這個問題很棘手,因為“奈米技術”是一個如此廣泛和模糊的術語。四位研究人員來信表達了他們對奈米技術含義的看法以及我們何時開始從中受益。
斯坦福大學電氣工程教授詹姆斯·D·普盧默回覆
“很難給出這個問題的確切答案,因為‘奈米技術’這個術語沒有明確的定義。它對不同的人意味著不同的事情。也許‘奈米結構’最廣泛的定義是,其物理尺寸小於0.1微米,即100奈米(十億分之一米)。根據這個定義,積體電路將在本世紀初不久後符合奈米結構的資格。目前的積體電路的最小尺寸約為0.35微米。根據目前的開發速度,人們預計到2005年左右,各公司將大規模生產尺寸約為0.1微米的積體電路。這些數字是指用於定義積體電路中圖案的橫向尺寸。
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“此外,當前積體電路的垂直尺寸已經小至5到10奈米。(這大致是當前MOS電晶體中最常見的電晶體的柵極絕緣層厚度。)因此,如果僅用尺寸來定義奈米技術,那麼我們每個人今天都在看到它的實際好處。”
“然而,當許多人想到奈米技術時,他們想到的是其他更奇特的裝置:奈米機器或醫療應用,例如,微型機器在血液中迴圈,清除動脈中的脂肪沉積。此類技術還很遙遠,可能至少要25年。在這些型別的應用中,問題往往在於為奈米技術定義一個有用、適當的應用,而不是實際構建奈米結構。”
紐約大學化學系納德里安·C·西曼提出了另一個觀點
“這是一個非常廣泛的問題,至少包含兩個歧義。第一個歧義在於‘奈米技術’的含義。對大多數人來說,奈米技術意味著對化學成分進行智慧引導的組合,用於在化學尺度上製造物體和裝置,就像我們在宏觀尺度上製造它們一樣。這種程式在實踐中與普通化學有何不同?在我看來,根本沒有。化學家試圖結合理論原理和實踐經驗來組裝分子,從而塑造具有所需結構和化學性質的分子。這也是奈米技術人員所做的。”
“結構的要素是關鍵。奈米技術的結構目標通常比製造單個分子更雄心勃勃。奈米技術人員通常希望製造相同的或複雜的分子陣列,有時其規模將超越微觀的邊界並接近宏觀。實現這一目標有兩種不同的方法,“自上而下”和“自下而上”。自上而下的方法以使用掃描探針顯微鏡技術構建物體和分子陣列的科學家為例。自下而上的方法以設計根據化學相互作用規則結合在一起的二維和三維化學系統的研究人員為例。自上而下方法的優勢在於其精湛的精度,但其缺點是缺乏廣泛的並行性——它實際上需要一個接一個地操縱原子和分子。相比之下,自下而上的方法是高度並行的。”
“已經存在一個非常成功的奈米技術系統:我們稱之為生命。奈米技術的所有目標都已經存在於生命系統中,我們大多數奈米技術應用的嘗試都可以稱為仿生,即將生命系統的結構原理應用於不同的化合物,或將生命系統的化合物用於不同的目的。例如,在我們紐約大學的實驗室中,我們使用分支DNA分子的類似物(在基因重組過程中發現的)來形成棒狀多面體,一個立方體和一個截斷的八面體,其邊緣由DNA雙螺旋組成。多面體是由分支分子組裝而成的,這些分支分子因細胞用於指導遺傳密碼複製的相同的粘性末端氫鍵而結合在一起。正如我們的工作一樣,生命系統傾向於在奈米尺度而不是大多數化學家工作的埃尺度上製造其結構成分。”
“第二個歧義涉及‘實用’一詞。如果任何科學進步對任何人都有任何用處,我都認為它是實用的,儘管其他人可能會有不同的看法。我們實驗室的近期關鍵目標是將棒狀多面體組裝成周期性陣列,以解決大分子晶體學的關鍵問題,即結晶問題。我們希望透過粘性末端結合組裝我們的多面體,以便它們衍射X射線,從而晶體學家可以確定它們的結構以及包含在多面體內的適當定向分子客體的結構;我們希望能夠在五年內形成這些陣列。屆時,應該可以在確定生物分子的結構方面取得重大進展,這將具有潛在的生物醫學影響。對我來說,這是一項實際的好處。”
