ＩＢＭ納米技術簡介

2007年9月1日，IBM公司的科學家們在美國《科學》雜志宣布了兩項原子尺度的科學突破：第一項是在了解單個原子保持一定的磁方向、從而使其具備適合未來數據存儲應用的能力方面所邁出的重要一步；第二項是一個分子內不同原子之間及不同分子彼此之間的一個邏輯開關，它們是分子計算機的潛在構造單元。這兩項重大突破為研制原子尺度的結構和裝置奠定了基礎。

雖然這兩項突破性研究成果的最終應用與實踐還將有很長的路要走，但它卻可以促進IBM公司及其他研究機構的科學家繼續推動納米領域技術的發展，即探索如何利用只有幾個原子或分子的超小型部件來制造結構和裝置。這樣的裝置在未來也許可以用作計算機芯片、存儲裝置和傳感器。

微觀世界的科學：了解原子的磁性

你能設想將3萬部電影或整個YouTube網站的內容放進iPod大小的裝置中馬？納米技術可以實現這個夢想。要讓納米技術發揮威力，就必需要了解并利用原子的特性；但是要處理大小只有一根頭發絲寬度的幾萬分之一的粒子卻并非易事。

在第一篇研究報告中，美國加州圣何塞市IBM公司阿爾馬登研究中心的科學家們在探索單個原子“磁各向異性”特性方面取得了重大科學進展。他們用IBM低溫掃描隧道顯微鏡（STM）對單個鐵原子進行控制并觀察將他們以原子等級的精度排列在一個特制的銅表面上的情況。在此基礎上，他們確定了各個鐵原子的磁各向異性的取向和強度。在這一研究成果公布之前，人們一直無法測定單獨一個原子的“磁各向異性”，而原子的這一基本屬性可以決定其存儲信息的能力，因此具有非常重要的技術意義。

這一突破還可能導致體積非常小的新型結構和裝置的問世，并可應用于傳統計算之外的全新領域和學科。“IT行業今天所面臨的主要挑戰之一是如何將數據存儲的數位盡可能的縮小，同時增加存儲容量，” IBM公司阿爾馬登研究中心負責科學技術工作的經理Gian-Luca Bona說，“我們的研究工作處于最前沿領域，而且我們現在距離弄清怎樣在原子尺度上來存儲數據已經更近一步了。了解原子的特定磁性能是尋找新的、更有效的數據存儲方式的基礎。”

超小型裝置: 單分子邏輯開關

在第二篇研究報告中，瑞士IBM蘇黎世研究實驗室的科學家們描述了第一個單分子開關，它能夠在不破壞分子外框架的同時進行準確無誤的操作。這是朝著制造比今天的計算機芯片和記憶裝置小得多、快得多、耗能少得多的分子尺度的計算元件方向上所邁出的重要一步。

除了在一個分子內進行切換（開關）外，研究人員還演示了一個分子內的原子如何與相鄰分子中的原子進行切換，這實際上就構成了一個基礎邏輯元件。這種切換之所以成為可能，部分原因是分子框架沒有被破壞。

計算機芯片內的開關與光開關的作用方式一樣，用來打開和關閉電子流并將它們放到一起，構成邏輯門，即構成計算機處理器的電路。開關尺寸越小，電路尺寸也就相應的小，從而有可能將更多的電路集成到一個處理器上，同時還可以提高速度和性能。以前，IBM公司及其他機構的研究人員曾經嘗試過在單個分子內進行開關，但這些分子在開關時會改變形狀，從而不適合構造計算機芯片或記憶元件的邏輯門。

傳統基于硅的CMOS芯片的開發正在接近其物理極限，因此目前IT行業正在探索新的、真正具有突破性的技術，以進一步提高計算機的性能。模塊化分子邏輯是一個可能的候選方案，雖然將其應用于具體實踐仍然還需要幾年時間。

IBM單原子數據存儲的構造單元：圖1釋為一個鐵原子的優先磁取向排列在一個專門的銅表面上。原子保持它本身磁取向的功能可以確定存儲數據時的原子適用性。當一個原子的多個磁自旋點在一個方向時，它可以代表“1”，而在另一個方向時，則代表“0”，這表明單原子可以適用于比特這樣的1或0的二進制值運算方法，并把信息存入計算裝置。這即是原子存儲的一個潛在構造單元。

此三維圖示（圖2）為被低溫掃描隧道顯微鏡尖端探測到的兩個萘酞菁分子的一個分子邏輯門。通過引導一個電壓脈沖通過分子的上下兩個尖端，在鄰近的分子（分子中心的白色物體）內的兩個氫原子改變位置，靠電力控制整個分子的開關。這就構成了一個基礎邏輯門，它也是電腦芯片的基本組成部分，它可以由分子組件作為計算機的結構單元。

IBM單原子數據存儲的構造單元：圖3釋為一個鐵原子的優先磁取向排列在一個專門的銅表面上。原子保持它本身磁取向的功能可以確定存儲數據時的原子適用性。當一個原子的多個磁自旋點在一個方向時，它可以代表“1”，而在另一個方向時，則代表“0”，這表明單原子可以適用于比特這樣的1或0的二進制值運算方法，并把信息存入計算裝置。這即是原子存儲的一個潛在構造單元。

即使當今存儲密度最高的硬盤，要想保存一比特的信息也需要大約100萬個磁性原子，而位于加州圣何塞的IBM Almaden研究中心已經成功地在一個單獨的原子上保存了一比特信息。 

與此同時，IBM蘇黎世研究實驗室則拿出了分子開關，有望取代當今的硅芯片技術制造超微型的處理器，一臺超級計算機的體積也許只會相當于一粒塵埃。

IBM稱，單原子存儲技術實用后可以得到超高密度的存儲設備，至少相當于目前硬盤的1000倍，可以在一部iPod的體積內存儲3萬部全尺寸電影。

IBM Almaden研究中心掃描隧道顯微鏡實驗室主管Andreas Heinrich介紹說：“我們已經可以測量出單個磁原子具有同樣的(磁各向異性)屬性，然后讓另一個原子靠近它，看看對(第一個原子的)磁各向異性有何影響，由此開發出一種具備超高存儲密度的新型材料。”

接下來，IBM將在室溫條件下測量不同類型原子的磁各向異性，以求獲得一種穩定的高密度存儲材料，用于生產商用硬盤產品。IBM科學家Cyrus Hirjibehedin表示：“我們的下一步行動就是研究如何讓一種特定的磁原子固定在特定的表面上，使之有能力維持磁性取向，并且能夠在不同狀態之間轉換，然后我們就能使之飛快旋轉。我們希望能在未來幾年內展示這種穩定的媒介材料。”

納米技術主要在于研究分子結構，將電子電路微小化，并改善半導體制程中各項設備所需的微小組件，為當前科技界公認最具前瞻性的研究領域。

IBM認為，未來數10年，這些厚度僅有人類毛發萬分之一的納米管是最有可能取代硅元素，用于先進芯片的制造。多年來，處理器、內存和其它芯片的制造都以硅為基本原料，但預期10年內就會因體積無法進一步縮小而達到極限。

碳納米管是以石墨的平面組織卷成管狀而成。石墨原為低價平凡的材料，但若藉由先進的技術予以加工，即搖身一變成為納米技術的新寵，而且價值非凡。

由于納米原料能為處理器提供較小且更多的導電區塊，許多研發人員將之視為半導體革新的關鍵。

雖然這兩項突破性研究成果的最終應用與實踐還將有很長的路要走，但它卻可以促進IBM公司及其他研究機構的科學家繼續推動納米領域技術的發展。