纳米半导体材料的主要用途是什么？

纳米半导体材料可以发出各种颜色的光，可以做成小型的激光光源，还可将吸收的太阳光中的光能变成电能。用它制成的太阳能汽车、太阳能住宅有巨大的环保价值。用纳米半导体做成的各种传感器，可以灵敏地检测温度、湿度和大气成分的变化，在监控汽车尾气和保护大气环境上将得到广泛应用。

为了回答这个问题，需要先补充一些概念。在半导体中，电子分布在“能带”上。在低温、不受到任何激发的时候，电子分布在“价带”上，处于基态。而受到激发（比如光激发）后电子就会吸收能量，如果吸收的能量量子（比如说光子）的能量大于半导体的带隙（或者叫禁带宽度），电子就可以跃迁到“导带”上，处于激发态，而同时由于电子的跃迁，在价带中就留下了一个空的位置，称为“空穴”。价带的最高能级与导带的最低能级之间的部分就是禁带，其能量差就是半导体的带隙，在禁带中，除非有能量陷阱，否则电子是无法在禁带中分布的。电子要么在价带分布（基态），要么在导带分布（激发态）。而在导带中的电子是一种高能量且不稳定的存在，它会设法跃迁回到基态，并在这个过程中释放出能量。如果是直接带隙半导体，则能量就可以以光子的形式辐射出来，形成发光；如果是间接带隙半导体，则发光辐射的概率就很小，能量多会以弛豫的形式释放出来。

而半导体纳米材料的光催化特性就是源自于半导体材料会吸收光能，电子跃迁到高能态上。但仅仅如此还不能产生催化的效果。纳米的尺度也是至关重要的，纳米的尺度主要为其提供了一下性质：1、为材料提供了巨大的比表面积，可以让它与被催化的物质有充分的接触面积，提高催化的效率；2、纳米尺度带来的量子限域效应，使得电子被激发起来以后，与空穴形成的“载流子对”无法被分散，相当于把能量集中在了纳米尺寸的范围之内，提高了纳米材料表面的能量密度；3、纳米材料由于巨大的表面张力的存在，表面能非常高。这些因素就使得被催化的物质不仅可以大量吸附于纳米材料之上，且当纳米材料被光激发时，能量可以很方便地被传递到被催化物上。半导体纳米材料先吸收光能，电子发生跃迁、与空穴分离，在电子跃迁回基态的过程中释放出能量，这部分能量可以有效传递给吸附于纳米材料表面的待催化物质，这样那些待催化的物质就获得了能量，称为“敏化”。被敏化以后，原本难以发生的反应就会由于获得了更高的能量而变得容易起来。这就实现了光催化。

2002年7月份，曾在几年前宣布摩尔定律死刑的这一定律的创始人戈登·摩尔接受了记者的采访。不过，这次他表现得很乐观，他表示：“芯片上晶体管数量每18个月增加二倍的速度虽然目前呈下降趋势，但随着纳米技术的发展，未来摩尔定律依然会继续生效。”看来，摩尔本人也把希望放到了纳米技术上。下面就让我们来看看纳米技术怎样制造纳米芯片。

我们知道目前的计算机芯片是用半导体材料做的。20世纪可以说是半导体的世纪，也可以说是微电子的世纪，微电子技术是指在半导体单晶材料（目前主要是硅单晶）薄片上，利用微米和亚微米精细结构技术，研制由成千上万个晶体管和电子元件构成的微缩电子电路（称为芯片），并由不同功能的芯片组装成各种微电子仪器、仪表和计算机。芯片可以看做是集成电路块。集成电路块从小规模向大规模发展的历程，可以看做是一个不断向微型化发展的过程。20世纪50年代末发展起来的小规模集成电路，集成度（一个芯片包含的元件数）为10个元件；20世纪60年代发展成中规模集成电路，集成度为1000个元件；20世纪70年代又发展了大规模集成电路，集成度达到10万个元件；20世纪肋年代更发展了特大规模集成电路，集成度超过100万个元件。1988年，美国国际商用机器公司（1BM）已研制成功存储容量达64兆的动态随机存储器，集成电路的条宽只有0.35微米。目前实验室研制的新产品为0.25微米，并向0.1微米进军。到2001年已降到0.1微米，即100纳米。这是电子技术史上的第四次重大突破。今天，芯片的集成度已进一步提高到1000万个元件。集成电路的条宽再缩小，将出现一系列物理效应，从而限制了微电子技术的发展。为了解决这个挑战，已经提出纳米电子学的概念。这一现象说明了：随着集成电路集成度的提高，芯片中条宽越来越小，因此对制作集成电路的单晶硅材料的质量要求越来越高，哪怕是一粒灰尘也可能毁掉一个甚至几个晶体管，这也是为什么摩尔本人几年前宣判摩尔定律“死刑”的原因。

