納米尺度上的革命

喬若靜/編譯

納米尺度上的革命

喬若靜/編譯

本文作者米莉·德雷斯?fàn)柡浪梗∕ildred S. Dresselhaus），MIT著名材料科學(xué)家

●隨著電子設(shè)備體積越來越小、功能越來越多，納米技術(shù)的影響也在日益加強(qiáng)，這是因?yàn)榧{米技術(shù)可提供厚度只有一個(gè)或幾個(gè)原子的材料。計(jì)算機(jī)科學(xué)家期盼已久的技術(shù)大變革，正在醞釀之中。

隨著電子元件的尺寸縮小到10納米甚至更小，其功能以及相關(guān)計(jì)算能力也在提高和增加，符合摩爾定律關(guān)于每個(gè)芯片容納的晶體管數(shù)量每年翻倍的預(yù)測(cè)。納米科技對(duì)電子技術(shù)的影響正在引起研究思路和工業(yè)行業(yè)內(nèi)的一場(chǎng)變革。此外，最終用戶的期盼，也是促使這個(gè)變革時(shí)代迅速來臨的一個(gè)很大的驅(qū)動(dòng)力量。

回顧硅基電子發(fā)展歷史

技術(shù)革命可能會(huì)形成對(duì)社會(huì)的一種破壞力量，但同時(shí)也是推動(dòng)社會(huì)向前發(fā)展的一種力量。18世紀(jì)工業(yè)革命導(dǎo)致了俄羅斯農(nóng)奴制度的結(jié)束，隨著歐洲人移民到“新大陸”尋找機(jī)會(huì)，刺激了工業(yè)的發(fā)展。歐洲的社會(huì)革命產(chǎn)生了一個(gè)勞動(dòng)力大軍，以及這些勞動(dòng)力所需要的教育事業(yè)的發(fā)展。1957年人造衛(wèi)星上天導(dǎo)致美國(guó)政府迅速加大了對(duì)科學(xué)技術(shù)研究的支持力度，重視提高勞動(dòng)大軍的受教育程度，以期趕超俄羅斯所取得的成就。當(dāng)時(shí)，許多年輕人努力學(xué)習(xí)科學(xué)和工程學(xué)知識(shí)，在政府的資金資助下，建立了許多創(chuàng)業(yè)公司，將自己一些創(chuàng)意和想法付諸實(shí)施。

1967年，因工程系主任戈登·布朗（Gordon Brown）的原因，我有幸在麻省理工學(xué)院（MIT）為工程師們教授固體物理學(xué)，二次大戰(zhàn)期間的經(jīng)歷對(duì)布朗產(chǎn)生了極大的影響，他堅(jiān)信固體電子學(xué)快速發(fā)展的重要性，并相信硅基電子學(xué)將為電子設(shè)備提供更新水平的功能和效率。這首先體現(xiàn)在太空計(jì)劃上，然后是對(duì)社會(huì)的更廣泛的影響。他和麻省理工學(xué)院校長(zhǎng)杰羅姆·魏斯納（Jerome Wiesner）都是對(duì)美國(guó)政府發(fā)展技術(shù)能力頗有影響力的顧問，美國(guó)政府以發(fā)展技術(shù)為本，幫助歐洲和亞洲在二次大戰(zhàn)破壞后進(jìn)行災(zāi)后經(jīng)濟(jì)重建。

