“你不是开玩笑吧？”
1999年3月，美国物理学会成立100周年庆典暨学术讨论会在美国亚特兰大举行。听说本世纪以来所有的诺贝尔物理奖获得者都将到会（已经去世的当然除外），参加者特别踊跃，最后统计竟达12000人之多，堪称近代学术界一大盛会。除了全体会议之外，这10000多人分布在48个分会场中听报告。这种分布当然不会平衡。然而，那几个听众最为爆满的会场，自然就是那些当前物理学研究方面最为关注的热点了。笔者经过实地的观察，发现题为“有机电子材料和器件”的分会场，12个半天都是人头济济，甚至站在会场外面和走廊缝隙中听讲的人也不少。
那么有机电子器件是什么东西呢？有人通俗地把它称为“塑料电子学（plastic electronics）”。塑料？自从1940年杜邦发明了尼龙之后，世界上出现了上千种塑料，它们直接参与了人们生产和生活的各个方面：从塑料袋到农用薄膜，从的确凉到CD唱片，从厨房用品到塑钢门窗，大家对此已非常熟悉。然而一般对塑料的普遍印象是它有很好的机械性能（如强度和展性），很好的化学惰性，而在电学方面的性质是它具有优良的绝缘性能，是制造电器或电缆方面不可或缺的材料，在微电子方面则用于封装。而现在居然已经可以把塑料做成半导体，然后以此制备晶体管和集成电路等电子器件，这就使有些人大吃一惊：“塑料半导体？你不是开玩笑吧？”
然而，实际上塑料真的是可以导电的。已经发现它的电导率覆盖了从绝缘体到导体的全部范围（大体上相当于从玻璃到铁）。例如一类称为“共轭聚合物’的特殊材料，可以根据掺杂的程度而成为半导体或导：体。比之于常用作集成电路元件的无机材料硅，有机材料有很多优点：它们不仅可用作半导体，也像塑料一样耐用和柔韧，价格低廉，还可以做在塑料基板上。
塑料集成电路
用塑料半导体制造的晶体管通常采用薄膜场效应管（FET）的形式。这种器件的工作原理与真空三极管十分相似：两个电极“源”和“漏”之间的通、断由第三个电极“栅”引入的电子和空穴的沟道来控制。晶体管的运作速率取决于半导体材料中载流子的运动速度，或称为迁移率。制作晶体管的塑料半导体，其场致迁移率要求每伏大于0.1平方厘米/秒。从理论上来说，提高它的迁移率要依靠聚合物链紧密靠拢，以便电子从一个链跳到另一个链，因此薄膜必须结构有序、材料纯净。从目前的研究成果看来，各种有机材料中，用真空制备的并五苯（pentacene）薄膜其迁移率已达到上述每伏0.1平方厘米/秒的要求，缺点是价格较贵。另一种多晶的有机半导体材料，已达到每伏0.23平方厘米/秒，缺点是需要多步合成，而且要很繁的纯化工艺。当然，这些指标与单晶硅相比还有很大距离，但考虑到塑料半导体的研究工作开始不久，这些成绩还是令人振奋的。举例来说；并五苯单晶的迁移率在室温时可达每伏1.9平方厘米/秒；在低温时可达到80平方厘米/秒。因此改进薄膜性能的余地还很大，而且还可能有新的材料不断地被发现。
半导体的开关速率，除了正比于前节所述的迁移率外，还反比于沟道长度的平方。因此除了高的迁移率外，还要求很短的沟道才能得到快速的效果。制备构成集成电路用的晶体管，沟道长度在1微米左右。于是第一个要求就是如何用一种简单的工艺来制造这种沟道。
解决个要求的方案结果又是出人意料的一一用印刷的办法。各种塑料半导体或绝缘体都可以按某种花样一层一层地印上去，最后成为一个完整的集成电路。当然，关键是用印刷的办法能得到多细的线宽。目前国外已做到小于1微米，而且正在继续改进中。
为了增加集成度，研制硅集成电路的技术人员正在辛苦地开发三维（有高度的）集成电路，或称“集成块”。这种设想是完全正确的，但难度非常高，要多层薄膜、多次刻蚀，而且套模要求极其精确，还有材料的兼容性问题。而塑料集成电路由于具有柔韧性，因而可以印刷在一条带子上，然后把这条带子按中国折扇的办法折叠起来，再加以钉固，就是三维的全塑料集成块。一旦成功，它可以完全不用繁复而困难的工艺，生产成本就可大大下降。想不到中国的古代文化还可以在最新的技术中发挥作用！
