从个人电子计算机到手机，从家用电器到英特网，由微电子技术发展所引发的信息技术革命改变了我们每个人的生活。到2005年，基本电子元件的尺寸将小到约100纳米，随之而来的将是纳米电子学。美国2000年推出的《国家纳米技术战略计划》把纳米技术定位为未来科学和技术发展的核心和支柱，可见它是如何样的重要。然而因学科和领域不同而带来的差异，纳米技术的发展将采取一个什么样的步骤和进程是一非常复杂的问题。我们从纳米电子学的角度来探讨这个问题。
纳米电子学：从下而上与从上至下
从40年代末半导体晶体管的发现到60年代初集成电路和硅芯片的问世，世界无时无刻不被微电子技术的发展所引导和影响。从那时起，每十八个月每一芯片上可以建造的电子元件数目增加一倍，这就是决定微电子技术发展里程和方向的摩尔定律。这种指数型增长靠的是先进的光刻，薄膜和腐蚀技术，它是一种类似于印刷电路从上至下（top－down）的设计和制造方法。约到2005年，这种从上至下的现代方法将受到挑战，其主要原因是元件尺寸将小于光波波长。根据美国的《国家纳米技术战略计划》，随之而来的将是从下而上（bottom－up）的纳米技术，即一个原子接一个原子的制造工程（atom－by－atom
engineering）。这种方式的提出是依据扫描探针显微镜（SPM）原子级操纵的物理过程，一个单原子可以被探针抓起来并放置到设计的位置。这种描述的方法很简单，使人们可以想象到原子级设计材料的蓝图。
然而，这种原子接原子的操作过程受到了化学原理的挑战。其一，一个原子不是简单的钢球，它是带有电荷并可以有电荷转移并形成化学键的结构。一个原子一般都要和其它原子结合形成分子或团粒结构；单单抓起一个原子而丢下其它的原子是不现实的。其二，SPM的针尖一般比较大，要抓起一个原子，实验操作非常困难。即使能把一个原子抓起，然而要把它弹掉而且放到该放的地方也不是一简单的过程。这是Smalley称之为的“肥而粘的指头”
问题（fat finger and sticky finger）。其三，从抓原子的速度来计算，要建造一微结构是要花很长的时间。假设未来一电子元件是五纳米尺寸的方块，其中有一万六千个原子；如果SPM建造原子结构的速度是每秒十亿个（相当于GHz的扫描或振荡频率），要在八英寸的芯片上制造出一万亿个元件来，大约需要半年的时间。即使使用十个SPM探针同时来做一芯片，也需要十八天的时间。这样的速度远远达不到未来高速发展的技术和生产的需要。因此，纯粹用这种从下而上的原子工程是不现实的，未来纳米电子的发展必将是从下而上与从上至下两种方法的有机结合，即微电子技术与原子工程在约一百纳米尺寸处的汇合。这才是未来的纳米电子学。
原子和原子间的相互作用和结合是构造一切物质的根本。要实现真正的原子级控制和工程，我们必须向大自然和生物界学习，即如何样像DNA序列那样实现原子级的控制，如何样像细胞一样可以分裂，复制和自结合。因此，原子工程的未来发展靠的是自组装（self－assembly），而自组装靠的是原子和分子间的相互作用。只有依赖于自组装才能真正的实现原子级控制，原子级自修复和原子级再生。这就是说未来的纳米电子学是原子级自组装技术和光刻/电子束刻等纳米制造技术的有机结合。
纳米电子学：小型化与多功能化
自组装结构和外界的连接，信息传递和反馈是纳米电子学的一重要方面，它靠的是纳米技术和传感系统（sensor
system），信息技术和生物技术的结合。最典型的例子有芯片分子生物学（molecular
biology on chip），芯片分析和诊断学（Analysis
and diagnostics on chip），和设计和制造具有可容忍缺陷（defect
tolerant ），简并信息传递通道（degeneracy
path ways）和具形体布线（configuring
wiring）的智能型计算机，和单光子器件和光字线路等。我们用的手机已经不需要再小了，近期的发展是多功能，减轻，节能和降低辐射。因此，纳米电子技术的最终目标不仅仅是追求小型化，多功能化和智能化才是技术的核心和根本。
纳米人才
纳米技术的设计范围之广是其它技术所无法比拟的。原子和分子级的自组装结构靠的是物理和化学，纳米制造靠的是微电子技术，信息的传递，传感和反馈靠的是机电和光电技术，控制和逻辑靠的是计算学，医疗诊断靠的是生物医学技术等。这些跨学科，跨领域的综合研究和开发靠的是具有综合素质的科技人才，他们不但需要有在一个领域的超高知识和专长，同时也需要对其它相关学科的深入了解，更重要的是要掌握学科之间的结合和穿插。这样的人才称之为纳米人才（nanoscientists）。培养纳米人才的教育方法将是一大学问，它需要对目前教育体制和课程设置的改革和创新。
纳米人才的全球竞争
自从2000年美国政府推出纳米技术战略计划后，世界各国和地区相继推出发展纳米技术的长远规划和方向。除了去年应邀参加了国内的和美国的几个有关纳米技术的高级研讨会以外，笔者近三个月应邀参加了日本科学和技术委员会，比利时皇家学院（Royal
Academy of Belgium）和台湾工业研究院等分别召开的有关纳米技术发展方向的高层论坛会，深深感到发展纳米技术已遍及全球，而对纳米科技人才的竞争已走向世界范围。以台湾为例，80年代以前台湾大部分优秀的学生以出国留学为时尚，而且绝大部分长期留居海外。80年代初，有几位资深而且具有远见的顶尖高科技管理人才回到台湾，开始了微电子技术的创业性开发，从此引发了台湾高科技的发展和经济的发展。由于生活水平的提高而且怕出国生活的艰辛，到现在为止，几乎没有台湾年轻人想出国留学，而且大部分学生不愿攻读博士学位。这样的结果使的是新一代的顶尖年轻科技人才短缺。因此，他们不得不吸引世界范围的人才。如今台湾已开始吸引从中国大陆出去留学的人才去台湾长期工作和居住。
对于未来纳米技术，谁具有顶尖管理和纳米人才，谁就掌握了高科技的制高点。
□王中林
（作者为美国佐治亚理工学院教授，清华大学长江讲座教授）
