在法國常駐期間,，記者曾經(jīng)采訪過法國政府研究部主管納米科技研究項目的官員阿蘭·布倫,，他到過中國。在他的印象中,，中國的納米研究主要集中在納米粉末,、納米碳管等納米材料方面，“這只是一點(diǎn)點(diǎn),，它在納米科技的研究中是花錢最少的,。”“納米研究投資最大的部分在工業(yè)部。”
后來,，記者曾三次參觀了法國國家科研中心光子學(xué)和納米結(jié)構(gòu)實(shí)驗室,。據(jù)介紹，它是歐洲建立最早的納米科學(xué)實(shí)驗室,，也是目前歐洲最大,、最先進(jìn)的納米科技研究機(jī)構(gòu)。記者在那里看到的最主要的東西,，是它那1000多平方米的超凈實(shí)驗室,，有點(diǎn)像集成電路生產(chǎn)車間一樣，但是,，里面電子束曝光儀,、超紫外光曝光儀、離子反應(yīng)刻蝕儀,、分子束外延生長等高級實(shí)驗儀器一應(yīng)俱全,，又比半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)“技高一籌”。該實(shí)驗室成立至今，投資已達(dá)幾億歐元,，每年的實(shí)驗運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)高達(dá)幾百萬歐元,。即使在法國經(jīng)濟(jì)不景氣、科研投資縮減的今天,，該實(shí)驗室的經(jīng)費(fèi)保障仍然沒有受到任何影響,。相反，政府還在不斷地通過的新計劃,，來增加對該實(shí)驗室的投資,。
那么，納米科技研究的重心在哪里,？后來,，美國《納米科學(xué)技術(shù)大百科全書》“納米制造”章節(jié)的撰寫人之一、上述實(shí)驗室納米技術(shù)與微流體研究組負(fù)責(zé)人陳勇博士的解釋,，解開了記者的疑問,。
納米制造技術(shù)、納米電子學(xué),、納米生物學(xué)、納米材料學(xué)是納米科技的四大領(lǐng)域,，其中,，納米制造技術(shù)作為納米技術(shù)的中心之一，是糅合其它各種學(xué)科的基本“藝術(shù)”,，是當(dāng)前納米科學(xué)研究的基礎(chǔ)——它不僅為納米科學(xué)各個領(lǐng)域的研究和拓展提供強(qiáng)有力的手段,，而且是未來納米產(chǎn)業(yè)的支柱。
關(guān)心納米科技發(fā)展的人,，可能對“uptodown”和“bottomtoup”這兩個英文詞組并不陌生,，它們說明的就是目前世界上納米制造技術(shù)研究的兩個主要部分，即自上至下（即從大往小發(fā)展）的技術(shù)發(fā)展,，以及自下至上（即從小往大發(fā)展）的科學(xué)研究,。這兩部分技術(shù)將在1至100納米尺度間相匯合。任何一個國家或公司,，如果欲在納米制造時代擁有制造具有特定功能的納米器件和系統(tǒng)的能力,，就必須同時擁有這兩部分的理論、工藝和技能,。
自上而下老工藝不離不棄
法國人是官僚氣十足的,，有一個嚴(yán)格、完整的新聞管理體系,，對政府官員的采訪,，如果沒有朋友推薦，就必須按照規(guī)定，向有關(guān)部門新聞管理處申請,，得到答復(fù)后前往,。但是，法國人又是很敬業(yè)的,，被采訪的官員一定會為你準(zhǔn)備好一些材料和說法,，讓你滿意而歸。
兩年前,，“EUCLIDES”計劃和“MEDEA”計劃就這樣進(jìn)入了我的視線,。接受我采訪的工業(yè)部主管微電子工業(yè)研究的一個年輕官員米歇爾·安東尼，給我準(zhǔn)備好了一份清單,，內(nèi)容是歐盟和法國大型微米納米研究計劃,，包括計劃的名字及可查詢的網(wǎng)站，前述的兩個計劃,，是歐盟第五個框架研究計劃中的兩個計劃,，研究的主要內(nèi)容是極限紫外光刻技術(shù)。此外,，法國為了滿足自己技術(shù)儲備的需要,，還由工業(yè)部牽頭，建立了名為“PREUVE”的國家工業(yè)研究計劃,，聯(lián)合法國集成電路生產(chǎn)企業(yè)和有關(guān)研究機(jī)構(gòu),、大學(xué)，開展極限紫外光刻技術(shù)的系統(tǒng)研究,。這些計劃的預(yù)算都在幾億,、幾十億歐元左右。