集成电路一般有四个组成部分：即基板、运算器、存贮器和导线。塑料集成电路的基板就是塑料；塑料晶体管则用来制备运算器和存贮器（这一点我们下面还要谈到），然后还要有导线。导线的制备除印刷法外，还有一种方法是把多层薄膜叠合起来，冲以小孔，再把液态的导电塑料注入，固化后就成为垂直的连接导线。荷兰已首先用这种办法做成一个“15位数码的可编程编码发生器（PCG）”。这块集成电路芯片包括326个晶体管，面积为27平方毫米，最小线宽为5微米。这还仅仅是开始。
我们再回过来讨论一下存贮器。大家知道可以用半导体晶体管做存贮器。然而，也可以不用半导体而使用电双稳材料。在一定电场的作用下，这种材料可从原来的绝缘态直接跃迁为导电态，相当于计算机存贮器中的“0”、“1”两种状态。电场就是用于信息的“写入”。这种存贮器的结构十分简单：在互相正交的两层平行导线之间夹有一层电双稳薄膜，每一交叉点就构成一个存贮点（位）。如果导线的宽度为0.5微米，导线之间的距离也是0.5微米，即导线的“周期”为1微米，那么，每厘米就有10000条分立的平行导线，则此存贮器的存贮密度就是每平方厘米10000×10000即100兆位（Mb）。
然而，这并非一件轻易的工作。它要求的电双稳材料必须在室温下即可发生双稳态的快速转变（跃迁）。跃迁的临界电压（称为“阈电压”）按一般电路的要求为4～6伏，跃迁前后的电导率变化必须十分明显（约100万倍），而跃迁时间最好小于0.1微秒。当然还要加上一条：在正常使用温度下（<100℃）材料不会改变性能或自动蒸发掉。已经发现，有些金属原子与有机分子结合在一起的“络合物”能全部满足上述条件。在电场作用下，在它们内部可以产生电荷转移而改变导电性能。具体地说，如果金属送一个电子给有机分子，这络合物就会从绝缘态转变为导电态；反过来如有机分子送回这个电子，则络合物又会恢复绝缘态。这种络合物存贮器由于工作原理是电荷转移而不是载流子迁移，因此原则上比半导体存贮器的工作速率要快得多。此外，已成为导电态的电双稳材料在取去外加电压后不会自动恢复到绝缘态，因此具有非易失性（nonvolatile）的特点。从设计的观点来看，它的有效工作面积几乎是100%，因此存贮密度比同一线宽的硅集成电路大。从工艺上来看，它的成品率不会像硅集成电路那样随面积的增长而作指数下降。还因为使用有机材料而不用硅单晶，工艺简单、成本低廉。
有机纳米电子器件
集成电路的集成度越高，要求图形的尺寸就越小，一般用最小线宽来表示。我国现在生产的半导体集成电路最高指标为0.35微米，国外现为0.18微米，正在研究0.16微米和0.13微米的电路。估计到2005年左右可以商品化。
如果再进一步发展，使线宽小于0.10微米（即100纳米），则现行的光刻掺杂等半导体工艺就很难适应，某些材料的基本性能也会因量子效应逐步显现而发生改变。由此形成一个新的研究领域，被称为“纳米电子器件”。
要实现纳米电子器件有好几种方案。例如前几年十分引人注意的单原子操纵技术就是从物质尺寸的极限一一原子作为客体而设想的，美国、中国和日本都取得了不少重大成果。然而，这种技术需要在超高真空中进行，而其结果又不能与现行的集成电路相容，因此离开实用化的目标实际上还很远。目前国际上比较一致的意见倾向于研究开发线宽为50纳米左右的器件并以此设定一些通用的工艺方法。也就是说，先做现有集成电路的进一步微型化延伸。然而，即使是50纳米的有机纳米电子器件，其组成部分的实施方案与前述塑料集成电路也是完全不同的。在制备工艺方面，要用到扫描隧道显微镜（STM）。这是一种能够观察到原子分辨级图像的显微镜。它的发明人是IBM公司的比尼格（G. Binnig）和鲁勒（H. Rohrer），曾以此获得1986年诺贝尔物理奖。STM的主要结构是一个针尖很细的、能够作微区扫描的探针。当加有电压的针尖与导电的固体表面十分靠近时，根据量子力学理论，针尖将发射隧道电流，而电流的大小与距离的指数成反比。换句话说，距离愈靠近，电流增长得愈厉害，所以在针尖扫描时从电流的大小就可以知道表面的起伏，以此得到放大倍率极大、甚至可分辨单个原子位置的“超显微像”。
