实验室一个人无聊，发个伪学术贴。

 

不可否认的，在Jack Kilby所带领下的集成电路时代已经对人类社会的每一个角落产生了天翻地覆的改革。小到手机，mp3，大到无线电视，卫星通讯，集成电路引领的风暴刮向了每一个我们可以想到的范围。早在十年前，我们约人见面靠事先说好时间和地点，若是到了时间对方还未出现，此时会选择去旁边的公共电话亭往家里拨个电话。往往对方的父母会说，已经出去了啊，此时只能继续郁闷的继续等待，等到自己不耐烦了，然后怅怅然回家，晚上再一对，发现原来是等错了地方，两下懊恼。如今的我们早已经对这样的生活无法接受。时候不到，一个电话call过去，得知对方还在路上。over。

 

从这个角度来说，尽管除了集成电路以外，Jack Kilby终生几乎碌碌无为，但是获得2000年的炸药奖还是实至名归的一件事情。

 

我们醉心于整个集成电路技术的发展。它就像一个庞大的金字塔，无论是氧化扩散，还是光刻封装，等等，每一个步骤都看起来是那样的完美，将上一个步骤和下一个步骤有机的结合在一起。而设计也和制造完美的融合在了一起。如今我们根本不需要计较到底我们还是否看得清单个的晶体管，也不需要分清一个多层互联结构到底已经发展到了多少层。我们只需要在器件小型化的道路上继续走下去便是了。尽管在量子隧穿的影响下，似乎正在面对小无可小的窘境。但是Moore定律被怀疑了那么多次又都挺了过来，我们似乎也没有什么对这次的“危机”付出太多忧虑的必要。

 

而今天我要来谈谈的，是在我们所熟知的一个集成电路的王国旁边，一个正在高速发展的纳米王国。尽管这个王国是那么的不起眼，但是我相信这是暂时的，二十年三十年后，它们会像狂风骤雨一样冲击着我们传统的观念和生活，把人类所有安然的东西--包括手机和ipod都搞的天翻地覆--可能它才是未来人类生活的真正统治者。

 

首先来看看纳米是什么概念。纳米指的是在量纲上接近几百个纳米极其以下的物质。除了我们现在所听闻已久的纳米线/纳米管以外，这个概念的内涵早已丰富的发展了起来--包括纳米晶体，纳米带，纳米螺旋，纳米洞（我也不知道nanocube应该翻成啥……），等等。根据在空间各个方向的量纲，可以分为0维的--量子点(quantum dot)，以及准0维的--纳米晶体，1维的--纳米线/纳米管/纳米带，等等。

 

目前的纳米技术早已经摆脱了最初纯理论研究其性质的年代，今天的纳米技术如同钱江大潮一般汹涌而来，其发展速度之快，构思之巧，观点之新，令人瞠目结舌。

 

先举一个我们熟悉的概念--MOSFET。如今一个CMOS技术必须面对的问题就是如何进一步的提高速度。从设计的角度来说，我们可以（次数省略若干字以免班门弄斧），从工艺的角度来说，我们采用铜互联，或者低介电常数的层间介质。从这个意义上来讲，减小的只是延时，但是它不是能够大幅提高速度的方式。

 

一个新的概念--纳米线(Nanowire,NW)/纳米管(Nanotube,NT)场效应晶体管出现了。其原理相当简单。一种类型我们称之为Schottky型晶体管。我们把纳米线和纳米管看成是一根半导体，两边接触金属形成一个金半接触。当然两边的接触都必须是Schottky接触而非欧姆接触，那么当中间的纳米线的电势受到栅的控制时，两边的Schottky势垒高度同时上升和下降，同时上升便是阻止载流子的过势垒，便是截止，反之便是导通。由于这种结构经常把栅做的像一个鱼后背上的鳍，所以又叫鳍场效应晶体管(FinFET)。（p.s.鳍管的名字是我发明的-.-）

 

这样的结构好处在哪里？由于导电沟道是一维的纳米线/管本身，所以载流子可以高速的通过，我们称之为弹道传输(ballastic transport)，其迁移率可以达到Si-MOSFET中的几十倍。

 

如果仅仅从这个例子来看，纳米技术的影响还仅仅是一个米粒的大小，无法撼动集成电路王国如帝国大厦一般的宏伟建筑。但是晶体管的应用只是冰山一角，对于整个纳米王国来说，它只是很小的一块缩影。集成电路最大的一个局限性在于--所有电路都是有源器件--也就是说，手机必须充电，ipod没有电池就不能响--当然谁也不希望手掌大小的数码相机上接一个脸盆那么大的太阳能电池。可能有人问，那么纳米结构就不用电了么？纳米结构也需要用电，但是它可以自己发电，这就是纳米结构的神奇之处了。

 

今年4月《Science》杂志刊发的佐治亚理工学院王中林教授发明成果--纳米发电机轰动科学界。原理很简单，利用氧化锌纳米线的压电性质，（所谓压电性质就是氧化锌纳米线本身的形变导致电势变化）那么日常生活中随处可见的震动都可以成为电能的来源。整个发电机的结构小而精巧，令人拍案叫绝。它使得很多停留在人们想象之间的东西在不久的将来可以成为现实。比如在人体内植入的任何医学装置就不再需要电池，可以利用人走路的震动，血液对于血压壁的压力，呼气产生的震动，一切都能成为纳米发电机电能的来源--当然这个能量并不是无中生有，而是利用大千世界中无处不在的机械能。

