthoven发现的人类心电的5种波形。这5种波形至今依然是心脏疾病诊疗的基础。即自从人类心脏正常波形发现后，所有的产业发展都遵循这样的模式。心脏异常临床表现、发现心电图与标准心电图的差异、研究干预原理和方法、干预仪器的发明及生产制造、二联律、心肌梗塞、心绞痛等心脏疾病的诊断和治疗都是以人类心电5种波形为基础的。再如石墨烯产业的发展，在最初的基础科学进步阶段，发现石墨的层状结构、观察并分离石墨薄片成为石墨烯成功提取的基础。第二阶段，实验室成功分离出单原子层石墨薄片，即石墨烯，成为该产业兴起的直接原因。第三阶段，由于之前对石墨烯的研究处于“猜想”阶段，进展缓慢。实验室中成功提取了石墨烯，使得它成为研究者能够拿在手中的“实实在在”的研究对象，对石墨烯的研究发展速度迅速提升。对石墨烯光、电、热、机械、化学传感等一系列优良性质的研究都来源于实验室的石墨烯提取技术。在这一阶段，产业开始形成，但精密光学仪器、石墨烯薄膜、包装材料、纳米器件、光感材料、电路器件等一系列石墨烯相关技术发展以及在医疗器械、光通讯、电子产品、武器、包装等领域的产业发展都基于科学层面实验室中对石墨烯各种性质的发现和原理的研究。
3.3基于科学的产业中的核心创新与衍生创新基于科学的产业中，核心的科学突破形成核心产品，而一系列周边的技术进步会形成产品系列。例如，核心的心电验电技术和人类5种波形的标准确立形成了该产业的核心产品心电图仪，用于各种心脏疾病的诊断。基于相同的心电基本原理，形成了心脏起搏器，通过脉冲发生器发放由电池提供能量的电脉冲，刺激心脏跳动；形成了心脏除颤器，通过较强电脉冲恢复窦性心律，治疗心律不齐；形成了可以24小时监护的便携心电图仪等仪器。石墨烯产业也有类似的现象。由于科学上石墨烯分离技术实现了石墨烯材料的制备。这个核心产品形成了用于海水淡化的石墨烯薄膜、用于DNA测序的石墨烯薄膜，形成了用于包装、防弹衣、飞机材料等表面材料，形成了用于各种电路的电路材料等。
3.4基于科学的产业领域的产业融合产业发展到一定阶段可能产生产业融合。上述两个产业在发展到一定阶段都出现了产业融合。对于心电图产业，当科学领域形成标准、核心技术成熟，产业层面出现主导设计之后，发生了3次与其他产业的融合，根本性地提高了心电图仪的性能。第一次融合发生在20世纪30年代，电子管应用于心电图，取代了庞大易坏的弦线式电流计心电图。第二次融合发生在20世纪50年代到80年代，晶体管取代了电子管，将静态心电图拓展为动态心电图，发展了三维向量心电图，性能提高的同时，心电图仪的体积大大减小了。第三次融合发生在20世纪80年代，大规模的专用集成电路和计算机芯片应用于心电图，同时CPU和软件支持使得心电图智能程度大大提高，实现了12导联同步描计，能对心电波形数据进行存储、回放、编辑、打印和传输。另外，无线技术也应用于心电图仪，1999年心电图实现了与无线技术结合，有助于组织专家会诊。2005年，丹麦心脏病专家通过无线技术把心电图数据从救护车传送到医生的电脑上，节省了抢救时间。而石墨烯作为材料领域的创新与其他产业的融合体现了材料领域的特性，能够快速向多领域渗透。石墨烯本身也存在很多其他材料没有的特别之处，在光、电、热、化学传感、生物、机械等几个方面都有优良特性，导致石墨烯材料在医学仪器、过滤膜、包装材料、电路、武器、光通讯、飞行材料、电池等很多领域都得到了应用。
3.5科学与技术的“Z”字形互动基于科学的产业中，本文还发现了科学与技术的“Z”字形互动关系。即科学研究明确原理促进了技术的发展，同时，科学的进一步发展需要技术上的支持，形成了技术需求。技术的发展进一步支持和推动了科学的发展。例如在心电图领域，各种验电设备的基本原理来源于对电的研究。同时，为观测生物电，科学对技术的需求催生了无定向电流表的发明，使得生物电得以观察。为了观测心电，需要更精确的验电设备，产生了新的技术需求，推动了毛细静电计的发明，使得心电得以观测。为了绘制心电图，需要进一步增加验电精度，于是发明了弧线电流计，成功绘制了心电图。科学与技术遵循的上述关系，如果以时间作为横轴，发现科学与技术的关系箭头形成了一系列的“Z”字。石墨烯产业也有类似的现象。实验室首次成功分离石墨烯为石墨烯的制备提供了理论依据，但物理剥离法无法应用于大规模制备。于是在技术层面出现了SiC热解外延生长法、氧化石墨还原法及目前最常用的化学沉降法，为科学研究提供了更多的材料。
