奈米電子的微型化原則
小身材，大作用。電子製造商正在研究如何應用原子級的零件製造電子設備。它們不僅可以讓電腦更強大、更節能，還將成為全新類型的電子設備發展的基石。這些創新所帶來的影響將改變整個世界。
想像一下，只有拇指大小的一次性盒子能容納整個臨床診斷測試實驗室；鏡片不僅可以按需顯示明天的天氣預報，還可以為手機電池充電。這些都將成為奈米電子技術所創造的奇跡——所謂的奈米電子技術，是指在微觀層面對材料進行加工或結合，從而展現材料獨有特性的技術。
比利時奈米電子技術研究中心Imec技術長兼執行副總裁Jo De Boeck博士、教授解釋：「奈米電子產品中含有尺寸小於100奈米的零件，其功能性取決於零件的大小。」100奈米確實可以稱得上微乎其微，它僅相當於1公釐的萬分之一，與流感病毒大小相近。Boeck繼續道：「在奈米層面，我們可以觀察到很多截然不同的特點。比如量子效應和改變材料的電學性質或者鐳射的波長。」
目前，主流電子設備已經在奈米電子技術領域紮根。最先進的積體電路或電腦晶片中都包含有數十億個25奈米甚至更小的電晶體。
古希臘人發現，琥珀摩擦後可以吸引灰塵。所以，當19世紀的科學家發現了帶負電的基本粒子後，便將其命名為ήλεκτρον（ēlektron），意為琥珀。
而今，我們已經明白，電子有如橋樑一般將世界萬物連接在一起。電子將原子結合起來形成分子：所有化學原理都基於電子的量子特性。
從照亮房屋，為工廠供電，到資訊科技和電信設備，我們對電子運動的掌控和運用支撐起現代生活的方方面面。
最近，科學家和工程師們正在探索新的方式來利用電子的行為特點，比如它們能「貫通」原本無法穿透的材料薄層。
「奈米電子技術已經改變了我們的生活。」，Boeck說，「它讓我們在使用手機通話時不再感覺燙手，同時也為移動設備和筆記型電腦提供了超高解析度的顯示器。。」
確實，正是得益於半個多世紀以來積體電路的飛速發展，我們才能夠加工出厚度相當於人體髮絲千分之一的物品。1965年，英特爾公司聯合創始人戈登•摩爾提出了著名的「摩爾定律」：每隔約兩年，積體電路上可容納的電晶體數量便會增加一倍。
此後，行業不斷採用新的材料和製造技術，逐漸在矽晶片上集成了更多更小的零件，從而印證了摩爾定律的預測。今天，在最先進的積體電路上，某些元件的大小僅為22奈米左右；與此同時，研究人員還在試圖將這個尺寸繼續減半。不過，隨著元件尺寸達到原子等級，物理極限的問題隨之浮現。
挑戰極限
「製造商可以透過三種方式提高晶片的性能。」，巴斯夫電子材料部副總裁Claus Poppe說明：「首先是縮小電晶體的尺寸，也就是摩爾定律的內容。不過，行業普遍認為，5奈米是電晶體長度的極限，預計行業將在未來十年實現這一目標。其次，使用鈷和鍺等新材料替代或補充現在使用的矽。最後是幾何結構，用三維結構代替目前的二維設計。」
行業能否實現第二次飛躍，在很大程度上取決於是否擁有正確的化學技術。製造一塊最先進的電腦晶片約需要600至1000道工序，其中絕大部分需要用到化學產品和技術（詳情參閱第57頁的圖表）。晶片的每一次進步，都對這些化學品提出了新的要求。巴斯夫單體業務部電子材料部門高級副總裁羅齊樂表示：「在奈米層面，巴斯夫的化學專業知識是一個重要的成功因素。」羅齊樂領導的一個部門位於韓國，其員工人數達到了全球電子業務部門員工總數的三分之二，既展現亞洲在全球積體電路業務的重要地位，也說明了與客戶密切合作，共同開發客製化材料的重要性。負責該部門的巴斯夫電子材料亞太區副總裁Boris Jenniches表示：「要在奈米層面有所創新，就必須了解要求達到超高純度的分子之間的相互作用。」
純度之所以重要，是因為在奈米大小下，幾個原子的雜質就可能造成電路無法正常工作。巴斯夫德國分析能力中心無塵實驗室運營經理Jan Willmann負責檢查巴斯夫電子材料是否達到客戶要求的純度。「我們檢測的污染水準一般在兆分之10到100之間。」，Willmann解釋：「按照這種水準，如果把樣本拿給製藥行業的人看，他們肯定會說『什麼雜質也檢測不到，樣品完全潔淨』。」
速度更快、成本更低、能效更高
