文章來源：老千和他的朋友們

原文作者：孫千

納米技術(shù)是一個(gè)高度跨學(xué)科的領(lǐng)域，涉及在納米尺度上精確控制和操縱物質(zhì)。集成電路（IC）作為已經(jīng)達(dá)到納米級(jí)別的重要技術(shù)，對(duì)社會(huì)生活產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。晶體管器件的關(guān)鍵尺寸在過去數(shù)十年間不斷縮小，如今已經(jīng)接近10納米甚至更小。這種技術(shù)進(jìn)步使得每個(gè)芯片可以容納更多的器件，從而實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的運(yùn)算能力、更高的存儲(chǔ)容量以及更快的運(yùn)行速度。

什么是納米技術(shù)？

美國(guó)國(guó)家納米技術(shù)計(jì)劃（NNI）對(duì)納米技術(shù)的定義非常寬泛，認(rèn)為它是"在原子或分子尺度上操縱物質(zhì)，其中至少有一個(gè)維度的尺寸在1到100納米范圍內(nèi)。"這一定義并未具體闡釋納米技術(shù)的潛力或具體應(yīng)用，這是有意為之的，因?yàn)槎x的重點(diǎn)在于從尺寸的角度提供指導(dǎo)。更易理解的定義或許可以表述為：利用簡(jiǎn)單且廉價(jià)的基本物質(zhì)單元——原子和分子，制造具有實(shí)用價(jià)值和實(shí)際應(yīng)用的產(chǎn)品的能力。

為了更形象地理解納米尺度：一個(gè)水分子的直徑約為0.1納米，一個(gè)葡萄糖分子的直徑約為1納米，一個(gè)典型病毒的直徑約為100納米，而一根人類頭發(fā)的直徑大約是105納米，而棒球的直徑則大約是108納米。因此，納米技術(shù)的下限，約1納米，相當(dāng)于自然界中基本分子的大小。

納米技術(shù)的發(fā)展歷程：從構(gòu)想到實(shí)用

納米技術(shù)的發(fā)展歷程蘊(yùn)含著人類智慧的結(jié)晶與科學(xué)探索的不懈追求。

理論構(gòu)想的萌芽

納米技術(shù)的理論基礎(chǔ)可以追溯到1959年，當(dāng)時(shí)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼在其題為《底部還有很大的空間》的演講中首次系統(tǒng)性地探討了在原子尺度上操控物質(zhì)的可能性。費(fèi)曼在演講中提出了諸多具有前瞻性的設(shè)想，包括高密度集成電路、能夠觀察原子級(jí)結(jié)構(gòu)的顯微鏡以及微型藥物遞送機(jī)器人等。回顧歷史，這些構(gòu)想已在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)芯片技術(shù)、電子顯微鏡以及智能藥物遞送系統(tǒng)的發(fā)展中得到了實(shí)現(xiàn)，證明了費(fèi)曼遠(yuǎn)見卓識(shí)的價(jià)值。

術(shù)語的誕生與概念的普及

"納米技術(shù)"一詞的正式提出要?dú)w功于日本科學(xué)家谷口紀(jì)男教授。1974年，他使用這一術(shù)語描述了半導(dǎo)體領(lǐng)域中精確到十納米尺度的薄膜制造技術(shù)，如物理氣相沉積等工藝。然而，這一術(shù)語的提出最初并未引起廣泛關(guān)注，其真正的普及要等到更晚的時(shí)期。

1986年，埃里克·德雷克斯勒出版了《創(chuàng)造的引擎：即將到來的納米技術(shù)時(shí)代》一書，使"納米技術(shù)"這一概念得到了更為廣泛的傳播。德雷克斯勒受費(fèi)曼演講的啟發(fā)，在書中提出了許多富有想象力的概念，如在一塊方糖大小的空間存儲(chǔ)整個(gè)國(guó)會(huì)圖書館的信息，或通過分子級(jí)機(jī)器在原子尺度上構(gòu)建物體。盡管這些設(shè)想被部分科學(xué)家視為科幻小說式的幻想，但該書無疑激發(fā)了科學(xué)界和公眾對(duì)納米技術(shù)潛力的思考與討論。