4理论思考与启示
第9篇
[关键词]创新型国家；实践内涵；分析框架；实施方略
[中图分类号]D616 [文献标识码]A [文章编号]1007-5801(2008)02-0011-06
一、建设创新型国家的主要依据
(一)当代生产力发展的实现机制
国家的繁荣进步归根到底取决于生产力的发展。创新的重要性首先在于，它是当代生产力发展的机制，它为一个国家的经济繁荣和社会进步提供了根本的动力。
进入网络经济阶段，科学技术通过技术创新实现高新技术的产业化，改变了现有的经济结构，带来了经济的新增长。以信息科技、生物技术、纳米技术、新材料、新能源等为代表的新科技革命迅猛发展，产业化的速度不断加快，技术创新的作用日益突出。国外有学者从历史进程的角度得出一个结论：在过去五十年、一百年、二百年中，收入增长的主要源泉并不是资本的积累。而是技术的进步，实现持续经济增长的最重要途径是技术升级。例如美国经济增长大约80％源于技术创新，仅仅20％左右源于资本积累。
(二)国家综合竞争力的决定性因素
创新能力在国际竞争力的评价中占有突出的位置。世界经济论坛和瑞士洛桑国际管理学院在2001年前都是采取要素来设置评价指标。世界经济论坛的要素是：开放度、政府管理、金融体系、基础设施、技术、企业管理、劳动力和制度等；洛桑学院采取的是国内经济实力、国际化、政府管理、金融体系、基础设施、企业管理、科学与技术和国民素质等。2001年，《洛桑年鉴》将以往包括科技要素在内的要素归类为四项环境要素，原本作为一级综合指标的科技要素被分解为“科学基础设施”和“技术基础设施”评价指标列入“基础设施”要素之中。《世界论坛报告》认为：10年前国家和企业提高竞争力的主要途径是结构调整、降低成本和提高产品质量；今天竞争优势必须来自于创新并迅速将它们的新产品和新工艺商品化、产业化，以使其竞争对手的技术改造难以跟上它们的创新。
世界经济论坛(WEF)2006―2007年度《全球竞争力报告》指出：中国在此次排名中列第54位，相比前一年下跌6位。WEF指出，中国的新技术参与度较低，这成为排名下降的主要原因。WEF建议，中国应在加大知识产权保护等方面做出努力。这表明，中国在提高国际竞争力方面面临着创新能力的挑战。
(三)中国经济社会可持续发展的关键
进入新世纪以来。中国现代化建设进入了新的阶段。该阶段出现的新情况是，按照以往的发展方式，现代化建设向纵深阶段推进遇到新的“瓶颈”。
首先是资源难以持续。中国从1980年到2000年，能源消费和GDP翻番的关系大体上是1:2，即用了一个单位的能源增长产生两个单位的CDP增长。2001年以后比例关系变为1:1左右。按照这一趋势，到2020年要实现GDP翻两番的目标，所要消耗的能源是国内资源难以负荷的。资源依靠进口也存在不确定性。如果不改变经济增长方式，经济发展难以为继。
其次是经济发展的动力结构不合理，发展动力难以持续。中国经济的发展主要依赖于投资驱动。随着土地和劳动力价格上升，低成本优势正在逐步失去。中国单位资源的产出率比较低，供需结构存在问题。不论从效益还是长期运行的条件看，投资驱动都面临新的问题。消费拉动不足，农民购买力不足，消费需求受到限制。创新驱动力也不足。从2003年当年的情况看，我国专利申请累计1931118件，其中国外申请所占的比重约为70％，高技术的70％－90％也来自国外申请。2004年中国科技贡献率仅为39％左右，而发达国家的科技贡献率基本上都保持在60％以上。我国出口规模大，但加工贸易占47％。纺织品出口超过1000亿美元。但是80％是贴牌生产，利润的80％归外商。2005年我国生产的家电产品占世界60％，利润仅为10％。
最后是环境状况难以持续。中国二氧化硫和二氧化碳排放总量2000年以来居世界前列。到2020年要实现GDP翻两番。如果环境保持不变，单位资源消耗的经济产出应提高4到5倍；如果要改善环境。把污染、资源消耗降低一半，单位资源消耗的经济产出要提高8到10倍。
