互动科普

1959年l2月，未来的诺贝尔奖金获得者Richard Feynman发表了一篇富有想象力的现在经常被人们引用的谈话，题目是“最底下一层大有发展潜力”。Feynman是在美国物理学会在加利福尼亚理工学院举行的一次会议上发表此谈话的，该学院当时是Feynman智力活动的根据地，现在则是我的根据地。Feynman这篇7000余字的谈话对于纳米技术起了界定的作用(尽管他自己并无此意)，而真正属于“纳米”范畴的发明则是在此后过了多少年才露面的。

Feynman说，“我想要谈的是关于操纵和控制原子尺度上的物质的问题……我已经说明这方面确有发展潜力——我们可以采用切实可行的方式进一步缩小器件的尺寸。现在我想说明的是这一发展潜力还非常之大。我不打算讨论我们将如何做到这一点，而只想谈谈原则上我们能做些什么……现在我们还没有走到这一步仅仅是因为我们没有在这方面花足够的时间与精力。”

Feynman的眼界之宽广令人瞠目。在这篇42年前发表的演讲中，他预见到一系列现今已牢牢站稳脚跟的科技领域，包括电子束与离子束制造、分子束外延生长法、纳米压印术投射、电子显微镜、单个原子操控、量子效应电子技术、自旋电子技术(也称为spintronics”)以及微电子机械系统(MEMS)等。Feynman在这篇谈话中也预见到了其非凡才智所注意到的每一个新领域的所谓“魔术般”的效力。事实上，我对纳米尺度物理学20年的研究在极大程度上是受了这篇讲话的启发。

目前已经出现了一股纳米技术淘金热。各大科技拨款机构几乎全部宣布它们将涉足这一领域。众多研究人员和研究机构争先恐后地采取行动。但是说老实话，我认为我们必须承认，现在许多打着“纳米”这个令人肃然起敬的旗号的东西与Feynman的原意并不相关。

我们才刚刚开始向着Feynman的宏伟目标——一个原子一个原子地组装出复杂的机器与电路——迈出最初几步。现在我们所达到的水平极端原始的。毫无疑问，我们距离纳米系统（即其复杂性与功能与现今的微芯片相当的多元件集成纳米器件）的大批量产业化生产还有十万八千里之遥。但是这里也存在一个深刻的科学问题。现在越来越清楚，我们只是刚刚开始获得作为未来纳米技术核心的详尽知识。这门新的学科涉及的是某一尺度上的原子与分子群体的性质与行为。这一尺度相当小，不能称为宏观，但与微观尺度相比，它又大得多了。这一尺度上的科学称为中尺度科学。在我们真正认识它之前，实用的器件是难于开发出来的。

今天的科学家与工程师很容易制造出1至数百纳米的纳米结构，这样的尺寸的确很小，但与单个分子相比却还是大得多。探索这一中尺度上的物质常常是很棘手的事情。它们包含的原子相当多，因此难于直接运用量子力学去加以认识（尽管基本法则仍然适用）。但是这些系统又不是大的可以完全摆脱量子效应的影响。因此它们并不单纯服从支配宏观世界的经典物理学。正是在这一中间领域内，集合系统表现出一些人们未曾预料到的性质。

研究人员正在运用从上到下与从下到上这两种互相取长补短的的制造方法来研究这一过度领域。从上到下的纳米制造方法——如电子束印刷术（我自己的研究小组就广泛使用这种技术）——所取得的进步使它已经达到接近原子水平的精确度，但是，当尺度缩小到1至10纳米这一范围时，要想取得成功——更不用说再现成功——就越来越不容易了。科学家们现在已采用从下到上的方法来实现原子的自组装。但是对于其复杂性足以和微电子技术、MEMS、当然还有大自然所大批建造的系统相媲美的任意大的系统，它们的顶编程序自组装技术的问世就不知道是哪年哪月的事情了。看来，在相当一段时间内，从上到下的方法极有可能是建造真正复杂的装置的首选方法（详情请参看本期《微观世界的建造艺术》一文）。

无论从上到下还是从下到上逼近中尺度都有其各自的难处，它构成了物理学的一个基本问题。近来，Feyrtman的“大有潜力”的谈话精神似乎被理解成了在纳米技术中可以任意行事。但实际上Feynman从未主张过在纳米尺度上“什么都行”。例如，他告诫说，“按我们所希望那样把原子一个一个地排布起来”这一行动本身受若干基本原则的约束：“例如，你不能把原子排布成化学上不稳定的模式”，相应地，现今的扫描探针显微镜能够把原子在一个事先准备好的表面上到处移动，但是这种能力并不会直接获得任意建造复杂的分子组装物的本领。现今我们已经取得的成就尽管给人以深刻印象，但仍然非常有限。我们最终将开发一些操作方法来帮助我们在更一般的条件下促进单个原子键的形成。但是当我们尝试建立这些原子键构成的复杂网络时，它们肯定会以我们还没有认识到——因而也无法控制——的方式相互影响。

