从煤烟颗粒到集成电路：石墨烯 在过去的45年里，几乎和钟表一样准确的是，在计算机芯片上的晶体管数量大约每两年就要翻一番，这就是和引力定律一样有效的摩尔定律。随着芯片上的有源元件越做越小，价钱越来越便宜，要想把数量越来越多的有源元件硬塞进芯片中去会不可避免地导致复杂性和耗电量的大幅增加——因此新一代芯片的使用成本和前一代芯片相比并没有太多变化。 晶体管数量过大有可能最终会使传统的芯片设计走进死胡同。如果科学家们想把越来越多的晶体管塞进一块芯片中去，那么有源元件的尺寸就得小于14纳米(粗略地讲，14纳米仅相当于血液中2个血红蛋白分子的大小，或者一粒滑石粉末的千分之一)。 石墨烯就是按照蜂窝图案排列的碳的单原子层。 一种被称为石墨烯的物质有可能会给摩尔定律带来新的生机，因为它有可能进一步扩展硅技术的发展疆界。石墨烯就是只有一个原子厚度的碳原子按照六角形图案排列成的单原子层。在电子显微镜下，石墨烯看上去就像是铁丝网和蜂窝网的混合。 “这种结构不仅看上去很奇特，而且具有不可思议的特性，”佐治亚州理工学院纳米实验室的Walt de Heer说。“石墨烯是一种制作电子元件的奇妙材料。它不仅传输速度快，不需要太多能量，而且外形可以做的非常之小。它的性能远胜于硅，而且能做很多硅做不到的事情。它可能代表着电子学的未来。” 半导体研究人员从上世纪70年代起就已经在拿石墨烯做各种实验，但是要制作出超薄的蜂窝层来也存在着很大的困难。曼彻斯特大学的研究人员Andre Geim和Konstantin Novoselov在2004年成功制作出了石墨烯单原子层(这一成就和他们在石墨烯研究上的其他一些进展为他们赢得了2010年度的诺贝尔物理学奖)，从那时起，这一领域的进展可谓神速。 今年初，de Heer的小组已经编织出了石墨烯导线——这是研制微晶片最基础的一步——其宽度约为10纳米，利用晶体的面衍生现象来放置一层纯石墨烯从而制成一块硅芯片。(面衍生是指一种晶体层以一定的规则取向关系生长于另一种晶体表面之上的现象，这一衍生层会模仿基层的结构。) 最终，电子层的结构会小到1纳米厚，电子在其中的传输速度会比在硅片中的传输速度快很多，de Heer说。“一旦成功，石墨烯就能够制成太赫兹处理器。这一速度要比今天最快的硅芯片快20倍。” 佐治亚理工学院的Walt de Heer：“一旦成功，石墨烯就能够制成太赫兹处理器。” 明年，佐治亚理工学院的这个小组希望能够完成石墨烯集成电路原型，并利用试验台探索该物质的独特性质，为研制集成电路做进一步的精炼。 与此同时，IBM的研究人员已经采用标准的半导体制作工艺生产出了用于实验的石墨烯晶体管和集成电路。IBM的Guha指出，这是将石墨烯推向工业规模使用的第一步。 “这一领域具有巨大的发展潜力，”他说。“在军事和无线技术上拥有广阔应用前景，而且存在着与硅相互集成的可能性。现在需要的是做大量的工作以说明它有能力制作放大电路，或者生产大面积的高质量石墨烯有源元件进行集成。” 尽管按照进展情况，首个石墨烯产品可能会在2013年问世，但是不能因此而预计会很快出现采用了石墨烯芯片的超高速笔记本电脑。由于石墨烯产品价格昂贵，所以最初可能只有一些不在乎成本，只在乎计算速度和低能耗的特殊场合才会用到它。 同样的，我们今天所看到的很初步的石墨烯集成电路也因为价格昂贵只能用于军事和空间应用等特殊项目，在这些项目中，成本不是主要考虑因素。NIST的Seiler称，“这个领域的历史就是这样，初期产品成本昂贵并且稀少，然后越来越便宜，最后到处都是此类产品。” 