上述情况表明，这一轮的宏观调控。带有向新的经济增长方式转变的特点，要求经济要素的协调配置和经济的可持续发展。提高自主创新能力，依靠技术进步和创新是我们实现可持续发展目标的唯一出路。在这一意义上，提高自主创新能力是新阶段中国经济社会发展的关键所在。
二、建设创新型国家的实践内涵
建设创新型国家的实践内涵，主要指以下三方面的内容。
(一)把提高自主创新能力作为发展科学技术的战略基点
《国家中长期科学技术发展规划纲要》确定，到2020年，全社会研究开发投入占国内生产总值的比重要提高到2.5％以上，力争科技进步贡献率达到60％以上，对外技术依存度降低到30％以下，本国人发明专利年度授权量和国际科学论文被引用数均进入世界前5位。这一期间中国科技发展的总体目标是：自主创新能力显著增强，科技促进经济社会发展和保障国家安全的能力显著增强，为全面建设小康社会提供强有力的支撑；基础科学和前沿技术研究综合实力显著增强，取得一批在世界上具有重大影响的科技成果，进入创新型国家行列，为在本世纪中叶成为世界科技强国奠定基础。
《纲要》把提高自主创新能力提到了国家战略高度，落实到各个产业、行业和地区。据此，“十一五”期间提出的具体任务是，在能源、资源、环境、农业、信息等关键领域取得重大技术突破，形成一批市场占有率高的产品和国际知名品牌。提高重大技术装备国产化水平。推动高技术产业加快从加工装配为主向自主研发制造延伸。在信息、生命、空间、海洋、纳米、新材料等战略领域超前部署，加强重大科技基础设施和平台建设。
(二)把提高自主创新能力作为调整产业结构、转变经济发展方式的中心环节
提高自主创新能力有利于我国在战略上逐步从投资驱动转向创新驱动，形成较强的发展后劲，不断实现产业结构的优化升级。要坚持走中国特色新兴工业化道路，坚持扩大国内需求特别是消费需求的方针。促进经济增长由主要依靠投资、出口拉动向依靠消费、投资、出口协调拉动转变，由主要依靠第二产业带动向依靠第一、第二、第三产业协同带动转变，由主要依靠增加物质资源消耗向主要依靠科技进步、劳动者素质提高、管理创新转变。
提高自主创新能力是解决中国资源瓶颈问题的
重要途径。资源节约需要技术支撑体系。资源的使用效率和可再生能源的使用都需要发挥创新的作用。通过发展科学技术在资源的勘探和新资源的发现方面有新的推进，同时通过科学技术的运用帮助实现“十一五”期间单位GDP能耗比“十五”期间降低20％的目标。
创新也是解决中国环境问题的有效途径。十七大报告强调，开发和推广节约、替代、循环利用的先进适用技术，发展清洁能源和可再生能源，保护土地和水资源，建设科学合理的能源资源利用体系，提高能源资源利用效率，发展环保产业。
(三)把提高自主创新能力作为国家战略，贯穿于现代化建设的各个方面
2006年初在全国科学技术大会上，同志阐述了建设创新型国家的实践内涵：“建设创新型国家，核心就是把增强自主创新能力作为发展科学技术的战略基点，走出中国特色自主创新道路，推动科学技术的跨越式发展：就是把增强自主创新能力作为调整产业结构、转变增长方式的中心环节，建设资源节约型、环境友好型社会，推动国民经济又快又好发展：就是把增强自主创新能力作为国家战略，贯穿到现代化建设各个方面，激发全民族创新精神，培养高水平创新人才，形成有利于自主创新的体制机制，大力推进理论创新、制度创新、科技创新，不断巩固和发展中国特色社会主义伟大事业。”这段话明确了建设创新型国家是关系现代化建设全局的国家战略。
三、建设创新型国家的分析框架
为深入理解创新型国家的内涵和意义，需要从不同学科的分析框架角度进行研究。
(一)经济学分析框架：文化经济学
文化经济学反映了经济学逐步扩展的情形，其主要的扩展过程如下。
――知识(科学技术)要素进入经济学。熊彼特认为，经济发展是“由于改进生产技术，占领新的市场。投入新的产品，等等。在从事活动的过程中，这种历史上的不可逆转的变动，我们称之为‘创新’。我们把它定义为：创新就是生产函数的变动”。“有必要而又充分的理由把创新列举出来，作为经济变动的第三种和逻辑上性质不同的因素”。
