分子计算机

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计算机功能和运算能力的发展越来越快，更新换代的速度几乎达到难以想象的程度。于是，是否能够做到和人脑相近，甚至于超过人脑水平的问题，便成为人们普遍关注的热点。目前看来，要想做出肯定回答，有两个技术关键必须解决，亦即计算机电路的微型化和芯片的集成度能否继续不断提高。但經过多年的努力，在克服上述技术难关方面仍无突破性进展。这种态势激发了人们另辟蹊径，着手研发其他类型计算机的热情。随着纳米技术的兴起、分子生物学、化学合成和材料科学与技术的进展，量子计算机、生物计算机、分子计算机等的研制，已經成为相关学科领域的重要研究课题之一。由于分子计算机的部件均由具有特定功能的分子承担，它们之间的整合，通常要通过形成不同类型的化学键来完成，因此分子计算机的制造过程，被视为一个化学全合成过程，而且是其他领域专家无法独立完成的。所以，把它说成是化学家的乐园，应当是恰如其分的。

1　山穷水尽疑无路

以同态半导体和硅为基体的微电子技术的发展，遵循着一个非常著名的定律——摩尔定律。即每經过18至24个月，电路运算速度大约翻一番。历經40年的变化后，固态微电子学已經发展到在几个平方厘米的小硅片上，做出几百万个尺寸为0.18μm的晶体管的水平。但是如果和分子器件相比，它们仍然是太大了。二者大致相当于整页文字和一个句点之比。也就是说，即使硅晶体管的尺度缩小到120 nm的水平时，它仍然比分子器件要大60000倍!其次，当芯片上晶体管密度进一步提高后，杂散信号增多、散热困难、以及制造工艺难度的增加，都将影响到微电子技术的进展。而且由于經济上不再合算，传统的硅基微电子学可能会失去继续按照摩尔定律发展下去的动力。

事实上，不少专家认为，当晶体管达到0.1微米的水平时，挑战将变得更加严峻，因为集成电路加工技术所遇到的网难是随着晶体管密度的增加呈指数增长的，但是它的經济效益却不一定能够达到同样地增长速度。不少专家认为在2015年左右，芯片的产值可能高达200亿美元，但是小型化也将出现停滞，因为成本实在太高了。

在原子或分子中，电子所处的能级是量子化的，即非连续的，有点象梯子上的踏板那样表现为有限的分立值(只是间隔并不相同，离核越远，间隔越小)。在集成电路中，即使是最小的微型晶体管对于电子的量子化来说，仍然是太大了。在这些器件中，电子的运动是由硅原子的物理特性如能带结构所决定的。这意味着电子可以在硅的某个许可的能带中自由地运动，可是能带和单个原子或分子的能级相比实在是太大了，可能达到电子从所在器件向邻近器件泄漏时所需的能量。当器件尺寸达到几百纳米时，防止代表信息的微小电流从所在器件泄漏到邻近器件中去将变得非常棘手。

2　柳暗花明又村

近年来在分子计算机研究方面的巨大进步，被认为是解决这个问题的另一个可能途径。虽然目前预言它的成功还为时过早，但是从这个领域最近取得到的研究成果来看，其发展前景值得关注。

分子电子学和分子电子器件的研究发展很快，使得制造超小型、超密集的新一代计算机的理想，經过一度沉寂与困惑之后，再次激起了新的研究热情。化学家、物理学家和工程学家的一系列研究成果表明，由单个分子实现导电、开关和信息存贮等功能的设想，已經逐步成为现实。

3　分子器件构建术之——由元件做起

分子器件除了能够更加可靠地保持电子外，依据量子力学原理，經过特殊设计的分子还能表现出其他的功能。例如，作为“导线”的长形分子，电子要能够很容易地从一端流向另一端。电子在任何一个量子化了的结构中(如分子)都有由较高能级向较低能级流动的倾向，所以要传输电子就需要具有空的低能量轨道的分子，而且它的低能量轨道要贯穿于整个分子。典型的空的低能量电子轨道是π轨道，并且可以通过相邻分子间电子云的重叠形成共轭，所以π共轭体系是分子导线中的一种。一个有效的器件如晶体管，不仅能够允许电子流过，还必须能够有效地控制这种流动。因此，分子器件工程师的任务在于利用量子世界能级分立的特性，设计出轨道特性能够满足控制要求的分子来。例如，当分子中的轨道发生重叠时电子可以流过，但是当分子被扭曲或者构型被其他因素影响使得重叠被干扰时，电子的流动将被阻滞。所以，在分子水平上实现这种控制的关键在于，如何通过对分子间轨道重叠的微扰有效地调控在低能轨道上流过的电子的数量。

