超越微电子 [复制链接]

超越微电子
    【美国《科学美国人》月刊9月号文章】题：令人难以置信的压缩电路　（作者　查尔斯·M·利伯）
    我们是否真的需要继续制造更小的电路？硅微电子元件的微型化是如此的势不可挡，以至于这个问题很少引起人们的注意———也许只有当我们买了一台新电脑，在离开商店的时候却发现它已经过时了的时候才会有所注意。目前最新型的微处理器有4000万个以上的晶体管。到2015年，这一数字将会接近50亿。然而，在未来的20年中，这一迅猛的发展势头将受到科学、技术和经济发展水平的限制。
    如字面含义所示，微电子元件指的是边长仅有1微米的元件（但最新的元件已经缩小到几乎只有100纳米）。超越微电子元件意味着仅仅把元件缩小为原来的十分之一到千分之一是远远不够的，它还涉及我们对把一切组合在一起的看法出现的模式转换。
    微电子元件和纳米电子元件都需要三个层次的结构。最基本的材料通常是晶体管或纳米替代品，这是一种可以控制电流并放大信号的转换器。
    下一个组成部分是互连器——连接晶体管以进行算术和逻辑运算的导线。
    最高层次是工程师们所说的体系结构———晶体管互连的整体方法，这样线路就可以插入计算机或其它系统，进行独立于较低层次具体组成部分的操作。尽管纳米电子学研究人员还没有开始试验不同的体系结构，但是我们确实了解他们将能够利用怎样的能力，以及需要弥补怎样的不足。
    然而，在其它方面，微电子元件和纳米电子元件是完全不同的。很多人认为，从一方转到另一方需要从自顶向下的制造方法转为自底向上的方法。
    缩小的机器
    早在25年前，IBM公司的阿维·阿维拉姆和西北大学的马克·A·拉特纳就在一篇开创性的论文中提出在电子设备中使用分子。他们认为，通过调整有机分子的原子结构，就有可能制造出晶体管状的设备。但是他们的想法一直停留在理论上，直到最近化学、物理和工程学的先进成果集合在一起才解决了这一难题。
    去年，实验证明数以千计的分子聚集在一起能够实现金属电极之间的电子转移。每个分子宽约0·5纳米，长至少为1纳米。
    尽管技术的细节不同，但是两种分子的转换机制都被认为涉及一种很好理解的化学反应———氧化还原反应，在此过程中，电子在分子内部的原子间发生转移。氧化还原反应在分子中形成纽结，阻碍电子运动，就如同软管缠结时阻碍水流一样。
    本人在哈佛大学的研究小组主要研究细长的无机金属导线，而不是有机分子。最著名的例子是炭纳米电子管，其直径通常仅有约1·4纳米。这些纳米级金属导线不仅能够比普通的金属导线传输更多的电流，而且还可以作为微晶体管。同时作为互连器和元件，纳米金属线具有一石二鸟的作用。纳米金属线的另一优势是可以利用相同的基本物理过程作为标准的硅微电子元件，这使其更易理解和操作。
    最后，我的工作小组研制了一种完全不同的转换器，一种纳米级的机电继电器。
    热导电线
    纳米电子管的主要问题在于它们很难统一尺寸。因为极其微小的一点直径变化就能导致导体与半导体的不同，一大批的纳米电子管中可能只有很少一部分能作为有用的设备。
    本研究小组还致力于另一不同类型的纳米级金属导线的研究，我们称之为半导体纳米金属导线。它大约和炭纳米电子管差不多大小，但是其组成更容易得到精确的控制。合成这些金属导线，我们从金属催化剂入手，这决定着增强的导线的直径，并作为理想原料的分子聚集的场所。随着纳米导线的增强，我们加入化学搀杂剂（增加或减少电子的混杂物），以此控制纳米导线是n类（有多余电子）还是p类（缺少电子）。
    打破僵局
    建立分子和纳米级设备库仅仅是第一步。实现这些设备的互连和整合也许才是更大的挑战。首先，纳米级设备必须使用分子级导线连接。到目前为止，有机分子设备已经实现与平版印刷术所带来的传统金属导线的连接。要替代纳米级导线并不容易，因为我们不知道在此进程中如果不破坏这些微小导线，该怎样建立良好的电子连接。使用纳米导线和纳米晶体管作为设备和互连器将解决这一问题。
    第二，一旦元件与纳米导线连接，纳米导线本身必须成为二维排列。正如树枝和圆木能顺河漂流，纳米级导线也能使用流体将其排成平行线。在实验室中，我们使用了乙醇和其它方法，使液体通过塑成聚合体块的管道而控制其流动，这些聚合体块可以轻松地放在我们想要装配设备的底面上。
    这个过程实现了在液体流方向上的互连：如果液体只按一条管道流动，那么平行纳米导线就形成了。如要增加其它方向的导线，我们就调整液体流向，重复这个过程，逐步建立另外的纳米导线层。
    与所有这些努力紧密联系的是体系结构的发展，这种发展最好地利用了纳米级设备和自下而上装配能力的特点。尽管我们可以制造数目极大的便宜的纳米结构，但是设备的可靠性远不如其微电子同类物，并且我们生产与组装的能力仍然十分低下。