分子電子技術

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分子電子技術(molecular electronic technology)

目錄

什麼是分子電子技術[1]

  分子電子技術是一種以生物分子作為載體、在分子水平上實現電子學的信息處理存儲過程仿生技術,其目標是探索有關分子電子器件的製造技術,研製由分子器件構造的並行分散式仿生智能信息處理系統,從而開闢信息科學發展的新途徑。

分子電子技術的內容[2]

  分子電子技術的興起始於20世紀70年代,是當今世界正在蓬勃發展的高技術,因此,它所涉及的許多具體技術,還難以準確界定,但從目前的認識而言,至少包括分子材料製備技術、分子組裝結構技術、分子設計技術等。

  一、分子材料製備技術

  通過對各種分子材料的製備,使分子按照設計的空間點陣排列生產出具有特定性能的材料,是當前分子技術的重點之一。目前可供選擇的技術主要有:單分子薄膜刻蝕技術、現代薄膜外延技術、極化取向技術、分子操作技術等。

  如:半導體晶體分子材料的合成與製備,就是採取現代薄膜外延技術。把兩種半導體薄層晶體(如Si、Ce)交替外延生長在一起,使其具有成分調製周期的結構,以此技術製備的單層半導體薄晶體的厚度為1—50nm,周期重合可達上百次。並且在分子束外延上,超晶格的單層和調製周期等性能,可以嚴格按設計水平控制在單分子層厚度的精度上。

  二、分子組裝結構技術

  分子電子材料的性能優化是基於其結構和成份在分子層次上的可控特性來實現的。因此,精細地控制材料的分子結構,直至達到分子層次上的有序,這就是分子組裝結構技術(即納米技術)。目前,分子組裝結構技術主要有:BLM(Black Lipid Membrance)技術、SA(Serf-Assembly)技術、聚合分子組裝技術等。

  利用分子自組裝結構技術可按特定的功能要求,比較方便地將不同種類的有機材料、無機材料等組裝在一起。如:把無機半導體簇(幾埃至幾百埃)組裝入聚合膜或LB膜中。製作出將無機和有機的特性均優化的新材料;用W—23碳烯酸製備的LB抗蝕層可獲得600埃的解析度,在等離子體刻蝕中有較好的抗蝕性;採用多種材料薄膜的組合,可精確控制折射率、損耗、結構尺寸等,以製作所需要的各種平板光波導、定向耦合器等。

  一種自組裝單層膜被研究者們親切地稱為SAMS。SAMS是一種1至2納米厚的有機分子薄膜,它在被吸附的基體上形成二維晶體。SAMS的分子是臘腸形的,長大於寬。它的一端是一個原子或一組原子,與錶面有很強的相互作用;而另一端,化學家們可附加上各種各樣的原子團,從而改變了SAMS形成的新錶面的性能。對SAMS的最廣泛的研究是由叫做鏈烷硫醇的分子組裝組成的,它的一端具有較長的碳烴鏈,一端有硫原子。硫在金或的基底上吸附得很好。譬如說,當在玻璃板上鍍以金的薄膜,然後浸入鏈烷硫醇溶液中,硫原子就附著到金膜上.吸附在錶面的硫原子間距與分子其餘部分的橫截面直徑相近,鏈烷硫醇分子排列在一起,產生了一個二維晶體。這種晶體的厚度可以通過組裝改變烴鏈和長度來控制,晶體錶面的性能可以精確地改變。例如,聯接不同的末端原子團,可以使錶面親水或疏水,這進而可能影響它的附著性、腐蝕性與潤滑性。如果鏈烷硫醇以特殊的形式壓印在金膜上,就能夠用它們研究在不同有機基質上製造光學儀器的衛射光柵。與大多數錶面改性的方法相比,所有這些操作簡單而廉價,既不要求高真空設備,也不需要平面光刻。

  三、分子設計技術

  分子設計技術主要依靠量子化學、凝聚態物理、電腦技術等多學科的綜合成果,在分子級水平上研究材料性能,或利用原子結構理論預測未知材料的性能等,並根據指定性能和要求,重新設計自然界根本不存在的新分子、新材料。分子設計技術主要包括了物理過程、工藝過程以及分子作用機理的電腦模擬模擬研究,除了理論性問題外,在技術性問題上涉及到:電腦圖形、模式識別資料庫技術等方面。如果這項技術日趨完善與發展,將從根本上改變目前“拼盤”式的研究分子新材料的模式,為尋求新材料,開闢了一條嶄新的道路。

