从分子电子学的沉浮看创新(151102)

闵应骅

   最近，创新和创业的话题很热。IEEE Spectrum 2015/10发表“The Booms and Busts of Molecular Electronics”的文章，正好说明创新的重要和艰难，不但搞电子的网友会有兴趣，对其他有志创新的朋友也会有启发。

  40年前，纽约大学的研究生Arieh Aviram在其博士论文中说：“从自然得到启发，使用许多物理现象中的分子可以微型化电子元件到分子大小。”他的这个想法是革命性的，用单个有机分子去取代硅晶体管和二极管。他的导师Mark Ratner说他设想了一个分子整流器，把交流变直流。他们的文章到1980年后期已经被引3000次，而被认为是分子电子学的开创之作。今天，分子电子学已经在商业显示器上应用，并有备受瞩目的突破，包括单分子发光二极管和碳纳米管在单块集成电路中耦合到硅基上面。耶路撒冷的希伯来大学的Danny Porath已经测量了在DNA制成的线上的电输送。这种线是自组装的，和铜线连接不同。哥伦比亚大学的Latha Venkataraman已经测量了单分子二极管，其整流比高了200倍，这是设备缩小以后保持高信号增益的关键一步。国立新加坡大学的Christian Nijhuis更是测量到在一个纳米大小的分子中用分子电子代替由一些原子组成的单一功能组时整流的变化。这正是Aviram and Ratner梦想的控制类型。

   最近，英特尔宣布10纳米节点将延迟推出，而半导体发展路线图说下一个里程碑是2017年。现在分子电子学的成就可以说正当其时。那么，几十年的努力是否可以让分子电子学取代硅呢？这有一种诱人的可能性。

   研究人员在此前有过三次突破。从1950年代后期起，计算机和其他设备的电路把复杂的图形腐蚀到硅片上，有些人想是否可以生长到单个分子里面，其功能像电子电路或元件一样，也许会更快、更小，而且容易生产。MIT的Arthur R. von Hippel 和他的团队首先提出了这个想法。1959年德州仪器公司从掺杂的有机晶体器开发固态分子电路。西屋公司的研究人员说可以生长出锗晶体，像复杂电路一样。但元件间的连接很困难。当时，继续发展的硅集成电路使分子电路的这一波失败。10年以后，Aviram and Ratner基于有机分子开始了新的探索。用有机电荷迁移盐的电路比无机晶体或硅装置都要小，像一个半导体二极管，分子的一部分是一个电子给体，类似于半导体二极管的n-结。当你给分子一个电压，两个区域就变形，直到电子可以自由地从一个区域移到另一个。而相反的电压阻止电子移动。这种分子二极管可以用有机合成化学工具大量生产。他们生产了一个分子整流器，输入交流电，出来是直流。他们的建议曾在时代杂志上发表，但没有引起太大兴趣，直到1970年代后期得到美国海军研究实验室的Forrest Carter的支持，他把高分子化学家、设备工程师、电子工程师、生物技术研究人员、未来主义者、国防战略制定者集合在一起，公开宣称分子电子学对计算，特别是人工神经网络识别图像比人脑还要快。可惜没拿到足够的联邦基金。但是，接着在日本、苏联和英国，虽然没有那么张扬，但给了资助。可惜一直没有做出什么电路来，尤其是所谓分子计算机。1987年，57岁的Carter死了。Aviram开始组织一个分子电子学的系列国际会议，不大肆宣传，而催化了下一个分子电子学的热潮。