1960年至1990年期間，美國(guó)政府開始慢慢刺激固體電子學(xué)的發(fā)展，設(shè)立了國(guó)家納米技術(shù)研究項(xiàng)目，雖然之前一些實(shí)力強(qiáng)大的工業(yè)實(shí)驗(yàn)室，如貝爾實(shí)驗(yàn)室、國(guó)際商用機(jī)器公司（IBMP）、貝爾通信研究所（Belcore）和通用電氣研究實(shí)驗(yàn)室，都已經(jīng)開始這方面的研究，這些實(shí)驗(yàn)室紛紛在大學(xué)里物色這一領(lǐng)域內(nèi)有才華的科學(xué)家和工程師。作為新增加就業(yè)機(jī)會(huì)的應(yīng)對(duì)措施，政府方面對(duì)科學(xué)家和工程師教育培訓(xùn)的支持力度也在急劇加大。隨著硅谷私營(yíng)企業(yè)的成長(zhǎng)和發(fā)展，對(duì)畢業(yè)生的需求也在增加，一些較小規(guī)模的技術(shù)中心在美國(guó)遍地開花。在聯(lián)邦政府、地方政府和當(dāng)?shù)毓I(yè)行業(yè)的支持下，區(qū)域性的納米科技研究中心蓬勃發(fā)展起來?？茖W(xué)學(xué)科的發(fā)展導(dǎo)致對(duì)高等教育的需求日益增加，先是歐洲，然后是南美和亞洲，大批年輕人才紛紛移民來到美國(guó)。

所有這些活動(dòng)，很大程度上都努力維持了摩爾定律向前發(fā)展的趨勢(shì)，即縮小電子設(shè)備的體積大小、增加電子設(shè)備的功能、降低計(jì)算操作的成本。功能的增多和成本的減少反過來促進(jìn)了工業(yè)行業(yè)的計(jì)算機(jī)控制能力，以及電子產(chǎn)品、通信、自動(dòng)化和信息存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展。這場(chǎng)革命對(duì)美國(guó)國(guó)內(nèi)人們的日常生活產(chǎn)生了很大的影響，包括對(duì)兒童玩具和兒童行為的影響，以及對(duì)戶外游戲和鍛煉模式變化的影響。

展望未來納米技術(shù)前景

在電子學(xué)和納米電子學(xué)發(fā)展的助力下，這樣的技術(shù)革命將繼續(xù)向前發(fā)展。可以預(yù)想的是，科學(xué)技術(shù)的新發(fā)現(xiàn)不僅將會(huì)繼續(xù)保持下去，繼續(xù)增長(zhǎng)的速度還會(huì)越來越快。一些工程師和科學(xué)家認(rèn)為，以目前的模式繼續(xù)向前發(fā)展是不現(xiàn)實(shí)的。當(dāng)電子器件的尺度達(dá)到10納米時(shí)，目前以硅為基礎(chǔ)的設(shè)備器件和研究策略很快就會(huì)達(dá)到自然限制的極限，并將為單分子電子器件所替代。同時(shí)，計(jì)算機(jī)科學(xué)家正在開發(fā)更加高效的軟件，以與尺寸日益縮小的電子設(shè)備相匹配。

計(jì)算機(jī)科學(xué)家現(xiàn)在想要問的是，當(dāng)摩爾定律發(fā)展模式放緩之時(shí)，會(huì)發(fā)生什么。計(jì)算機(jī)科學(xué)家所倚仗的硬件技術(shù)主要是建立在硅材料之上的，導(dǎo)致了如今設(shè)備制造者和計(jì)算機(jī)行業(yè)巨頭之間想法的差距。很顯然，計(jì)算機(jī)科學(xué)家將要與跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)產(chǎn)生更多的交集，如材料科學(xué)家、工程師和大學(xué)社區(qū)的合作，以及與行業(yè)和國(guó)家實(shí)驗(yàn)室內(nèi)互補(bǔ)合作伙伴的合作等。所有參與其中的科學(xué)家，都將在這種合作關(guān)系中帶來不同的能力、實(shí)用的儀器和專業(yè)知識(shí)。青年學(xué)生將受益于這種由聯(lián)邦資金支持的科研活動(dòng)的大環(huán)境。此外，可能在國(guó)際專業(yè)協(xié)會(huì)的促進(jìn)下，世界各地也涌現(xiàn)了許多類似的發(fā)展模式，如歐洲的“未來和新興技術(shù)旗艦項(xiàng)目”等，美洲和亞洲也有這類項(xiàng)目。