“納米是微米的延伸”,，這大概可以解釋工業(yè)界大投資的意義所在,。就電子工業(yè)界而言，對通過現(xiàn)有的微米制造技術(shù)開發(fā)納米制造的新方法興趣最高,，因為這可以使該行業(yè)繼續(xù)制造更小,、更便宜、性能更好的裝置,。因此,，“自上至下”研究的主導(dǎo)力是超大規(guī)模集成電路的不斷發(fā)展，目前集成電路,、微電機(jī)系統(tǒng),、微光學(xué)和微分析器件等結(jié)構(gòu)制造所用技術(shù)基本上源于微電子技術(shù)，它是傳統(tǒng)的半導(dǎo)體加工工藝的延伸,，包括制造納米結(jié)構(gòu)和納米器件的光刻,、薄膜、刻蝕技術(shù)研究，是制造半導(dǎo)體集成電路的基本方法,，也是最關(guān)鍵的技術(shù),。
據(jù)陳勇博士介紹，目前的主要研究方向,，一方面是將現(xiàn)有的紫外光光刻技術(shù)（即193納米光源技術(shù)及157納米光源技術(shù)）進(jìn)行進(jìn)一步拓展,，另一方面是研究和發(fā)展極限紫外光刻技術(shù)（13納米光源技術(shù)）研究。前者可實(shí)現(xiàn)最小線寬為65納米的硅集成電路,，后者有可能使線寬小于20納米,，由此將現(xiàn)有的半導(dǎo)體CMOS工藝推進(jìn)至材料的極限。
“最令我們值得關(guān)注的是極限紫外光刻技術(shù),。這項技術(shù)的研究從概念的提出至今,，已經(jīng)發(fā)展了近15年，它或許是最后一代用光實(shí)現(xiàn)納米制造的光刻技術(shù),。”但是,，該技術(shù)研究耗資巨大，任何一個單獨(dú)的企業(yè)或者國家,，都難以獨(dú)自承受巨額的研究投入,。在美國，該技術(shù)主要由大公司集團(tuán)（Intel,、Motorola,、AMD等三公司）共同投資，開展聯(lián)合研究,；為了吸引更多的投資，加速研究進(jìn)程,，它也歡迎其它國家投資加入其研究,，因此形成了一個研究“俱樂部”。這個半導(dǎo)體研究俱樂部每年都召開多個專題研討會（包括光源,、材料,、儀器等），總結(jié)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程,，研討新的研究思路,。目前，上述俱樂部的某些成果已經(jīng)在歐洲專門生產(chǎn)曝光儀的ASML公司進(jìn)行生產(chǎn),，新的設(shè)備將在近年投入試運(yùn)行,。
除了極限紫外光刻技術(shù)以外，還有其它新一代納米級的刻蝕技術(shù),，如：X光光刻,、電子束投影、離子束投影、微型電子束陣列,，等等,。“我自己就做過以上部分的多年研究，但是這些技術(shù)因為在實(shí)現(xiàn)的過程中仍有相當(dāng)?shù)碾y題,，目前工業(yè)界主要看好的還只是極限紫外光刻技術(shù),。”
非傳統(tǒng)制造工藝令人眼亮
科學(xué)家們清楚地知道，很多材料和器件的在納米尺度范圍內(nèi)具有全新的物理性能,，當(dāng)前生命科學(xué)的前沿亦必定是納米或分子水平上的研究,。納米技術(shù)發(fā)展無疑具有至關(guān)重要的意義。但是,，上述的傳統(tǒng)技術(shù)研究是以大規(guī)模集成電路生產(chǎn)為目的的,，生產(chǎn)條件要求高、投資巨大,，不適合用于實(shí)驗室的科學(xué)研究及非半導(dǎo)體器件的生產(chǎn),。上世紀(jì)90年代初開始，科學(xué)家開始尋求更簡單,、更便宜的納米結(jié)構(gòu)生產(chǎn)方法,，即在非極限環(huán)境下大面積生產(chǎn)納米結(jié)構(gòu)的復(fù)制技術(shù)。
現(xiàn)在以納米制造和納米生物學(xué)研究為主要方向的陳勇博士說：“不要以為簡單就輕視它,，非傳統(tǒng)的納米制造技術(shù)簡單又廉價,，卻為多學(xué)科發(fā)展提供了條件。”他所說的非傳統(tǒng)納米制造技術(shù),，就是被統(tǒng)稱為軟刻蝕技術(shù)的四大技術(shù)：納米印刷技術(shù)（nanoimprinting）,；納米壓模技術(shù)（nanoembossing）；軟光刻技術(shù)（softlithography）,；微接觸印刷技術(shù)（microcontactprinting）,。它們沒有使用光和電子等物理學(xué)上的工具，而是利用了日常生活中熟悉的機(jī)械過程：印,、壓,、塑、凸,。
