分子电子技术

分子电子技术(molecular electronic technology)

　　分子电子技术是一种以生物分子作为载体、在分子水平上实现电子学的信息处理和存储过程的仿生技术，其目标是探索有关分子电子器件的制造技术，研制由分子器件构造的并行分布式仿生智能信息处理系统，从而开辟信息科学发展的新途径。

　　分子电子技术的兴起始于20世纪70年代，是当今世界正在蓬勃发展的高技术，因此，它所涉及的许多具体技术，还难以准确界定，但从目前的认识而言，至少包括分子材料制备技术、分子组装结构技术、分子设计技术等。

　　一、分子材料制备技术

　　通过对各种分子材料的制备，使分子按照设计的空间点阵排列生产出具有特定性能的材料，是当前分子技术的重点之一。目前可供选择的技术主要有：单分子薄膜刻蚀技术、现代薄膜外延技术、极化取向技术、分子操作技术等。

　　如：半导体晶体分子材料的合成与制备，就是采取现代薄膜外延技术。把两种半导体薄层晶体(如Si、Ce)交替外延生长在一起，使其具有成分调制周期的结构，以此技术制备的单层半导体薄晶体的厚度为1—50nm，周期重合可达上百次。并且在分子束外延上，超晶格的单层和调制周期等性能，可以严格按设计水平控制在单分子层厚度的精度上。

　　二、分子组装结构技术

　　分子电子材料的性能优化是基于其结构和成份在分子层次上的可控特性来实现的。因此，精细地控制材料的分子结构，直至达到分子层次上的有序，这就是分子组装结构技术(即纳米技术)。目前，分子组装结构技术主要有：BLM(Black Lipid Membrance)技术、SA(Serf-Assembly)技术、聚合分子组装技术等。

　　利用分子自组装结构技术可按特定的功能要求，比较方便地将不同种类的有机材料、无机材料等组装在一起。如：把无机半导体簇(几埃至几百埃)组装入聚合膜或LB膜中。制作出将无机和有机的特性均优化的新材料；用W—23碳烯酸制备的LB抗蚀层可获得600埃的分辨率，在等离子体刻蚀中有较好的抗蚀性；采用多种材料薄膜的组合，可精确控制折射率、损耗、结构尺寸等，以制作所需要的各种平板光波导、定向耦合器等。

　　一种自组装单层膜被研究者们亲切地称为SAMS。SAMS是一种1至2纳米厚的有机分子薄膜，它在被吸附的基体上形成二维晶体。SAMS的分子是腊肠形的，长大于宽。它的一端是一个原子或一组原子，与表面有很强的相互作用；而另一端，化学家们可附加上各种各样的原子团，从而改变了SAMS形成的新表面的性能。对SAMS的最广泛的研究是由叫做链烷硫醇的分子组装组成的，它的一端具有较长的碳烃链，一端有硫原子。硫在金或银的基底上吸附得很好。譬如说，当在玻璃板上镀以金的薄膜，然后浸入链烷硫醇溶液中，硫原子就附着到金膜上．吸附在表面的硫原子间距与分子其余部分的横截面直径相近，链烷硫醇分子排列在一起，产生了一个二维晶体。这种晶体的厚度可以通过组装改变烃链和长度来控制，晶体表面的性能可以精确地改变。例如，联接不同的末端原子团，可以使表面亲水或疏水，这进而可能影响它的附着性、腐蚀性与润滑性。如果链烷硫醇以特殊的形式压印在金膜上，就能够用它们研究在不同有机基质上制造光学仪器的卫射光栅。与大多数表面改性的方法相比，所有这些操作简单而廉价，既不要求高真空设备，也不需要平面光刻。

　　三、分子设计技术

　　分子设计技术主要依靠量子化学、凝聚态物理、计算机技术等多学科的综合成果，在分子级水平上研究材料性能，或利用原子结构理论预测未知材料的性能等，并根据指定性能和要求，重新设计自然界根本不存在的新分子、新材料。分子设计技术主要包括了物理过程、工艺过程以及分子作用机理的计算机模拟仿真研究，除了理论性问题外，在技术性问题上涉及到：计算机图形、模式识别、数据库技术等方面。如果这项技术日趋完善与发展，将从根本上改变目前“拼盘”式的研究分子新材料的模式，为寻求新材料，开辟了一条崭新的道路。

