这个问题很棘手,因为“纳米技术”是一个如此广泛和模糊的术语。四位研究人员来信表达了他们对纳米技术含义的看法以及我们何时开始从中受益。
斯坦福大学电气工程教授詹姆斯·D·普卢默回复
“很难给出这个问题的确切答案,因为‘纳米技术’这个术语没有明确的定义。它对不同的人意味着不同的事情。也许‘纳米结构’最广泛的定义是,其物理尺寸小于0.1微米,即100纳米(十亿分之一米)。根据这个定义,集成电路将在本世纪初不久后符合纳米结构的资格。目前的集成电路的最小尺寸约为0.35微米。根据目前的开发速度,人们预计到2005年左右,各公司将大规模生产尺寸约为0.1微米的集成电路。这些数字是指用于定义集成电路中图案的横向尺寸。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章,请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅,您正在帮助确保有关当今塑造我们世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
“此外,当前集成电路的垂直尺寸已经小至5到10纳米。(这大致是当前MOS晶体管中最常见的晶体管的栅极绝缘层厚度。)因此,如果仅用尺寸来定义纳米技术,那么我们每个人今天都在看到它的实际好处。”
“然而,当许多人想到纳米技术时,他们想到的是其他更奇特的设备:纳米机器或医疗应用,例如,微型机器在血液中循环,清除动脉中的脂肪沉积。此类技术还很遥远,可能至少要25年。在这些类型的应用中,问题往往在于为纳米技术定义一个有用、适当的应用,而不是实际构建纳米结构。”
纽约大学化学系纳德里安·C·西曼提出了另一个观点
“这是一个非常广泛的问题,至少包含两个歧义。第一个歧义在于‘纳米技术’的含义。对大多数人来说,纳米技术意味着对化学成分进行智能引导的组合,用于在化学尺度上制造物体和设备,就像我们在宏观尺度上制造它们一样。这种程序在实践中与普通化学有何不同?在我看来,根本没有。化学家试图结合理论原理和实践经验来组装分子,从而塑造具有所需结构和化学性质的分子。这也是纳米技术人员所做的。”
“结构的要素是关键。纳米技术的结构目标通常比制造单个分子更雄心勃勃。纳米技术人员通常希望制造相同的或复杂的分子阵列,有时其规模将超越微观的边界并接近宏观。实现这一目标有两种不同的方法,“自上而下”和“自下而上”。自上而下的方法以使用扫描探针显微镜技术构建物体和分子阵列的科学家为例。自下而上的方法以设计根据化学相互作用规则结合在一起的二维和三维化学系统的研究人员为例。自上而下方法的优势在于其精湛的精度,但其缺点是缺乏广泛的并行性——它实际上需要一个接一个地操纵原子和分子。相比之下,自下而上的方法是高度并行的。”
“已经存在一个非常成功的纳米技术系统:我们称之为生命。纳米技术的所有目标都已经存在于生命系统中,我们大多数纳米技术应用的尝试都可以称为仿生,即将生命系统的结构原理应用于不同的化合物,或将生命系统的化合物用于不同的目的。例如,在我们纽约大学的实验室中,我们使用分支DNA分子的类似物(在基因重组过程中发现的)来形成棒状多面体,一个立方体和一个截断的八面体,其边缘由DNA双螺旋组成。多面体是由分支分子组装而成的,这些分支分子因细胞用于指导遗传密码复制的相同的粘性末端氢键而结合在一起。正如我们的工作一样,生命系统倾向于在纳米尺度而不是大多数化学家工作的埃尺度上制造其结构成分。”
“第二个歧义涉及‘实用’一词。如果任何科学进步对任何人都有任何用处,我都认为它是实用的,尽管其他人可能会有不同的看法。我们实验室的近期关键目标是将棒状多面体组装成周期性阵列,以解决大分子晶体学的关键问题,即结晶问题。我们希望通过粘性末端结合组装我们的多面体,以便它们衍射X射线,从而晶体学家可以确定它们的结构以及包含在多面体内的适当定向分子客体的结构;我们希望能够在五年内形成这些阵列。届时,应该可以在确定生物分子的结构方面取得重大进展,这将具有潜在的生物医学影响。对我来说,这是一项实际的好处。”
