納米技術(shù)展新程

20世紀(jì)的最后十年，一門嶄新的學(xué)科——納米科學(xué)技術(shù)誕生了。納米科學(xué)技術(shù)(nano scale science and technology)是一門在0.1～100nm尺度空間內(nèi)，研究電子、原子和分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律和特性的高技術(shù)學(xué)科。它的最終目標(biāo)是人類按照自己的意志直接操縱單個(gè)原子，制造具有特定功能的產(chǎn)品。

納米技術(shù)的新穎、獨(dú)特的思路和首批研究成果的問世，在科學(xué)技術(shù)界和軍界引起巨大發(fā)響，受到廣泛關(guān)注。IBM公司首席科學(xué)家Amotrong說：“正如70年代微電子技術(shù)引發(fā)了信息革命一樣，納米科學(xué)技術(shù)將成為下一世紀(jì)信息時(shí)代的核心。”

IBM公司日前宣布開發(fā)出目前世界上最小的計(jì)算機(jī)邏輯電路，這是一種利用單個(gè)碳分子制作的雙晶體管組件。用來生產(chǎn)這種電路的材料是只有頭發(fā)絲十萬分之一大小的碳納米管，這種碳納米管具有極高的強(qiáng)度和良好的半導(dǎo)體特性，納米管直徑為1～2納米，長(zhǎng)度為1毫米，強(qiáng)度是鋼的10倍。因此，IBM的科學(xué)家認(rèn)為這是一種有望替代硅的新材料。

IBM公司負(fù)責(zé)納米級(jí)技術(shù)的經(jīng)理Avouris和他的同事們一起研制成功的碳納米管邏輯電路，由一個(gè)帶正電荷的晶體管和一個(gè)帶負(fù)電荷的晶體管構(gòu)成，它標(biāo)志著通向生產(chǎn)出替代硅處理器的芯片所需三個(gè)步驟當(dāng)中的第二個(gè)步驟。第一個(gè)步驟是在1998年實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)時(shí)包括IBM和NEC研究人員在內(nèi)的科學(xué)家制造出了納米管晶體管。第三步驟是將許多嵌入晶體管的邏輯電路連接在一起，構(gòu)成了一個(gè)執(zhí)行復(fù)雜計(jì)算機(jī)任務(wù)的新型處理器。

IBM最新研制的電路屬于“非門”，它是構(gòu)成計(jì)算機(jī)處理器的三種基礎(chǔ)邏輯電路當(dāng)中最簡(jiǎn)單的一種。以往研制成功的納米管晶體管都屬于正極性的P型晶體管?？茖W(xué)家一直未能研制出負(fù)極性的N型納米管晶體管。IBM公司最近取得的新突破就在于借助簡(jiǎn)易的工藝技術(shù)在一個(gè)真空裝置內(nèi)加熱P型晶體管，將其變成了N型納米管晶體管。

Motorola日前宣布開發(fā)成功一種新技術(shù)，該技術(shù)能夠使主流計(jì)算機(jī)芯片的微電路集成度增加50%以上，從而使得芯片變?yōu)楦∏?，在便攜式電腦、手機(jī)、PDA等輕便的移動(dòng)通信終端領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

據(jù)Motorola 公司透露，該公司研制出一種稱為Photomask的新型材料，將這種材料用在硅片上制造電腦芯片，就可以在芯片上集成直徑小于100納米的各種元器件。在制造芯片時(shí)需要經(jīng)過光刻工序，借助光線在硅片原料上制作電路。采用Pholomask 技術(shù)之后，這項(xiàng)工序改進(jìn)成了“無紫外線（EUV）光刻”，流程中使用波長(zhǎng)更短的紫外線，使其精度更高。Motorola公司數(shù)字DNA實(shí)驗(yàn)室主任Joc Mogab 說，通過使用EUV光刻法，人們最后甚至能將寬度為13納米的電路線刻入芯片內(nèi)。

