当传统硅芯片向其物理极限冲刺时，研究人员正在通过化学途径探寻下一代小型电路——

隧道扫描显微镜

绝对不能说“高技术”就像环绕在黄色明亮的房间内踱步、从头到脚穿着连衣工作服、类似外科清洁工的计算机芯片工程师那样的见解。在洛杉矶市加利福尼亚大学（UCLA）詹姆斯 · 希思（James Heath）的化学实验室内丝毫没有这些装饰；只有几个研究生和博士后穿着常见的T恤衫和工作服，弯身坐在实验台前面。这里不是智士领地——至少迄今为止不是。

在实验内，希思和他的学生们正在研制他们梦寐以求的最小的计算机电路。这种装置看似毫不起眼，但在这里发生的可以隐隐约约看到微电子工业几十亿美元的市场前景。

希思的一位研究生，迈克 · 迪尔（Mike Diehl）从盘面拿起一个波纹状铝箔片放在有机溶剂槽里，展示了镀银的硅晶片的4个楔形部分。在每个楔形上，有和一根阶梯状电线连接的2个金质方形物。迪尔说，肉眼看不见的是，电线的阶梯部分实际是两根靠拢的平行电线，横跨其间隙处都是纳米管。每根纳米管是由碳原子组成的直径约1纳米长度或许为1微米的三维茎管。利用加在成对看不见的线路之间的电压和单个含有流动液体的阶梯，迪尔和希思实验室里其他人终于得到按照垂直行列布置这些纳米管的方法（一根接一根形成横杆布局）。下一步，希思小组打算把一层有机分子置于纳米管之间，起着类似晶体管的开关作用。如果一切顺利的话，他们便会得到一系列某些从未生产过的最小电路。

与日常半导体芯片上错综复杂的结构相比，横杆布局属于简单的东西，但给人留下深刻印象的是尺度。利用少量分子制成器件，研究人员就有可能把几十亿个晶体管融合在芯片内（超过目前技术可以达到的30倍）。

在一种有希望的排列设计中，电流在垂直的纳米电线之间通过，会改变夹在其中的有机分子的导电性

利用化学原理从下向上制造分子电路是希思实验室小组追求的目标，而不是用传统芯片制造技术把材料刻成愈来愈小的器件。但这一想法过去曾遭到批评，认为这种做法其可靠性和性能永远达不到芯片制造商的要求。然而，随着此领域开始日趋完善，它也开始重新受到重视。在过去几年里，研究人员已经利用少量单个分子制成了一系列给人留下深刻印象的芯片状器件。现在他们开始采取下一个关键步骤，把单个元件连接到更复杂的电路里。

打破定律

硅基电路一直沿着自身的稳定芯片方向发展。就过去35年而言，芯片制造商依靠缩小晶体管尺寸，每18个月就使芯片上的晶体管数量翻一番，这是一种趋势，被称为摩尔定律。今天，芯片工程师可以制造直径接近100纳米的零件，而且他们已把目光投人可以把它再缩小一半的技术方案。

有了只含有几十或几百个分子的元件，分子电路就有可能变得更小。这将明显促进摩尔定律的推广。不过，它也可以做出更多的事情。例如，可以解决使芯片制造商大伤脑筋的问题：热。利用标准的金属板印刷术把电路刻入硅里，电路的边缘便充满着缺陷。随着电路缩小，通过电路的电子容易撞上缺陷，产生不希望有的热。把太多的电路装到1个芯片上，就易烧坏。如果没有这些缺陷，预期诸如纳米管之类的分子会更好地防止电气损坏和容纳沿其长度流动的电子。

或许最重要的是，由硅换成分子同样可以打破摩尔第二定律（第一定律的推理），这个定律指出：新的芯片制造的成本随着零件变小呈指数增长。由于分子电路依赖于分子自行装配，而不是依赖于金属板印刷术，因此，自行装配“有可能先打破[摩尔第二定律]，然后打破第一定律，”宾夕法尼亚大学化学家汤姆 · 马劳克（Tom Mallouk）说。