四个组成部分中首先碰到问题的是基板，即器件做在什么东西的上面。单晶硅片的表面是清洁、平整而有序的，而如果用塑料就会发生一个问题：塑料的结构实际上是无序的。大多数塑料的结构，用外国人的话来说，像一盘意大利面条；用中国的成语来说，则以“一团乱麻”最为确切。这种表面如果用超倍的显微镜如STM来看，是大有丘壑。这样，你如何可以把纳米器件做上去呢？所以首先要解决的便是平整有序的塑料表面。到目前为止，解决得最好的办法就是用STM来完成的。原来STM针尖上所加的电压并不大，一般为1伏数量级，但因为针尖和样品靠得非常之近，大约为1纳米左右，因此电场强度很高，达到每米10亿伏以上。所以STM的针尖又是一个提供强电场的工具。我国的研究工作者发现，如果用某种有机单体滴在石墨表面上，然后放到这个针尖提供的强电场下去扫描，它可以在空气中、室温下、在没有任何催化剂或触发剂的情况下自动聚合为塑料薄膜。这已经是够奇怪的了。但更为奇怪的是：这种薄膜如果继续受到强电场的扫描，它的结构就会逐渐有序化，最后成为一种具有十分规整图案的结构，类似于无机材料的单晶薄膜。这种方法是我国首先在1995年提出来的。
第二组成部分是运算器。在这一方面，前节所介绍的塑料半导体材料原则上无问题，而且由于纳米电子器件的沟道比一般的集成电路还要短得多，所以在这里使用现有的塑料半导体就可以达到更大的速率，得以用其所长。在工艺设计方面则还要借助于计算机控制的STM。
第三组成部分是存贮器。在这一方面可以利用STM和电双稳材料制备特大容量的电盘存贮器。大家知道，常用的光盘存贮器的容量最终取决于“写入”和“读出”用的激光光斑的作用范围，直径在100纳米数量级。但如用STM的针尖在电双稳薄膜表面“写入”和“读出”信息，则作用范围容易做到直径为5～10纳米，因此存贮密度更大。但是，由于目前所有的商品STM用的都是利用电致伸缩的直角坐标扫描器，扫描面积过小（平方微米级），总存贮量不大，因此至今未能有实用的样品问世。然而，如把STM的传动机构改为用一种特殊方式实现的极坐标扫描装置，就可以构成一种电盘存贮器，其存贮容量可以高达数百吉位（Gb），相当于数10张DVD。缺点是存贮的信息不能擦除重写，因此只适于用作写人一次的非易失性存贮器或电编程只读存贮器（EPROM）。
第四组成部分是纳米宽度的导线。这种导线的制作是一个非常特殊的问题，因为金属导线在间距小于100纳米时，将因金属原子的表面徙动而形成导线之间短路。为此人们一直致力于研究不含金属原子的“导电聚合物”来克服这一一缺点。但迄今为止尚未能制成宽度为1～50纳米的导线。
一种新的制备纳米宽度有机导线的方法如下所述：工作基质采用电双稳材料，在真空中蒸发到绝缘基板上，使之成为均匀薄膜；然后，把基板放入大气中的STM工作室，在选定的区域上，用人工或计算机操纵STM针尖位置，使它在带电状态下扫描。扫描的范围可以是直线、曲线或者其他图形。选择合适的针尖电压和扫描速度，针尖电场就会使扫描过的部分发生跃迁，即原来为绝缘态的材料变为导电态，从而在绝缘基板上获得真正的纳米有机导线或导电图形。这种方法是我国首先在1996年提出来的。然而由于制备导线用的电双稳材料不能含有金属，所以前述金属有机络合物是不适用的，而必须用全有机络合物。但只要求能一次性“写入”，无需擦除重写。这种全有机络合物也是我国首先发现的。最近我国研究人员还首次发现某些单纯的有机材料（非络合物或聚合物）在室温时也具有双稳态，这也是出乎意料的。优点是它们的单一成分使导线基质薄膜的制备工艺更为简单。
