從分子電子學的沉浮看創新

　　最近，創新和創業的話題很熱。IEEE Spectrum 2015/10發表“The Booms and Busts of Molecular Electronics”的文章，正好說明創新的重要和艱難，不但搞電子的網友會有興趣，對其他有志創新的朋友也會有啟發。

　　 40年前，紐約大學的研究生Arieh Aviram在其博士論文中說：“從自然得到啟發，使用許多物理現象中的分子可以微型化電子元件到分子大小。”他的這個想法是革命性的，用單個有機分子去取代硅晶體管和二極管。他的導師Mark Ratner說他設想了一個分子整流器，把交流變直流。他們的文章到1980年后期已經被引3000次，而被認為是分子電子學的開創之作。今天，分子電子學已經在商業顯示器上應用，并有備受矚目的突破，包括單分子發光二極管和碳納米管在單塊集成電路中耦合到硅基上面。耶路撒冷的希伯來大學的Danny Porath已經測量了在DNA制成的線上的電輸送。這種線是自組裝的，和銅線連接不同。哥倫比亞大學的Latha Venkataraman已經測量了單分子二極管，其整流比高了200倍，這是設備縮小以后保持高信號增益的關鍵一步。國立新加坡大學的Christian Nijhuis更是測量到在一個納米大小的分子中用分子電子代替由一些原子組成的單一功能組時整流的變化。這正是Aviram and Ratner夢想的控制類型。

　　 最近，英特爾宣布10納米節點將延遲推出，而半導體發展路線圖說下一個里程碑是2017年。現在分子電子學的成就可以說正當其時。那么，幾十年的努力是否可以讓分子電子學取代硅呢？這有一種誘人的可能性。

　　 研究人員在此前有過三次突破。從1950年代后期起，計算機和其他設備的電路把復雜的圖形腐蝕到硅片上，有些人想是否可以生長到單個分子里面，其功能像電子電路或元件一樣，也許會更快、更小，而且容易生產。MIT的Arthur R. von Hippel 和他的團隊首先提出了這個想法。1959年德州儀器公司從摻雜的有機晶體器開發固態分子電路。西屋公司的研究人員說可以生長出鍺晶體，像復雜電路一樣。但元件間的連接很困難。當時，繼續發展的硅集成電路使分子電路的這一波失敗。10年以后，Aviram and Ratner基于有機分子開始了新的探索。用有機電荷遷移鹽的電路比無機晶體或硅裝置都要小，像一個半導體二極管，分子的一部分是一個電子給體，類似于半導體二極管的n-結。當你給分子一個電壓，兩個區域就變形，直到電子可以自由地從一個區域移到另一個。而相反的電壓阻止電子移動。這種分子二極管可以用有機合成化學工具大量生產。他們生產了一個分子整流器，輸入交流電，出來是直流。他們的建議曾在時代雜志上發表，但沒有引起太大興趣，直到1970年代后期得到美國海軍研究實驗室的Forrest Carter的支持，他把高分子化學家、設備工程師、電子工程師、生物技術研究人員、未來主義者、國防戰略制定者集合在一起，公開宣稱分子電子學對計算，特別是人工神經網絡識別圖像比人腦還要快。可惜沒拿到足夠的聯邦基金。但是，接著在日本、蘇聯和英國，雖然沒有那么張揚，但給了資助。可惜一直沒有做出什么電路來，尤其是所謂分子計算機。1987年，57歲的Carter死了。Aviram開始組織一個分子電子學的系列國際會議，不大肆宣傳，而催化了下一個分子電子學的熱潮。