Feynman有独创性的远见很显然只是想起一种启发作用。如果他今天能亲眼看看的话，他肯定会因为人们把他的预见当作某种信条而感到不安。他的那篇谈话一如既往地体现了他特有的风格：既轻松幽默而又蕴含着远见卓识。这个后来被称为“纳米技术”的领域只是他感兴趣的许多课题之一，这对我们来说是很遗憾的事情。他从未真正地继续探讨这一课题，只是1983年在喷气推进实验室重新提到一次他最初的话。

新法则接踵而来

在1959年——甚至l983年——纳米尺度上物理学的完整图景还远不明朗。对于研究人员来说，好消息是现今的情况仍然基本上如此！大片奇异的疆土还有待人们去探索，而一旦我们开始探索这个新领域，我们就会发现不计其数的新现象；我们必须在认识这些现象之后，才有可能创造出实用的纳米技术。过去20年中科学家们已经阐明了支配中尺度上的行为的全新的基本物理学原理。现在我们来看看三个重要的例子。

1987年秋，Delft大学的研究生Bart J.van Wees与飞利浦研究实验室的Henk Van Houten(都在荷兰)及其合作者们正在研究电流穿过所谓“量子点接点”的流动情况。这类接点是半导体中的狭窄的导电通道，研究人员强迫电子沿其上流过(参看28页图)。一天深夜，Van Wees的一位学生助手Leo Kouwenhoven一边系统地改变接点的宽度，一边测量接点的电导率。这个研究小组预计只会现察到一个本来平滑而普通的背景响应上出现微弱的电导率效应。但实际上却出现了一个非常显著的特征阶梯模式。当夜进行的深入分析揭示，这些平台以有规律的、精确的间隔反复地出现。

剑桥大学的David Wharam与Michael Pepper观察到类似的结果。这两项发现是“电导率量子化”这一现象的首批令人信服的演示。电导率量子化是微小导体的一项基本特征，当电子的波动特性从一个纳米电子器件的“源”端到“漏”端(即从输入到输出)一直相干地保持时，便会发生这一现象。

Feynman已经部分地预见到这类奇特的现象：“我思考了建造微型电路的某些问题，而电阻的问题是相当严重的……”但是上述实验发现指出了一个全新的，基本的结果：量子力学可能完全支配微型电子器件的行为。

Rolf Landauer早在l957就设想了量子力学在这类器件中的直接表现。Landauer是IBM公司的一位理论家，他首先提出了纳米电子学和计算物理学的若干观念。但只有到80年代中期，对材料的操控能力以及纳米制造技术的进步才使得研究人员有可能在实验室里接触到这一领域。1987年的发现宣告了“中尺度热”的到来。

新揭示的有助于推动纳米技术诞生的中尺度法则，其第二个重要实例是国立莫斯科大学一位年轻的物理学教授Konstantin Likharev以及博士后研究生Alexander Zorin和大学生Dmitri Averin在1985年最先提出的。他们预见到科学家们将够控制单个电子进出所谓库仑岛的运动（库伦岛就是纳米电路中与电路其余部分弱耦合的一个导体）。这一现象可能成为一类全新的电子器件（单电子晶体管）的基础。把单个电子置于库伦岛上时所出现的物理效应随着库伦岛尺寸的减小而不断增强。在极小的器件中，这些单电子充电效应可能完全支配电流的流动。

这类因素在技术上的重要性正日益增大。半导体行业一批深谋远虑的思想家编制的所谓“半导体国际技术发展路线”的预测表明，到2014年，计算机芯片上的晶体管的最小线宽将降低到20纳米。在这一尺度下，每一次开关事件将只有大约8个电子参与。这时，充分地考虑到单电子充电的设计将是至关重要的。

到1987年，纳米制造所取得的进展使贝尔实验室的Theodore A .Fulton和Gerald J. Dolan建造出第一支单电子晶体管（参看30页图）。他们所观察到的单电子光电效应（现在称为库伦阻断）此后又在多种结构中被反复观察到。随着实验器件的尺寸不断缩小，库伦阻断已成为弱耦合纳米尺度器件中司空见惯的现象而非例外现象。在电流流过单个分子的实验中，情况尤其如此。这些分子由于与返回宏观世界的的电极存在着弱耦合，因此起着类似于库伦岛的作用。如何利用这一效应以及如何获得对小分子的可靠而能够复现的耦合（通过能够真正进行工程设计的方式），已成为分子电子学这一新领域面临的重大挑战之一。