  耶鲁的一位微制造专家Mark Reed在一个国际会议上遇到南加州大学合成化学家James Tour，他提出一个办法合成有机分子，其功能像分子开关，但他没有解决怎么把他的分子用线连到电路里去。连不到电路就无法看出它真是个开关。Reed提出用微制造技术制作一些分离的电极，放上Tour的分子。他们的建议送给国防高级研究计划局的项目高官Jane“Xan”Alexander，很快在1998年得到资助。最后，DARPA，HP，IBM，西北大学，宾州大学都给以资助，每年达到1500万美元。这个项目再次热门起来。Reed和Tour开了分子电子公司，他们申请一个专利，叫分子计算机，取消传统硅光刻印刷术。2003年宾州大学的Paul Weiss告诉科学杂志，Reed和Tour的某些结果并不像1999年文章里说得那么可靠。接着该领域又受到各种质疑，有人说分子电子学进入了“中年危机”。

   2001年贝尔实验室的Jan Hendrik Schon学术欺诈，发表了许多高调的发现，最后证明都是错的。对分子电子领域以极大的伤害，研究者纷纷撤离。他的丑闻之后，许多研究者静下心来开始研究纳米技术。几十亿美元、多部门努力，国家纳米科技计划建立起来，加大投资，加强管理。这些改革带来一系列科学和工程方面的成功，虽然比过去通报得少，期望得少，但可以看作是分子电子学的第四次高潮。这些成功都基于石墨烯，而且是化学、器件物理、电子工程和表面科学的交叉。10多年前，石墨烯还不存在。大概在它分离出来6年以后，成为诺贝尔物理学奖的基础。过去认为分子电子装置由锗晶体色带、电荷转移盐、导电聚合物或碳纳米管制成，而今天，最有希望的是石墨烯。也许，最近一波最有希望的结果是新的可商业化的装置，譬如亿阻器交叉存储器，受到分子电子学启发的装置。由HP的William组首先开发，Hynix Semiconductor和Knowm紧跟其后。但亿阻器存储缺乏对二氧化钛二极管和其他元件的单纤维连接的产生和清除。Intel和Micron最近宣布类似但不是亿阻器的3D-X点交叉开关存储器。这说明这些传统材料可以在分子装置上实现电气连接。

   在其他领域，分子晶体管从化学角度已经成为有机发光二极管显示器的发明。制造分子电路的无机元件已经导致传统硅微电子学的新的体系结构。如何把分子电路的有机和无机部分结合起来呼唤神经纳米研究和人机接口的进展。他们进入纳米技术使他们接触生命科学的研究人员，某些研究分子电子学的研究人员已经进入奥巴马政府的BRAIN项目，以革命化人脑科学。

   有人会问：分子计算机怎么样？要做到像奔腾芯片一样，那还远得很，那需要一大量经费，还得半世纪的起落。期望分子电子学赶上快速发展的硅技术只会失望。在过去的40年，处理器从每平方毫米250个晶体管发展到1千万个。今天的硅集成电路，晶体管长度10个原子，厚度只有一个原子，虽然平均大小有100纳米，分子元件要做得这么小现在看不可能。但是，两者都在努力使之融合。

   从正面看，分子电子学的历史说明即使对不可能的梦的追求也可能激励重要的发明。当白日梦失控的时候，特意的改革可以把研究方向转入更加可持续的轨道。自从Sehon崩溃以后，相关的政府项目不但提供资助，管理和协调研究，而且，监管结果的质量，从而使得分子电子学能够面对各种各样的材料稳定地处理各学科和研究课题，关于分子计算机的负面的讨论也减少了。今天放慢而又稳健的路子可能把神话般的梦想最后变成现实。

   回顾分子电子学发展的整个过程，发人深省的地方很多。创新的路可能很长，也可能几起几落。创新主要靠科研人员的努力，但科研管理人员的眼光和多方协调对创新的成功也极其重要。科研人员要有坚韧的毅力，但决不可搞学术不端，那样只会推迟创新的发展。从更广的范围看，科技创新首先需要全国人民有独立思考的创新意识，才能发现创新人才；这些人有的有创新想法；极少数能做出创新成果。道路是曲折而又漫长的。创新成果是否有价值，最后还要到实践中去检验。当然，短平快的创新也是有的，但“新”的深度不同，创新的影响和效果也会不一样。