应当指出，以上的四个组成部分，到目前为止，尚未完成它们的接合（尤其是电盘存贮器还不能去除机械装置），因而还未能得到一块完整的、有一定功能的纳米级器件。所以这还只是一种超前的设想。但在当前以知识经济为特征的信息社会中，从研究开发到产品设计的速度非常快，而且还可能会出现其他更好的方案。因此我们不难估计到，在21世纪初期这种新的电子器件可能就会有所突破。这是我们大家所企盼的。
有机与无机：争夺还是互补？
由于塑料和其他有机材料做集成电路有很多优点，且价格低廉（有人估计仅为硅集成电路的1%至10%），因此国际上很多电子仪器公司都在抓“塑料电子”这个扩展着的研究领域。作为新兴产业的第一步，塑料电子器件将取代硅器件用于比较简单和适于大量生产的集成电路。首先受到冲击的将是各种IC卡，如个人身份证、公路收费系统、医疗档案、仓储物品标示等；如用于电子条形码，则可容纳更多的商品信息，而且可以遥测。再下去则会逐步转到更复杂的各种电路。
我们还应当注意到，除了集成电路以外，在“塑料电子”的家族中，还有三个重要的内容。一是有机电致发光材料，可用作平面光源和平面显示器。二是光致折射材料，这种材料在适当强度的光照下会改变其折射率，而形成透镜作用（称为“全光透镜"），有望用于光通讯和未来的集成光路。此外高密度可录写光盘的存贮材料也开始使用有机的光致变色材料，因为要提高存贮密度就要用更短波长的光束（如蓝光），而很多相变型无机多元合金存贮材料的相变主要依靠热效应，它们不能适应短波长辐照的需要。
以上各项有机材料都在挤兑传统的无机材料。可以设想，21世纪将用上全塑料电路的移动电话或掌上电脑，它们掉在地上不会坏，捡起来用就可以了。汽车里全球定位系统和智能化表板将又轻又便宜，而且不怕颠簸。大尺寸的平面电视屏可卷起来从一个房间带到另一个，所以在1999年《物理学世界》杂志发表一篇署名文章说：
“当学生在物理课上被讲到凝聚态物质和材料时，他们大多数学习金属、合金、半导体和其他无机材料。有机和分子材料一般是限于化学和生物学的。但在未来，当聚合物和其他分子材料发展到能发光和导电时，它们将同时在基础物理和工业应用方面产生冲击。在将来，学生们可能将在用有机发光体照明的教室里、在计算机的有机显示屏上学习凝聚态物理，那时硅将仅限于历史书中。”
当然，这可能只是一种极端的估计。因为人类在改造自然的过程中所创造的任何东西，以后是否能长期存在，完全是一种由于需求而引起的选择。在晶体管刚出来的时候，很多人就认为电子管从此以后将被完全淘汰，但实际上半个世纪过去了，电子管至少还正被大量用作电视机和计算机的显示器，这是因为使用阴极射线管时每一像素的价格迄今还是最低的。此外在微波管和大功率发射管领域内，半导体迄今尚无立足之地。简单地如家家户户用的微波炉还在使用磁控管。由此可见，在21世纪内塑料电子器件同硅器件可能还要长期共存相当长的一段时间，它们应当是互补而不是互斥的。
至于有机纳米电子器件的实用化和产业化，那还是未来的事情。目前世界各国科研人员对此所从事的研究，严格地说只是初步的准备。这一方面与硅集成电路不同：我国与国际上同时起步，并无很大的差距。这既是机遇，又是挑战。可喜的是，我国有些单位已开始认真的研究，而且初步取得一些具有自主知识产权的成果，为进一步研究发展打下了良好的基础。因此大家会很自然地提出一个问题：“今后我国能否在塑料电子的某些方面在国际上领先？”
不论您的答案如何，21世纪内总能见分晓。然而切不可忘记：努力把“创新”的内容写人科学的历史是中华民族过去的骄傲，也是今后的责任。