惠普实验室的Williams补充道，“石墨烯是制作超高速芯片的一种新途径，它拥有巨大的发展潜力，十年内就有可能成为普通产品。” 印刷电路：让芯片的制作更便宜 标准的半导体工艺涉及一系列错综复杂的步骤，所有步骤都需要在一个造价昂贵的清洁空间中进行，以防止灰尘和污染物毁坏电子元件。不过施乐公司正在研发一种更便宜，也更方便的制作电子元器件的方法，就是在一块塑料薄片上印刷电路。这一工艺所需要的设备成本可能只需要数十万美元，而不是像传统的芯片制造工厂，比如英特尔最近在亚利桑那州破土兴建的芯片工厂那样需要数十亿美元之巨。 施乐公司PARC研究实验室商业部的前任主任Jennifer Ernst说，“常规的电子元器件工艺的确能实现快速、微型，但是成本高昂，”而通过直接在塑料薄片上印刷电路，PARC实验室正在让电子元器件的制作变得“缓慢、个儿大，但是便宜”。 PARC的设计是在基材上直接印刷电路，这多少有点儿像在信封上加盖邮戳。但是这需要一些特殊材料，例如银墨，不过这些设备可以在柔性的聚乙烯薄片上进行印刷而不能在较脆的硅片上印刷。实际上，这种工艺的成品可能不能再叫做芯片了。 利用多种印刷工艺，包括喷墨、压印和丝网印刷，PARC已经制作出了放大电路、电池和交换电路，而其成本却只是传统方法的一个零头。利用这种方法，该公司最近已成功地制作出了一块20位的内存和控制电路，计划在明年开始销售。与MB级别的闪存和DRAM芯片相比，其成本可大幅下降，而这只是个开始。 另一个有趣的印刷电路项目是探测感应器磁带，这是PARC实验室为美国国防部高级研究项目署(DARPA)研发的。该项目把电路印刷在柔性磁带上，而这种磁带可以贴在士兵的头盔上。再利用头盔后部的柔性胶卷电池供电，这种感应器可在战场上测量出压力(最高100psi，约合0.689Mpa)、加速度(最高1000Gs)、噪音级别(最高175分贝)和光亮度(最高400流明)。 PARC研制的柔性磁带含有可测量压力、噪音和光亮度的感应器，可供战场上的士兵使用。 士兵在穿戴这种感应器一周后，可从头盔上撕下磁带将其交给某个实验室，在这里，数据可以下载分析，这样医生就可以看出该名士兵的大脑是否有损伤。Ernst说，“这种成本不到1美元的感应器可以取代7美元一个的感应器，而其性能却一样的好。” 至于说到缺陷，印刷电路可能永远也达不到硅芯片的速度，也不太可能在指甲盖大小的面积上集成数十亿个晶体管。但是在很多需要考虑成本而无须考虑速度的场合下，它却有着广泛的用途。预计最早在2012年初，这种印刷电路芯片就会开始在玩具和游戏中出现，还有像合成语音设备、用于控制安全气囊打开的汽车座椅感应器等也会用到此类芯片。虽然印刷电路元件和传统的硅电子元件相比速度较低，但是对于控制气囊这样的事情来说，其速度是足够快的。 这款显示器是由PARC在一块柔性塑料薄片上制作的印刷有机半导体制成的，其成本比传统显示器便宜了很多。 Ernst预计，大约在2015年，这种印刷电路就会在一些非常有趣的场合出现，例如不用时可以卷起来的柔性电子书，或者带太阳能电池纤维的衣物，这种衣物可以给音乐播放器或者手机电池充电。市场分析公司IDTechEx预测，这种柔性印刷电路设备的销售将会从2010年的10亿美元增长至2016年的450亿美元。 IBM的Guha也看到了印刷电路的美好前景。“只要在制作电子元器件时不再需要清洁车间，其成本就会大幅下降。低成本、环境稍差一些的生产环境对于很多用途来说已经够好了，这种环境下生产出的电路同样拥有可以接受的质量。” |
