↑↑人类学家说，你我同属现代直立人，大概２０万年前由智人变过来。历史学家将这２０万年分为石器时代、铜器时代和铁器时代。社会学家宣称现在到了信息时代。想一下，还是历史学家深沉。人类的物质文明归根到底是器具的制作和使用，以材料作为文明阶段的标识再简明不过了。↑↑↑ ↑

↑↑信息时代的特征性材料是硅，按历史学家的论法，与石器时代相对，当代应该叫硅器时代。１９４７年发明了晶体管，１９５７年发明了集成电路。硅器件集成度↑↑↑(↑↑↑单位面积硅片上的晶体管数量↑↑↑)↑↑↑的“日新月异”造就了信息时代的日新月异。如果有一天，集成度无法继续提高，我们会坐视困在硅中吗按照人类的主流价值观，答案是：不，绝不↑↑↑ ↑

↑↑在集成电路发明近５０年的时候，科学界认为硅极限一天天浮现，碳取而代之的可能性最大。↑↑↑ ↑

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↑↑硅极限↑↑↑ ↑

↑↑２０万年以来，虽然已经从石器时代进步到硅器时代，但人类对材料加工的原则没有根本变化↑↑↑--↑↑↑都是以总量相当大的原子或分子作为处理对象。机械加工如此，化学加工也是如此。进步仅仅在于每次处理的原子或分子总量在不断减少。硅器时代的摩尔定律最能体现这种进步。↑↑↑ ↑

↑↑摩尔定律是１９６５年由戈登·摩尔↑↑↑(↑↑↑ＧｏｒｄｏｎＭｏｒｒｅ↑↑↑)↑↑↑提出来的，他说集成电路里晶体管数量每１８个月翻一番。２５年来，现实与摩尔的预言非常一致。↑↑↑ ↑

↑↑摩尔定律会一直有效吗换句话说，在单位面积硅片上集成的晶体管数量会达到极限吗什么时候到极限科学界普遍认为摩尔定律不会永远有效，０↑↑↑.↑↑↑０５μｍ或５０ｎｍ是现代半导体工艺的极限，而Ｉｎｔｅｌ的最新工艺是０↑↑↑.↑↑↑１３μｍ，硅极限将在１０～１５年内到达。↑↑↑ ↑

↑↑硅器件的基础是硅原子组成的晶体。晶体中硅原子不连续的能级构成了能量带，半导体中的电子在能量带中运动。能带的能量远远大于硅原子能级的能量，它会使电子从原子的特定能级中逸出。如果硅片上晶体管尺寸非常小，能带导致的电子逸出就会产生相邻晶体管之间严重漏电，造成电子开关无法“关断”。另外晶体管尺寸过小也给散热造成巨大困难。这些物理性的难题会使提高硅器件集成度的成本越来越高，直到最后市场无法承受。有人预测，硅器件生产线成本到２０００亿美元时就是硅极限。↑↑↑ ↑

↑↑不过从石器时代走过来的现代直立人还有许许多多没有实现的梦想。２０万年铸就的自信，使这种动物绝不会甘心困在硅中。↑↑↑ ↑

↑↑碳纳米管↑↑↑ ↑

↑↑２０万年以来，人类对材料的处理可以归结为对大量分子、原子的“批处理”。如果我们能移动单个原子、分子会怎么样呢移动碳的原子，可以得到钻石，移动泥土里的分子，就能直接得到粮食。原子与分子的尺寸均在纳米的量级，但长期以来，纳米尺度一直被视为禁忌。↑↑↑ ↑

↑↑人们认为根据量子理论的测不准原理，原子不能精确地定位于空间某一点，所以不可能对单个原子进行操作。↑↑↑ ↑

↑↑１９５９年，两位诺贝尔奖获得者首度挑战纳米禁忌。费曼↑↑↑(↑↑↑ＲｉｃｈａｒｄＦｅｙｎｍａｎ↑↑↑)↑↑↑写道：没有一条物理定律阻止我们按自己的意愿安排原子。赫伯↑↑↑(↑↑↑ＡｒｔｈｕｒｖｏｎＨｉｐｐｅｌ↑↑↑)↑↑↑不仅提出分子工程的概念，还预言了建造纳米装置的可行性。↑↑↑ ↑

↑↑１９８５年巴基球↑↑↑(↑↑↑Ｃ６０↑↑↑)↑↑↑的发现振聋发聩，令全世界的科学家大吃一惊。物理书上明明白白地写着，碳只有钻石和石墨两种形态。可是柯尔↑↑↑(↑↑↑ＲｏｂｅｒｔＦ↑↑↑.↑↑↑Ｃｕｒｌ↑↑↑)↑↑↑等八位科学家在这一年１１月的《自然》杂志上发表了一篇文章，宣称通过实验和理论计算，碳还有一种新的形态：由６０个碳原子组成的足球形状的空心分子。他们把新发现的碳分子叫做巴基球↑↑↑(↑↑↑也叫富勒烯↑↑↑)↑↑↑。１９９６年，柯尔等三位科学家因此获诺贝尔化学奖。巴基球的物理化学性质如何如何利用如何制备顿时成为研究热潮。↑↑↑ ↑

↑↑饭岛，日本ＮＥＣ公司基础研究实验室的研究人员，读到柯尔的论文时，立刻明白了１９８０年那张电子显微镜照片上显示的原来是巴基球。５年前，他用电子显微镜分析碳膜，拍下了一系列使人茫然的奇怪同心圆。１９８７年饭岛在《物理化学杂志》的论文上说：我亲眼看见了由６０个碳原子构成的巴基球。↑↑↑ ↑