關(guān)鍵技術(shù)的突破與發(fā)展

納米技術(shù)的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展源于多項(xiàng)核心技術(shù)的科學(xué)突破。早在20世紀(jì)60至70年代，圖案化和成像技術(shù)的進(jìn)步為納米尺度的設(shè)計(jì)與制造奠定了基礎(chǔ)。雖然電子顯微鏡早在1931年就由恩斯特·魯斯卡和馬克斯·諾爾發(fā)明，但該技術(shù)在隨后的幾十年里發(fā)展緩慢，主要局限于實(shí)驗(yàn)室研究領(lǐng)域。直到1961年，圖賓根大學(xué)的莫倫施泰特和施派德爾利用電子束光刻技術(shù)成功制作出寬度小于100納米的線條，為后續(xù)技術(shù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

同一時(shí)期，多位研究人員開始探索電子束光刻技術(shù)在微電子器件制造中的應(yīng)用。1960年，西爾萬尼亞電子系統(tǒng)公司的塞爾文和麥克唐納發(fā)表了《電子束技術(shù)在微電子電路中的未來》一文；次年，西屋研究所的O·韋爾斯也發(fā)表了《微電子中的電子束》的研究，進(jìn)一步推動(dòng)了該領(lǐng)域的理論發(fā)展。

里程碑

20世紀(jì)80年代見證了納米技術(shù)領(lǐng)域的多項(xiàng)重大突破。1981年，比尼格和羅雷爾在IBM蘇黎世研究實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了掃描隧道顯微鏡（STM），這一創(chuàng)新使觀察單個(gè)原子首次成為可能，并為此獲得了1986年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。同年，比尼格及其團(tuán)隊(duì)又成功研發(fā)并運(yùn)行了原子力顯微鏡（AFM），進(jìn)一步拓展了納米尺度觀測(cè)的能力。

材料科學(xué)領(lǐng)域同樣取得了顯著進(jìn)展。1985年，克羅托團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了富勒烯，這一成就后來獲得了1996年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1991年，NEC公司的飯島澄男在電弧放電設(shè)備的碳煙中發(fā)現(xiàn)了碳納米管。隨后在1992年，馬加納斯工業(yè)公司的哈林頓和馬加納斯利用化學(xué)氣相沉積（CVD）工藝成功合成了碳納米管，推動(dòng)了該領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

納米技術(shù)史上的一個(gè)標(biāo)志性事件發(fā)生在1990年11月，當(dāng)時(shí)IBM阿爾馬登研究中心的唐納德·艾格勒和埃爾哈德·施韋澤利用掃描隧道顯微鏡，在鎳基底表面通過重排單個(gè)氙原子拼出了"IBM"字樣。這標(biāo)志著人類首次公開展示了操控單個(gè)原子的能力，成為納米技術(shù)發(fā)展史上的重要里程碑。

納米制造：自上而下，“雕刻”的藝術(shù)

納米技術(shù)的實(shí)施通常采用兩種主要方法之一：自上而下方法。該方法通過一系列制造工藝和技術(shù)，從較大的材料中逐步雕刻、塑造并最終形成納米尺度的元件。

自上而下方法的制造過程與集成電路（IC）和微系統(tǒng)工業(yè)中常用的工藝密切相關(guān)。其核心技術(shù)包括：

薄膜沉積：在材料表面沉積薄膜，厚度通常僅為幾個(gè)到幾十個(gè)納米。

光刻技術(shù)：利用光敏聚合物，通過圖案化處理生成所需的結(jié)構(gòu)模型。

刻蝕工藝：對(duì)光刻圖案生成的區(qū)域進(jìn)行化學(xué)或物理處理，移除不需要的部分，從而形成最終結(jié)構(gòu)。

以圖1為例，展示了這些技術(shù)在制造納米尺度機(jī)械諧振器器件流程中的應(yīng)用。這一領(lǐng)域廣泛采用自上而下的方法來精確構(gòu)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)了其在高精度制造中的不可替代性。

圖1 采用自上而下方法實(shí)現(xiàn)納米技術(shù)的納米機(jī)械諧振器制造工藝流程圖

(a) 起始基底的橫截面，通常由硅等半導(dǎo)體材料制成。(b) 沉積薄膜犧牲材料層(如二氧化硅)后的基底橫截面。(c) 沉積薄膜結(jié)構(gòu)材料層(如多晶硅)后的基底橫截面。(d) 在光刻之前，沉積光敏聚合物層(即光刻膠)后的基底橫截面。(e) 使用光刻技術(shù)曝光光刻膠，顯影光刻膠，并刻蝕結(jié)構(gòu)材料層后的基底橫截面。(f) 去除光刻膠并通過各向同性刻蝕犧牲層下的多晶硅結(jié)構(gòu)層以釋放器件后的基底橫截面。(g) 去除光刻膠并通過各向同性刻蝕多晶硅結(jié)構(gòu)層下的犧牲層以釋放器件后的基底平面圖。此時(shí)器件可以在垂直于基底表面的方向上自由移動(dòng)或振動(dòng)。