材料科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的一場(chǎng)革命正在醞釀之中，納米新材料很可能成為未來電子器件和計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備的基礎(chǔ)材料。研究人員目前正在開發(fā)的主要集中于能給電子產(chǎn)品帶來新功能的新材料。過去十年里，電子器件材料的研究發(fā)展主要集中于二維層狀材料，如石墨烯，這些材料擁有硅技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的一些功能，而以硅材料為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展則是摩爾定律的主要聚焦點(diǎn)。多層石墨烯可以像石墨一樣以伯納爾的疊加順序堆疊，也可以是相鄰層之間以不同扭角相對(duì)于其晶體軸的堆疊，通過這種堆疊方式可達(dá)到控制其一些物理屬性的目的。

但這還不是納米科技通過碳納米結(jié)構(gòu)所能做的一切。窄寬度的長(zhǎng)石墨烯帶在邊緣結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出更高的載體密度，邊緣結(jié)構(gòu)差異的特性可以在載體密度可控的等離子體電子器件中得到開發(fā)利用。同樣的，石墨烯不同邊緣產(chǎn)生的不同的磁性，也可以用于磁性設(shè)備的不同邊緣的配置上。

得到廣泛關(guān)注與研究的石墨烯已成為納米科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)參考材料。與單層石墨烯相比較，雙層和多層平面內(nèi)導(dǎo)電性能較高，而平面間導(dǎo)電性能極低。單層與雙層、多層石墨烯電子性能之間的差異，是其被采用作為納米計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)重要原因。

目前，其他一些層狀材料也被引入電子產(chǎn)品的應(yīng)用之中。由于單層石墨烯平面內(nèi)的電導(dǎo)率較高，以及較大的能量帶隙（～5 eV）和非常平坦的表面結(jié)晶形式，半導(dǎo)體六角氮化硼（h-BN）受到了很大的關(guān)注。此外，h-BN還具有類似于石墨烯的晶格常數(shù)。由于以上這些原因，h-BN已成為研究界代替其他層狀材料的一種常用基質(zhì)。

研究人員對(duì)層狀過渡金屬硫化物（TMD）投入了大量的研究，因其擁有大量可用的過渡金屬和硫族元素種類。為一系列實(shí)際應(yīng)用量身定制的TMD材料可具備各種不同的電氣和熱性能，擁有定制電子、光學(xué)和熱等多種性能組合的更多選擇，包括一些低對(duì)稱性分層材料，如磷烯（Phosphorene，一層磷）和其他分層材料類別內(nèi)的平面各向異性材料。

顯然，這種分層納米片的應(yīng)用在電子和計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用還處于一個(gè)甚至比以石墨烯材料應(yīng)用于電子產(chǎn)品還更初級(jí)的階段，這些分層次超薄材料是否能夠成為摩爾定律所指硅材料的繼任者，目前還未可知。但不久我們就可以看到，進(jìn)軍這一領(lǐng)域的一些成功的創(chuàng)業(yè)公司，以及投入的實(shí)際應(yīng)用，可能很快就會(huì)對(duì)未來電子、光學(xué)和機(jī)械設(shè)備以及計(jì)算機(jī)科學(xué)產(chǎn)生巨大的影響。

積極進(jìn)取的、受過良好教育的員工隊(duì)伍對(duì)于未來納米科學(xué)和納米技術(shù)的前景極為興奮，由于上面所敘述過的，我曾親歷過的技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的兩次早期重大變革，我個(gè)人也為這一領(lǐng)域內(nèi)取得的進(jìn)步感到興奮。現(xiàn)在看來，下一場(chǎng)技術(shù)革命的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。研究界的許多想法正在浮出水面，更廣泛的、不斷擴(kuò)大的、經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)豐富的勞動(dòng)力大軍正在形成。為讓科學(xué)造福人類社會(huì)，政府和私人資助機(jī)構(gòu)紛紛建立了學(xué)術(shù)界、工業(yè)和國(guó)家實(shí)驗(yàn)室之間的合作，在許多情況下，還包括一些國(guó)際上的合作。

[資料來源：Nature Nanotechnology][責(zé)任編輯：彥隱]