1990年，在这一背景下，我在贝尔通信研究公司研究中尺度半导体中的电子运输问题。在一个附带项目中，我与我的同事Larry Schiavone及Axel Scherer开始研究我们希望有助于阐明热流的量子本性的方法。这项工作要求非常复杂的纳米结构，比研究中尺度电子学所用的平面器件复杂得多。我们需要自由悬浮的器件，即拥有完全的三维起伏地形的结构。无知是福。我当时完全不知道这些实验竟会如此复杂，以致要耗费将近10年的时间才能实现它们。

1992年我来到加州理工学院后，与犹他大学的John Worlock以及我的小组中先后两位博士后研究人员合作，在上述研究中取得了首批重大进展，Thomas Tighe开发出的方法与器件得出了对纳米结构中的热流的首批直接测量结果。后来，Keith Schwab改进了这些悬浮纳米结构的设计，并使用超灵敏度的超导仪器在极低温度下研究这些结构(此时所发生的效应能观察得最清楚)。

1999年夏末，Schwab终于开始观测到经过氮化硅纳米桥的热流(见本页图)。即使在这些初步的数据中，中尺度结构中热流的基本极限也开始初露端倪了。这一极限的表现形式现在称为热导量子。它决定了热量被一次类似波的机械振动(从纳米器件的输入端延伸到其输出端)传送时的最大传送速度它与电导量子相似，但支配的是热的输运过程。

这种量子是纳米电子器件的一个重要参数。它代表了能量耗散问题的最终极限。简而言之，所有“有源”器件都需要一定的能量才能工作。为了使它们能够稳定地工作而不发生过热，我们必须设计一种方法把它们耗散的热量排出。由于工程师们力图不断增大微处理器的晶体管密度并加快其时钟频率，使微芯片冷却以避免整个系统失效的问题就越来趣严重了。在纳米技术中这个问题只会变得更严重。

Feynman连这个复杂问题也考虑到了。他说，“我们可以让轴承干转；由于在这样微小的器件上热量逸失得非常迅速，因此轴承不会过热。”然而我们的实验表明，大自然存在着稍微多一点的限制。热导量子可以限制非常微小的器件耗散热量的效率。Feynman的设想只有在工程师们设计出把这些限制考虑进去的结构时才可能是正确的。

从以上三个例子中，我们只能得出一个结论：我们才刚刚开始解释纳米系统的复杂而精采纷呈、多种多样的行为方式。发现电导与热导量子以及观察到库伦阻断是真正的突变，即我们的认识出现了急剧的转折。今天我们不习惯把我们的发现称为“法则”。但是我毫不怀疑电导率和热导率的量子化和单电子充电现象的却应当属于纳米设计的普遍规律之列。它们是纳米世界的新法则。它们并不与Feynman的见识相矛盾，而只是发展并澄清了其中的一些见识。事实上，Feynman似乎也预见到了这些法则将会出现：“在原子尺度上存在着各种新的力、新的可能性、新的效应等等。材料的制造与复制问题将变得完全不同。”

在通往真正的纳米技术的道路上，我们还会遇到许多这样一类突变。这些受人欢迎的意外收获将随着我们观察、探测及控制纳米结构的能力的不断提高而同步出现。因此，在预测纳米技术时尽量谦虚谨慎一些看来是比较明智的。

纳米的好处

小说家、未来学家及流行报刊常常把纳米世界描绘成一个蕴藏着无限潜力的地方。但是，正如你在本文中已经看到的那样，这个领域并非原始西部的卫星翻版。在那里并不是什么都可以干，而是存在法律的约束。我现在从纳米电子机械系统（NEMS）这一领域举两个实际例子来说明此问题（目前我正从事NEMS的研究）。

我的部分研究的目标是设法将微型机械装置用于传感器。纳米尺度结构看来蕴藏着极大的潜力：器件越小，它的物理特性对变化就越敏感。一个例子就是常常用来探测质量的共振探测器。一个微小机械元件的质量密切相关，因此，加进一丁点儿外来物质（即被称量的“式样”）将使共振频率改变。博士后研究人员Kamil Ekinci不久前在我的实验室所作的研究证明，纳米尺度的器件其灵敏度可以高的连单个的原子或分子都能够“称”出来。