20世纪30年代数学家查理斯・柯布和经济学家鲍尔・道格拉斯提出了生产函数的非约束形式。为研究科学技术与经济的增长提供了比较便捷的方法。索洛50年代提出的增长速度方程可以算出科技进步对产值增长速度的贡献。科学技术与经济过程的一体化不再是一种定性的表达。而是一种定量的确定形式。罗默进一步认为，由于研发活动被引入经济活动，同时它又是技术进步的来源，所以科学技术在此是经济增长的内生变量。
――制度要素进入经济学。戴维斯和诺尔斯提出制度创新理论，将制度变革引入经济增长过程，认为“制度创新”是指经济的组织形式或经营管理方式的革新，它们是历史上制度变革的原因，也是现代经济增长的原因。
新制度学派的科斯提出，假设交易费用为零，资源配置的效率与产权制度的安排无关；在交易费用为正的情况下，产权制度的界定或安排就会对资源配置的效率发生作用。诺斯分析西方经济史得出结论：有效率的经济组织是经济增长的关键。经济增长的决定因素是制度及其创新。
――文化精神要素进入经济学。如诺斯所说，文化信念是制度结构的基本决定因素。制度不是由政策而是由文化所决定的。文化通过对制度的影响而对经济增长发挥作用。科利尔把“社会资本”看作是社会内部的社会与文化的一致，即支配人们互动的规范和价值观的一致。当社会资本能够产生外部性并能促进互益集体的社会互动时，它就具有经济效益。
另一方面，文化创意作为经济要素直接进入产业。文化创意产业是以文化创意为核心资源。以高科技手段为支撑，体现文化、技术与经济全面结合的新型产业集群。根据《中国创意产业发展报告(2007)》估计，2005年全球创意产业创造的GDP约为3.2万亿美元，占全球GDP的8％。预计到2010年全球创意产业规模将接近10万亿美元。2004年中国创意产业年营业总收入为22997.06亿元，占全部企业营业收入的5.22％。
以创新范畴的提出为起点，知识(科学技术)、制度、文化精神要素陆续进入经济学的范围，其资源配置和转化关系的特殊性体现为经济发展规律的特殊性。形成了某种文化经济学。它的内涵和规律是通过创新范畴阐释的。正是在文化经济学的基础上，人们提出了技术创新、制度创新、文化创新乃至建设创新型国家的要求。
(二)系统科学分析框架：国家创新体系
经济合作与发展组织认为，国家创新系统是由政府、企业、大学、科研机构、中介机构等通过建设性的相互作用构成的机构网络，其主要活动是启发、引进、改造与传播新技术。他们的活动和相互作用决定了国家扩散知识和技术的能力。从而影响国家的创新能力。国家创新系统所涉及的主体不再仅仅是经济活动的主体。它们还涉及政府主体、教育主体和科学研究主体，其活动性质或规律也不再仅仅属于经济学的范畴。
1997年，经济合作与发展组织进一步给出的定义是：创新是不同主体和机构之间复杂的相互作用的结果，国家创新系统是一个国家公共或私营部门中的组织结构网络，其活动和相互作用决定着该国家扩散知识与技术的能力。影响着该国家的创新业绩和经济发展的绩效。
这一定义强调了国家创新系统是一个复杂系统。它所形成的能力是国家能力，与国家战略、发展密切相关。国家行为在这种系统中具有特殊的重要性。国家创新系统作为自组织与他组织的统一体，其发展是在自组织与他组织的互动中实现的。在这一过程中，国家的历史基础、经济与政治结构、政府的战略导向和政策体系都有着重要作用。
(三)文化学分析框架：经济文化学
经济文化学是以经济发展为聚焦的文化学研究，研究经济发展与社会发展的协调，经济发展的主体利益协调，经济发展的环境评估，经济发展评价体系的变革，经济发展的人文评价等。经济文化学是以人文为导向、以经济发展为视焦来进行的文化学研究。
文化学框架以文化概念为分析基础。怀特认为文化由以下系统组成：一是技术系统，由物质的、机械的、物理的和化学的仪器以及运用于这些仪器的技术构成，包括生产工具、生活资料的获得方式等；二是社会关系系统。由人际关系构成。包括血缘关系、伦理关系、经济关系、政治关系、职业关系等；三是思想文化系统，由思想、知识、信仰构成，表现为一定的符号形式和运作形式。包括哲学、科学、文学、宗教、神话、常识以及相应的文化机构等。怀特的文化学强调了文化三个层面之间的有机联系。在这一点上与历史唯物主义强调生产力、生产关系(其总和为经济基础)、上层建筑的有机统一性一样，都说明了创新在各个层面展开的必要性。