据有关专家预测，在21世纪，人类将开发出徽处理芯片与活细胞相结合的电脑。这种电脑的核心元件就是纳米芯片。芯片是电脑的关键器件。生命科学和材料科学的发展，科学家们正在开发生物芯片，包括蛋白质芯片及DNA芯片。

蛋白质芯片，是用蛋白质分子等生物材料，通过特殊的工艺制备成超薄膜组织的积层结构。例如把蛋白质制备成适当浓度的液体，使之在水面展开成单分子层膜，再将其放在石英层上，以同样方法再制备——层有机薄膜，即可得到80～480纳米厚的生物薄膜。这种薄膜由两种有机物薄膜组成。当一种薄膜受紫外光照射时，电阻上升约40％左右，而用可见光照射时，又恢复原状。而另一种薄膜则不受可见光影响，但它受到紫外光照射时，电阻便减少6％左右。据介绍，日本三菱电机公司把两种生物材料组合在一起，制成了可以光控的新型开关器件。这种薄膜为进一步开发生物电子元件奠定了实验基础，并创造了良好的条件。

这种蛋白质芯片，体积小、元件密度高，据测每平方厘米，可达1015～1016个，比硅芯片集成电路高上万倍，表明这种芯片制成的装置其运行速度要比目前的集成电路快得多。由于这种芯片是由蛋白质分子组成的，在一定程度上具有自我修复能力，即成为一部活体机器，因此可以直接与生物体结合，如与大脑、神经系统有机地连接起来，可以扩展脑的延伸。有人设想，将蛋白质芯片植入大脑，将会出现奇迹。如视觉先天缺陷或后天损伤可以得到修复，使之重现光明等。

虽然目前生产与装配上述分子元件还处于探索阶段，而且天然蛋白质等生物材料不能直接成为分子元件，必须在分子水平上进行加工处理，这有很大难度，但前途是光明的。据介绍，日本已制定了开发生物芯片的10年计划，政府计划投入100亿日元做各项研究。世界上一些大公司，如日立、夏普等都看好生物芯片的前景，十分重视这项研究工作。

人的大脑约有140亿个神经细胞，掌管着思维、感觉及全身的活动。虽然电脑已面世多年；但其精细程度和人脑相比，仍然差一大截。为了使电脑早日具有人脑的功能和效率，科学家近年致力研究开发人工智能电脑，并已取得不少进展。人工智能电脑是以生物芯片为基础的。生物芯片有多种，血红蛋白集成电路就是新型的生物芯片之一。

美国生物化学家詹姆士，麦克阿瑟，首先构想把生物技术与电子技术结合起来。他根据电脑的二进制工作原理，发现血红蛋白也具有类似“开”和“关”的双稳态特性。当改变血红蛋白携带的电荷时，它会出现上述两种变化，这就有可能利用生物的血红蛋白构成像硅电子电路那样的逻辑电路。麦克阿瑟首先利用生物工程的重组DNA技术，制成了血红蛋白“生物集成电路”，使研制“人造脑袋”取得了突破性进展。此后，生物集成电路的研究便逐步展开。美国科学家在硅晶片上重组活细胞组织获得成功。它具有硅晶片的强度，又有生物分子活细胞那样的灵活和智能。德国科学家所研制成的聚赖氨酸立体生物晶片，在1立方毫米晶片上可含100亿个数据点，运算速度更达到10皮秒（一千亿分之一秒），比现有的电脑快近100万倍。

DNA芯片又称基因芯片，DNA是人类的生命遗传物质脱氧核糖核酸的简称。因为DNA分子链是以ATGC（A-T、G-C）为配对原则的，它采用一种叫做“在位组合合成化学”和微电子芯片的光刻技术或者用其他方法，将大量特定顺序的·DNA片段，有序地固化在玻璃或者硅片上，从而构成储存有大量生命信息的DNA芯片。DNA芯片，是近年来在高新科技领域出现的具有时代特征的重大技术创新。

每一个DNA就是一个微处理器。DNA计算速度是超高速的，理论上计算，它的运算速度每小时可达1015次数，是硅芯片运算速度的1000倍。而且，DNA的存储量是很大的，每克DNA可以储存上亿个光盘的信息。不过，目前的主要难点是解决DNA的数据输出问题。

