互动科普

这些丝状大分子比钢还硬，但它们最重要的用途是快速、高效和耐用的电子器件

大约十年前，Sumio Iijima在日本NEC基础研究实验室通过电子显微镜首次注意到了混杂在烟灰缸里的纳米丝。这种由纯碳组成，象晶体一样规则而对称的精细又惊人长的大分子很快就被称为纳米管，并成为一个极具诱惑力的科学研究对象。

最近，纳米管也成了工程师们关注的目标，它们的奇异特性——优良的弹性、抗张强度和热稳定性预示了可应用于微型机器人、抗冲击车身以及抗震建筑物中，然而，使用纳米管的最初产品不是利用纳米管的这些性质，而是利用它的电气特性，通用汽车公司的汽车已经使用了加有纳米管的塑料部件，这种塑料在喷漆过程中可带电，从而可更快地上漆。两种以纳米管为基础的发光和显示产品即将投放市场。

长远来看，纳米管最有价值的应用也许是其奇特的电子学性质的开发。从原理上讲，纳米管可在电子线路中扮演与硅相同的角色。但它是在分子尺度上起作用，而硅以及其它常用半导体此时已不能发挥作用了。电子工业中，商品芯片的晶体管已达到低于200纳米——大约400个原子宽度——的临界尺寸，工程师们面临着进一步微型化的巨大障碍。今后10年内，产生计算机革命的材料和工艺将面临着根本的物理限制。由于随着线宽的减小，微电子器件的速度、密度和效率都会快速增加，因此进一步缩小器件有巨大的经济动力。近几年的实验结果给予了研究者们这样的希望：数十纳米或更小尺寸的导线和功能器件可由纳米管制备，组成比今天的电路速度更快、功耗更低的电路。

Iijima在1991年观察到的第一个纳米管是所谓的多层壁管，由碳原子组成的大量中空圆柱面象俄罗斯玩偶一样，一层套在另一层内。两年后，Iijima和IBM公司的Donald Bethune制成了仅油一层碳原子构成的单层壁纳米管。这两种纳米管是由类似的方法制取的，它们有许多相似的性质，最显著的性质是它们非常的细长，例如，单层壁类型的纳米管的直径大约是1纳米，但其长度可达数千纳米。

造成纳米管异常稳定的原因是碳源子相互键合的强度，这也是金刚石十分坚硬的根源。在金刚石中，碳原子连接成四面体。纳米管里碳原子排列成像丝网状的六边形环。石墨中的碳原子也是这样排列的，事实上纳米管就像是一层（或是数层堆叠）石墨卷成的圆筒。还不清楚碳原子是怎样凝聚成纳米管的（见附文“制备纳米管的三种方法”）。但看来他们可在其末端添加原子而生长，就像打毛衣的人在毛衣袖管上添针一样。

螺旋状的纳米管

无论用什么方法制得纳米管，其构成和几何特点决定了电子学上的独特复杂性。由于在纳米尺度量子物理规律起支配作用，因此在一定程度上讲，纳米管的电性质就是其纳米尺度造成的。石墨本身就是一种非常稀奇的材料。大多数导电材料不是金属就是半导体，但石墨却是罕见的一种半金属材料一一正好在金属与半导体之间的过渡区内。碳纳米管把石墨的半金属性质与能级和电子波的量子规律结合起来，使它成为一种真正奇异的导体。

例如，量子世界的规律之一是电子具有粒子性和波动性，电子波可以相抵消或加强。由此得到一个推论：在纳米管周围传播的电子只有特定波长的电子保留下来，其它可能完全抵消。当我们将石墨片卷成纳米管时，在平整石墨片中可能存在的电子波长（即量子态）大部分将会被排除，而允许其中极少一部分存在。这一部分依赖于纳米管的周长以及纳米管是否像理发店招牌那种螺旋状。

从纯金属或半导体中去除一些电子态将不会出现太多的异常，而半金属却是十分敏感的材料，这就是碳纳米管有趣的地方。石墨片里，一个特殊的电子态(物理上称为费米点)决定了它的全部电导性，其它态的电子完全不能自由运动，只有三分之一的碳纳米管具有恰当的直径和螺旋程度，使其允许状态里含有这个特殊的费米点。这种纳米管就是金属纳米线。

其余三分之二的纳米管是半导体。这意味着该类纳米管象硅一样，若没有外部能量激发是不容易通过电流的。电子受到光或电场的激发，可从价带进入能自由运动的导带，所需能量的大小取决于这两个能级的间隔，这就是半导体的禁带宽度。正是半导体的禁带宽度使它们在电路中非常有用。由于掌握了不同禁带宽度的材料，工程师们今天已经能够制备多种多样的电子器件。

