近半個世紀的歷史表明,電子設備的發展對人類社會起到了巨大的推動作用。每一種新電子設備的出現都對促進科學技術和生產的發展起到了積極的作用。電子管的誕生是真空科學技術全面發展的結果。微電子器件的發展是基于超純材料和高精度微加工技術的改進,其中許多都與真空技術有關。微電子設備是現代高速計算機和個人計算機的基礎。在當今一些發達國家,微電子和計算機產業已經超過能源、材料、交通和鋼鐵產業,在國民經濟產值中占據首位。在電子工業和計算機工業的發展中,真空科學技術做出了重要貢獻。
在(zai)未來(lai),將有(you)四個新(xin)(xin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi):一(yi)個多功(gong)能(neng)(neng)信息系(xi)統與(yu)多媒(mei)體(ti)彩電(dian)(dian)(dian)(dian),電(dian)(dian)(dian)(dian)腦和(he)聲音組合。具有(you)真空冷凍和(he)真空保(bao)存(cun)功(gong)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)冰(bing)箱;具有(you)真空脫(tuo)水功(gong)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)洗(xi)衣機和(he)監控室內(nei)空氣新(xin)(xin)鮮度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)空調。這(zhe)些家(jia)(jia)用電(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi)有(you)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)直接使(shi)用真空技術,有(you)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)間接使(shi)用真空技術獲得的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)加工結果。因為(wei)無論(lun)是計算(suan)機還是各種自動(dong)電(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi),它們的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)基(ji)礎(chu)都(dou)是微(wei)(wei)電(dian)(dian)(dian)(dian)子設(she)備。其中最重要的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)是規模(mo)集成(cheng)(cheng)電(dian)(dian)(dian)(dian)路。如(ru)今(jin),微(wei)(wei)電(dian)(dian)(dian)(dian)子器(qi)件(jian)幾(ji)乎成(cheng)(cheng)了家(jia)(jia)喻戶曉的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)詞(ci),因為(wei)它在(zai)當今(jin)人類(lei)社會的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)生產(chan)和(he)生活中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)作用無法與(yu)任何其他工業產(chan)品相提并論(lun)。微(wei)(wei)電(dian)(dian)(dian)(dian)子器(qi)件(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)展將推動(dong)人類(lei)社會更快(kuai)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)進步(bu)。微(wei)(wei)電(dian)(dian)(dian)(dian)子器(qi)件(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)展趨勢是大規模(mo)集成(cheng)(cheng)電(dian)(dian)(dian)(dian)路,集成(cheng)(cheng)度越來(lai)越高(gao),即芯片上功(gong)能(neng)(neng)元件(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)尺寸越來(lai)越小(xiao)。摩(mo)爾定律描述(shu)了這(zhe)個定律,同樣大小(xiao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)芯片上的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)元件(jian)數量(liang)每(mei)18個月(yue)翻(fan)一(yi)番。過去20年一(yi)直如(ru)此,電(dian)(dian)(dian)(dian)子專家(jia)(jia)預測(ce)未來(lai)15年仍將如(ru)此。
