记者：唐婷徐玢

首席：刘忠范

时间：2007年8月20日

地点：北京大学纳米化学研究室

　　■编者按

　　随着微加工技术的发展，微电子器件的集成度越来越高，当器件尺寸进入纳米领域时，会遇到一些难以逾越的技术瓶颈。但这个瓶颈什么时候出现还不确定，有专家预测它会在2020年左右出现。目前硅基微电子技术已经形成一个极其庞大的产业，可以预见纳电子技术也将是个十分巨大的产业，美国、日本、欧洲的发达国家都对这项技术研究非常重视。

　　973计划“纳电子运算器材料的表征与性能基础研究”项目的核心任务就是，针对纳电子逻辑器件的物理基础和关键技术进行创新性和系统性的探索，为发展新一代纳电子芯片技术提供理论和技术储备。项目的研究主线是发展纳电子材料的制备方法以及纳米结构的加工与组装方法，利用先进的表征和测量手段研究这些低维材料与结构的基本物性，探索纳电子逻辑器件的科学基础。

　　虽然是暑假，但973计划项目纳电子运算器材料的表征与性能基础研究项目的首席专家刘忠范却很忙。两天前他刚从美国开完会回来，明天又要飞到成都去开会。在他转身的空隙里，记者采访了他。

　　不经意间，记者发现在他办公室书架的玻璃上贴着一张字条。上面写着：研究的乐趣在于过程，而不在于结果本身，因为过程中隐藏着新的发明和新的目标，这也是科学家们乐此不疲之奥秘。这段话下面的署名是刘忠范。

　　记者：说起微电子器件大家可能会比较熟悉，纳电子器件相对就比较陌生了，您能给我们先科普一下吗？

　　刘忠范：我们这里所说的纳电子器件，指的是硅基微电子器件之后的下一代器件，其运行原理或核心材料将不同于现行微电子器件，器件性能也将大幅度提高。为什么要研究下一代的纳电子器件呢？这是因为随着微加工技术的发展，微电子器件的集成度越来越高，当器件尺寸进入纳米领域时，会遇到一些难以逾越的技术瓶颈。

　　从技术的角度看，随着集成电路越做越小，硅片上线路密度增加，其复杂性和差错率也将呈指数增长。一旦硅片上线条尺寸达到纳米量级，相当于只有几个分子的大小时，材料的物理、化学性能将发生质的变化，同时器件的散热也将出现问题，这会导致现行硅基微电子器件不能正常工作。

　　从经济的角度看，随着集成电路越做越小，其加工成本会越来越高。目前大概需要25—30亿美元建设一条90纳米芯片的生产线，如果加工精度继续提高，设备成本也会随之大幅度增加。

　　可以说，微电子技术发展下去会碰到难以突破的瓶颈，但这个瓶颈什么时候出现还不确定，有专家预测它会在2020年左右出现。目前硅基微电子技术已经形成一个极其庞大的产业，可以预见纳电子技术也将是个十分巨大的产业，美国、日本、欧洲的发达国家都对这项技术研究非常重视。

　　记者：该项目的主要研究内容有哪些呢？

　　刘忠范：尽管过去20多年来人们已经提出了许多新原理纳电子器件，但硅基CMOS器件之后的主流器件究竟是什么，仍然是探索中的前沿课题。

　　20世纪80年代中期提出的单电子器件和目前的研究热点碳纳米管器件是具有代表性的例子。即使对于以“库仑岛/隧穿结”为基础的单电子器件，不仅在具体的材料选取和结构设计上自由度相当大，在加工组装方法上也存在相当大的探索空间。

　　我们这个项目的核心任务是，针对纳电子逻辑器件的物理基础和关键技术进行创新性和系统性的探索，为发展新一代纳电子芯片技术提供理论和技术储备。项目的研究主线是发展纳电子材料的制备方法以及纳米结构的加工与组装方法，利用先进的表征和测量手段研究这些低维材料与结构的基本物性，探索纳电子逻辑器件的科学基础。

　　目前，我们国家的纳米研究很多都是纳米材料研究，纳米器件的研究很少，我们是最早开展纳米器件研究的课题组之一。这是因为做器件研究投入很大，而且产出不高。我们的研究内容主要有三个方面。一是要建立纳电子器件研究所必需的纳米结构加工平台和纳米物性综合测量平台，解决相关技术瓶颈问题，并为后续攻关做好技术储备；二是要发展新型纳电子材料和具有实用前景的合成方法；三是要探索纳电子逻辑器件的工作原理和构建方法。

　　记者：目前该项目的研究取得了哪些成果呢？

　　刘忠范：我们整个项目属于高度探索性的前沿研究课题。项目组成员的分布体现了高度的学科交叉性，涉及物理学、化学、电子学、材料学等诸多学科领域。整个项目的运作也充分发挥了这种多学科交叉的优势，项目组成员从各个角度开展了大量的富有成效的探索工作，圆满完成了预定研究计划。