短时间启动

把少量分子连接到逻辑装置和存储装置里的想法，存在了几乎与它们某一天可以替代的硅芯片一样长久。回溯到1974年，美国西北大学的化学家马克 · 雷特内尔（Mark Ratner）和IBM的阿里 · 艾维雷蒙（Ari Aviram）首先建议制造分子尺度的电子器件。但这在当时是一种空想，因为得不到关键的技术。在80年代中期，发明了隧道扫描显微镜，这种状况开始改变：它使研究人员能够在表面上看到单个原子，而且能够按照意愿排列它们。

这种进展促使位于休斯敦的赖斯大学的吉姆 · 图尔（Jim Tour）和其他化学家重新提出挑战。他们设计了分子结构，并计算出这些分子既可以像微小存储装置那样存储电子，也可以像晶体管控制电流在2个电极之间的流动那样明显改变其导电性。

“纳米电路是物理学家的梦想，但它却是工程师的恶梦。”1999年7月，当时希思、UCLA的小弗拉塞 · 斯托达特（J. Fraser Stoddart）和休立特-帕卡德（HP）公司合作者发表了一篇论文，描述了一个分子保险丝当遇到正确的电压时，它便改变在2根电线之间连接处俘获的分子的形状。这种变化破坏了这些分子运载电流穿过连接处的能力。就这一初步论证来说，UCLA-HP小组利用了金属板印刷术制造横杆。他们还用电线把几个开关连接在一起去执行基本的逻辑运算。这些器件工作得很好。不过，它们有一个大的缺点：一旦被拨到断开位置，它们就不可能再次被接通。

在几个月之内，图尔和耶鲁大学的马克 · 里德（Mark Reed）及其同事公布了制造可以像晶体管那样接通和断开电流的器件的独立做法。去年，UCLA-HP小组提出，把一种经过改进的有机化合物，固定在2根电线之间的连接处，也可以进行开关。

其间，截然不同的器件的相关工作是沿着各自轨道进行。在1998年，荷兰代尔夫特理工大学的物理学家西斯 · 德克尔（Cees Dekker）报告，在晶体管里，利用半导电的纳米管作为关键的电荷传导层，即所谓的通道。

德克尔的原型纳米管晶体管标志着在电气器件中使用纳米管的突破，但是工作得不太理想。其中一个原因是，在纳米管和其所连接的电极之间的电接触欠佳。然而，3月份在西托召开的美国物理学会（APS）会议上，在纽约地区IBM的T · J · 沃森研究中心的菲多 · 艾沃里斯（Phaedon Avouris）和他的同事报告，利用把纳米管端部焊接到在晶体管通道任何一端的金属电极的技术解决了这个问题。这便赋予各个纳米管可与传统硅晶体管相媲美的性能。他们还提出，用化学方法改变纳米管，使它们可以传导带负电荷的电子和带正电荷的所谓的空穴（在材料中这些空穴根本没有电子存在）。这种技艺使他们能够去制造传导电子的“n型”器件和传送带正电荷的空穴的“p型”器件。

查尔斯 · 利伯小组借助模型使纳米电线束对准液流

把它装在一起

IBM的艾沃里斯小组已经开始制造这种具有纳米管晶体管的电路。在APS会议上，艾沃里斯描述他和他的同事怎样用化学方法和传统的金属板印刷术结合起来，把一对晶体管置入一个称为变流器的简单器件里，这是更复杂电路的一个基本元件。他们还制造了一系列纳米管晶体管，尽管他们还要用电路把它们连接在一起以实现特定的逻辑功能或存储功能。