(四)分析框架的差别与统一
经济学框架着眼于经济发展和财富增长，该框
架中的知识、制度、文化精神等要素仅仅作为经济要素而发挥作用，服从经济逻辑：系统科学框架是超出经济学而以国家层面的知识生产、扩散能力为聚焦的复杂系统，服从系统逻辑；文化学框架着眼于文化大系统和人的全面发展，活动于器物、制度和精神文化各个层面，各子系统有其相对独立性，但服从人文目标下的文化大系统的协调逻辑。
三个分析框架都是通过经济、文化和社会要素的相互作用、相互整合而形成的不同视角下的学科框架。知识、制度、文化精神要素在一定意义上是经济系统的内生变量，它们的进步所导致的经济发展都属于经济系统的创新。同时，经济、社会、精神和价值规范子系统是文化大系统的内生变量，它们的变化所导致的发展属于文化大系统的创新，其协调性、人文性状况是衡量创新的重要尺度。不论从哪一个角度把握创新型国家，都离不开其内在关系的系统性理解。因此国家创新系统有其特殊意义。全面地看，需要立足于分析框架的互补来理解创新型国家的意义。
四、建设创新型国家的重要方略
建设创新型国家。需要从中国实际情况出发，坚持走中国特色自主创新道路。
(一)把创新战略作为中国面向未来的核心战略
经济增长的要素结构中最重要的是创新。一般认为，经济增长的要素中最重要的是资本积累的速度，其次是经济结构的优化。最后才是创新。现在要明确这三个方面中最重要的是创新。如果没有创新，不断积累资本就会面临边际效益的递减，也不会有新的产业部门出现。
现在必须把立足点转向自主创新战略。中国自主创新已经具备一定的条件。中国研发人员总量占世界第二位。中国创新能力指数排名在发展中国家居于前列。中低技术占领市场的空间正在变小，技术创新市场条件正在形成。大规模制造能力的形成使巨额研发费用能够有效分摊，具有成本的可行性。我国高技术产业总产值占全球份额已经居世界前列。高技术产业实现的销售收入增长20％以上。所以，简单地说中国不具备自主创新的条件，根据是不足的。
自主创新的战略投资需要超前部署。这首先因为关键领域的技术跨越，是后进国家或地区赶超先进国家和地区的重要途径。我们需要认识到，自然资源、劳动力、资本是常规性资源，在财富积累中往往是逐步积累的模式：而知识和技术是创造性资源，在财富积累中呈现突现效应。其次是因为，创新是一种复杂的实践，具有路径依赖的特点。今天的战略效应取决于昨天的决策，而明天的战略效应取决于今天的战略发展。战略重心转移的过程不是机械组合的关系。在这一意义上，认为我们可以等待比较优势发挥完毕再实施创新战略的观点是不适宜的。
(二)竞争优势与比较优势互补。抢占新产业链中的制高点
基本的战略方针应当是：在国家战略层面上要着眼于提高自主创新能力，争取竞争优势，抢占高技术产业链中的某些制高点，同时在争取竞争优势的过程中充分发挥比较优势。
必须关注未来哪些高技术产业将释放最大的经济能量，把握经济发展的机遇。要抓紧布局，抢占生物技术产业链中的制高点。过去10年，世界生物技术产业以每年翻倍的速度发展。生物技术产业的销售额每5年翻一番。增长率高达25％一30％，是世界经济增长率的10倍左右。我国应把握机遇，尽可能占领该产业链中的某些制高点。
不仅要争取产业优势，而且要认真落实国家中长期科学和技术发展规划纲要，着力突破制约经济社会发展的关键技术，形成某些领域的技术优势。
要在争取竞争优势的过程中发挥比较优势。生物技术产业是目前中国与世界先进水平差距最小的领域之一，其研发差距在5年左右，整个产业估计落后15年，从战略上进行追赶具有比较优势。同时。生物技术产业处于解决发展与环境问题的结合部，抢占生物技术产业的某些制高点。符合中国发展战略的方向。我国还具有资源的比较优势，拥有动植物、微生物26万种，过去20多年高等院校培养了大约10万名生物技术及相关人才。我国还有市场的比较优势，有13亿人口，近5亿人保健食品消费群体、1.3亿人药品消费群体，16亿－17亿亩耕地需要新的农作物品种。要充分发挥中国市场广大的优势，制定包括政府采购在内的相关政策，为创新创造良好的战略环境。