實(shí)際上，被囚禁的電子并不因此而固定不動(dòng)。按照量子力學(xué)的規(guī)律，有時(shí)它可以脫離控制自由逃逸出來，這種現(xiàn)象一方面預(yù)示著在新一代芯片中的邏輯單元將不用連線而相關(guān)聯(lián)，因而需要新的設(shè)計(jì)才能使單電子器件變成集成電路；另一方面也會(huì)使芯片的動(dòng)作不可控制。歸根結(jié)底，在這一情況下電子應(yīng)被看成是“波”而不是一個(gè)粒子。所以盡管電子器件已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室里得以實(shí)現(xiàn)，但是真要在工業(yè)上還需要時(shí)間。被囚禁在小尺寸內(nèi)的電子的另一種貢獻(xiàn)，是會(huì)使材料發(fā)出很強(qiáng)的光。“量子點(diǎn)列激光器”或“級(jí)聯(lián)激光器”的尺寸極小，但發(fā)光的強(qiáng)度很高，用很低的電壓就可以驅(qū)動(dòng)它們發(fā)出藍(lán)光或綠光，用來讀寫光盤可使盤的存儲(chǔ)密度提高好幾倍。如果用“囚禁”原子的小顆粒量子點(diǎn)來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，制成量子磁盤，存儲(chǔ)度可提高成千上萬倍，會(huì)給信息存儲(chǔ)技術(shù)帶來一場(chǎng)革命。

目前已經(jīng)制成一部分納米電子元器件，例如納米傳感器，用來測(cè)量諸如壓力、力矩，加速度、振動(dòng)、位移、流量、磁場(chǎng)、溫度、濕度、氣體成分、PH值、離子濃度、微生物濃度、液體濃度、味覺、觸覺以及微陀螺等?，F(xiàn)已制成的由傳感、信號(hào)放大、信號(hào)源、信號(hào)處理和自校電路組成的硅微加速度計(jì)，在10平方厘米的硅片上，可做成幾百個(gè)這樣的器件。納米技術(shù)源于微電子集成工藝，最容易做成集成芯片的形式，例如微型生物化學(xué)芯片。已能在1平方厘米的硅片或玻璃片上集成樣品處理器、微反應(yīng)器、微分離道管、微檢測(cè)器和微流量器等生物化學(xué)功能系統(tǒng)，納米傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比，具有諸多優(yōu)勢(shì)，例如體積小、分析時(shí)間短、樣品消耗少、能耗低和效率高等。

HP納米實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家Stan Williams 和他的助手們新研制成功僅有分子大小的納米金屬絲和分子開關(guān)。納米是1米的10億分之一。在這種微乎其微的空間里僅能容得下3個(gè)原子，然而，納米金屬絲竟然能夠在如此微小的空間里實(shí)現(xiàn)自我組裝，能夠編織成極其微小的納米元器件。HP納米實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們開發(fā)成功制造平行金屬絲束的方法，制造出來的納米金屬絲線寬僅為2納米，在硅和鉺的化學(xué)反應(yīng)中，納米金屬絲能夠以自我組裝的方式自然生成。

科學(xué)家借助掃描隧道顯微鏡（STM)的幫助，通過將分子金屬絲進(jìn)行合成的方法來制造類似芯片的新裝置，這些金屬絲和開關(guān)能夠通過化學(xué)反應(yīng)自動(dòng)組裝成為有效電路、研制成功了一個(gè)安裝在固體裝置中的能夠被電子觸發(fā)的分子開關(guān)?？茖W(xué)家們首先將一組金屬絲植入被一層特殊分子全部覆蓋的平面層內(nèi)，然后將另外一組金屬絲與第一組金屬絲呈垂直交叉狀態(tài)放置，再讓特殊分子夾在兩組金屬絲之間，其結(jié)果是在這兩組金屬絲交叉的位置形成了一個(gè)分子開關(guān)。在初始狀態(tài)，分子開關(guān)是關(guān)閉的，在兩層金屬絲之間加以負(fù)電壓，電流立即在兩層金屬線之間流動(dòng)；如果加以正電壓，則分子開關(guān)被打開；當(dāng)再一次加以負(fù)電壓之時(shí)，能夠流過的電流量將大為減少。這種分子開關(guān)目前還只能打開一次，這是由于它被打開之后不能夠再關(guān)上，從而使得這種分子開關(guān)能夠成為可編程只讀存儲(chǔ)器(PROM)的基礎(chǔ)。