至今,，美、歐,、日約有100多個實(shí)驗室正在開展這方面技術(shù)的研究,、開發(fā)?？茖W(xué)家們以制膜為基礎(chǔ),，即用高分辨率電子束及刻蝕的方法將結(jié)構(gòu)復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)制在膜上,，然后將其精確地大面積復(fù)制到聚合物乳膠薄膜上，經(jīng)處理后得到各種功能的集成,，這種復(fù)制方法簡單,、應(yīng)用面廣、可選擇性強(qiáng),。例如,，科學(xué)家已經(jīng)用納米印刷技術(shù)，復(fù)制了6納米線寬的納米結(jié)構(gòu),，而且已經(jīng)將它成功地應(yīng)用于納米電子學(xué),、納米光學(xué)和納米磁學(xué)等若干領(lǐng)域。
特別是,，某些聚合物與生物體的兼容性好,，用軟刻蝕技術(shù)可以發(fā)展多功能生物器件，陳勇博士與他的博士生一起,，已經(jīng)用以聚二甲基硅氧烷（PDMS）為基本材料的軟光刻技術(shù),，做成高集成度的微流體芯片，實(shí)現(xiàn)了稀有細(xì)胞的篩選,。“微流體芯片既簡單又便宜,，將可以用來做單細(xì)胞操作、蛋白質(zhì)結(jié)晶等,，可以完成從藥品檢測到遺傳分析等各種工作,。”
“除此之外，微接觸印刷技術(shù)能夠進(jìn)行單分子層的自組裝（self－assembling）,，具有了自上至下（光刻）和自下至上（分子排列）兩種技術(shù)相結(jié)合的特點(diǎn),，前景頗為看好,。”自下至上新技術(shù)新事新辦上述的各種方法,，有一個共同的特點(diǎn),，它們均從較大規(guī)模的模式開始,，然后縮小橫向距離,，刻出納米結(jié)構(gòu),。對制造納米結(jié)構(gòu),、微器件及芯片集成,，這種方法是必須的,。但是，它們不能方便,、廉價,、迅速地制造出分子水平的納米結(jié)構(gòu)，于是便出現(xiàn)了“自下而上”的方法研究,。這種方法從單個原子或分子開始,，用化學(xué)合成和物理的方法,，制作具有特殊功能的大分子、超大分子團(tuán)或表面結(jié)構(gòu)等納米結(jié)構(gòu),，應(yīng)用于化學(xué),、物理、生物,、微電子等諸多方面,。1990年，IBM的科學(xué)家曾經(jīng)用隧道掃描顯微鏡,，在超真空及液氦溫度（4.2K）條件下,，將吸附在鎳表面的氙原子，一個個地拖曳排列成“IBM”三個字母,，引起了世人的矚目,，這是人類首次對原子進(jìn)行操作，也是“自下至上”納米制造研究的一個開端,。但是,，用原子操作做出具有特殊功能特性的納米結(jié)構(gòu)，往往需要在極限條件下進(jìn)行,，而且花費(fèi)時間很長,，研究人員尚未能夠確定這種技術(shù)的最佳應(yīng)用開發(fā)價值。一是用化學(xué)合成組成大分子,，然后將它們再組裝到固體上去,，如：化學(xué)合成法組成的冠狀分子、齒狀聚合物,、納米碳管等具有特殊功能的納米結(jié)構(gòu),。這些大分子可以用自組裝的方式鑲嵌到納米線路或固體結(jié)構(gòu)中去，由此引出納米電子學(xué)所需要的一些特殊結(jié)構(gòu)和各種特性的固體復(fù)合材料,。
另一類是用物理,、化學(xué)或生物的方法制作均勻性很好、有特殊功能的納米顆?；蛳到y(tǒng),，如：用原子、分子束外延方法生長的半導(dǎo)體量子點(diǎn)陣,，這種點(diǎn)陣在光電子學(xué)有極大的應(yīng)用,。用其它方法制作的半導(dǎo)體納米晶體材料，在生物學(xué)成像技術(shù)中具有極高的應(yīng)用價值,。此外,，納米磁性粒子不僅在醫(yī)學(xué)診斷和治療上有很廣泛的用途，而且很有可能應(yīng)用于高密度存儲,。對這些納米顆粒的表面進(jìn)行特殊的化學(xué),、生物包裝,，可以達(dá)到特殊的功能，如：尋找病源靶點(diǎn),、進(jìn)行藥物釋放,。
記者注意到，去年12月底在美國波士頓舉辦的“材料研究學(xué)會”年會上,，有一份研究報告表明,，生物學(xué)成為了納米技術(shù)的突破口，將使傳感器,、醫(yī)療診斷方法和電子器件產(chǎn)生革命性的變化,。因為，各類生物體都擁有大量的納米作用機(jī)制,，如：DNA的信息存儲,、蛋白質(zhì)的捕捉陽光、細(xì)胞分裂期DNA的復(fù)制,，等等,。
