随着电子设备体积越来越小、功能越来越多，纳米技术的影响也在日益加强，这是因为纳米技术可提供厚度只有一个或几个原子的材料。计算机科学家期盼已久的技术大变革，正在酝酿之中。
本文作者米莉·德雷斯尔豪斯（Mildred S. Dresselhaus），MIT著名材料科学家
随着电子元件的尺寸缩小到10纳米甚至更小，其功能以及相关计算能力也在提高和增加，符合摩尔定律关于每个芯片容纳的晶体管数量每年翻倍的预测。纳米科技对电子技术的影响正在引起研究思路和工业行业内的一场变革。此外，最终用户的期盼，也是促使这个变革时代迅速来临的一个很大的驱动力量。
回顾硅基电子发展历史
技术革命可能会形成对社会的一种破坏力量，但同时也是推动社会向前发展的一种力量。18世纪工业革命导致了俄罗斯农奴制度的结束，随着欧洲人移民到“新大陆”寻找机会，刺激了工业的发展。欧洲的社会革命产生了一个劳动力大军，以及这些劳动力所需要的教育事业的发展。1957年人造卫星上天导致美国政府迅速加大了对科学技术研究的支持力度，重视提高劳动大军的受教育程度，以期赶超俄罗斯所取得的成就。当时，许多年轻人努力学习科学和工程学知识，在政府的资金资助下，建立了许多创业公司，将自己一些创意和想法付诸实施。
1967年，因工程系主任戈登·布朗（Gordon Brown）的原因，我有幸在麻省理工学院（MIT）为工程师们教授固体物理学，二次大战期间的经历对布朗产生了极大的影响，他坚信固体电子学快速发展的重要性，并相信硅基电子学将为电子设备提供更新水平的功能和效率。这首先体现在太空计划上，然后是对社会的更广泛的影响。他和麻省理工学院校长杰罗姆·魏斯纳（Jerome Wiesner）都是对美国政府发展技术能力颇有影响力的顾问，美国政府以发展技术为本，帮助欧洲和亚洲在二次大战破坏后进行灾后经济重建。
1960年至1990年期间，美国政府开始慢慢刺激固体电子学的发展，设立了国家纳米技术研究项目，虽然之前一些实力强大的工业实验室，如贝尔实验室、国际商用机器公司（IBMP）、贝尔通信研究所（Belcore）和通用电气研究实验室，都已经开始这方面的研究，这些实验室纷纷在大学里物色这一领域内有才华的科学家和工程师。作为新增加就业机会的应对措施，政府方面对科学家和工程师教育培训的支持力度也在急剧加大。随着硅谷私营企业的成长和发展，对毕业生的需求也在增加，一些较小规模的技术中心在美国遍地开花。在联邦政府、地方政府和当地工业行业的支持下，区域性的纳米科技研究中心蓬勃发展起来。科学学科的发展导致对高等教育的需求日益增加，先是欧洲，然后是南美和亚洲，大批年轻人才纷纷移民来到美国。
所有这些活动，很大程度上都努力维持了摩尔定律向前发展的趋势，即缩小电子设备的体积大小、增加电子设备的功能、降低计算操作的成本。功能的增多和成本的减少反过来促进了工业行业的计算机控制能力，以及电子产品、通信、自动化和信息存储技术的发展。这场革命对美国国内人们的日常生活产生了很大的影响，包括对儿童玩具和儿童行为的影响，以及对户外游戏和锻炼模式变化的影响。
展望未来纳米技术前景
在电子学和纳米电子学发展的助力下，这样的技术革命将继续向前发展。可以预想的是，科学技术的新发现不仅将会继续保持下去，继续增长的速度还会越来越快。一些工程师和科学家认为，以目前的模式继续向前发展是不现实的。当电子器件的尺度达到10纳米时，目前以硅为基础的设备器件和研究策略很快就会达到自然限制的极限，并将为单分子电子器件所替代。同时，计算机科学家正在开发更加高效的软件，以与尺寸日益缩小的电子设备相匹配。