1.莫爾定律討論硅片上的(de)(de)(de)元件密(mi)度(du),這是描述大規模集成電路(lu)信(xin)息處理能(neng)力的(de)(de)(de)一個參(can)數。根據國際商用(yong)機器(qi)公司(si)1994年發表(biao)的(de)(de)(de)一份特別報告,奇妙(miao)芯(xin)(xin)片:組(zu)件的(de)(de)(de)尺寸越(yue)小,芯(xin)(xin)片的(de)(de)(de)功(gong)能(neng)就越(yue)大。信(xin)息存(cun)儲(chu)(chu)密(mi)度(du)為106位(wei)(wei)(wei)/cm2,可(ke)保存(cun)下30頁(ye)論文(wen);108位(wei)(wei)(wei)/cm2,可(ke)存(cun)儲(chu)(chu)10本300頁(ye)的(de)(de)(de)書(shu)(shu)籍;1010位(wei)(wei)(wei)/cm2,1000本書(shu)(shu);1012位(wei)(wei)(wei)/cm2,存(cun)儲(chu)(chu)100,000本書(shu)(shu),在3.5英寸的(de)(de)(de)磁盤上可(ke)以存(cun)儲(chu)(chu)500萬(wan)本書(shu)(shu)。這幾乎(hu)是我國省級圖書(shu)(shu)館(guan)的(de)(de)(de)全部藏書(shu)(shu)。從這個估計(ji)可(ke)以看出,隨著存(cun)儲(chu)(chu)密(mi)度(du)的(de)(de)(de)增(zeng)加,芯(xin)(xin)片的(de)(de)(de)功(gong)能(neng)非常(chang)驚人。這只(zhi)是對數量變化(hua)(hua)的(de)(de)(de)計(ji)算。應(ying)該考慮從數量變化(hua)(hua)到質(zhi)量變化(hua)(hua)的(de)(de)(de)功(gong)能(neng)飛躍。
2.1012bit/cm2稱為超高(gao)密度(du)信息存(cun)儲,主要是數字0和(he)(he)1的(de)存(cun)儲。安是納(na)米(mi)電子(zi)學(xue)的(de)基礎。每個(ge)信息存(cun)儲點的(de)大小(xiao)小(xiao)于10納(na)米(mi),并且包含有限數量的(de)原子(zi)。作(zuo)為功能點,與傳統元件相比,其特征在于更小(xiao)的(de)體積(ji)(109個(ge)原子(zi))、更純(chun)的(de)材料(liao)(雜質缺陷10-8)、更低的(de)信號功率(10-12焦耳(er))和(he)(he)更快的(de)信號寫入(ru)和(he)(he)讀取(qu)響應速度(du)(納(na)秒)。因此,超高(gao)密度(du)信息存(cun)儲的(de)研(yan)究需(xu)要新(xin)(xin)理(li)論、新(xin)(xin)材料(liao)和(he)(he)新(xin)(xin)組裝加工技術(shu)的(de)發展。
最早用于(yu)廣播、通信(xin)和(he)(he)(he)(he)雷(lei)達的(de)(de)(de)電(dian)子設(she)(she)備是(shi)(shi)真空(kong)(kong)(kong)電(dian)子管,它主要(yao)(yao)控制從陰(yin)極發射到真空(kong)(kong)(kong)中(zhong)的(de)(de)(de)自由(you)電(dian)子,用于(yu)信(xin)號振(zhen)蕩(dang)、調(diao)制、發射、檢測、放大、存儲和(he)(he)(he)(he)處理。電(dian)子管設(she)(she)備的(de)(de)(de)制造需要(yao)(yao)真空(kong)(kong)(kong)衛(wei)生和(he)(he)(he)(he)真空(kong)(kong)(kong)純度(du)(du)。微(wei)電(dian)子器(qi)件(jian)的(de)(de)(de)產生是(shi)(shi)基(ji)于(yu)高(gao)純度(du)(du)鍺和(he)(he)(he)(he)硅(gui)材料(liao)。在材料(liao)和(he)(he)(he)(he)器(qi)件(jian)的(de)(de)(de)加工(gong)過程中(zhong),需要(yao)(yao)半導體(ti)(ti)純度(du)(du)和(he)(he)(he)(he)比高(gao)純度(du)(du)更(geng)好的(de)(de)(de)高(gao)度(du)(du)有序的(de)(de)(de)晶(jing)體(ti)(ti)結構。然而,下(xia)一代微(wei)電(dian)子器(qi)件(jian)的(de)(de)(de)納(na)米(mi)電(dian)子器(qi)件(jian)要(yao)(yao)求所用的(de)(de)(de)材料(liao)和(he)(he)(he)(he)組裝工(gong)藝要(yao)(yao)比半導體(ti)(ti)純,雜質和(he)(he)(he)(he)缺陷少,晶(jing)體(ti)(ti)結構更(geng)完善。因(yin)此(ci),在研究納(na)米(mi)電(dian)子器(qi)件(jian)時,更(geng)高(gao)的(de)(de)(de)真空(kong)(kong)(kong)。