　　人们设想：将现有的化合物与材料有关的性能、结构、特征等信息，存入计算机内，在需要研制新材料时，把该材料要求的性能数据输入计算机，计算机便可设计出该新材料，并为之提出合理制造方法，推测与判断该材料的各种性能；或者借助计算机，对原有分子材料进行定向改造，把不需要的成份剪裁下来，拼接上需要的补充成分，从而合成出人们所需要的分子新材料。到那时，分子新材料技术将进入一个新纪元，并预示着人类将摆脱对自然材料的依赖，使材料的研究、生产等发生根本性的变革，电子信息领域将进入到一个新的时代。

　　分子电子技术的应用涉及诸多方面，当前主要包括：合成与制备分子材料、组装分子器件、制造微型机电系统等。

　　(一)分子材料

　　分子材料即纳米材料，它包括：纳米微粒和纳米固体。纳米微粒是指特征尺寸在1—100nm之间的纳米粉体，它们可以是金属、合金、陶瓷或分子材料；纳米固体是按组成颗粒的尺寸和颗粒的排列状态，分为纳米晶体和纳米非晶体。纳米材料具体可分为：零维纳米材料(如原子团)、一维纳米材料(如线状结构)、二维纳米材料(如纳米薄膜)和三维纳米材料(如纳米块状固体材料)。

　　物质颗粒达到纳米级尺度时，就会呈现出独特的效应：如小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等。这些独特效应将使分子材料产生较之常规晶粒材料所不具备的奇异特性和反常特性，展现出引人注目的应用前景。如：金属超微粉末颗粒尺寸达到10nm时，因光吸收能力显著增加可能变成黑体；铜颗粒达纳米级尺度就变得不导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20nm时却开始导电；高分子材料加纳米材料制成的刀具比金刚石制品还坚硬；纳米晶体材料的各种性能显著变化：强度／硬度、电阻率、比热、热膨胀系数提高；密度、弹性模量和热传导率降低，扩散性增强，可裂件／韧性改善及软磁性优良等等。

　　(二)分子器件

　　分子器件目前已经提出了四类模型：一是D—W—A模型。D是电子给体，A是电子受体，W是分子导线或敏感分子；二是二维分子晶体构成的低维导体模型；三是有机分子器件模型；四是突触分子器件模型。利用分子电子技术制造的分子器件主要有：分子导线、分子电阻、分子电容、分子开关、分子二极管、分子整流器、光敏元件、有机场效应晶体管、电致发光器件、突触膜等。如：移位寄存器，每个单元的厚度仅为2-3nm，而在横截面方向上1μm×1μm的范围内可以有近万条分子移位寄存器并联，一次移位的能量小于3ev，移位时间约为2．6ns。用Cu—TCNQ构成的光存储器，如用刻蚀技术(STM)读写，其存储量可达2．0×10⁹bits／cm²，用光烧孔技术读写，其存储量可达10¹¹bits／cm²，用电化学过程读写可达10¹²bits／cm²。

　　(三)微型机电系统

　　微型机电系统是专指那种外形轮廓尺寸在毫米量级以下，构成的元件尺寸在纳米级的可控制、可运动的微型机电装置、微型敌我识别装置、微型报警传感器等。

　　如微型机器人电子失能系统。它是人们设想研制的一种微型机电系统，通常具有六个分系统：传感器系统、信息处理与自主导航系统、机动系统、通信系统、破坏系统与驱动电源。这种微型机电系统具有一定的自主能力，并拥有初步的机动能力，当需要攻击敌方的电子系统装置时，就利用无人驾驶飞机将这种“东西”散布到目标周围，当目标工作时，它们将“感觉”到目标的位置，并向目标方向移动，直到渗透进被攻击目标的内部，从而使敌方的系统运转失灵。此外，易受微型机器人电子失能系统打击的目标还包括：电力系统、民航系统、运输系统、信息高速公路、电视台、电讯系统、计算中心等。微型机电系统为今后的政治家和军事家提供了某种“战略威慑”手段。

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