Substrate (基底) SiO? (二氧化硅) Polysilicon (多晶硅) Photoresist (光刻膠)整個(gè)制作過程從一個(gè)通常由單晶硅制成的襯底開始。當(dāng)前的半導(dǎo)體襯底已經(jīng)達(dá)到了極高的平整度和光滑度，這種特性對(duì)于制作納米尺度的元件至關(guān)重要。接著，會(huì)沉積一層薄膜材料，這一層被稱作“犧牲層”，因?yàn)樗粫?huì)用于最終器件中，而是作為諧振器和襯底間的支撐，在制造結(jié)束時(shí)會(huì)移除。常見的犧牲材料包括二氧化硅（SiO2）薄膜層。隨后，另一層薄膜被沉積，這一層叫作“結(jié)構(gòu)層”，它將用于形成諧振器。典型的結(jié)構(gòu)材料是多晶硅（也稱為“多晶硅”）。

為了沉積這些薄膜層，有多種可選工藝，例如化學(xué)氣相沉積（CVD）、物理氣相沉積（如濺射和蒸發(fā)）、原子層沉積（ALD）、旋涂及分子束外延等技術(shù)。這些技術(shù)中，有些也被歸類為“自下而上”的納米技術(shù)。

在進(jìn)行圖案化之前，需要在薄膜上涂覆一層光刻膠，光刻膠是一種光敏感材料，通常通過旋涂工藝沉積。隨后，使用電子束光刻（e-beam）技術(shù)對(duì)薄膜進(jìn)行圖案化。緊接著，通過干式等離子體反應(yīng)離子刻蝕，對(duì)結(jié)構(gòu)層進(jìn)行處理并刻蝕出所需的形狀。光刻膠隨后通過等離子體灰化工藝移除，而“犧牲層”則使用氣相刻蝕劑（如氣相氫氟酸）去除。這一過程的完成，使得結(jié)構(gòu)層能夠?qū)崿F(xiàn)自由機(jī)械運(yùn)動(dòng)，最終形成完整的納米尺度諧振器器件。

如圖1所示，諧振器的橫截面及平面圖清晰地呈現(xiàn)出其制作過程的關(guān)鍵特性，譬如諧振器的寬度標(biāo)記為“w”。盡管如此，須知圖1僅表明了“自上而下”方法中的一種應(yīng)用場(chǎng)景，并不是所有納米器件制造的唯一流程。

迄今為止，“自上而下”方法最知名且在商業(yè)上極為成功的應(yīng)用，可能屬最先進(jìn)集成電路中的FinFET晶體管技術(shù)。FinFET全名為鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Field-Effect Transistor），是一種非平面金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）晶體管技術(shù)，廣泛用于當(dāng)下最先進(jìn)的微處理器中。這類晶體管的核心尺寸是柵極長(zhǎng)度，而目前市場(chǎng)上量產(chǎn)的FinFET技術(shù)柵極長(zhǎng)度已經(jīng)達(dá)到了3納米級(jí)別。

備注：現(xiàn)代芯片制程中的"納米"數(shù)字更多是營(yíng)銷術(shù)語，不能完全等同于實(shí)際的柵極物理尺寸。不同廠商的同一數(shù)字節(jié)點(diǎn)可能代表不同的實(shí)際特征尺寸。實(shí)際柵極物理尺寸通常大于工藝節(jié)點(diǎn)命名的數(shù)值。

以下是一些參考數(shù)據(jù)：14nm工藝節(jié)點(diǎn)：實(shí)際柵極長(zhǎng)度約20-25nm；7nm工藝節(jié)點(diǎn)：實(shí)際柵極長(zhǎng)度約16-18nm；5nm工藝節(jié)點(diǎn)：實(shí)際柵極長(zhǎng)度約14-16nm；3nm工藝節(jié)點(diǎn)：實(shí)際柵極長(zhǎng)度約12-14nm。

FinFET的核心特征在于其獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)。其核心組件是從襯底表面豎立起來的單晶硅鰭狀結(jié)構(gòu)，具有較高的縱橫比，正如圖2所示。其中，圖2b展示了FinFET器件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的三維示意圖，清楚展示了這類晶體管的構(gòu)造。

