互动科普

我们确实必须不断将电路越做越小？硅微电子器件微型化趋势如此不可阻挡，以致于很少有人对此提出疑问，例外的情况可能是当我们购买新电脑的时候，走出商店之时就是电脑过时之时。如今最新型的微处理器有4000多万个晶体管，到2015年时微处理器可能有近50亿个晶体管。然而今后20年内，微处理器晶体管数目大幅度增多这种趋势将遭遇科学、技术和经济极限问题。那么，人们的第一反应是啥呢？50亿个晶体管还不够吧？

然而，在真正遇到这些限制时，毫无疑问人们将超越之。从某种程度上说，正是发现和征服未知领域这类真正的挑战激励着人们为不断增强计算机能力而奋斗。当然，我们还看到了对医学等众多领域革命的潜力，因为极端微型化使人和机器能够以在现在技术条件下不可能的方式进行互动。

顾名思义，微电子学解决微米尺度的元件问题(尽管最近元件的尺度几乎缩小到了100纳米)。超微电子学不仅仅意味着简单地将元件尺寸缩小到1／10到1／1000，它还涉及到我们如何把各元件组合到一起这一问题。

微电子器件和纳米电子器件都牵涉三个层面的结构问题其基本的构造单元通常是晶体管或相应的纳米构件，也就是能开关电流和放大信号的开关。就微电子器件而言，晶体管由半导体片制成，半导体(例如掺杂质的硅)材料通过处理可以在导电和不导电两种状态之间进行转换就纳米电子器件而言，“晶体管”可能是有机分子或纳米尺度的无机材料制成的。

下一层面的结构问题就是互连线问题，即将晶体管连结起来执行算术运算或逻辑运算的联线问题就强电子器件而言，导线是金属线，通常粗数百纳米至数十微米，并且淀积于硅片中，而就纳米电子器件而言，导线是纳米管，也就是细至一纳米的另一根纳米导线。

最高层面的结构称之为体系结构，也就是将晶体管互连起来构成有一定功能的电路，这些电路能够插入计算机或其他系统，并能独立于较低级别的器件而运行。纳米器件研究人员尚未完全达到检验不同的体系结构的高度，但我们确实知道，他们将能开发出什么样的功能，以及必须弥补什么缺陷。

然而，从其他方面看，微电子器件和纳米电子器件可能并没有什么更大的区别。许多人认为，从微电子器件向纳米电子器件转变，可能要求把自顶向下制造方法转变成自底向上制造方法。目前，为制造硅芯片，制造厂从硅晶体入手，利用所谓平版印刷术在硅芯片上做出布线图案，并用酸或等离子体除去不需要的部分。这种方法并不能完全保证其线宽仅数纳米的器件的精度。相反，研究人员利用合成化学方法以摩尔单位(6×10个)生产构造单元，然后将它们组装成更大的结构。迄今为止，这种进展令人印象深刻。但如果说这项研究是攀登珠穆朗玛峰的话，那我们仅仅到达了登山基地大本营。

机器小型化

早在25年多以前，IBM公司Avi Aviram和西北大学Mark A. Ratner就在一篇论文中提出将分子应用于电子器件之中的设想他们指出，将有机分子的原子结构编织起来，就可能造出晶体管之类的器件不过，直到近期化学、物理学和工艺技术的进展取得融合之前，他们的设想基本上停留在理论上。

在把上述设想变成现实的所有研究小组中，加州大学／惠普公司小组和耶鲁大学／莱斯大学／宾夕法尼亚州立大学小组成绩突出。2000年，上述两个小组都实验证实数千个分子聚集在一起就能将电子从一个金属电极传到另一个金属电极。每个分子宽约0.5纳米，长l纳米多一点。他们证明这种分子聚集体的作用就像开关，因此可能在计算机存储器中发挥作用。它们一旦接通，将保持导通l0分钟左右(参见本刊2000年9期《用分子计算》一文)。这一时间似乎不算长，但是计算机存储器在断电甚至没断电的情况下经常瞬时丢失信息，储存的信息蒸发了，必须每隔0.1秒左右更新一次这两个小组所用的两种分子，虽然细节有所不同，据认为它们的开关机理都涉及到已经了解得很透彻的氧化还原反应。反应过程中，电子在分子内的原子间转来转去。氧化还原反应使分子发生卷曲，从而对电子的运动起阻挡作用，就像软管的弯结阻挡水的流动那样(见上图)。在“连通”状态下，分子聚集体的导电能力是“断开”状态下的1000倍。实际上，这一比值同典型的半导体晶体管的相同比值相比是相当低的，后者的导电率相差百万倍目前，研究人员正在寻找开关性能更佳的分子，同时正在努力了解开关过程本身的问题。