利用化学合成方法可以设计并合成出具有特定组成、结构和轨道排布的分子。更重要的是，在同一时间内可以制造出大量同类分子，而且是“绝对相同无误”的。均一性在分批式制造过程中很难做到，而且往往是极其昂贵的。1999年7月，HP公司和加州大学(洛杉矶分校)的化学家们用几百万个分子梭分子(在一条两端附近各具有一个电性可调控基团的长链上，套上一个能够自由运动的环状分子。通过外场的调制，例如利用H⁺离子的加合或丢失来改变控制基团的极性，这个环状分子便会在分子链上来回移动，类似于纺织机上的梭，所以称作分子梭)制成的分子膜，已經具备电子开关的功能。把若干个这种开关组合在一起，就成了能够进行基本逻辑运算的AND门的雏形。在这项成果发表后一个月左右，耶鲁和里斯两所大学成功地制成另一类具有可逆性的分子开关和能够作为存贮器用的分子，后者可以通过对电子的存贮来改变分子的电导率。最简单而有效的分子器件2：--是一种由三个苯环连成的链状共轭分子。苯环之间的连接在结构上不是很僵硬，要想使分子轨道的共轭程度发生改变，原则上只要找到一种能够控制分子结构扭曲程度的办法就可以实现，从而成为一种电流大小能够控制的分子器件。换言之，这是一种具有开关功能的器件。

在分子中部的苯环上面引入NO₂和NH₂两种基团，它们分别处于中间的那个苯环的两边，并指向外部。这种不对称的构象使得分子的电子云分布非常容易受干扰。因而使得分子的扭曲变形对外电场十分敏感。按这样的思路已經做出来一种有效的分子器件，当对这个分子施加电压时，电场就会使中间的苯环发生扭转，整个分子不再共面，电流的流通将受到阻碍。外电场移去后，分子又会自动地变回到原来的共面状态，于是，电流又可以继续流过。实验证明，这个极其微小的器件在作为开关时，其灵敏度远胜于任何已有的固态开关器件。

往分子中引入在外加电压下能够捕获电子的基团，是实现上述功能的关键。因为在这种条件下，分子对于电子流动的阻力可以由外电场来调制。当外电场电极性改变时，可以反复地使分子在导电与不导电两种状态间来回地变动，这正是电子开关必需具备的特性。这个器件是由夹在两片金属导体间的约由1000个带有硝基、氨基和巯基的三联苯的单分子层组成(如图1所示)。利用硝基和氨基在苯环上电极性的不同(前者为负，后者为正)在外电场作用下，处于三联苯中间的苯分子发生旋转，三个苯环不再在一个平面上(大盯键被破坏)电子流动受到阻碍，变为不导电。无外场时，三个苯环在分子中恢复共面，状态转为导电。巯基用以实现和金属基体的连接，形成电子通路。H⁺和氨基的结合和离去，可以调制器件对电子的

捕获。在这个基础之上，将捕获电子的功能改为保持电子的功能，就可以成为一种记忆元件。

虽然有了以上所说的种种进步，前进的道路上仍然是遍地荆棘。制造出单个器件固然是非常重要的一步，但是在制造出完整的可用的电路之前，还必需解决一系列的重要问题，例如怎样把上百万甚至上亿个各式各样的分子器件牢同地连接在某种基体的表面上，同时按照电路图所要求的图形把它们准确无误地连接起来。遗憾的是，目前还没有完全能够满足这种要求的技术。在1980年之前，即在发明扫描隧道显微镜(STM)之前要想实现上述的各项要求，技术上是完全不可能的。STM给了科学家一个原子世界的窗口，使得他们有了“看见”并操纵单个原子或分子的可能。虽然扫描隧道显微镜对于检测和构建单个器件是非常精确的，但是实用的分子线路是由数量巨大的器件所构成的，必须排列有序并且形成一个坚固的结构，以避免相互之间随机出现的相互作用。解决这个重大挑战的进展来自对自组织现象的研究，自组织现象是原子，分子或分子群自发地把自己排列成有序图形的一种现象，即使是比较复杂的体系通常也不需要借助于外力的作用。

4　分子的自组织过程大显身手

自组织过程一旦开始之后，它将自动进行到某个预期的终点。利用自组织作用可以使大量的分子和同一个表面相连接(这个表面通常是金属)，分子和这个表面相接触时，长形的分子就会像由相同的树以规整的序列形成的森林一样直立在表面上。仅仅靠自组织作用还不足以制备出实用的分子计算体系，有时还必须把自组织和其他加工方法如光刻技术结合起来。在光刻技术中，用光或其他的电磁辐射通过网模在金属或半导体芯片上产生图像。利用光刻技术制造出金属连接层和准备沉积绝缘体的孔洞。在孔洞中制造出电学接点和设计好的限制分子用来进行自组织过程的位点。这样，最后的体系包含了自组织分子区域和迷宫般的金属连线网格。

耶鲁大学的Reed首次完成了对单个分子的电学测量，也是用自组织方法实现的。更有特色的是，Reed等测出了流过分子的电流的阈值。实验的核心装置是经过改进的STM(扫描隧道显微技术)，使之能够精确而且稳定地把单个分子夹在两个针尖之间。他用了一种非常简单的分子即二巯基苯，巯基和金属针尖“粘”在一起，从而可以测量流经分子的电流。测量结果表明，分子的电阻率大约在107欧姆的量级。