在圣地亚哥召开的美国化学会会议上，希思报告已经制成了一个16比特存储元件。此元件至今是其类型中最复杂的，使用了与迪尔用纳米管完成纳米电路相同的横杆布局。纳米电路是利用电子束金属板印刷术制造的，这是一项高分辨率仿制技术，生产效率很低，因此不适用于大规模制造。然而，希思为其小组初步成就而欢欣鼓舞。“这是第一个工作的纳米电路”，他说。希思希望在一年半之内，他的实验室将完成第一个以电子为基础的分子集成电路，它具有逻辑元件和存储电路，在计算机中能够顺利对话——0和1。

与此同时，由哈佛大学化学家查尔斯 · 利伯（Charles Lieber）领导的一科研小组，在今年初于《科学》和《自然》杂志上发表的一组文章中，称用各种半导体制造的纳米电路既可以安装在单个器件里，也可以安装在更复杂的横杆阵列里。

利伯认为，就分子电路而言，与碳纳米管相比，半导体纳米电路是更好的“积木块”，因为它们的电子特性可以更精确地得到控制。虽然纳米管既可以像金属那样导电，也可以像半导体那样导电（取决于其几何尺寸），但是至今没有办法合成一批纯净的“类型”。这就难以从每个器件得到相同的性能，利伯说。相反地，在合成期间，添加示踪量“掺杂剂”元素，半导体纳米电路的电子特性就可以精确地得到控制。这种“掺杂剂”是今日半导体芯片的基本特征，因为它允许工程师去制造n型和p型两种器件，而且在纳米尺度上同样保持精确。

在1月4日《自然》杂志上，利伯小组报告，已把n型和p型磷化铟纳米电线接人纳米尺度场效晶体管里，这些器件处于今日微电路的核心地位。而且，在2月2日《科学》杂志上，该小组描述了用n型和p型硅（今日半导体工业的主要支柱材料）制成的相关器件。

利伯和同事们表示，他们同样有能力提高复杂性程度。在1月26日的《科学》杂志上，他们认为，综合使用预制管路和胶混合物可以把纳米电线置入平行阵列、三角件和横杆（类似于希思小组制造的横杆）。

为了表明这些阵列能通电，利伯小组利用电子束金属板印刷术，把细小的电触点放到阵列中的4条电路的外界，在各个极板之间施加电压。他们指出：在他们所选择的4个连接处中任何一处都可以得到类似晶体管的性能。“利用液相，从下向上装配，我们就可以制造功能性器件。”

混合的未来？

早些时候，此领域研究人员“作了种种狂热期望"，贝尔实验室材料化学家钱德鲁斯（Chandross）说。值得特别提出的，钱德鲁斯说，分子电路研究人员注意到：工程师们将利用单个分子来制造计算器件，这是胡闹。因为单个不守规矩的分子可能破坏器件，从而使较大系统错误百出。今天，钱德鲁斯很高兴，他看到了利用全部分子在单个器件中一起工作的更现实途径。可是，“要做到这点还要走相当长的一段路。”太阳微系统公司物理学家赖克 · 莱特尔（Rick Lytel）说。

希思等人预计：就是日益完善的分子电路器件也不可能独自进入计算世界。相反，他们将形成一种混合技术：把自行装配的分子电路元件与用金属板印刷术制造的传统式硅电路结合起来。“我认为最有希望的途径是，利用金属板印刷术缩小到亚微米尺度，然后自行装配内部器件。”

即使在已形成的硅电路世界里，这种梦想也是引人注目。除休立特-帕卡德公司外，包括IBM和摩托罗拉在内的公司都开始把研究经费投向这个领域。“许多公司都在注视着这个领域，因为他们之中没有任何人愿意当技术突破来临时而措手不及。”

这些突破最终可能，或者不可能制造出比今日可能达到的高技术硅结构更小的电路。但是，如果分子电路研究人员能够让电路自行装配的话，那么这种手段将会给他们带来成本上的好处。这一点是任何芯片制造商不能忽略不计的。

[Science，2001年8月3日]