↑↑１９９１年，饭岛宣布发现碳纳米管，再次震撼科学界。１９９０年他让石墨电极在氩气中放电，负极上出现了一些针状物质。在电子显微镜下，这些物质其实是嵌套在一起的碳原子构成的同心小管状分子，这就是多壁碳纳米管。１９９３年，ＮＥＣ和ＩＢＭ的研究人员又发现了单壁碳纳米管分子。想像一下：把一层膜似的石墨卷成小筒，从中间切开巴基球，再把切开的两个半球当小帽子扣在小筒两端，就成了碳纳米管的样子。↑↑↑ ↑

↑↑碳纳米管很轻，很稳定，直径为１～２ｎｍ，长度可达１ｍｍ。按管壁生成过程的不同，碳纳米管分为金属性和半导体性两种，金属性纳米管导电率相当高，而半导体性纳米管的带隙↑↑↑(↑↑↑ＢａｎｄＧａｐｓ↑↑↑)↑↑↑较大，是优良的半导体材料。以现在的制备方法，金属性和半导体性的纳米管同时生成，混合在一起。↑↑↑ ↑

↑↑在以后的时日里，如何利用纳米管成了纳米电子学研究的难题。这个时期评论家对纳米技术大加讽刺：人们广泛谈论的巴基球产业实质是大量生产纳米科学论文。不论评论界话说得如何刻薄，科学成就却是不可否认的事实。２０万年以来，人类第一次将对材料的处理锁定在单一分子。↑↑↑ ↑

↑↑碳器件↑↑↑ ↑

↑↑碳纳米管可用做半导体，这对信息技术是个好消息。人们估计，用碳纳米管制成器件，其晶体管密度可比当前最先进的０↑↑↑.↑↑↑１３μｍ硅器件高６万倍。这意味着碳器件处理器的性能潜力几乎无限。于是，在查清碳纳米管的机电特性以后，研究转入开发碳器件。↑↑↑ ↑

↑↑ＩＢＭ与ＮＥＣ合作，于１９９８年在实验室里，用一根半导体性的碳纳米管制成了场效应晶体管。这只晶体管的衬底由硅制成，它是管子的栅极。源极和漏极是用金做的。研究人员用原子力显微镜↑↑↑(↑↑↑ＡＦＭＡｔｏｍｉｃＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ一种仪器，用它极细的尖端能移动、弯曲甚至切断碳纳米管。↑↑↑)↑↑↑在三个极间放置了一根碳纳米管。这只场效应管的性能不错，当栅极电压变动时，源极漏极间的电导↑↑↑(↑↑↑电阻的倒数↑↑↑)↑↑↑变化１０万倍，是个说得过去的电子开关。在这之后，其他研究单位也制成了在原理或结构上有所不同的晶体管。↑↑↑ ↑

↑↑今年８月，ＩＢＭ又宣布制成了输入为“０”时，输出为“１”的非门器件。在硅器件中，非门由一个Ｐ－型和一个Ｎ－型晶体管组合而成。但碳纳米管都是Ｐ－型半导体。研究人员想了很多办法，比如在碳纳米管中加入其他元素，希望制备Ｎ－型碳纳米管，但效果都不理想。ＩＢＭ的研究人员发现，其实只要在真空中将Ｐ－型碳纳米管加热，就能将其变为Ｎ－型。他们还发现，如果只加热纳米管的一端，这一端就变成Ｎ－型，而未加热的一端仍是Ｐ－型。有了这根两型纳米管，用ＡＦＭ将它放在事先做好的基底上，就制成了一个非门器件。↑↑↑ ↑

↑↑除了Ｐ－型变成Ｎ－型，制作非门器件还有一个问题：金属性和半导体性的纳米管混合在一起。用简单的方法将两者分开，是走向碳器件工业化生产必须解决的另一个难题。ＩＢＭ的研究人员将纳米管放在硅片上，再在纳米管外印上金属电极，并将硅用做另一个电极。在两极间加上电压使半导体性纳米管处于“关断”状态，金属性纳米管由于电流过大氧化烧毁，剩下的就是纯净的半导体性纳米管。↑↑↑ ↑

↑↑２００１年制成了碳器件，与人类其他一切器具的根本不同在于它的核心仅一个分子。↑↑↑ ↑

↑↑站在量产的门口↑↑↑ ↑

↑↑碳器件目前所处的状况与１９５７发明集成电路时的情况类似，其成果的意义主要是原理和概念的验证。碳器件已经走到了量产的门口，ＩＢＭ的研究人员认为有可能量产性能优良的５０ｎｍ以下的碳器件。↑↑↑ ↑

↑↑ＩＢＭ在分离半导体性纳米管上取得的成果对量产意义重大；根据碳器件的结构，现在硅工艺也是碳器件量产的重要基础。不过，国际市场上碳纳米管的价格是黄金的１０倍；ＩＢＭ制作碳器件用的ＡＦＭ也不适合大批量生产。下一步的重点已经转入工艺的研发。↑↑↑ ↑

↑↑何时信息产品能换上碳器件也许５年，也许１０年，不能肯定。所能肯定的是，现在看来，硅以后，碳器件的可能性最大。↑↑↑ ↑

↑↑站在碳器件量产的门口，纵览２０万年岁月，可以这样宣布：是的，人类的器具制作已经进入分子水平。↑↑↑