在奈米層面以極高的精度去改變和控制材料，就可以在傳統的晶片設計之外創造大量的機遇。傳統電池的主要侷限之一在於其物理結構。為了製造更好的電池，工程師們希望增大正負極的有效表面積，使電子更容易在兩者之間流動。Imec能源技術業務開發總監Philip Pieters解釋：「這可以透過在奈米層面製作3D電極表面來實現。」
研究人員希望此類電池不僅能比傳統電池儲存更多能量，還可以提高充電速度，説明電子設備甚至電動車將充電時間從幾小時縮短到幾分鐘。除奈米電池以外，Pieter團隊的研究內容還包括高精度印刷技術，這些技術可直接用於其它領域的超薄電子材料層。比如，借助可印刷的光伏設備，未來建築將能夠利用照射到立面和窗戶上的日光發電，甚至可以利用照射到牆壁和天花板的室內光。
“少少於十分鐘，低於十美元的診斷技術將改變整個世界的醫療衛生行業。”
Robert Bollinger博士，約翰霍普金斯大學
加州大學洛杉磯分校發起的Aneeve奈米科技公司已經開發出一種技術，使電路可以印刷在各種基質上。Aneeve首席執行官Kosmas Galatsis表示：「與傳統晶片製造相比，這種印刷工藝不僅低價、節能，還有益環保。」據他介紹，與傳統電子設備中使用的稀土材料，比如鉭和銦相比，Aneeve所使用的碳奈米管更安全、可持續、儲量豐富。
借助Aneeve的工藝，電路可印刷在透明材料上，肉眼幾乎不可見。該公司希望該工藝能夠大幅降低柔性顯示器或無線通訊設備的製造成本。這將有助於開發新的可穿戴設備，比如通過內置顯示器提供增強現實功能的眼鏡：利用浮動的方向箭頭在陌生城市提供導航，或者提供附近商店和餐廳的用戶評論及營業時間資訊。
由一群前微軟員工在西雅圖創辦的Heapsylon公司則利用奈米電子技術將感測器集成到了衣物中。該公司的產品包括面向跑步者的壓力感應運動襪和能夠測量心率的女士內衣和T恤，據稱這些產品不但觸感柔軟，而且可以機洗。
芯片上的實驗室
除了將積體電路製造技術整合到其它應用中，奈米電子技術還可在晶片中加入全新的功能。晶片製造商用來蝕刻形狀和使用不同材料製作電晶體的技術，也同樣可以用來生產微型管道、感測器和機械。今年早些時候，Imec與美國馬里蘭州的約翰霍普金斯大學展開合作，共同開發奈米電子醫療診斷系統。Imec生命科技專案經理 Liesbet Lagae解釋：「我們希望未來隨身碟大小的設備就可以進行多種診斷測試，而這些測試目前大多只能在實驗室內完成。」
Imec團隊希望使用嵌入到晶片中的感測器完成多種檢測，包括孕檢、HIV等病毒抗體檢測甚至DNA分析等等。「我們已經為此奠定了基礎。」，Lagae說，「我們非常了解微流體，因此在電路中加入了多個毛細泵，這就意味著樣本能夠通過晶片。我們可以做一個 PCR（多聚酶鏈反應），在測試之前放大DNA。我們也知道如何將生物標記集成到電路中，這樣它們就可以在接觸到某些酶或抗體時產生電子或光子信號。」
Imec約翰霍普金斯團隊要實現目標還有很長的路要走；不過，與傳統晶片一樣，這些新技術在很大程度上依賴於正確的化學材料和技術。將脆弱的生物分子集成到晶片中也極具挑戰性。「我們需要克服貯藏時間的問題。」，Lagae解釋，「生物標記必須進行穩定處理，這樣才不會在使用前分解，到目前為止，還沒有人在矽環境下嘗試這樣做。」製造方面同樣存在挑戰；在傳統晶片的生產過程中，有多個環節需要用到高溫，但這可能會破壞易變的生物化學物質。
「我們希望未來隨身碟大小的設備就可以進行多種診斷測試，而這些測試目前大多只能在實驗室內完成。」
Imec生命科技專案經理 Liesbet Lagae
約翰霍普金斯大學生物醫療奈米電子技術專案負責人Robert Bollinger博士表示，奈米電子技術將給生物醫療領域帶來翻天覆地的變化。「如果能夠在患者身邊就地進行測試——無論患者在哪裡——就可以幫助更多的患者享受到高水準的診斷服務，減少對專門醫療機構的需求。」
但真正改變世界的是電子行業，因為他們能夠以低廉的成本大規模生產這些微型產品。「奈米電子技術可以發揮半導體行業的規模效應，這為提高產量、降低成本創造了巨大的潛力。」，Bollinger說，「少於十分鐘，低於十美元的診斷技術將改變整個世界的醫療衛生行業。」
