IC世代v.s.NANO王国

http://bbs.fudan.edu.cn/bbs/tcon?bid=142&f=3084991216 实验室一个人呆的无聊，发个伪学术贴，囧rz...      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200 0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，3.3 7eV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，l ike 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。

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