每种周长的纳米管具有其独特的允许价带和导带，因此并不是所有的碳纳米管都有相同的禁带宽度。直径最小的纳米管，其量子态很少，这些态的能量相隔甚远。随着纳米管直径的增加，越来越多的志将会出现，能隙的间距将会缩小。于是，不同尺寸的纳米管，其禁带宽度有的可能低至零(如同金属)，有的高如硅，其它的则可以处于这两者之问。已知材料中还没有哪一种像纳米管这样可如此容易调节禁带宽度。遗憾的是，目前生长的纳米管都是不同几何尺寸的混杂。研究者们正在寻找改进方法以便能确保获得所需类型的纳米管。

粗厚的多层壁纳米管，每一层具有略微不同的几何尺寸，因而可能具有更复杂的性质。如果能分别剪裁各层的构成，也许某一天我们能制备出可同时传输多路信号的层间绝缘的多层壁管，如同纳米尺度的同轴电缆。虽然我们目前的知识和纳米管的生长控制还不能达到这样的目标，但通过将纳米管引进实用电路．我们至少已可阐明它们的基本性质。

纳米电路

包括我们在内的几个研究小组已成功地用碳纳米管制备出了实用的电子器件。我们的场效应管(FET)在两个金属电极之间使用了半导体纳米管做为电子流动的通道。通过在其近旁的第二个电极上的工作电压控制，可使该电路内的电流导通或切断。在室温下工作的纳米管器件与现行的硅器件非常相似。例如，我们和其他研究小组发现，在场效应管中的栅极可以上百万倍地改变纳米管的传导性，这与硅场效应管类同。由于尺寸很小，因此由纳米管构成的场效应管可使用比硅器件小得多的能耗进行开关。理论上预言，纳米开关可以每秒1012次的速度工作，这比目前已有的处理器快1000倍。

纳米管可具有多种禁带宽度和传导特性，因此可制成其它种种令人感兴趣的纳米器件。例如，我们和其他研究小组测试了金属与半导体纳米管的结点。结果显示，这种结点的性质如同二极管，只允许电流单向导通。理论上讲，由不同禁带宽度的纳米管组成的混合物，会表现出发光二极管，也许甚至是纳米激光器的性质。制备完全由纳米管和其它分子组成的含有导线、开关和记忆单元的纳米电路目前已是可行的了。这种分子尺度的制造工艺最终引起的也许不仅仅是传统器件的微型化，还会出现利用量子效应的新器件。

但必须指出，至今我们的纳米电路都是一次一个制造的，具有很大的误差。不同的研究小组将纳米管与电极连接的方法各不相同，但都需将传统的电极光刻设备和使纳米管定位的高分辨率工具(如原子力显微镜)结合起来，显然，要达到计算机产业那种同时制造大量硅芯片的复杂的自动化生产方式还有很长的路要走。

在考虑怎样制造更复杂的纳米管电路之前，我们必须找到一种方法能够在指定的区域以一定的取向、形态和尺寸生长纳米管。斯坦福大学和其他一些单位的科学家宣布，通过在基底上放置少量的镍、铁或其它催化剂．可在所需的地方生成纳米管。哈佛大学的一个研究小组已发明了一种方法，能将纳米管与硅纳米线组合起来、这就使纳米管器件与常规方法制备的电路连接成为可能。

这些进展虽然还很小，但已经表明使用碳纳米管做为微芯片电路中的三极管和内部连线是可行的。目前这种连线的宽度大约为250纳米，由金属制成。工程师们希望将其制得更小，这样在同样的区域就可集成更多的元件。至今，两个主要问题阻碍了进一步减小金属导线的尝试。首先，还没有一个很好的方法排除器件产生的热量，以致于更紧密地堆集只会引起迅速过热。其二，金属线越细，其中的运动电子的涌动越厉害，会增加与周围金属原子的碰撞，不消多长时间，导线将象保险丝一样烧断了。

理论上讲，纳米管可解决以上两个问题。科学家们预言，碳纳米管几乎可象金刚石或蓝宝石一样导热。初步研究已基本上证实了这个预言，非常密集的纳米管器件可有效地冷却。由于纳米管中的碳原子之间的结合比任何金属的原结合都强。因此纳米管可以传输具大的电流——最近的测量表明，1平方厘米截面的纳米管束可以传输十亿安培的电流。这样大的电流密度会使铜和金都蒸发。