　　5年来，我们完成了所有实验平台和理论计算平台的建设任务。建成7个高分辨物性测量与纳米结构加工平台和一个器件理论计算平台，解决了纳电子器件研究的技术瓶颈问题。我们在碳纳米管逻辑器件、有机分子电子器件、硅量子点单电子器件，以及SPM超高密度信息存储器件研究方面取得重要突破，分别在集成技术、新材料设计、器件加工方法，以及存储原理探索方面有重要创新，为进一步的研究攻关指明了努力方向。

　　我们还获得了一批新型纳电子材料，在合成方法探索上有重要创新，为整个项目的顺利推进提供了材料基础；发展了若干具有创新性的SPM加工技术、纳米间隙电极制备技术，以及纳米结构复制技术；在纳米物性测量方法以及纳米材料与结构中的物性表征方面取得若干突破性成果，深化了对纳米世界的特殊性的认识。

　　项目启动以来，项目组共发表学术论文814篇，其中SCI收录论文762篇。其中影响因子3.0以上的论文369篇，占45％；影响因子6.0以上的论文83篇，占10％。值得一提的是，项目组成员能够在顶尖学术刊物上连续发表论文，从一个侧面很好地反映了我们这个研究团队的国际竞争力。

　　我们项目组成员非常重视知识产权的保护问题，迄今为止申请中国发明专利105项，获得授权专利54项。项目启动以来，项目组成员共出版（含即将出版）与纳电子材料和器件研究密切相关的学术著作13部，获得各种学术奖励13项，其中国家自然科学奖二等奖3项。项目执行期间，项目组成员积极参加国内外各种学术会议，经常应邀作大会特邀报告。其中国际会议特邀报告150人次，国内会议特邀报告86人次，国际会议口头报告154人次。

　　记者：碳纳米管逻辑器件的研究是该项目的攻关重点之一，你们在这方面的研究取得了哪些突破呢？

　　刘忠范：在碳纳米管逻辑器件的研究上，我们的任务是要回答这样一些问题，即碳纳米管能否用作逻辑器件，基于什么样的物理原理，与硅基CMOS器件相比的优势是什么，如何进行器件的加工与集成？

　　项目组有6个课题组参与了碳纳米管器件研究，在单元器件制备及其性能优化、器件集成技术、CVD调控生长、化学组装等方面取得重要突破，为进一步的攻关指明了努力方向，取得了一些突破性成果。

　　记者：这些突破性成果您可以给我们详细介绍几个吗？

　　刘忠范：未来碳纳米管逻辑器件的实用化的关键是可集成性，任何器件原理的探索和器件结构的设计必须考虑集成问题。项目组的第一课题组发明了一种基于轴向能带调控原理的集成技术，有力地推动了碳纳米管器件的实用化研究。大量的实验研究表明，基于轴向能带调控的集成原理是可行的，有望成为实用化碳纳米管器件的关键技术。

　　单壁碳纳米管阵列的表面可控生长是人们关注的热点之一。而在异质表面上实现单壁碳纳米管的超长平行阵列生长则是轴向能带调控的关键步骤，须解决基底结构加工、催化剂定位及其高效化、取向生长、跨异质界面生长，以及无缺陷超长生长等诸多问题。第一课题组与第五课题组密切合作，结合AFM纳米刻蚀技术、催化剂设计以及CVD生长条件的摸索，实现了异质表面的阵列生长，碳纳米管长度可达数厘米。

　　轴向能带调控的关键技术之一是在异质基底上制备单壁碳纳米管阵列结构。利用CVD方法已经成功地实现了平行碳纳米管阵列的可控生长。但是，在800—1000℃的高温生长条件下，调控材料的选择相当受限。第一课题组发展了一种控制转移技术，利用该技术实现了单壁碳纳米管阵列结构向包括柔性塑料基底在内的任意基底上的控制转移，大大拓宽了能带调控材料的选择自由度。

　　记者：在担任项目首席的过程里，您个人有哪些感受？

　　刘忠范：辛苦，最大的感受是很辛苦。

　　作为项目的首席，必须确定方向、把握课题前进的方向，并调控大家一起朝着这个方向努力。这是一件比较难，但又对项目非常重要的工作。在具体工作中，我们通过采用奖励、鼓励交叉、设立合作基金、增加交流等方法来调控大家朝一个共同的方向一起努力。

　　工作虽然辛苦，但通过这个项目，我们培养了不少纳米器件研究的人才，带动了更多人来关注器件研究，也让我们的工作在国际上得到承认，这是最让我感到欣慰的事情。我觉得衡量科研成果好坏的标准不仅是发表了多少文章，还要看你的研究解决了多少未来发展的问题。