利用微電子機(jī)械和納米電子技術(shù)制造的慣性檢測(cè)元件、換能器、射頻元件、光學(xué)元件、電源系統(tǒng)、各種傳感器和芯片作為星載設(shè)備?？墒剐l(wèi)星的體積和重量大為減小。用這些微型部件制造的衛(wèi)星稱為納米衛(wèi)星，重量不足100G。因?yàn)槠渲械臋C(jī)電元件和電子功能組件是利用納米技術(shù)制作在少數(shù)幾片，甚至同一片芯片上，因此納米衛(wèi)星又稱為芯片級(jí)衛(wèi)星。這種衛(wèi)星用一枚小型運(yùn)載火箭一次可以發(fā)射數(shù)百顆乃至上千顆。把這些衛(wèi)星按一定的要求分布在不同的軌道上組成衛(wèi)星網(wǎng)，可以連續(xù)不斷監(jiān)視地球上的任何角落。即使有少數(shù)衛(wèi)星失靈，衛(wèi)星網(wǎng)的工作也不會(huì)受到影響。當(dāng)然，納米衛(wèi)星現(xiàn)在還處在概念階段，然而這卻使人類部署分布式航天系統(tǒng)成為可能。這種航天系統(tǒng)可以減少單個(gè)航天器失效造成的影響，從而可以增強(qiáng)未來航天系統(tǒng)的生存能力和靈活性。

美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的兩位研究生鑒于機(jī)器人越來越小，且它的功能越來越靈活。嘗試發(fā)明一種微小得象一條昆蟲的機(jī)器。他們把帶有微型探測(cè)器、微型發(fā)報(bào)機(jī)的納米電子系統(tǒng)做成昆蟲模樣，稱為納米機(jī)器蟲。在納米機(jī)器蟲內(nèi)，硅片上的微細(xì)電動(dòng)機(jī)的尺寸，只有頭發(fā)絲直徑的2/3，一粒豌豆大小的體積內(nèi)可以裝進(jìn)一萬只這樣的納米電動(dòng)機(jī)。

納米技術(shù)的科學(xué)家們堅(jiān)信，“小”不僅是美麗的，而且是未來科學(xué)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。日本已用極微小的部件組裝成一輛只有米粒大小、能夠運(yùn)轉(zhuǎn)的汽車；工程師們制成了直徑只有1～2mm的靜電發(fā)動(dòng)機(jī)；體積只有常規(guī)機(jī)器萬分之一、能夠運(yùn)轉(zhuǎn)的車床以及直徑僅5.5mm的“尺蠖”——有朝一日它也許會(huì)鉆進(jìn)核工廠的管道系統(tǒng)檢查管道是否有裂縫。德國(guó)工程師制成了一架只有黃蜂大小和能夠升空的直升機(jī)、肉眼幾乎看不見的發(fā)動(dòng)機(jī)以及供化學(xué)行業(yè)使用的火柴盒大小的反應(yīng)器。

更加引人注目的是，科學(xué)家已開始在硅片上造出微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）。這些裝置把電路和運(yùn)轉(zhuǎn)著的機(jī)器合裝在一個(gè)硅芯片上。這些裝置最終將像目前的硅芯片一樣普遍。幾種基本的微機(jī)電系統(tǒng)已經(jīng)在美國(guó)、日本和德國(guó)使用，包括在上百萬輛汽車?yán)锇惭b的一種細(xì)如發(fā)絲的傳感制動(dòng)器，當(dāng)它“感覺”到撞擊時(shí)，就會(huì)立即打開保險(xiǎn)氣袋，防止撞傷。

只有削尖了的鉛筆尖大小、每分鐘轉(zhuǎn)速高達(dá)10萬轉(zhuǎn)的1伏特發(fā)動(dòng)機(jī)最終將推動(dòng)電子顯示器、手表、攝錄機(jī)和激光掃描器的發(fā)展。目前的民用電子產(chǎn)品中的微小部件往往還是手工組裝的，因?yàn)槟壳暗淖詣?dòng)設(shè)備還不能完成這類工作?！斑@對(duì)于人造昆蟲來說則是輕而易舉的事?！?/font>