與傳統(tǒng)的MOS晶體管類似，F(xiàn)inFET也包含源極、漏極和柵極。然而，其區(qū)別在于，源極和漏極之間通過一個(gè)窄小、擁有高縱橫比（高度大于寬度）的硅鰭相連。這個(gè)鰭不僅負(fù)責(zé)作為電荷載流子（電子或空穴）從源極流向漏極的通道，其內(nèi)部載流子的流動(dòng)還會(huì)受到柵極電位的調(diào)控。

柵極的位置和設(shè)計(jì)亦是FinFET的一大亮點(diǎn)。如圖2a所示，柵極材料由一層導(dǎo)電材料構(gòu)成，并在三面（頂部及兩側(cè)）與鰭重疊，稱為“三柵結(jié)構(gòu)”。不過，鰭與柵極之間隔著一層非常薄的介電材料，這樣既保持載流子的有效調(diào)控，又防止了直接電接觸的可能性。這種三面的重疊設(shè)計(jì)顯著增強(qiáng)了柵極電壓控制鰭中載流子的能力，從而大幅提升了晶體管性能。

圖2 FinFET晶體管的示意圖

圖2b展示了單鰭FinFET晶體管的三維表示圖。源極、漏極和鰭都是由單晶硅制成。鰭是連接源極和漏極的高縱橫比溝道，載流子可以在其中流動(dòng)。如圖2a所示，鰭被涂覆一層薄介電層，然后是柵極材料層，后者通常是導(dǎo)電材料。由于柵極電壓從兩側(cè)和頂部產(chǎn)生電場(chǎng)，這種結(jié)構(gòu)也被稱為三柵極晶體管。

Gate -> 柵極Gate dielectric -> 柵極介質(zhì)Substrate -> 襯底

Fin -> 鰭片Drain -> 漏極Source -> 源極

柵極長(zhǎng)度（即圖2中的“w”所示尺寸）是表征FinFET的重要參數(shù)之一。目前最先進(jìn)的FinFET技術(shù)中，柵極長(zhǎng)度已達(dá)14納米。而這一結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)勢(shì)之一是支持通過增加鰭的數(shù)量來增強(qiáng)“開啟”電流，以進(jìn)一步提高晶體管的效率。此外，F(xiàn)inFET獨(dú)特的設(shè)計(jì)還為更高的封裝密度鋪平了道路。

英特爾在推出使用FinFET技術(shù)的22納米Ivy Bridge微處理器時(shí)，首次提出了利用這種創(chuàng)新技術(shù)延續(xù)摩爾定律的設(shè)想。他們指出，為實(shí)現(xiàn)22納米節(jié)點(diǎn)，傳統(tǒng)的晶體管架構(gòu)已經(jīng)無法滿足需求，必須在設(shè)計(jì)上進(jìn)行突破。而FinFET結(jié)構(gòu)的成功，不僅實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)，還推動(dòng)了制程技術(shù)向14納米及更小的節(jié)點(diǎn)演進(jìn)。

FinFET結(jié)構(gòu)僅是“自上而下”納米技術(shù)的眾多成功案例之一。實(shí)際上，還有許多其他工具和方法被用于制造納米級(jí)器件，并且每年都有新技術(shù)被開發(fā)和應(yīng)用。然而，需要特別提到的是，自上而下的方法通常無法實(shí)現(xiàn)原子級(jí)別的精準(zhǔn)控制，這意味著某些極限應(yīng)用可能不得不轉(zhuǎn)向其他技術(shù)路徑。

納米制造：自下而上，從分子開始“搭積木”

實(shí)施納米技術(shù)的第二種主要方法是“自下而上”方法，這種技術(shù)路徑本質(zhì)上是通過工程手段，將原子或分子逐步組裝為具有納米尺度，甚至更大結(jié)構(gòu)的物體。這種方法以控制精度高、設(shè)計(jì)靈活著稱，其核心思想之一便是設(shè)計(jì)具有特定形狀和分子識(shí)別功能的分子，使這些分子能夠在適當(dāng)條件下自動(dòng)實(shí)現(xiàn)自組裝，從而形成預(yù)設(shè)的系統(tǒng)配置。