近年來北京大學和(he)(he)中國科學院(yuan)真空物理(li)實驗室北京一直致(zhi)力于(yu)有(you)(you)(you)機復(fu)合膜(mo)的(de)超高(gao)密度(du)(du)信息(xi)存儲器件(jian)。其制(zhi)(zhi)備(bei)(bei)的(de)關鍵技術是高(gao)質量(liang)的(de)納米厚(hou)度(du)(du)功能(neng)(neng)薄膜(mo)。今天(tian)的(de)薄膜(mo)形成(cheng)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)可以(yi)保持真空清潔的(de)環境,因此可以(yi)獲(huo)得(de)高(gao)質量(liang)的(de)薄膜(mo)。物理(li)氣相沉積(PVD)主要包(bao)括蒸發、濺射、離子鍍、分子束(shu)外延和(he)(he)離子簇鍍。通(tong)過(guo)(guo)對幾(ji)種(zhong)真空法制(zhi)(zhi)備(bei)(bei)有(you)(you)(you)機功能(neng)(neng)薄膜(mo)技術的(de)分析,認為離子束(shu)(ICB)沉積技術最適合制(zhi)(zhi)備(bei)(bei)有(you)(you)(you)機功能(neng)(neng)薄膜(mo)。它通(tong)過(guo)(guo)絕(jue)熱(re)膨脹過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)蒸發材料,電離過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)形成(cheng)帶電原子團,并在(zai)襯(chen)底上(shang)加速(su)(su)沉積。原子在(zai)襯(chen)底表面具有(you)(you)(you)很大的(de)遷移率,這有(you)(you)(you)利于(yu)薄膜(mo)的(de)成(cheng)核和(he)(he)晶粒生長,形成(cheng)高(gao)質量(liang)的(de)薄膜(mo)。通(tong)過(guo)(guo)控制(zhi)(zhi)絕(jue)熱(re)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)、電離電壓、加速(su)(su)電壓和(he)(he)襯(chen)底溫(wen)度(du)(du),可以(yi)制(zhi)(zhi)備(bei)(bei)晶體、多晶或(huo)非晶薄膜(mo)。
離子束和高真空沉積技術已經發展出用于超高密度信息存儲的有機和金屬有機納米薄膜。主要有兩種類型:一種是銀/有機(如銀-中央處理器)復合膜。掃描隧道顯微鏡(STM)的電壓脈沖寫入信號點的直徑為10納米,可以穩定地寫入和讀取0和1信號。用半導體激光薄膜讀寫裝置(波長780納米)研究了銀中央處理器薄膜的光存儲特性。結果表明,寫入信號的光脈沖為10.4毫瓦,寬度為10μs。7.0毫瓦,1毫秒寬的光脈沖可以擦除信號;1.1mW可以穩定讀取信號。
另(ling)一種是有機(ji)(ji)施(shi)主/有機(ji)(ji)受主(如m-nbmn/dab)納米薄膜,其電(dian)脈沖信號(hao)(hao)寫(xie)(xie)入(ru)直徑為(wei)1.3納米,相應的數(shu)據(ju)記錄密度為(wei)1013比特/cm2。記錄的信號(hao)(hao)是穩(wen)定(ding)(ding)的。對(dui)寫(xie)(xie)入(ru)信號(hao)(hao)點的掃描隧道光(guang)譜(pu)(STS)分析表明,在(zai)(zai)寫(xie)(xie)入(ru)信號(hao)(hao)之(zhi)前,薄膜是絕緣體,在(zai)(zai)寫(xie)(xie)入(ru)信號(hao)(hao)之(zhi)后,薄膜是導體。這(zhe)種薄膜也可以利用光(guang)信號(hao)(hao)進行(xing)(xing)穩(wen)定(ding)(ding)的讀寫(xie)(xie)。外(wai)國專家(jia)同(tong)行(xing)(xing)高度評價了(le)這(zhe)個結果,認為(wei)它接近納米功能元素的極限。
有機復(fu)合信息存(cun)儲(chu)薄膜的(de)(de)(de)(de)研究(jiu)結果表明(ming),真空技(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)在(zai)未(wei)來納(na)米電(dian)子(zi)器件(jian)的(de)(de)(de)(de)研究(jiu)中仍將發揮極其(qi)重要(yao)的(de)(de)(de)(de)作用(yong)(yong)。目前,超(chao)高真空的(de)(de)(de)(de)采集和測量技(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)已(yi)經(jing)成熟,但真空技(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)應用(yong)(yong)仍然(ran)是(shi)一個(ge)非(fei)常(chang)有吸引力的(de)(de)(de)(de)課題,需要(yao)開展大量的(de)(de)(de)(de)工作才能得到(dao)更(geng)廣泛的(de)(de)(de)(de)應用(yong)(yong),尤其(qi)是(shi)在(zai)納(na)米電(dian)子(zi)器件(jian)這一未(wei)來信息社會(hui)發展的(de)(de)(de)(de)關鍵(jian)技(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)中。在(zai)即將到(dao)來的(de)(de)(de)(de)21世紀,真空技(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)將隨著納(na)米電(dian)子(zi)學進入(ru)在(zai)信息社會(hui)的(de)(de)(de)(de)各個(ge)領域發揮越(yue)來越(yue)重要(yao)的(de)(de)(de)(de)作用(yong)(yong)。