做小的艺术 [复制链接]

做小的艺术
    【美国《科学美国人》月刊9月号文章】题：把东西做小的艺术（作者　乔治·怀特赛兹　克里斯托弗·洛夫）
    “把它做小！”是一句改变了世界的命令。微电子技术的发展——先是晶体管，然后是晶体管做成的微处理器、存储芯片和控制器——带来了一大批信息处理装置。微电子器件依赖的技术，通常在100纳米的直径上建造各种结构。这虽然只相当于头发直径的千分之一，但从原子和分子角度讲却很大。比如，一条直径100纳米的线路内横向排列着大约500个硅原子。
    无论从科学挑战还是从实用的角度，制造只有一个或几个原子的“纳米结构”都有极大的吸引力。近年来，科学家已经了解各种制造纳米结构的技术，但他们还刚刚开始研究纳米结构的性能和潜在应用。
    传统方法
    研究人员当然可以用纳米结构制作电子元件，但是最重要的应用可能却不在这方面。例如，生物学家可以把纳米级的粒子用作微型传感器去研究细胞的情况。由于科学家还不知道自己最终想制造什么样的纳米结构，他们也没有确定制造纳米结构的最佳方式。可以通过改进光刻法来制造小于100纳米的结构，但这样做非常困难，而且代价昂贵。
    未来的纳米芯片
    电子业对开发纳米制造的新方法很感兴趣，因为这可以让该行业继续一种趋势：制造更小、更快、更便宜的装置。但是，由于传统光刻法的难度随着结构直径的缩小而加大，制造商正在探索制作未来纳米芯片的替代技术。
    一种很有希望的技术就是电子束刻法。研究人员用这种技术在一张硅底面的光刻胶上写下了只有几纳米宽的“字行”。但是，现有的电子束装置非常昂贵，而且对大规模生产并不适用。由于制作每个结构都需要电子束，这一过程就像是抄写一份手稿，每次只能写一行。
    如果电子不是答案，那答案又是什么呢？另一种有潜力的方法，是用波长在0·1至10纳米的X光或波长在10至70纳米的远紫外光进行蚀刻。但这些方法不能制作出便宜的纳米结构，因此无助于让纳米技术为更大范围的科学家和工程师服务。
    对更简单、更便宜的纳米结构生产方法的需求，促使人们研究电子业没有尝试过的简单方法。我们最初是从90年代开始对这个问题发生兴趣的。当时，我们正在生产微流体系统中所需要的简单结构：有凹槽的芯片，这些凹槽用于盛放液体。这种“芯片上的实验室”在生物化学方面具有无穷的潜力，可以完成从药品检查到遗传分析等各种工作。微流体芯片的制造方法既简单又便宜，许多微流体芯片都使用了有机聚合物和凝胶：在电子学领域可找不到这些材料。我们发现，类似的技术可用于制作纳米结构。
    从某种意义上说，这种方法意味着技术上的倒退。我们没有使用光和电子等物理学上的工具，而是利用了日常生活中熟悉的机械过程：印、压、塑、凸。这种技术称作软蚀刻，因为它们共用的工具是一块聚二甲基硅氧烷（PDMS）：我们常用这种材料来堵塞浴缸周围的缝隙以防止漏水。
    软蚀刻技术可以利用多种材料制作纳米结构，包括生物研究所需的复杂的有机分子。这种技术还可以在平坦或弯曲的表面上印制各种模式。但是，这项技术对复杂的纳米电子元件所需的结构却并不理想。
    摆布原子
    目前的纳米科学革命开始于1981年，以探针式扫描显微镜的发明为标志。国际商用机器公司苏黎世研究实验室的海因里希·罗雷尔和格尔德·宾尼希凭着这项发明荣获1986年的诺贝尔物理学奖。探针式扫描显微镜的成功带来了其他许多扫描探测装置，包括原子力显微镜。这些装置不仅可以帮助科学家观察原子世界，还可以用来制造纳米结构。比如，原子力显微镜的顶端就可用来在表面上移动纳米粒子并将其按某种模式摆放，或者在一个表面上擦划。
    一种有趣的探针式扫描制造法称作“蘸水笔蚀刻”。这种技术的工作原理很像鹅毛笔。它可以把多种不同的分子用作“墨水”，为纳米级刻写带来很大的化学灵活性。研究人员尚未确定这种技术的最佳应用，但一个想法是把它用于精确的电路设计修改。
    自上而下和自下而上
    上述各种形式的蚀刻都是自上而下的方法：也就是说，它们从较大规模的模式开始，然后缩小横向距离，接着再刻出纳米结构。在制造像微芯片一类在功能上更依赖模式而非尺寸的微电子装置时需要使用这种办法。但是，没有任何一种自上而下的方法是理想的：它们都不能方便、低廉、迅速地制造出任何材料的纳米结构。于是，研究人员开始对自下而上的方法越来越感兴趣。这种方法从原子或分子开始，再升级到纳米结构。这些方法可以便宜、简单地制作出最小的纳米结构，其直径在2纳米至10纳米。
    纳米制造的未来
    人们对纳米结构的兴趣是如此强烈，以至于每一种可行的技术都在检验之中。虽然目前的大部分工作都由物理学家和化学家进行，生物学家或许也能做出重要贡献。比如，细胞内部的“纳米机器”也许就能为研究人员提供重要线索。总而言之，关于纳米制造的种种设想来自四面八方，汇成一场自由参加的令人惊奇的发现之旅。