　　 耶魯的一位微制造專家Mark Reed在一個國際會議上遇到南加州大學合成化學家James Tour，他提出一個辦法合成有機分子，其功能像分子開關，但他沒有解決怎么把他的分子用線連到電路里去。連不到電路就無法看出它真是個開關。Reed提出用微制造技術制作一些分離的電極，放上Tour的分子。他們的建議送給國防高級研究計劃局的項目高官Jane“Xan”Alexander，很快在1998年得到資助。最后，DARPA，HP，IBM，西北大學，賓州大學都給以資助，每年達到1500萬美元。這個項目再次熱門起來。Reed和Tour開了分子電子公司，他們申請一個ZL，叫分子計算機，取消傳統硅光刻印刷術。2003年賓州大學的Paul Weiss告訴科學雜志，Reed和Tour的某些結果并不像1999年文章里說得那么可靠。接著該領域又受到各種質疑，有人說分子電子學進入了“中年危機”。

　　 2001年貝爾實驗室的Jan Hendrik Schon學術欺詐，發表了許多高調的發現，最后證明都是錯的。對分子電子領域以極大的傷害，研究者紛紛撤離。他的丑聞之后，許多研究者靜下心來開始研究納米技術。幾十億美元、多部門努力，國家納米科技計劃建立起來，加大投資，加強管理。這些改革帶來一系列科學和工程方面的成功，雖然比過去通報得少，期望得少，但可以看作是分子電子學的第四次高潮。這些成功都基于石墨烯，而且是化學、器件物理、電子工程和表面科學的交叉。10多年前，石墨烯還不存在。大概在它分離出來6年以后，成為諾貝爾物理學獎的基礎。過去認為分子電子裝置由鍺晶體色帶、電荷轉移鹽、導電聚合物或碳納米管制成，而今天，最有希望的是石墨烯。也許，最近一波最有希望的結果是新的可商業化的裝置，譬如億阻器交叉存儲器，受到分子電子學啟發的裝置。由HP的William組首先開發，Hynix Semiconductor和Knowm緊跟其后。但億阻器存儲缺乏對二氧化鈦二極管和其他元件的單纖維連接的產生和清除。Intel和Micron最近宣布類似但不是億阻器的3D-X點交叉開關存儲器。這說明這些傳統材料可以在分子裝置上實現電氣連接。

　　 在其他領域，分子晶體管從化學角度已經成為有機發光二極管顯示器的發明。制造分子電路的無機元件已經導致傳統硅微電子學的新的體系結構。如何把分子電路的有機和無機部分結合起來呼喚神經納米研究和人機接口的進展。他們進入納米技術使他們接觸生命科學的研究人員，某些研究分子電子學的研究人員已經進入奧巴馬政府的BRAIN項目，以革命化人腦科學。

　　 有人會問：分子計算機怎么樣？要做到像奔騰芯片一樣，那還遠得很，那需要一大量經費，還得半世紀的起落。期望分子電子學趕上快速發展的硅技術只會失望。在過去的40年，處理器從每平方毫米250個晶體管發展到1千萬個。今天的硅集成電路，晶體管長度10個原子，厚度只有一個原子，雖然平均大小有100納米，分子元件要做得這么小現在看不可能。但是，兩者都在努力使之融合。

　　 從正面看，分子電子學的歷史說明即使對不可能的夢的追求也可能激勵重要的發明。當白日夢失控的時候，特意的改革可以把研究方向轉入更加可持續的軌道。自從Sehon崩潰以后，相關的政府項目不但提供資助，管理和協調研究，而且，監管結果的質量，從而使得分子電子學能夠面對各種各樣的材料穩定地處理各學科和研究課題，關于分子計算機的負面的討論也減少了。今天放慢而又穩健的路子可能把神話般的夢想最后變成現實。

　　 回顧分子電子學發展的整個過程，發人深省的地方很多。創新的路可能很長，也可能幾起幾落。創新主要靠科研人員的努力，但科研管理人員的眼光和多方協調對創新的成功也極其重要。科研人員要有堅韌的毅力，但決不可搞學術不端，那樣只會推遲創新的發展。從更廣的范圍看，科技創新首先需要全國人民有獨立思考的創新意識，才能發現創新人才；這些人有的有創新想法；極少數能做出創新成果。道路是曲折而又漫長的。創新成果是否有價值，最后還要到實踐中去檢驗。當然，短平快的創新也是有的，但“新”的深度不同，創新的影響和效果也會不一樣。