(三)研发投入主体三级布局，向企业集聚创新要素
为提高研发投入，从中国国情出发，在经济转型期可考虑投入主体形成三级布局。国家在战略层面上选择重大方向如生物技术、军事航空、引领未来的基础研究等进行投入：行业和区域选择对行业和区域战略发展密切相关的领域进行重点投入：企业特别是大中企业根据市场需求和企业战略发展进行研发投入。不同主体从实际出发确定原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新的套餐结构。
上述三级布局所形成的创新要素要向企业层面积聚，形成以企业为主体、市场为导向、产学研相结合的技术创新体系，促进科技成果向现实生产力转化。2005年，我国大中型工业企业研发投入达1250.3亿元，同比增长31％，其中从政府部门获得的研发经费总额为45.4亿元，同比增长28.6％。这既反映了企业研发力量的增强，也反映了政府主体的积极作用。
研发投入争取多方开源。其中一个重要方面是在研发投入中利用多种所有制形式改善投入结构。形成各种所有制经济平等竞争、相互促进新格局，形成研发投入的多元结构，以争取更多的自主知识产权。
(四)实行行政与研究系统双轨制，加快制度供给
建设创新型国家，创新体制和机制具有特殊意义。鉴于行政与研究活动具有不同的运行规律，根据我国现代化、社会化进程的实际情况，特别是建设创新型国家的需要，建议在已有改革的基础上推进行政系统与研究系统的双轨制。其主要思想是，各自的系统层级按各自的活动规律设计，学术层级制度不比照行政的层级制度设定。研究单位的层级待遇不参照行政级别待遇，可根据研究系统的特点予以决定，以提升研究人员待遇，发挥他们的积极性和能动性，在体制和政策上体现人才的重要。与此同时，研究活动的资源，逐步由行政部门分配转向由研究共同体按照一定的竞争机制进行配置，实现劳动者与劳动资源的直接结合。
加快制度供给，产权制度首当其冲。如果创新战略是第一战略，则知识产权在当代条件下就是第一产权。需要合理借鉴国外知识产权形式。财产权包括以所有权为主的物权、准物权、债权、继承权和知识产权等。为适应知识经济发展的需要，促进创新资源的有效结合，可对高级管理人员和技术骨干实施股票期权制和认股权证制。
要加强知识产权的立法和执法保护。从总的情况看，我们在这方面的基础工作刚刚开始，需要继续努力。
加快创新要素市场的建设，如人才市场、经理人市场、技术产权交易市场等。建立有利于创新的风险投入机制。除了股票市场，一些发达国家推出了可转换优先股等金融措施。在有效分担风险的同时保留了对企业经营决策的相对控制权和分享未来资本增值的可能。我们应联系自身的实际，创新风险投资的形式。
(五)政府发挥战略导向、服务和协调功能。抓紧完善政策体系
建设创新型的国家要求有创新型的评价体系。评价体系对于创新活动具有导向性作用。世界论坛报告提出的评价指标体系从专利指标入手进而建立各国技术创新能力的评价指标体系。我们在建立与科学发展观相符合的综合评价体系的过程中，需要对有关创新的指标进行专门性研究。
建设创新型的国家要求有创新型的政策体系。我国的财税政策、金融政策、文化与教育政策、人才政策都要根据创新战略的要求完善和创新。要根据创新战略的总要求逐步完善整个政策体系的自洽性。同时，加强对创新配套政策的研究和制定，增强可操作性。
建设创新型的国家要求建立政府各部门的协调机制。政府各部门的协调对于创新领域公共资源的合理配置具有重要意义。国务院[2006]号6号文件的一个显著特点是确定了以下统筹协调的机制：建立和健全财政部门与科技等部门科技资源配置的协调机制：建立政府采购自主创新产品的协调机制；建立引进消化吸收和再创新的协调机制；建立促进军民科技资源协调配置的联席会议制度等。与此同时，国务院[2006]29号文确定了落实包括创新在内的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》主要目标的工作分工，明确了各个部门的任务。确定了负责协调的部门。在加强落实协调机制的同时，需要对机制本身作进一步的研究。