耶鲁的研究者还发现，在5 V时分子可以承受0.2 mA的电流。这意味着每秒穿过分子通道的电子数大约等于1012。这个数字很重要，它以事实说明，电子只能一个接一个地排成单行通过分子。电子经过分子时不会因为相互作用或碰撞而产生热。关于分子导电性的观测很快进入基本器件的视野，电子器件中最简单的是二极管，可以把它看成是一种电子的单向阀。1997年就有两个研究组分别合成了轨道能级序列像楼梯的踏板一样可以由外加电压的极性进行调节的分子。当在一个方向上施加电压时，它就像靠在墙上的梯子，要化相当的力气才能爬上去。电压的极性改变后，它便像平放在地上的梯子，走过这些踏板时几乎可以不化什么力气。

5　分子器件构建术之二一一由上往下制造

开始构筑这类器件时，康奈尔大学研究者的方法是纳米微孔法，孔径约30nm，利用自组织作用在孔中形成单分子层，然后在约100个这种分子膜顶部蒸发上一层金属，分子器件也就完成了。耶鲁小组很快就开始研究比较复杂的器件即开关。对于一般的开关而言，可控是基本要求。如果不仅能够起开关的作用，而且有电流放大的作用，才更为理想。因为在构筑逻辑电路时要把大量开关连接在一起，而且这种放大作用是必需具备的。硅晶体管就是凶为能够同时满足这两方面的要求，才成为20世纪的伟大成就2--(目前，由其他材料制成的同时具备开关和放大功能的晶体管尚待发现)，上面谈到过的通过分子某个部分的扭曲来控制电流的分子器件就有这种可能性。耶鲁在这项研究中曾经观察到激动人心的结果，在开关两种状态下测得的电流比率(on／off)大于1000，而固体共振隧道二极管的比率只有100左右。

美国加州大学(洛杉矶分校)的研究小组也观察到类似的结果。由分子梭组成的分子膜的电导率，在外压下可以发生变化。分子的构象发生变化引起了轨道序列的变化，从而使得电流受到阻挠，成为一个“结”。一系列这样的结连接起来，就可以构成具有简单逻辑功能的器件。

最令人鼓舞的是，分子器件还可以做成记忆器件。除去实际应用的晶体管类型的器件外，记忆是计算机器件的另一个基本要求。在中间的苯环上只留下一个NO₂时，分子轨道的敏感性就会有所不同。内部基团的荷电状态决定了分子轨道的分散或局域化。中间苯环上电荷的有无，将使得分子导电性随之改变。如果在NO₂基上带有电荷，导电过程将被阻断，此时可视为二进制中的0；如果在NO₂基呈中性，导电率较高，可视为二进制中的1。重要的是分子保持(或记忆)所存贮的比特的时间竟然长达10分钟!相比之下，硅DRAM只有几个微秒，而且为了保持其中的数据，通常要靠外电路的作用。由开关器件转变为记忆器件在分子电子器件来说竟然是如此地简单易行，它显示出分子器件设计时所具有的柔性特点。

6　应当重建分子电子学吗?

分子器件既然有如此多的优点，为何不放弃硅器件的研究全力转向以分子为基础的体系?因为还需要能够制造出一种能像三极管一样工作的器件。三极管有三个端，其中2；-是用来控制另两端之间的电流的。而现在的分子器件上只有两个端，电流是由外电压来控制的。集成电路中的场效应管中的电流虽然也是由外电场控制的，但是这个场是通过加在第三极上的电压来实现的。

目前最新的微处理器有超过1000万个三极管和一个周期为1／2GH(每秒5000万周)的时钟，发射功率约100w，已经接近半导体技术的热极限。所以测定分子器件在工作过程中的热发射有助于确定在芯片或其他基体上放置分子器件的极限数目：一个在常温下以现在速度工作的分子器件所消耗的功率极限是50pW，即50／10-12w。这个数据表明了分子器件数的上限大约是硅微三极管数目的105倍!虽然硅管工艺还有进步的余地，却无法和不必考虑热干扰的分子器件相比拟。

到现在为止，还没有人知道如何在分子水平上去制造这样一种互相连通的功能电路，现有的复杂微电子制造学技术对于分子水平的器件来说是远远不够用的。这类器件的大规模集成电路会是什么样子，至今仍然没有确定的看法。构建复杂分子器件包括连接分子器件的新方案所展示给人们的，很可能和现行工艺所采取的思路完全不同。也许在发展分子器件技术的同时，构建新的分子电子学也是当务之急。化学在近两个世纪里所积累的丰富的化学合成方法与化学结构理论，将成为分子计算机技术的发展的重要基础之-。

石墨烯制备技术的发展，因诺贝尔物理奖的颁发正在进一步加速。它的优良电学性质和规则的原子排布可以成为理想的基体或模板，加上石墨烯中碳原子的化学活性，在制造分子计算机时，有可能避开上述某些技术难题的困扰。曾经有人设想过，分子计算机的制造过程很可能类似于一个化学全合成过程。所以，分子计算机的研制将是新世纪化学家大展身手的一个领域，称之为化学家的乐园，应当是当之无愧的了。

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