印第安納州西拉斐特普渡大學化學系的克利福德·P·庫比亞克和傑森·I·亨德森添加了以下聯合回覆
“我們距離從奈米技術中獲得實際利益還有多遠,實際上取決於正在考慮奈米技術的哪個方面。一些奈米技術人員設想在奈米(十億分之一米)尺度上設計的齒輪、凸輪軸和馬達。其他人則想到其最小特徵為幾十奈米的積體電路。還有一些人將化學‘自組裝’視為從尺寸為0.5到5奈米的分子構件中構建更大的功能結構或裝置的一種手段。然而,所有這些研究人員都有一個共同的目標:製造比現在可用的任何東西都小的裝置。”
“一般來說,構建非常小的東西有兩種不同的方法:(1)在現有結構中蝕刻、鑿刻或雕刻小的特徵,或(2)從更小的結構中構建微小的結構。奈米技術的研究可以根據採用哪種方法進行分類。第一組的人員正在使用諸如掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、電子束光刻和其他形式的光刻之類的技術來定義非常小的特徵,甚至達到原子尺度(0.1奈米)。微型齒輪、微型感測器和更小的積體電路只是透過這種方法制造的少數幾個物體。另一組人員正在透過操縱分子成分來構建更大的結構,這個過程稱為化學自組裝。單電子電晶體、奈米級金屬或半導體團簇的高度有序陣列以及可以傳輸亞微米級圖案的微接觸印章是第二種方法最近取得的一些突破。”
“半導體工業協會已經最詳細地考慮了真正的實際利益將在未來多遠的問題。半導體工業對計算機處理器速度和資訊儲存密度的巨大改進具有最大的商業利益,這些改進將由奈米級裝置實現。英特爾奔騰處理器的最小特徵目前約為350奈米(0.35微米)。該行業的‘國家半導體技術路線圖’將70奈米的最小特徵尺寸設定為到2010年實現的目標。路線圖的形象為奈米技術研究和開發提供了一個很好的概念模型。成熟的現有技術是高容量的超級高速公路。但是,下一代技術可能會出現在1996年僅有的未改善的道路、人行道或未開闢的道路上!人們普遍認為,透過對當今光刻工藝的逐步改進無法實現70奈米的目標。”
“可能需要正規化轉變,從而徹底改變邏輯和儲存裝置的最基本架構。《大眾科學》最近的一篇文章(《藍光CD技術》,羅伯特·L·岡索爾和阿爾託·V·努爾米科,1996年7月)描述了藍光CD技術。該技術將用460奈米波長的藍色雷射代替現有的820奈米波長的雷射技術,從而大大增加可以容納在光碟上的資料量。貝多芬的全部九首交響曲可以從一張音訊CD中播放,而不僅僅是一首交響曲。顯然,這項技術類似於鋪好的道路,它可能很快就會得到廣泛應用。而一個根本性的正規化轉變,例如利用非線性‘階梯’電流-電壓響應(只有在奈米結構材料中才可能實現)的單電子電晶體,可能需要很多年的時間才能從模糊的人行道變成類似道路的東西。”
“我們要感謝羅納德·安德烈斯(化學工程)、蘇普里約·達塔(電氣工程)、羅伯特·岡索爾(電氣工程)、大衛·詹姆斯(電氣工程)和羅納德·賴芬貝格(物理學)教授在準備這些評論時提供的許多有益的意見和建議。感興趣的讀者可能想查閱這些參考資料。”
透過微接觸印刷在彎曲基板上製造亞微米特徵。《科學》,第269卷,第664-666頁;1995年8月4日,作者:R. J. 傑克曼、J. L. 威爾伯和G. M. 懷特賽茲。
自組裝分子奈米結構中室溫下的“庫侖階梯”。《科學》,第272卷,第1323-1325頁;1996年5月31日,作者:R. P. 安德烈斯、T. 貝恩、M. 多羅吉、S. 馮、J. I. 亨德森、C. P. 庫比亞克、W. 馬霍尼、R. G. 奧西欽和R. 賴芬貝格。
透過用於 TiOx/Ti 系統的掃描隧道顯微鏡奈米氧化工藝製造的單電子電晶體的室溫操作。《應用物理快報》,第68卷,第1號,第34-36頁;1996年1月1日,作者:K. 松本、M. 石井、K. 瀨川、Y. 岡、B. J. 瓦爾塔尼安和J. S. 哈里斯。