纳米电子学

以纳米尺度材料为基础的器件制备、研究和应用的电子学领域

纳米电子学是指以纳米尺度材料为基础的器件制备、研究和应用的电子学领域。由于量子尺寸效应等量子力学机制，纳米材料和器件中电子的形态具有许多新的特征。纳米电子学是当前科学界极为重视的研究领域，被广泛认为未来数十年将取代微电子学成为信息技术的主体,将对人类的工作和生活产生革命性影响。

内容简介

纳米电子学是讨论纳米电子元件、电路、集成器件和信息加工的理论和技术的新学科。它代表了微电子学的发展趋势并将成为下一代电子科学与技术的基础。最先实用化的三种器件和技术分别是纳米MOS器件，共振隧穿器件和单电子存储器。

发展

近年来，在国家几项基金项目的支持下，开展了深亚微米MOS器件，单电子器件以及纳米结构电子输运理论的研究。在大量查阅国外文献的基础上，逐渐理出了当前“纳米电子学”主要的理论和主要研究领域。

正像美国总统顾问尼尔莱恩指出的：“纳米技术不仅仅是向小型化迈进了一步，而是迈入了一个崭新的微观世界，在这个世界中物质的运动受量子原理的主宰。”从某种意义上说纳米技术就是人工制造的、具有量子效应的结构技术。

未来的电子系统和装备都将运行在量子力学原理之上。因此，纳米科技的研究和教学都需要在量子物理的层面上进行。目前已经研制出的新型纳米器件，例如，共振隧穿器件、单电子器件等都是如此。由于纳米器件的工作原理不同于经典器件，涉及到较深的量子力学理论和数学基础。

纳米电子学的十大难题

1.分子电子整流器或分子电子晶体管

为了增加密度并把纳米电子器件的工作温度提高到低温范围以上，必须在单分子那么大的尺度上制造纳米电子器件。达到此目标的一个重要途径是设计与合成具有传导和控制电流或信号所必需的本征物理特性的单分子。这条途径通常被称为分子电子学。然而，迄今为止，已能正常工作的纳米尺度分子电子交换器件和放大器件（例如分子晶体管和分子量子点）还没有做出来，也没有演示过。但是，一种已能正常工作的分子导线已被合成和测试。正在攻克分子电子晶体管制造和测试难题的小组包括：詹姆斯·图尔和马克·里德小组以及普度大学的一个跨学科小组。

2.把分子晶体管和导线组装成可运转的电子器件

即使知道如何制造分子晶体管和分子导线，但把这些元件组装成一个可以运转的逻辑结构仍是一个棘手的难题。一种可能的途径是利用扫描隧道显微镜按照IBM苏黎世实验室最近演示过的一种方法把分子元件排列在一个平面上。组装较大电子器件的另一种可能的途径是通过阵列的自组装。普度大学的一个跨学科小组在这个方向上取得了惊人的进展。

3.纳米硅基量子异质结

为了继续把固态电子器件缩小到纳米尺度，就必须构建纳米尺度的量子势阱。为此，必须制造出很小很小的类似层状蛋糕的固体结构，其中不同层是由不同势能的不同半导体制成。这些层状结构称为“半导体异质结”。要可靠地在纳米尺度上制造出半导体异质结非常困难，而在纳米尺度上把硅化合物制造成半导体异质结就更难了。但纳米电子学研究人员还是一致认为，这是固态电子器件继续迅速微型化这个趋势所必需的。

4.纳米尺度量子点电池和无线逻辑器件

圣母大学的伦特教授和波罗教授提出的构建无线量子点计算机逻辑的设计理念对于制造纳米电子计算机来说是一个很有前途的创意。然而，要成为一个实用的设计方案，还需制造出这种类型的纳米器件并对其进行测试。在圣母大学微电子实验室的加里·伯恩斯坦教授的领导下，这个方面的工作正在进行中。

5.兆兆位量子效应电子存储“芯片”