一個(gè)典型的自下而上方法的實(shí)現(xiàn)例子是原子層沉積（Atomic Layer Deposition，簡(jiǎn)稱ALD）。

ALD是一種高度精確的薄膜沉積技術(shù)，其關(guān)鍵在于采用順序和自限制的氣相化學(xué)反應(yīng)過程。在這一過程中，被稱為“前驅(qū)體”的反應(yīng)性氣體會(huì)與目標(biāo)表面以自限制的方式發(fā)生反應(yīng)，從而層層構(gòu)建材料的薄膜。

圖3 原子層沉積（ALD）過程示意圖

在典型的ALD操作中，通常使用兩種前驅(qū)體氣體，且它們不會(huì)同時(shí)引入沉積室。整個(gè)過程分為多個(gè)步驟循環(huán)進(jìn)行：

圖3a：首先，將襯底放入反應(yīng)室，這是薄膜沉積的起點(diǎn)。圖3b：引入第一種前驅(qū)體氣體，與襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成單分子層的化學(xué)物種。圖3c：完成第一層反應(yīng)后，清除反應(yīng)室中過剩的前驅(qū)體氣體。圖3d：隨后，引入第二種前驅(qū)體，與第一種前驅(qū)體的單分子層發(fā)生反應(yīng)，形成新的單分子層。圖3e：完成第二種反應(yīng)后，再次清除余氣。

這個(gè)化學(xué)反應(yīng)循環(huán)可以根據(jù)需求重復(fù)任意次數(shù)，以最終實(shí)現(xiàn)精確的薄膜厚度控制。

與傳統(tǒng)的化學(xué)氣相沉積（CVD）方法相比，ALD的顯著優(yōu)勢(shì)在于其沉積層具有出色的共形性和均勻性，同時(shí)薄膜厚度可以達(dá)到極高的控制精度。通過ALD可以沉積各種材料，包括SiO2、Al2O3、ZrO2、HfO2、TiN等。其中，高k介質(zhì)材料（如HfO2）已成為現(xiàn)代集成電路中FinFET晶體管柵極介質(zhì)層的優(yōu)選材料。

不過，ALD雖具備眾多優(yōu)勢(shì)，其缺點(diǎn)亦不可忽視，主要表現(xiàn)為較低的沉積速率。這一特性使其在大規(guī)模生產(chǎn)中需要進(jìn)行效率優(yōu)化。

在自下而上方法的眾多實(shí)例中，最著名的案例莫過于碳納米管和富勒烯家族的其他碳基分子。這些材料因其卓越的結(jié)構(gòu)和性能，在納米技術(shù)中占據(jù)了極為重要的地位。

碳納米管的制造

碳納米管是碳的一種同素異形體，主要分為單壁納米管和多壁納米管兩類。它們的結(jié)構(gòu)形式包括同心管狀（所謂的“俄羅斯套娃模型”）以及卷曲的“羊皮紙模型”。如圖4所示，碳的多種同素異形體還包括金剛石、石墨、富勒烯及C60碳富勒烯分子（又稱為“巴基球”）。其中，單壁碳納米管的直徑通常約為1納米，其長(zhǎng)徑比可以達(dá)到驚人的132,000,000:1。

圖4 碳分子的幾種不同同素異形體示意圖，包括（a）金剛石，（b）石墨（單原子層分子碳），（c）六方金剛石，（d）C60或巴基球（白金富勒烯），（e）C540富勒烯，（f）C70富勒烯，（g）無定形碳，以及（h）單壁碳納米管。

碳納米管表現(xiàn)出許多超群的材料性能。例如：機(jī)械性能：碳納米管具備極高的抗拉強(qiáng)度（13至53 GPa）和彈性模量（1至5 TPa），同時(shí)密度較低，因此其比強(qiáng)度可達(dá)48,000 kN·m·kg?1，是已知材料中最高的。電學(xué)性能：根據(jù)結(jié)構(gòu)，碳納米管可以表現(xiàn)出金屬性或半導(dǎo)體性，其理論最大電流密度超過109 A/cm2，是銅的1000倍。不過，需要注意的是，碳納米管僅沿管軸方向具有導(dǎo)電性。熱學(xué)性能：?jiǎn)伪谔技{米管沿管軸方向的熱導(dǎo)率高達(dá)3500 W·m?1·K?1，而徑向熱導(dǎo)率則低得多，僅約1.5 W·m?1·K?1，這顯著體現(xiàn)了其各向異性特性。

目前已開發(fā)出多種制備碳納米管的方法，包括電弧放電、激光燒蝕以及化學(xué)氣相沉積（CVD）。其中，CVD方法因其在大規(guī)模生產(chǎn)中的巨大潛力而備受關(guān)注。