纳米管场发射

碳纳米管还有第二种有趣的电特性，工程师正开发应用它。1995年，莱斯大学的一个研究小组宣布将一根碳纳米管竖立着并充电时，纳米管就像避雷针，电场集中在其末端，避雷针是传导电弧到地，而纳米管是从顶端以惊人的速度发射电。由于纳米管的顶端做得极为尖锐，因此可在比其它材料更低的激发电场作用下发射电子。强结合碳键使纳米管可长时间工作而不损坏。

这种性质被称作场致发射。在用高度相同但更薄、更省电的平面显示器取代笨重、低效的电视机和计算机显示器方面，场致发射很久以来被看作是可能具有数十亿美元产业规模的技术，但这个想法被现有的场致发射器件的脆弱性所制约，纳米管有希望最终克服这种障碍，开辟一条取代阴极射线管和液晶面板的路子。

由纳米管制备大电流的场致发射器件非常容易：将纳米管混合在塑料合成胶中，然后粘接在电极上，加上电压这一涂层中的纳米管总有一些会指向相对的电极，因而能发射电子。斯坦福大学，佐治亚理工学院以及其它单位的一些研究小组已发明了一种方法可生长出整齐排列成极小网格的直的纳米管团簇。在最佳密度条件下，这种团簇每平方厘米的发射电流可超过1安培，超过了激发荧光屏上的磷光体产生可见光所需的电流的强度，而且足以驱动移动通信中心站的微波继电器和高频开关。

已有两家公司宣布他们制备出了用碳纳米管做场致发光器的产品。日本的lse公司使用纳米管复合材料制成了具有6种颜色的真空管灯样品。这种灯与普通灯相比，其亮度是后者的两倍，寿命更长，而效率至少为10倍，第一个样品已经工作了10，000小时以上还很正常。汉城三星公司将纳米管以薄膜方式分散在电子控制器件上，再在膜表面安置涂有磷光体的玻璃。于是制成了平板显示器。在去年宣布这种显示器时他们乐观地表示，该公司拥有的这种器件其亮度与阳极射线符相同，但其能耗有阴极射线管的十分之一，已准备在2001年投产。

碳纳米管显示出特殊电学性质的第三个领域是尺度非常小的领域，在这个领域中与尺度相关的效应变得十分突出：在足够小的尺度上，导线具有电阻的简单概念已不适用，必须代之以量子力学模型。这是一个硅技术无用武之地的研究领域，它有可能产生出人意料的新发现，但是比起纳米管电路和纳米管场致发射器而言，它也将需进行更多的科学研究。

例如，研究者们目前仍在争论电子是怎样沿着纳米管运动的，在无缺陷纳米管里，电子是沿“弹道”运动的，没有任何产生金属导线电阻的那种散射。当电子长距离运动而无散射时，它们保持其量子态，这是观测电子波干涉一类效应的关键。没有散射还可解释为什么纳米管在电运动时保持着电的“自旋”态。(电子自旋是一种量子性质而不是旋转。)一些研究者目前正试图利用这个特殊性质来制造“自旋管”器件。这种器件的通断是响应电子自旋，而不像电子器件那样只是响应其电荷。

类似地，在纳米管这样的极小尺度上，电子流动可以以近乎完美无缺的方式予以控制。科学家们最近公布了在纳米管中一种称之为库仑阻塞的现象—纳米管上的电子强烈地排斥一次加入一个以上的电子，这个现象也许可使制造单电子晶体管这种极端灵敏的电子器件变得容易。然而测量结果使今天还没解决的物理问题变得更为突出，当电子局限在这种极细的一维导线里时，其性质是如此奇怪，以致它们完全不再像电子了。

于是，纳米管最终不仅仅可使现有的器件更小、更好，而且能产生出完全依赖量子效应的全新器件。当然，在我们充分利用这些性质之前，还必须对这些性质有更深入的了解，有些问题已十分突出。我们知道，包括纳米管在内的分子器件，对于由电、热及化学品的起伏产生的噪声是十分敏感的。我们的实验表明，附着在纳米管上的污染物(例如氧)会影响其电性质，这也许可用来制造高灵敏的化学探头、但对于制造单分子电路却是一个障碍。在单个分子能起显著作用的场合、控制污染就是一个主要挑战。

虽然发展的道路还很漫长，但纳米管是否能成为未来电子设备中一个实用的部件显然已不是一个问题，问题仅仅在于我们将在何时、通过什么样的途径实现这一目标。