納米電子學

納米電子學是討論納米電子元件、電路、集成器件和信息加工的理論和技術的新學科。它代表了微電子學的發展趨勢並將成為下一代電子科學與技術的基礎。最先實用化的三種器件和技術分別是納米MOS器件，共振隧穿器件和單電子存儲器。

近年來，在國家幾項基金項目的支持下，開展了深亞微米MOS器件，單電子器件以及納米結構電子輸運理論的研究。在大量查閱國外文獻的基礎上，逐漸理出了當前“納米電子學”主要的理論和主要研究領域。

正像美國總統顧問尼爾萊恩指出的：“納米技術不僅僅是向小型化邁進了一步，而是邁入了一個嶄新的微觀世界，在這個世界中物質的運動受量子原理的主宰。”從某種意義上說納米技術就是人工製造的、具有量子效應的結構技術。

未來的電子系統和裝備都將運行在量子力學原理之上。因此，納米科技的研究和教學都需要在量子物理的層面上進行。目前已經研製出的新型納米器件，例如，共振隧穿器件、單電子器件等都是如此。由於納米器件的工作原理不同於經典器件，涉及到較深的量子力學理論和數學基礎。

納米電子學的十大難題

1.分子電子整流器或分子電子晶體管

為了增加密度並把納米電子器件的工作溫度提高到低溫範圍以上，必須在單分子那麼大的尺度上製造納米電子器件。達到此目標的一個重要途徑是設計與合成具有傳導和控制電流或信號所必需的本徵物理特性的單分子。這條途徑通常被稱為分子電子學。然而，迄今為止，已能正常工作的納米尺度分子電子交換器件和放大器件（例如分子晶體管和分子量子點）還沒有做出來，也沒有演示過。但是，一種已能正常工作的分子導線已被合成和測試。正在攻克分子電子晶體管製造和測試難題的小組包括：詹姆斯·圖爾和馬克·里德小組以及普度大學的一個跨學科小組。

2.把分子晶體管和導線組裝成可運轉的電子器件

即使知道如何製造分子晶體管和分子導線，但把這些元件組裝成一個可以運轉的邏輯結構仍是一個棘手的難題。一種可能的途徑是利用掃描隧道顯微鏡按照IBM蘇黎世實驗室最近演示過的一種方法把分子元件排列在一個平面上。組裝較大電子器件的另一種可能的途徑是通過陣列的自組裝。普度大學的一個跨學科小組在這個方向上取得了驚人的進展。

3.納米硅基量子異質結

為了繼續把固態電子器件縮小到納米尺度，就必須構建納米尺度的量子勢阱。為此，必須製造出很小很小的類似層狀蛋糕的固體結構，其中不同層是由不同勢能的不同半導體製成。這些層狀結構稱為“半導體異質結”。要可靠地在納米尺度上製造出半導體異質結非常困難，而在納米尺度上把硅化合物製造成半導體異質結就更難了。但納米電子學研究人員還是一致認為，這是固態電子器件繼續迅速微型化這個趨勢所必需的。

4.納米尺度量子點電池和無線邏輯器件

聖母大學的倫特教授和波羅教授提出的構建無線量子點計算機邏輯的設計理念對於製造納米電子計算機來說是一個很有前途的創意。然而，要成為一個實用的設計方案，還需製造出這種類型的納米器件並對其進行測試。在聖母大學微電子實驗室的加里·伯恩斯坦教授的領導下，這個方面的工作正在進行中。

5.兆兆位量子效應電子存儲“晶元”

有了製造納米電子邏輯器件的能力后，用這種器件可以組裝成的一種非常有用的擴展結構是兆兆位的存儲器陣列或晶元。這可為具備快速存取能力但沒有可動機械部件的計算機信息系統提供海量存儲手段。其典型應用之一也許是在這樣一塊晶元上存儲一部電影。德州儀器公司的納米電子學小組與馬里蘭大學的唐浩（HaoTang）正在合作組裝這樣一種兆兆位的存儲器，他們利用的是微電子與納米電子混合邏輯線路。