CVD過程中，通常需要在基底表面沉積一層合適的催化劑材料，或在特定位置圖案化催化劑，這樣碳納米管便會(huì)在催化劑存在的區(qū)域生長(zhǎng)。常用的催化劑包括鎳、鈷、鐵，或這些材料的組合。重要的是：碳納米管的尺寸和類型受基底表面催化劑顆粒直徑的影響——較小直徑的催化劑會(huì)形成單壁納米管。可通過精確圖案化催化劑的位置和直徑，合理控制碳納米管的尺寸、類型和位置。

CVD生長(zhǎng)碳納米管的過程包括以下步驟：

1 將基底加熱至約700°C。2 向反應(yīng)室中引入工藝氣體（如氨氣、氮?dú)饣驓錃猓┡c含碳?xì)怏w（如乙炔、乙烯或甲烷）。3 碳納米管從基底表面的金屬催化劑位點(diǎn)開始生長(zhǎng)。

如果在沉積室中施加電場(chǎng)，碳納米管的生長(zhǎng)方向?qū)⒀刂妶?chǎng)方向定向，這使得可以從催化劑位點(diǎn)生長(zhǎng)出垂直定向的碳納米管。例如，使用等離子體增強(qiáng)CVD技術(shù)時(shí)會(huì)觀察到這種結(jié)構(gòu)。此外，在一些特殊條件下，即使沒有電場(chǎng)，只要催化劑位點(diǎn)的分布足夠密集，也能實(shí)現(xiàn)垂直定向生長(zhǎng)。而水輔助的CVD技術(shù)與催化劑的結(jié)合已被證明可以顯著提高生長(zhǎng)速率。

石墨烯的制造

在眾多新型碳基材料中，石墨烯因其卓越性能正被研發(fā)用于替代傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料（如硅）。石墨烯作為碳的二維同素異形體，以單層原子厚度的片狀結(jié)構(gòu)存在，其中碳原子以蜂窩狀晶格排列。它擁有許多非凡的特性，包括超強(qiáng)度、高導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，以及接近透明的外觀。

關(guān)于石墨烯的結(jié)構(gòu)，有兩種主要取向：

鋸齒形取向：始終表現(xiàn)出金屬性行為。

扶手椅形取向：其導(dǎo)電特性依賴于手性，可表現(xiàn)為半導(dǎo)體或金屬性。

石墨烯在室溫下具有極高的電子遷移率，已報(bào)告數(shù)值超過15,000 cm2·V?1·s?1，理論極限更是高達(dá)200,000 cm2·V?1·s?1，是銅的上萬倍。此外，其電子和空穴遷移率預(yù)計(jì)接近對(duì)稱。憑借這些超群特性，石墨烯提供了顯著提升集成電路性能的可能性。

研究表明，石墨烯能夠成功用于制造晶體管。一個(gè)典型例子是IBM研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET），展示了石墨烯的巨大潛力。IBM團(tuán)隊(duì)報(bào)告，這些晶體管的運(yùn)行頻率隨著器件尺寸的縮小而顯著提高。例如，他們測(cè)量出柵極長(zhǎng)度為150納米的石墨烯晶體管擁有26 GHz的截止頻率，創(chuàng)下了石墨烯FET的最高記錄。

石墨烯的開發(fā)例證了碳基材料在實(shí)現(xiàn)高性能集成電路方面的巨大潛能。然而，目前納米技術(shù)仍處于發(fā)展初期，隨著不斷涌現(xiàn)的新材料、制造工藝及器件設(shè)計(jì)，其未來發(fā)展?jié)摿﹄y以估量。

除了石墨烯，一些其他二維材料也顯示出了卓越的潛力。例如，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）的研究人員利用單原子厚度的鉬鉛礦（由二硫化鉬，MoS?組成）設(shè)計(jì)了集成電路。

鉬鉛礦因其與石墨烯相似的納米結(jié)構(gòu)脫穎而出。具體而言，在多層形式下，鉬鉛礦表現(xiàn)為間接帶隙半導(dǎo)體；而在單層形式下，其性質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋栋雽?dǎo)體。已報(bào)告的遷移率約為200 cm2·V?1·s?1，同時(shí)室溫下電流開關(guān)比達(dá)到108 。