印第安纳州西拉斐特普渡大学化学系的克利福德·P·库比亚克和杰森·I·亨德森添加了以下联合回复
“我们距离从纳米技术中获得实际利益还有多远,实际上取决于正在考虑纳米技术的哪个方面。一些纳米技术人员设想在纳米(十亿分之一米)尺度上设计的齿轮、凸轮轴和马达。其他人则想到其最小特征为几十纳米的集成电路。还有一些人将化学‘自组装’视为从尺寸为0.5到5纳米的分子构件中构建更大的功能结构或设备的一种手段。然而,所有这些研究人员都有一个共同的目标:制造比现在可用的任何东西都小的设备。”
“一般来说,构建非常小的东西有两种不同的方法:(1)在现有结构中蚀刻、凿刻或雕刻小的特征,或(2)从更小的结构中构建微小的结构。纳米技术的研究可以根据采用哪种方法进行分类。第一组的人员正在使用诸如扫描隧道显微镜、原子力显微镜、电子束光刻和其他形式的光刻之类的技术来定义非常小的特征,甚至达到原子尺度(0.1纳米)。微型齿轮、微型传感器和更小的集成电路只是通过这种方法制造的少数几个物体。另一组人员正在通过操纵分子成分来构建更大的结构,这个过程称为化学自组装。单电子晶体管、纳米级金属或半导体团簇的高度有序阵列以及可以传输亚微米级图案的微接触印章是第二种方法最近取得的一些突破。”
“半导体工业协会已经最详细地考虑了真正的实际利益将在未来多远的问题。半导体工业对计算机处理器速度和信息存储密度的巨大改进具有最大的商业利益,这些改进将由纳米级设备实现。英特尔奔腾处理器的最小特征目前约为350纳米(0.35微米)。该行业的‘国家半导体技术路线图’将70纳米的最小特征尺寸设定为到2010年实现的目标。路线图的形象为纳米技术研究和开发提供了一个很好的概念模型。成熟的现有技术是高容量的超级高速公路。但是,下一代技术可能会出现在1996年仅有的未改善的道路、人行道或未开辟的道路上!人们普遍认为,通过对当今光刻工艺的逐步改进无法实现70纳米的目标。”
“可能需要范式转变,从而彻底改变逻辑和存储设备的最基本架构。《大众科学》最近的一篇文章(《蓝光CD技术》,罗伯特·L·冈索尔和阿尔托·V·努尔米科,1996年7月)描述了蓝光CD技术。该技术将用460纳米波长的蓝色激光代替现有的820纳米波长的激光技术,从而大大增加可以容纳在光盘上的数据量。贝多芬的全部九首交响曲可以从一张音频CD中播放,而不仅仅是一首交响曲。显然,这项技术类似于铺好的道路,它可能很快就会得到广泛应用。而一个根本性的范式转变,例如利用非线性‘阶梯’电流-电压响应(只有在纳米结构材料中才可能实现)的单电子晶体管,可能需要很多年的时间才能从模糊的人行道变成类似道路的东西。”
“我们要感谢罗纳德·安德烈斯(化学工程)、苏普里约·达塔(电气工程)、罗伯特·冈索尔(电气工程)、大卫·詹姆斯(电气工程)和罗纳德·赖芬贝格(物理学)教授在准备这些评论时提供的许多有益的意见和建议。感兴趣的读者可能想查阅这些参考资料。”
通过微接触印刷在弯曲基板上制造亚微米特征。《科学》,第269卷,第664-666页;1995年8月4日,作者:R. J. 杰克曼、J. L. 威尔伯和G. M. 怀特赛兹。
自组装分子纳米结构中室温下的“库仑阶梯”。《科学》,第272卷,第1323-1325页;1996年5月31日,作者:R. P. 安德烈斯、T. 贝恩、M. 多罗吉、S. 冯、J. I. 亨德森、C. P. 库比亚克、W. 马霍尼、R. G. 奥西钦和R. 赖芬贝格。
通过用于 TiOx/Ti 系统的扫描隧道显微镜纳米氧化工艺制造的单电子晶体管的室温操作。《应用物理快报》,第68卷,第1号,第34-36页;1996年1月1日,作者:K. 松本、M. 石井、K. 濑川、Y. 冈、B. J. 瓦尔塔尼安和J. S. 哈里斯。