有了制造纳米电子逻辑器件的能力后，用这种器件可以组装成的一种非常有用的扩展结构是兆兆位的存储器阵列或芯片。这可为具备快速存取能力但没有可动机械部件的计算机信息系统提供大量存储手段。其典型应用之一也许是在这样一块芯片上存储一部电影。德州仪器公司的纳米电子学小组与马里兰大学的唐浩（HaoTang）正在合作组装这样一种兆兆位的存储器，他们利用的是微电子与纳米电子混合逻辑线路。

6.利用微型扫描隧道显微镜和微型原子力显微镜进行纳米组装

用大探针对纳米结构和器件进行机械组装是一种笨拙的方法且困难重重。一些学者认为，出于熵方面的原因，这些方法注定要失败。因此，一些小组正在利用微型扫描隧道显微镜和原子力显微镜进行制造和试验，他们认为利用这些微机电系统器件可使纳米结构的机械操纵更有效。然而，这种微型扫描隧道显微镜和微型原子力显微镜还没有应用到实际的纳米组装中。那将是向前跨出的一大步。

7.利用微型扫描隧道显微镜或微型原子力显微镜阵列进行的并行纳米组装纳米器件最

终要变得实用且经济上可行，则要求纳米结构能被迅速大量地组装出来。因此，仅靠一台微型扫描隧道显微镜或微型原子力显微镜一次组装一个纳米结构是远远不够的。如果纳米器件要实现机械化组装，则需要由大量并行的显微“纳米操纵器”来完成。这个方向的一些初步试验正在进行中，突出的有康奈尔大学的诺埃尔·麦克唐纳教授和斯坦福大学的卡尔文·夸特教授。

8.与能移动单个原子的正在工作的扫描隧道显微镜连接的虚拟环境

北卡罗莱纳大学的“纳米操纵器”控制“近似探针（proximal－probe）”试验的一个虚拟环境是一项伟大的、富于想象力的成就。然而，其虚拟环境所连接的近似探针仪器相对还很原始。下一步是把一个相似的虚拟环境连接到一个非常灵敏精确的扫描隧道显微镜或原子力显微镜近似探针上，就象IBM的苏黎世实验室和阿尔梅顿实验室在制造和显示纳米结构时所用到的探针一样。接着，人们也许可以“体验”如何对制造纳米计算机或其它器件所用的原子和分子构件进行操纵，控制自如地抓取原子和分子。这种创新肯定可以带来并进一步加快概念突破和实用上的突破。

9.逼真的模拟实际纳米操纵的虚拟环境

当前的纳米操纵器包括一个与虚拟环境相连的正在进行的纳米试验。一个相对困难的、重要的挑战是做到在数字计算机上实时模拟这一纳米尺度的实验，包括所有的关键量子力学效应，接着利用这种计算机模拟为纳米技术研究人员生成一个虚拟体验。这种模拟虚拟环境要求的迅速、敏感、精细的量子模拟远非今天的量子模拟技术所能达到。然而，一些小组正在攻克这一挑战。

10.“互连问题”

即便组装电子器件的所有其它挑战都克服了，仍有一些问题没有解决，即由数万亿电子元件以前所未有的密集度组装而成的一台小计算机的适当结构及整体布局的问题。整体结构问题中最重要的是众所周知的“互连问题”。简单地说，就是信息在这样一种密集的计算结构中如何进出的问题。纳米计算机将把巨量信息存储在一个很小的空间内，并有可能极快地使用和产生信息。因此，还需要一些结构来控制和协调计算机的诸多元件。这些事实说明，计算元件之间、计算元件与外部环境之间需要有大量的连接。就大多数常规计算机设计的微型化而言，由于电线之间要相互隔开以避免过热和干扰或“串线”，这样就有一些几何学上的考虑和限制，因此连接的数量不可能无限制地增加。信息的输入/输出和控制显然需要新的策略。有人提出把几乎相互独立的处理器组成的大规模阵列和分布式（甚至是“随机的”）控制作为解决方法。这个领域要做的工作还很多。一些科学家已经在为互连问题及其它结构问题寻找创新的解决方法，伦敦大学的特里·方丹教授就是其中之一。

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