盡管許多自下而上方法仍處于實(shí)驗(yàn)階段，但部分技術(shù)已用于生產(chǎn)可實(shí)際應(yīng)用的碳基材料。例如：富勒烯：一種由碳原子組成的分子結(jié)構(gòu)，因其球狀或管狀形式備受關(guān)注。納米顆粒：如銀和金納米顆粒，已被引入到其他材料當(dāng)中，形成具備增強(qiáng)性能的復(fù)合材料。

納米金和納米銀的制造

銀納米顆粒廣泛使用濕化學(xué)方法制備。例如，通過還原硝酸銀（如使用硼氫化鈉作為還原劑）并添加纖維素等膠體穩(wěn)定劑，可以獲得穩(wěn)定的納米顆粒懸浮液。這些顆粒通常被市場(chǎng)宣傳為具有抗菌特性，號(hào)稱能夠有效減少外部感染。然而，目前并沒有權(quán)威醫(yī)學(xué)研究對(duì)這種材料在治療方面的功效予以證實(shí)。

金納米顆粒常通過將氯金酸與還原劑混合來生成。在這一過程中，當(dāng)溶液中形成過飽和狀態(tài)時(shí)，金顆粒以納米尺度形式沉淀，同時(shí)添加穩(wěn)定劑可防止顆粒進(jìn)一步聚集。金納米顆粒因其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，特別是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中具有廣泛應(yīng)用。雖然研究和早期應(yīng)用已表明金納米顆粒在醫(yī)療領(lǐng)域的潛能，但具體的工藝優(yōu)化與規(guī)模生產(chǎn)仍在持續(xù)推進(jìn)中。

納米技術(shù)計(jì)量學(xué)

納米技術(shù)計(jì)量學(xué)是一組關(guān)鍵技術(shù)，用于精確測(cè)量與分析納米尺度上的物理以及化學(xué)特性。該領(lǐng)域涵蓋了多種先進(jìn)的測(cè)量工具，包括掃描隧道顯微鏡（STM）、原子力顯微鏡（AFM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、X射線衍射等。這里僅討論STM和AFM這兩種儀器，其他技術(shù)的信息可參考相關(guān)文獻(xiàn)資料。

掃描隧道顯微鏡是一種極其精密的儀器，能夠在原子尺度上對(duì)材料表面進(jìn)行掃描與成像。STM的核心部件是一支具有極小半徑的針尖探針（通常僅一個(gè)原子寬），由導(dǎo)電材料（例如鎢、金或鉑銥等）制成，常采用濕法蝕刻工藝制造。

STM的工作原理基于量子力學(xué)的隧道效應(yīng)。當(dāng)探針靠近材料表面至距約5至10埃的微小間隙時(shí)，若在探針與樣品之間施加一個(gè)偏置電壓（VBias），便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)隧道電流（Itunneling）。利用閉環(huán)反饋電路，STM可以精確地測(cè)量通過探針的隧道電流，并通過調(diào)整針尖與表面間的距離（z方向變化）來保持恒定的電流，從而生成材料表面的原子級(jí)圖像。

令人矚目的是，隧道電流的強(qiáng)度與探針與材料表面間的距離呈指數(shù)關(guān)系。針尖每靠近表面1埃，隧道電流便增加10倍。這賦予STM極高的靈敏度，橫向（x、y方向）分辨率可達(dá)0.1納米，而在垂直（z方向）上的分辨率則達(dá)到0.01納米。

除成像外，STM還能進(jìn)行光譜分析。通過測(cè)量電流與電壓的關(guān)系（I-V曲線），STM可以揭示表面原子的電子結(jié)構(gòu)特性，這使其成為研究表面物理與化學(xué)行為的強(qiáng)大工具。

原子力顯微鏡與STM的工作原理截然不同。AFM主要利用機(jī)械探針而非電探針來掃描材料表面。AFM依賴于懸臂梁末端的尖銳探針，通常由硅材料，通過微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)制造。探針對(duì)材料表面的掃描動(dòng)作由壓電驅(qū)動(dòng)（或靜電驅(qū)動(dòng)）控制。

當(dāng)探針接近材料表面時(shí)，根據(jù)胡克定律，懸臂梁會(huì)因表面與探針之間的相互作用力而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。AFM能夠測(cè)量多種表面力，包括機(jī)械接觸力、范德瓦爾斯力、化學(xué)鍵合力、卡西米爾力以及毛細(xì)力等。懸臂梁的偏轉(zhuǎn)通常通過激光反射系統(tǒng)測(cè)量，將激光束從懸臂梁頂部反射至光電探測(cè)器，精確捕捉探針的運(yùn)動(dòng)。此外，電容傳感器等裝置也可實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)探測(cè)。