DNA芯片有可能将人类的全部约8万个基因集约化地固定在1平方厘米的芯片上。在与待测样品的DNA配对后，DNA芯片即可检测出大量相应的生命信息。例如寻找基因与癌症、传染病、常见病和遗传疾病的关系，进一步研究相应药物。目前已知有6000多种遗传病与基因相关，还有环境对人体的影响，例如花粉过敏和对环境污染的反应等都与基因有关。已知有200多个与环境影响相关的基因，对这些基因的全面监测，对生态、环境控制及人类健康均有重要意义。

DNA芯片技术既是人类基因组研究的重要应用课题，又是功能基因研究的崭新手段。例如单核苷酸的多态性，是非常重要的生命现象，科学家认为，人体的多样性和个性取决于基因的差异，正是这种单核苷酸多态性的表现，如人的体形、长相与500多个基因相关。通过DNA芯片，原则上可以断定人的特征，甚至脸形、长相、外貌特点，生长发育差异等。

“芯片巨人”英特尔公司于2000年12月公布，英特尔公司用最新纳米技术研制成功30纳米晶体管芯片。这一突破将使电脑芯片速度在今后5～10年内提高到2000年的10倍，同时使硅芯片技术向物理极限更近一步。新型芯片的运算速度已达目前运算速度最快芯片的7倍。它能在子d飞行30厘米的时间内运算2000万次，或在子d飞行25毫米的时间内运算200万次。晶体管门是计算机芯片进行运算的开关，新芯片是以3个原子厚度的晶体管“门”为基础，比目前计算机使用的180纳米晶体管薄很多。要制造这种芯片的障碍是控制它产生的热量。芯片的运行速度越快，产生的热量就越多。过多的热量会使制造计算机芯片所用的材料受到损坏。英特尔公司经过了长期的研究，解决了这一问题。这种原子级晶体管是用新的化学合成物制成的，这种新材料可以使芯片在运行时温度不会过高。这种芯片的出现将为研制模拟以人的方式，可以和人进行交流的电脑创造条件。英特尔公司说，他们开发出的这种迄今世界上最小最快的晶体管，厚度仅为30纳米。这将使英特尔公司可以在未来5～10年内生产出集成有4亿个晶体管、运行速度为每秒10亿次，工作电压在1伏以下的新型芯片。而目前市场上出售的速度最快的芯片“奔腾4代”集成了4200万个晶体管。英特尔公司称，用这种新处理器制造的产品最早将在2005年以后投放市场。

英特尔公司的一位工程师说：“30纳米晶体管的研制成功使我们对硅的物理极限有了新看法。硅也许还可以使用15年，此后会有什么材料取代硅，那是谁也说不准的事。”他又说：“更小的晶体管意味着更快的速度，而运行速度更快的晶体管是构筑高速电脑芯片的核心模块，电脑芯片则是电脑的‘大脑’。”英特尔公司预测，利用30纳米晶体管设计出的电脑芯片可以使“万能翻译器”成为现实。比如说英语的人到中国旅游，就可以通过随身携带的翻译器，将英语实时翻译成中文，在机场、旅馆或商店不会有语言障碍。在安全设施方面，这种芯片可以使警报系统识别人的面孔。此外，将来用几千元人民币就可以买一台高速台式电脑，其运算能力可以跟现在价值上千万元的大型主机媲美。

单位面积上晶体管的个数是电脑芯片集成度的标志，晶体管数量越多，说明集成度越高，而集成度越高，处理速度就越快。30纳米晶体管将开始出现在用0.07微米技术产品上，目前英特尔公司使用的是0.18微米技术，而1993年的“奔腾”处理器使用的是0.35微米技术。在芯片上“刻画”电路，0.07微米技术用的是超紫外线光刻技术，比2001年最先进的深紫外线光刻技术更为先进。如果在纸上画线，深紫外线光刻使用的是钝铅笔，而超紫外线光刻使用的是削尖了的铅笔。

晶体管越来越小的好处主要有两方面：一是可以用较低，的成本提高现有产品性能；二是工程师可以设计原来不可能的新产品。这两个好处正是推动半导体技术发展的动力，因为企业提高了利润，就有可能在研发上投入更多。看来，纳米技术的确可以延长摩尔定律的寿命，这也正是摩尔本人和众多技术人员把目光放到纳米技术之上的原因所在。

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