我在哈佛大学的研究小组不仅重视有机分子而且重视细长的无机导线，这样的小组还有几个。最有名的例子是碳纳米管，其直径通常约为1.4纳米(参见本2001年3期纳米管——电子器件的新秀一文)。与普通金属导线相比，这些纳米级导线不仅使更多的的电子在原子间流动，而且它们还具有微型晶体管之功能。纳米线既有连线功能又有器件功能，正可谓一石二鸟。其另一个优点是它们可以像常规硅微电子器件那样利用基本的物理学原理，这使得人们更容易理解和操纵。

1997年，荷兰代尔夫特技术大学的Cees Dekker小组和美国加州大学伯克利分校的Paul L.McEuen小组独立报告，用金属碳纳米管制出了高灵敏度的晶体管。这类器件可以由一个电子连通和断开，但所需工作温度极低。2001年6月，Dekker小组超越了这一限制。研究人员利用原子力显微镜创造出了在室温条件下工作的单电子管。Dekker及其合作者还利用碳纳米管制成了常规的场效应晶体管，也就是如今大多数集成电路之构造单元。而McEuen小组则已将金属纳米管和半导体纳米管融合成了二极管。最后本文作者的小组已展示了一种极不相同的开关，即纳米级机电继电器。

热线

纳米管的一个重大缺陷是难于将它们做的一致。因为直径的轻微差异就会导致导体和半导体的差异，而且即使制成了大量的纳米管器件，它们之中能有效工作的器件可能只是少数几个。2001年4月，IBM公司Thomas J. Watson研究中心的Phaedon Avouris及其同事提出了一种解决方法，他们从导体纳米管和半导体纳米管混台物人手并在其会属电极问施加电流，从而有选择性地消除导体纳米管，只留下半导体纳米管。然而，这种方法并不完善，因为它需要使用常规的平印术来制作随机纳米管阵列的连线，随后测试和修正每个元件，而这些元件最终数目可能数以十亿计，测试和修正工作量十分浩大。

作者小组还在制造另一种纳米级导线，我们称之为半导体纳米线。其尺寸和碳纳米管大致相同，但其成分更容易精确控制。为了合成出这种导线，我们从金属催化剂着手。该催化剂限制要生长的导线的直径，并作为要收集之原料分子的栖身之地。在纳米线的生长过程中，我们融进化学掺杂剂(即添加或去除电子的杂质)，借此控制纳米线呈n型(有多余的电子)或P型(缺少电子)。

n型材料和P型材料是晶体管、二极管和其他电子器件的基本原料。有了这两种材料，就为我们打开了新视界。我们已经组装出了多种器件，诸如两种主要的晶体管(场效应晶体管和双极晶体管)、将“0”信号转变成“1”信号的非门以及为光连接铺路的发光二极管。我们的双极晶体管开了放大电流之分尺度器件的先河。我实验室的最新进展是，利用n型纳米线和P型纳米线交叉组装出了存储器。这种存储器借助于俘获交叉纳米线之间的界面上的电荷使信息存储l0分钟或更长时间（参见50页图解）

突破瓶颈限制

制成各种分子器件和纳米器件，只是万里长征走了第一步，将这些器件连接和集成起来也许是更严峻的挑战。首先，必须将纳米器件连接到分子尺度线上。迄今为止，有机分子器件已经连接到了由平印术制造的普通金属线上。用纳米线进行取代并不是件容易的事情，因为我们井不知道怎样实现良好的电气连接而又不损坏这些细微的纳米线。同时将纳米线和纳米管应用于这些器件及其连接可能解决上述问题。

第二，一旦器件连接到纳米线上。纳米线必须布置成比如说二维阵列。在今年初发表的一份报告中，我小组的Duan及其Huang Yu报道了一项重大突破，他们利用流体流动手段组装出了纳米电路。木头可以顺流而下，同样的道理，以利用流体将纳米线拉制成平行直线。我的实验室采用了乙醇和其他溶液，让流体设置在聚合物模块中的槽而控制液体流动，这种模块很容易放置于我们希望组装器件的衬底上。