但是也有棘手的问题。气体原子不停地被器件表面吸收，又从器件表面上解吸。对于宏观器件来说，这一过程使其质量发生的相对变化是微不足道的。但是，对纳米结构来说，这种变化可能非常显著。撞在共振探测器上的气体分子能够随机地改变共振频率。显然，器件越小，它就将越不稳定。这种不稳定性可能给各种类型的未来机电信号处理器件造成一个真正的问题。科学家或许可以采取一些方法来避开这个问题，例如使用许多纳米机械器件构成的阵列来抵消随机涨落。但是对于单个器件来说，此问题看来是躲不过的。

纳米世界并不是可以“自由行事”，其第二个例子与经济效率有关。纳米机械器件工作时所耗用的功率必定是极低的。物理学为必需的最低运行功率规定了一个根本的极限：一个机械器件的无处不在的随机热振动确定了一个“噪声底限”：在此底线以下，要想分辨真实的信号就越来越困难了。在实际应用中，纳米机械器件通常遇到的是比这一底线强1000倍乃至100万倍的信号，因此受到信号的优化激励。但是这样的强度仍然只及传统晶体管所用功率的百万分之一或十亿分之一。

在某种未来的纳米信号处理系统或计算机中，优点在于即使100万个纳米机械元件平均也只耗散百万分之一瓦的能量。这样的超低功率系统可能有助于促进廉价的超微型“灵巧”传感器的大量增加与普及，这些传感器可以连续监控医院、工厂、飞机等等设施中的所有重要活动。电池耗用的极慢的超微型器件（特别是同时又具有充分的计算能力以自主地执行功能的器件）具有巨大的吸引力。

但是在这方面同样存在着棘手的问题。现今的电子学对超低功率这一领域是非常陌生的。纳米器件需要与超低功率阈限相容的全新的系统设计。由于计算机行业已经对当前的器件与方法投入了巨额的资金，因此，这一前景不大可能受到计算机行业的欢迎。现今一座新建的半导体处理厂其造价在l0亿美元以上，而且还可能需要改造设备才有用。但是我相信纳米器件的激动人心的前景最终将迫使人们不得不进行这些改动。

巨大的挑战

可以肯定，必须在解决了一大堆迫在眉睫的问题之后，我们才有可能充分发挥出纳米尺度器件的潜力。虽然每个研究领域都有它自己关心的问题，但某普遍的问题已关心的问题，但某普遍的问题已经露出苗头。例如对我前在纳米机械系统上的研究工作极其重要的两项挑战就与一般的纳米技术密切有关。

挑战1：宏观世界与纳米世界之间的通信。NEMS器件已经小得令人难以置信，但它们的运动可能还要小得多。例如，一根两端夹紧的纳米横梁在其振幅保持在厚度的若干分之一以下时，将以最小的谐波畸变振动。对一根l0纳米厚的横粱来说，这一振幅只有几纳米。建造必要的高效换能器来把这类微型器件的信息传送到宏观世界，需要以更大的精度来读出信息。

更为严重的是，梁的尺寸越小，其振动的固有频率便越大。因此，要想对纳米器件的振动实现啊用的跟踪，理想的NEMS换能器必须能够分辨极小的位移，也就是极大的带宽上(一直到微波波段)具有皮米到飞米级(万亿分之一米到千万亿分之一米)的分辨率这。两项孪生的要求提到了一项真正严峻的挑战，它比迄今为止MEMS研究面临的各种挑战都要严重得多。使问题更加复杂的是MEMS研究的大多数方法在此并不适用；我们不能把这些方法简单地按比例缩小到纳米尺度上。

纳米世界宏观世界之间的通信所面临的这些困难是开发纳米技术时的一个普遍性问题。归根到底纳米技术将取决于从实质是单个巨分子的纳米器件中引出的可靠而设计良好的信息传送通道。未来学家们的宏伟设想是自编程序的纳米机器人只是在初次起动时才需要获得来自宏观世界的指令，然而更有可能出现的情况是，在我们的有生之年可能实现的大多数纳米技术应将需要某种形式的向宏观世界报告情况并获得宏观世界的反馈和控制的机制。通信问题将依然是一个核心问题。

安排这类通信立即又引出了伴随破坏这一非常现实的可能性量子理论告诉我们，对一个量子系统进行测量的过程几乎肯定会扰乱该系统。即使我们从单个原子和分子进入到含有数百万或数十亿个原子的纳米系统，情况也依然如此。使一个纳米系统与探溯它的探针耦合——探针随后向宏观世界报告该系统的情况——肯定将在一定程度上改变纳米系统的性质，使它陷入非最佳的状态。加入通信所需要的换能器将不仅仅是使纳米系统变得更大、更复杂而已。它们也必定会取得某些能量以执行其测量任务，并可能使纳米系统的性能下降测量总是需要付出代价的。