计算机科学家现在想要问的是，当摩尔定律发展模式放缓之时，会发生什么。计算机科学家所倚仗的硬件技术主要是建立在硅材料之上的，导致了如今设备制造者和计算机行业巨头之间想法的差距。很显然，计算机科学家将要与跨学科团队产生更多的交集，如材料科学家、工程师和大学社区的合作，以及与行业和国家实验室内互补合作伙伴的合作等。所有参与其中的科学家，都将在这种合作关系中带来不同的能力、实用的仪器和专业知识。青年学生将受益于这种由联邦资金支持的科研活动的大环境。此外，可能在国际专业协会的促进下，世界各地也涌现了许多类似的发展模式，如欧洲的“未来和新兴技术旗舰项目”等，美洲和亚洲也有这类项目。
材料科学领域内的一场革命正在酝酿之中，纳米新材料很可能成为未来电子器件和计算机硬件设备的基础材料。研究人员目前正在开发的主要集中于能给电子产品带来新功能的新材料。过去十年里，电子器件材料的研究发展主要集中于二维层状材料，如石墨烯，这些材料拥有硅技术无法实现的一些功能，而以硅材料为基础的计算机技术发展则是摩尔定律的主要聚焦点。多层石墨烯可以像石墨一样以伯纳尔的叠加顺序堆叠，也可以是相邻层之间以不同扭角相对于其晶体轴的堆叠，通过这种堆叠方式可达到控制其一些物理属性的目的。
但这还不是纳米科技通过碳纳米结构所能做的一切。窄宽度的长石墨烯带在边缘结构上表现出更高的载体密度，边缘结构差异的特性可以在载体密度可控的等离子体电子器件中得到开发利用。同样的，石墨烯不同边缘产生的不同的磁性，也可以用于磁性设备的不同边缘的配置上。
得到广泛关注与研究的石墨烯已成为纳米科学的标准参考材料。与单层石墨烯相比较，双层和多层平面内导电性能较高，而平面间导电性能极低。单层与双层、多层石墨烯电子性能之间的差异，是其被采用作为纳米计量标准的一个重要原因。
目前，其他一些层状材料也被引入电子产品的应用之中。由于单层石墨烯平面内的电导率较高，以及较大的能量带隙（~5 eV）和非常平坦的表面结晶形式，半导体六角氮化硼（h-BN）受到了很大的关注。此外，h-BN还具有类似于石墨烯的晶格常数。由于以上这些原因，h-BN已成为研究界代替其他层状材料的一种常用基质。
研究人员对层状过渡金属硫化物（TMD）投入了大量的研究，因其拥有大量可用的过渡金属和硫族元素种类。为一系列实际应用量身定制的TMD材料可具备各种不同的电气和热性能，拥有定制电子、光学和热等多种性能组合的更多选择，包括一些低对称性分层材料，如磷烯（Phosphorene，一层磷）和其他分层材料类别内的平面各向异性材料。
显然，这种分层纳米片的应用在电子和计算机科学领域内的应用还处于一个甚至比以石墨烯材料应用于电子产品还更初级的阶段，这些分层次超薄材料是否能够成为摩尔定律所指硅材料的继任者，目前还未可知。但不久我们就可以看到，进军这一领域的一些成功的创业公司，以及投入的实际应用，可能很快就会对未来电子、光学和机械设备以及计算机科学产生巨大的影响。
积极进取的、受过良好教育的员工队伍对于未来纳米科学和纳米技术的前景极为兴奋，由于上面所叙述过的，我曾亲历过的技术领域内的两次早期重大变革，我个人也为这一领域内取得的进步感到兴奋。现在看来，下一场技术革命的时机已经成熟。研究界的许多想法正在浮出水面，更广泛的、不断扩大的、经验和知识丰富的劳动力大军正在形成。为让科学造福人类社会，政府和私人资助机构纷纷建立了学术界、工业和国家实验室之间的合作，在许多情况下，还包括一些国际上的合作。
资料来源Nature Nanotechnology
责任编辑 彦 隐