 

与IC的另一个相关的概念叫做"top-down"。相信大家也对这个概念熟悉。我们在设计IC时都是从上往下，系统级，RTL级，门级，晶体管级，（不知道有没有记错-.-）逐层而下。但是有意思的是，在纳米王国中则是完全相反，它走的却是一个bottom-up的路线，也就是对于纳米结构的集成来说，它走的是一个搭积木的过程，由此引发了一个新的概念:self-assembly structure，自组装结构.利用化学原理，在热能/电能/化学能的驱动下，使得纳米结构按照我们事先预想的那样，自发形成一个预定的结构。尽管就目前来说，这个技术远不及以硅为代表的IC集成技术来的成熟，但是这个概念的出现标志着纳米结构走向集成时代。

 

纳米结构还有什么好处？几乎通过这样一个纳米的概念可以整合所有的学科。时下一个有意思的东西叫做集成光学--希望把光子器件集成在同一个衬底上。为什么要集成光学而不是集成电路？一个最明显的好处就是光的传播不需要任何介质--从而可以有效减少传输过程中的延时以及能量损耗问题。那么什么可以把电路和光路从一个更为宏观的角度上集成在一起？真相只有一个--纳米结构。氧化锌之所以作为现在研究最为广泛的纳米材料，原因就是它不仅仅在电学上是一种良好的半导体，而且有光致辐射的效应，3.37eV的禁带宽度也决定了在常温下就可以由紫外激发而释放出光子。从而成为了将集成电路和集成光学合二为一的最佳材料。此外，纳米结构还是对于其他很多学科来说极其重要的概念。2001年的Science上有一片讲纳米钳概念的文章，就是用一个纳米级别大小的钳子能够夹起单个病毒。但是我对生物和化学方面就不懂了，也谈不出什么心得体会。

 

最近读了不少和纳米结构相关的文献和书，最早对纳米的概念只是一个在体积上很小的材料而已，但是现在看来，纳米结构却隐隐然有与和集成电路分庭抗礼的趋势。尽管我对这些东西的了解相当相当的有限，但是这几天一个最大的心得就是，纳米科技绝对不仅仅是小打小闹，一个新的伟大帝国正在被建设中。目前在和IC类似的这个纳米领域中研究的就是三块

1.纳米结构的合成和表征--如何在各种工艺参数下合成各种形状各种材料的纳米单元，like building blocks

2.纳米结构的自组装--如何把基本纳米机构结合在一起，让他们形成有一个基本功能的功能单元

3.纳米结构的应用--发电机，各种传感器，镊子，。。。

值得骄傲的是，在这个领域，许多走在最前沿的科研工作者都是中国人。

 

结论1：做IC的--无论还是工艺或者设计的，要有危机感

结论2：要适当了解这个领域，把IC和纳米的优势结合起来。

熟悉Nanotechnology的人应该都听过这个名字，在我眼里就是和Harvard的Dr.Lieber（土称李伯）并称南王北李的两大泰斗级学者。 多亏了30号zcq的迟到使得我无意间发现了Dr.Wang将来复旦报告的消息。我对老王的敬仰已久，想来我和老王注定也得见一面，6月份xc和我说老王来中国了，可惜是北京。7月初的时候实验室贴出纳米论坛的消息，看到与会专家的名录，老王又赫然在列，可惜在成都，并且4000大洋的报名费也算不菲，想想作罢。可是最后老王还是来了复旦，对于我来说，难道冥冥间也真的有这样的巧合？

 

我对于这次见面的憧憬远胜过去见林丹以及大二那次BSB的演唱会，于是这几天又潜下心来把老王的publications再看一些。老王的pub如同长江之水滚滚来，光是list就可以看到大脑爆炸。所以，我就仅仅把science上的看了一下，两篇Review看了一下。的确，说到老王在这个领域最杰出的贡献，是ZnO在纳米发电机中的运用，一个巧妙的结构就可以实现。在这个结构的驱动下，任何植入体内的纳米结构--比如起搏器，血压计，等等，不再需要外界的功能，简单运动人走路呼吸产生的振动就能工作。

 

关于这个结构的原理我之前早就明白，去年6月份的那片Science就已经把这个原理用在AFM探针上了。看完赞绝。今年4月又提出了改进版，一个完整发电机的结构，又一片science，看完无比感叹。今天重看Review，老王对此归结只有两点--“ZnO is a unique material that simultaneously exhibits semiconducting and piezoelectric properties. The coupling of these two properties can realize some unique functions that can never been achieved by other materials.”

 

一者半导体特性，二者压电特性。如果在中国学生的笔记中，可能只会出现在某一个提纲的下方，有多少人会去想到两者的结合就是未来人类生活方式的巨大改变？或者包括我在内已经习惯于对待任何书或者文献的机械阅读，掌握精髓，却很少去思考。打个最现实的比方，就在我第一次看到讲发电机的文章的时候，还不曾想到就是这两者的结合导致了idea的诞生。

 

诚然，压电决定了机械能和电能的转换，半导体决定了Schottkey contact的实现从而确保了电流的有向传输。over.

 

越想越觉得这是一个上帝赏赐的结合。光凭这一点，这个入选全球年度十大科技成果足够。呵呵，6号的时候是要抓紧和老王多聊聊了，争取在学术境界上有提高，哈哈！