这种方法征流体流动的方向上形成了连线：如果流体只沿一个槽流动，就形成平行的纳米线，为了添加其他方向的纳米线，我们就改变流动方向并重复上述过程，从而形成额外的纳米线层。例如，要产生直角线网，我们先布下一系列平行纳米线，然后让流动方向转动90度，从而布下另一系列纳米线。通过对每一层采用不同成分的纳米线，我们能够迅速组装出功能纳米器件阵列，所用工具并不比中学化学实验室的工具复杂多少。例如，二极管阵到可由一层半导体纳米管上的一层导体纳米管线组成，或由一层P纳米线上的n纳米线组成。在上述两种情形下，每个连接点都相当于一个二极管。

我们的方法和美国加州大学／惠普公司小组正在研究的方法类似，具有决定性意义。我们正试图制造具有某种可预见性质的阵列，其形式取决于功能。莱斯大学／耶鲁大学／宾夕法尼亚州立大学小组提出的另一方案是允许器件组件和纳米线随机连接。然后对组合的结果进行分析，以确定它如何用于存储或计算。在这种情况下，其功能取决于形式。这种方法的问题在于，要费很多功夫来绘制复杂的网络图，并推测它能用于何种用途。

与上述这一努力紧密相关的一件事是，开发出能够最佳利用纳米尺度器件独特特征和自底向上组装方法功能的体系结构。虽然我们能够制造出不胜枚举的使宜纳米器件，但是它们的可靠性比相应的微电子器件差得多。我们的组装和构造能力依然十分原始。

我的小组和加州理工学院的Andre DeHon合怍，正在开发高度简化的体系结构，以便将它们推广到通用计算机。就存储器而言，体系结构从交叉纳米线或悬浮式机电开关的二维阵列开始，在每个连结点都可以存储信息。加州大学洛杉矶分校和惠普公司的研究人员也在研制相同的体系结构。这种结构类似于20世纪50年代和60年代常用于计算机的磁心存储器。

大数定律

为了克服单个纳米器件的不可靠性问题，我们可以靠数最取胜，由于每个器件十分低廉，以至于大量备件总是唾手可得。研究缺陷容限的研究人员揭示，甚至在许多部件失效的情况下，也有可能进行计算，当然识别和指出这些缺陷可能缓慢费时。最后，我们希望将大量的阵列分解为可靠性容易监控的亚阵列。这类亚阵列的最优尺度将取决于分子器件和纳米尺度器件中通常出现的缺陷程度。

纳米电子器件面临的另一个重大障碍是引导（bootstrapoing)问题。工程师怎样让电路做自己想让它做的事情呢？就微电子器件而言，电路设计者应像建筑师那样工作，先准备好电路设计图，然后依此制造电路。而就纳米电子器件而言，设计人员将不得不像电脑程序员那样工作。制造工作将制作出原始的纳米电路，也就是无数其功能相当有限的器件和纳米线。从外部看起来，就像有几条引出线的一块原材料。工程师必须设法利用这几根引出线构造出数以十亿计的器件。这类挑战一直使我对该领域的总体前景激动不已。

甚至在我们解决这些问题之前，纳米器件也可能有某些有益的应用。例如，斯坦福大学Dai Hongjie小组已将半导体碳纳米管用于检测气体分子，我小组的Cui Yi已用半导体纳米线作为许多生物化合物的超灵敏检测器。在我们哈佛大学小组的工作中，我们通过分子感受器修正纳米线场效应晶体管表面而将其变成了传感器。有了这种技术，只用普通伏特计就可检测单个分子了。纳米线尺寸小，灵敏度高，使得有可能组装出功能极其强大的传感器。这些传感器可用于诸如在单一芯片上对整个人类基因组进行测序，以及最小侵入性医疗器械。不久，我们可能亲眼目睹微电子器件和纳米电子器件的综合体：例如有纳米芯的硅，也许还有可以永久保留信息的高密度电脑存储器。

虽然在纳米电子器件进入计算机之前还有重大的工作要做，但是这一目标的前景跟一年前比较起来，似乎明朗多了只要我们充满信心，我们不仅可以知道如何缩小数字微电子器件，而且还可以知道如何实现数字电路在此之前从未办到的事情。例如，利用量子现象的纳米器件可能用于量子加密和量子计算。五彩缤纷的纳米世界将使宏观世界发生改观。

【曾祥蓉 贺光金／译 杨世乐／校】