6.利用微型掃描隧道顯微鏡和微型原子力顯微鏡進行納米組裝

用大探針對納米結構和器件進行機械組裝是一種笨拙的方法且困難重重。一些權威認為，出於熵方面的原因，這些方法註定要失敗。因此，一些小組正在利用微型掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡進行製造和試驗，他們認為利用這些微機電系統器件可使納米結構的機械操縱更有效。然而，這種微型掃描隧道顯微鏡和微型原子力顯微鏡還沒有應用到實際的納米組裝中。那將是向前跨出的一大步。

7.利用微型掃描隧道顯微鏡或微型原子力顯微鏡陣列進行的并行納米組裝納米器件最

終要變得實用且經濟上可行，則要求納米結構能被迅速大量地組裝出來。因此，僅靠一台微型掃描隧道顯微鏡或微型原子力顯微鏡一次組裝一個納米結構是遠遠不夠的。如果納米器件要實現機械化組裝，則需要由大量并行的顯微“納米操縱器”來完成。這個方向的一些初步試驗正在進行中，突出的有康奈爾大學的諾埃爾·麥克唐納教授和斯坦福大學的卡爾文·夸特教授。

8.與能移動單個原子的正在工作的掃描隧道顯微鏡連接的虛擬環境

北卡羅萊納大學的“納米操縱器”控制“近似探針（proximal－probe）”試驗的一個虛擬環境是一項偉大的、富於想象力的成就。然而，其虛擬環境所連接的近似探針儀器相對還很原始。下一步是把一個相似的虛擬環境連接到一個非常靈敏精確的掃描隧道顯微鏡或原子力顯微鏡近似探針上，就象IBM的蘇黎世實驗室和阿爾梅頓實驗室在製造和顯示納米結構時所用到的探針一樣。接著，人們也許可以“體驗”如何對製造納米計算機或其它器件所用的原子和分子構件進行操縱，控制自如地抓取原子和分子。這種創新肯定可以帶來並進一步加快概念突破和實用上的突破。

9.逼真的模擬實際納米操縱的虛擬環境

當前的納米操縱器包括一個與虛擬環境相連的正在進行的納米試驗。一個相對困難的、重要的挑戰是做到在數字計算機上實時模擬這一納米尺度的實驗，包括所有的關鍵量子力學效應，接著利用這種計算機模擬為納米技術研究人員生成一個虛擬體驗。這種模擬虛擬環境要求的迅速、敏感、精細的量子模擬遠非今天的量子模擬技術所能達到。然而，一些小組正在攻克這一挑戰。

10.“互連問題”

即便組裝電子器件的所有其它挑戰都克服了，仍有一些問題沒有解決，即由數萬億電子元件以前所未有的密集度組裝而成的一台小計算機的適當結構及整體布局的問題。整體結構問題中最重要的是眾所周知的“互連問題”。簡單地說，就是信息在這樣一種密集的計算結構中如何進出的問題。納米計算機將把巨量信息存儲在一個很小的空間內，並有可能極快地使用和產生信息。因此，還需要一些結構來控制和協調計算機的諸多元件。這些事實說明，計算元件之間、計算元件與外部環境之間需要有大量的連接。就大多數常規計算機設計的微型化而言，由於電線之間要相互隔開以避免過熱和干擾或“串線”，這樣就有一些幾何學上的考慮和限制，因此連接的數量不可能無限制地增加。信息的輸入/輸出和控制顯然需要新的策略。有人提出把幾乎相互獨立的處理器組成的大規模陣列和分散式（甚至是“隨機的”）控制作為解決方法。這個領域要做的工作還很多。一些科學家已經在為互連問題及其它結構問題尋找創新的解決方法，倫敦大學的特里·方丹教授就是其中之一。