挑战2：表面问题。当我们把MEMS缩小到NEMS时，器件的物理特性将在越来越大的程度上受表面的支配。固态物理学的基础有很大一部分依赖于下面这个前提：物体的表面积-体积比为无限小，这意味着物体的物理特性总是受其整体的物理特性的支配。但是纳米系统则非常之小，使这一前提完全不能成立了。

例如，用单晶超纯材料制成的机械器件可能只含有极少一些(甚至完全不含)结晶缺陷与杂质。我当初预测，其结果将是在单晶NEMS中机械振动将只受到非常微弱的阻尼作用。然而当我们缩小机械器件的尺寸时，我们反复发现声能损失似乎随着表面-体积比的增大而成正比地增加。这一结果说明，表面显然参与了器件的振动能损失的过程。在宽l0纳米、长l00纳米的最先进的硅横梁中，位于表面或接近表面的原子占原子总数的比例超过了10％。很显然这些原子将起到核心作用，但为了获得对这个问题的确切认识需要付出持久的大量努力。

在这一背景之下，近来酝酿着的所谓纳米管结构看来是比较理想的。纳米管是一种杆状结晶材料，用来建造我们感兴趣的微型振动结构堪称完美。由于它在其长度方向上没有向外伸出的化学基团，人们可能以为它与其表面上的“异物”发生的相互作用将是微乎其微的。显然并非如此。虽然在纯净的超高真空环境内制出的纳米管显示出理想的特性，但在通常环境中的试样由于会与空气或水蒸汽接触，因此其电子性质可能大不相同。机械性质也可能具有类似的敏感性。因此表面的确是非常重要的。从这个问题看来并不存在包医百病的万应灵药。

挫折的回报

未来主义的浪漫想象对于取得巨大的进展是必不可少的。这些想象为我们定下疯狂的、异想天开的目标，值得我们竭尽全力击争取。而取得功名、出人头地的希望也激励我们奋力向前。但l9世纪的著名化学家KeKule曾说过，“诸位，且让我们学会做梦，或许在梦境里我们能抓住真谛。但是要小心，勿在用清醒的认识证实你的梦境之前公布你所梦见的东西。”

KeKule的见解对纳米技术肯定适用。虽然我们不可放弃未来主义的浪漫之梦，但我们也需要尽力使我们的期望尽可能现实一些。看来每当我们进入一个与当前的领域相差l0倍(或许是“好”l0倍)的新领域时，我们将碰到两件事。首先某些精彩的、未曾预见到的科学现象会浮出水面。但是第二，还有一大堆棘手的、同样未曾预料到的根本性的新问题冒了出来。这种模式适用于我们在科技领域里作出的各种努力，例如缩小尺寸、提高灵敏度、改进空间分辨率、增强磁场与电场、降低压力与温度，等等。我们的预测如果一下子向前跃进了许多个数量级，那多半是靠不住的，其原因正在于此。在当前我们刚刚开始纳米革命征途的时侯，这种认识更会使我们多分谦卑和冷静感，大自然已经给我们定下了规则，我们现在是要努力击认识和利用大自然的奥秘。

一旦我们开始进行探索，自然界常常会让我们碰到一些乍看起来毫无意义、令人失望、没有规律的乱七八糟的东西。但是科学上的挫折其实往往比激励我们开始进行探索的终极目标更重要。做一名科学上的傻子可能真的是从事科学的快乐之所在。如果我们有神通从一开始就正确地外推出所有知识，那么科学探索完全就成了枯燥无味、机械死板的东西。对于复杂的系统，我们不知道——归根结底或许是无法知道——每一件重要的事实，这是个我们应该感到高兴的真理。

对于我们无法有规律地、足够精确地探测和记录——更不用说控制——的大量参数，复杂系统常常具有极精巧的敏感性。科学家们研究了——并在很大程度上已经认识了——直到最基本层次(即构成对化学家、物理学家和工程师极端重要的中子、质子和电子的基本粒子)上的各种物质。但是我们仍然无法确定地预测这三种基本成分的任意复杂的集合体最终将具有什么样的行为。由于这一原因，我坚信，正是在目前业已进行的实验科学的基础上，加上与理论研究的密切合作，我们将构筑起通向真正的纳米科学的大道。在这条道路上我们肯定还会碰到许多出人意料的东西，且让我们睁大双眼拭目以待！

【邱汉生／译 向俊／校】