中國的納米制造需在“新”字上做文章
在納米制造技術(shù)領(lǐng)域，目前國際上研究有兩大熱點(diǎn)：微流體芯片和微機(jī)械元件研究,。
“用硅材料做成的微機(jī)械,，如微加速度計、氣體傳感器,、高速打印噴頭,、磁記錄頭等，在汽車,、航空航天,、計算機(jī)工業(yè)等領(lǐng)域已經(jīng)得到了很大的應(yīng)用，還將有更大的發(fā)展,。廣泛意義上的微機(jī)械,，雖然不能很簡單地歸納到納米技術(shù)中，但是它是在半導(dǎo)體工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一個新領(lǐng)域,，在納米科技領(lǐng)域還有很大的發(fā)展空間,。”
“當(dāng)前納米技術(shù)的難點(diǎn)在于對納米物體的整合和集成，它需要自上而下,、自下而上的全方位努力,，需要多學(xué)科的緊密結(jié)合，基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開發(fā)的平行發(fā)展和相互促進(jìn),。中國的科研指導(dǎo)可以在這方面多下一點(diǎn)工夫,。”陳博士誠懇地說,。
“由于時興不久,，在自下至上和非傳統(tǒng)的納米制造技術(shù)研究方面,，國際上仍然處于開放狀態(tài)，各種新的思想和方法,、成果均很易于被接受,、看好，因此政府在這方面可以宏觀指導(dǎo)為主,，通過指導(dǎo)國家級的納米科技中心（或技術(shù)平臺）,，以制造功能性的納米材料、納米器件為主要研究內(nèi)容,，將基礎(chǔ)研究與開發(fā)應(yīng)用結(jié)合在一起,。在實(shí)施過程中，可根據(jù)國情,，放眼未來,，并參與國外現(xiàn)有的計劃和技術(shù)指標(biāo)，制定一些具有指導(dǎo)意義的研究項目,，通過招標(biāo)的形式,，引導(dǎo)研究方法的正確發(fā)展。此外,，政府可以積極支持與納米制造技術(shù)相關(guān)的高科技產(chǎn)業(yè)的開發(fā),，促進(jìn)科研成果的迅速轉(zhuǎn)化。”
對于傳統(tǒng)的納米制造工藝的研究和開發(fā),，特別是極限紫外線光刻研究,，由于投資巨大，中國不一定要全面開“花”,，“但必須要有所研究,，在某些點(diǎn)上有所建樹，這樣才不會將失去創(chuàng)新的機(jī)遇,，不至于永遠(yuǎn)跟在別人后面走,，受制于人。”
微流體芯片
微流體芯片,，又被稱為“芯片上的實(shí)驗室”,，是用半導(dǎo)體集成技術(shù)制作的新型固體元件，它能夠?qū)ξ⒘苛黧w（包括液體和氣體）進(jìn)行復(fù)雜,、精確的操作（混合和分離微量流體,、化學(xué)反應(yīng)、微量分析等等）,。在這種芯片上加上微泵,、微閘，就可以很容易地對生物細(xì)胞,、溶劑,、藥物等進(jìn)行各種生物化學(xué)研究,，也可以用它進(jìn)行納米粒子、分子結(jié)構(gòu)的研究,；由于它體積小,、可調(diào)控參數(shù)多、調(diào)控精確度高,、自動化程度高,、可以集成和大量生產(chǎn)，在納米科技研究和發(fā)展上有著很好的前景,?？梢哉f，微流體芯片是自上而下和自下而上研究的一個自然的結(jié)合點(diǎn),，也是物理,、化學(xué)、生物,、微電子學(xué)等學(xué)科交叉性極強(qiáng)的研究領(lǐng)域,。
目前微流體研究的主要方向是進(jìn)行生物化學(xué)分析的研究，比如：稀有細(xì)胞的篩選,、信息核糖核酸的提取和純化,、基因測序、單細(xì)胞分析,、蛋白質(zhì)結(jié)晶,、藥物檢測等。事實(shí)上,，去年以來,，美國和歐洲已經(jīng)出現(xiàn)了一批以生產(chǎn)微流體芯片為主的高科技企業(yè)，也有國際大型制藥公司大量地購買了這種芯片以替代傳統(tǒng)的大型生物,、化學(xué)分析儀器的工作,，用來開展新藥研制。
在科技,、經(jīng)濟(jì)實(shí)力雄厚的美國,，科學(xué)家已經(jīng)用微流體芯片技術(shù)研制成新型微型飛機(jī)。