  人們設想:將現有的化合物與材料有關的性能、結構、特征等信息,存入電腦內,在需要研製新材料時,把該材料要求的性能數據輸入電腦,電腦便可設計出該新材料,併為之提出合理製造方法,推測與判斷該材料的各種性能;或者藉助電腦,對原有分子材料進行定向改造,把不需要的成份剪裁下來,拼接上需要的補充成分,從而合成出人們所需要的分子新材料。到那時,分子新材料技術將進入一個新紀元,並預示著人類將擺脫對自然材料的依賴,使材料的研究、生產等發生根本性的變革,電子信息領域將進入到一個新的時代。

分子電子技術的應用[2]

  分子電子技術的應用涉及諸多方面,當前主要包括:合成與製備分子材料、組裝分子器件、製造微型機電系統等。

  (一)分子材料

  分子材料即納米材料,它包括:納米微粒和納米固體。納米微粒是指特征尺寸在1—100nm之間的納米粉體,它們可以是金屬、合金、陶瓷或分子材料;納米固體是按組成顆粒的尺寸和顆粒的排列狀態,分為納米晶體和納米非晶體。納米材料具體可分為:零維納米材料(如原子團)、一維納米材料(如線狀結構)、二維納米材料(如納米薄膜)和三維納米材料(如納米塊狀固體材料)。

  物質顆粒達到納米級尺度時,就會呈現出獨特的效應:如小尺寸效應、錶面與界面效應、量子尺寸效應、巨集觀量子隧道效應等。這些獨特效應將使分子材料產生較之常規晶粒材料所不具備的奇異特性和反常特性,展現出引人註目的應用前景。如:金屬超微粉末顆粒尺寸達到10nm時,因光吸收能力顯著增加可能變成黑體;銅顆粒達納米級尺度就變得不導電;絕緣的二氧化硅顆粒在20nm時卻開始導電;高分子材料迦納米材料製成的刀具比金剛石製品還堅硬;納米晶體材料的各種性能顯著變化:強度/硬度、電阻率、比熱、熱膨脹繫數提高;密度、彈性模量和熱傳導率降低,擴散性增強,可裂件/韌性改善及軟磁性優良等等。

  (二)分子器件

  分子器件目前已經提出了四類模型:一是D—W—A模型。D是電子給體,A是電子受體,W是分子導線或敏感分子;二是二維分子晶體構成的低維導體模型;三是有機分子器件模型;四是突觸分子器件模型。利用分子電子技術製造的分子器件主要有:分子導線、分子電阻、分子電容、分子開關、分子二極體、分子整流器、光敏元件、有機場效應晶體管、電致發光器件、突觸膜等。如:移位寄存器,每個單元的厚度僅為2-3nm,而在橫截面方向上1μm×1μm的範圍內可以有近萬條分子移位寄存器並聯,一次移位的能量小於3ev,移位時間約為2.6ns。用Cu—TCNQ構成的光存儲器,如用刻蝕技術(STM)讀寫,其存儲量可達2.0×109bits/cm2,用光燒孔技術讀寫,其存儲量可達1011bits/cm2,用電化學過程讀寫可達1012bits/cm2

  (三)微型機電系統

  微型機電系統是專指那種外形輪廓尺寸在毫米量級以下,構成的元件尺寸在納米級的可控制、可運動的微型機電裝置、微型敵我識別裝置、微型報警感測器等。

  如微型機器人電子失能系統。它是人們設想研製的一種微型機電系統,通常具有六個分系統:感測器系統、信息處理與自主導航系統、機動系統、通信系統、破壞系統與驅動電源。這種微型機電系統具有一定的自主能力,並擁有初步的機動能力,當需要攻擊敵方的電子系統裝置時,就利用無人駕駛飛機將這種“東西”散佈到目標周圍,當目標工作時,它們將“感覺”到目標的位置,並向目標方向移動,直到滲透進被攻擊目標的內部,從而使敵方的系統運轉失靈。此外,易受微型機器人電子失能系統打擊的目標還包括:電力系統、民航系統、運輸系統、信息高速公路、電視臺、電訊系統、計算中心等。微型機電系統為今後的政治家和軍事家提供了某種“戰略威懾”手段。

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參考文獻

  1. 林自葵等編著.第一章 緒論 物流信息管理.機械工業出版社,2006年01月第1版.
  2. 2.0 2.1 傅會民主編.第二章 軍事信息基礎技術 軍事信息技術.解放軍出版社,2005年5月.
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