AFM還能通過專用探針測(cè)量溫度、熱導(dǎo)率及其他物理量，擴(kuò)展其在多學(xué)科領(lǐng)域的應(yīng)用。根據(jù)應(yīng)用需求，AFM可在以下三種模式下運(yùn)行：

接觸模式：探針與樣品表面保持直接接觸，適合粗糙表面的高分辨掃描。

敲擊模式：探針在表面上快速振動(dòng)，適合柔性樣品或較大面積的無損掃描。

非接觸模式：探針與表面保持微小距離，僅通過表面引力進(jìn)行測(cè)量，適用于精細(xì)

表面，且對(duì)樣品的損耗最小。

在實(shí)際應(yīng)用中，非接觸模式因其對(duì)樣品破壞性低而倍受青睞。AFM的力分辨率通常可達(dá)幾皮牛頓，展現(xiàn)了其對(duì)微弱力學(xué)行為進(jìn)行精準(zhǔn)探測(cè)的能力。

納米技術(shù)制造和集成電路

納米技術(shù)制造的方法涵蓋了從高精尖的工程設(shè)計(jì)到底層分子自組裝的廣泛技術(shù)應(yīng)用。其中最具代表性的例子莫過于集成電路（IC）。

現(xiàn)代IC的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）晶體管器件，其柵極長(zhǎng)度已經(jīng)縮小至略超過10納米的水平，在單片硅基片上即可集成數(shù)十億個(gè)晶體管。

納米技術(shù)制造中的"自上而下"方法以集成電路為代表，其產(chǎn)量與銷售額至今穩(wěn)居納米技術(shù)產(chǎn)品之首。2016年，僅用于邏輯器件和存儲(chǔ)器件的IC銷售額便高達(dá)約3700億美元。這一市場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)及戰(zhàn)略意義不可低估。IC不僅是計(jì)算機(jī)、手機(jī)及其他消費(fèi)電子系統(tǒng)的核心部件，其發(fā)展還深刻影響著整個(gè)科技生態(tài)。

IC的發(fā)展歷史與半導(dǎo)體行業(yè)實(shí)現(xiàn)晶體管不斷微縮的進(jìn)程息息相關(guān)，這被統(tǒng)稱為“摩爾定律”。

根據(jù)摩爾定律，半導(dǎo)體技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)——柵極長(zhǎng)度，多年來一直穩(wěn)步縮小。例如：1971年，柵極長(zhǎng)度為10微米；1985年減少至1微米；到2001年縮小到130納米；2008年實(shí)現(xiàn)45納米；2012年達(dá)22納米；2014年縮小至14納米。未來技術(shù)節(jié)點(diǎn)將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)10納米柵極長(zhǎng)度。實(shí)現(xiàn)如此小特征尺寸的制造技術(shù)是工程領(lǐng)域令人矚目的巨大突破。

現(xiàn)代IC制造依賴于光刻技術(shù)，這一方法基于光學(xué)原理，利用光子曝光光敏聚合物（光刻膠）以蝕刻出納米級(jí)設(shè)計(jì)圖案。當(dāng)前的14納米柵極長(zhǎng)度是通過波長(zhǎng)為193納米的光學(xué)輻射實(shí)現(xiàn)的，其打印的尺寸遠(yuǎn)小于對(duì)應(yīng)光輻射波長(zhǎng)。

隨著分辨率需求的提升，傳統(tǒng)光刻技術(shù)在45納米特征以下開始遇到邊界失真等挑戰(zhàn)。因此，為實(shí)現(xiàn)更小特征尺寸（如14納米或以下），工程師開發(fā)了多種創(chuàng)新技術(shù)，如：多重曝光技術(shù)，自對(duì)準(zhǔn)間隔層，浸沒式光刻。盡管現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了14納米節(jié)點(diǎn)，但進(jìn)一步微縮將需要更短波長(zhǎng)的光刻方法，如使用極紫外（EUV）輻射技術(shù)。

總結(jié)

無論是以IC為代表的自上而下方法，還是納米顆粒制造的自下而上方法，納米技術(shù)制造都在迅速推動(dòng)各行業(yè)的發(fā)展。自上而下方法展示了工程精密性如何帶來突破性進(jìn)展，而自下而上技術(shù)則不斷揭示基礎(chǔ)科學(xué)在創(chuàng)新制造中的潛力。