纳米电子学（Nanoelectromics）是纳米技术的重要组成部分，是纳米技术发展的主要动力。纳米技术的诞生使人类改造自然的能力直接延伸到分子和原子，其最终目标是直接以分子、原子在纳米尺度上制造特定功能的产品。它标志着人类的科学技术进入一个新时代——纳米技术时代。纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的概念来构造电子系统。它将突破传统的极限，开发物质潜在的信息和结构潜力，使单位体积物质的储存和处理信息的能力提高百万倍以上，实现信息采集和处理能力的革命性突破。纳米电子学将成为21世纪信息时代的核心。因此，自90年代起，许多国家都先后把纳米电子学作为“国家关键技术之一”，并投入巨资进行研究和开发。经过几年的努力，已经取得了一系列震动世界的成果，目前正处在重大突破的前夜。

一、纳米电子学是划时代的高技术

早在十九世纪，人们就知道电子具有两种特性 :粒子性和波动性。当电子所处的空间较大时，电子表现出明显的粒子性；当电子所处的空间很小，如线宽达100 nm以下时，电子就表现出明显的波动性。人们利用粒子性在微电子领域已取得辉煌成果，并以惊人的速度不断发展。从1959年生产小规模集成电路开始，已经走过了中、大、超大和特大规模集成时代，从1995年开始进入千兆位LSI集成时代。目前256兆位的动态随机存取存储器，其加工线宽已达到250 nm水平，预计到本世纪末将出现1千兆位的特大规模集成电路，其线宽将达到100 nm水平。在这水平上，电子的粒子性将利用到极限，电子的另一特性——波动性则表现出极大的优势，显示出量子效应，纳米电子学应运而生。科学家们设想，利用量子效应来设计新的纳米器件（即量子器件），将可研制出比目前最小的电子元件还要小得多的由单个电子构成的元器件。现在量子器件已经研制成功。预计在不久的将来，千兆位超LSI集成电路将可能实用化，届时，现在的半导体器件将逐步消失，逐步步入量子器件的时代。因此，纳米电子学将是超过半导体而成为划时代的高新技术。

二、纳米电子学发展的目标及应用前景

1.纳米电子学为量子器件的制造展现了美好的前景

纳米电子学追求的目标是将集成电路的几何结构进一步减小，超越目前发展中遇到的极限，研制出由单原子或单分子构成的并室温能用的各种器件。这种目标的实现不仅需要对器件的概念进行革新，而且要发展全新的集成电路制作方法。

利用量子隧道效应原理，采用纳米硅薄膜制作的量子功能器件，称为量子器件。量子器件主要是通过控制电子波动的相位来进行工作的，只要控制单个电子的运动，即可实现特定功能。量子器件能实现更高的响应速度和更低的功耗，是一代超高速、超容量、超微型、低功耗的器件。制造量子器件的关键是需要超微细加工技术，即纳米制造技术。利用此技术可使工程化的微电子电路小到只有100 nm以下那么小，以致仅依靠单个分子改变位置或形状就能区分“0”和“1”，这样可大大提高芯片的集成度。自1990年在美国首次召开纳米技术学术会议以来的短短几年里，纳米制造技术已经获得巨大的进展，已从微米层次进入到原子、分子级的纳米层次。日本已经开发出制作100 nm以下的精细量子线结构的技术；日本的五家公司与美国莫托罗拉公司进行国际合作，研究量子线超微细加工技术，开发存储容量为1吉拉的半导体存储器的制造技术，特别指出的是，将分子束外延薄膜生长技术和STM刻蚀技术相结合，可利用新的物理效应去发展新颖的量子点（即量子器件的三维尺度均为纳米级）。量子点是利用分子束外延，把所需的原子喷射到一块半导体基底上，在一定条件下，到达基底表面的原子互相聚集在一起，形成特定的“岛”状的晶体结构，这就形成量子点结构。日本NEC基础研究所，在Ca As衬底上，已成功制作了具有开关功能的量子点阵列。前不久美国威斯康星大学也已制造出可容纳单个电子的量子点。这量子点非常小，在一个针尖上可容纳几十亿个量子点。利用量子点可制成体积小、耗能少的器件，这类器件称为单电子器件，在微电子和光电子领域将获得广泛应用。此外，量子点对于创造像人脑那样学习和推理的计算机也是关键，将可能用可再配置的相关联结，将几十亿个量子点连结起来，每个量子点的功能相当于大脑中的神经细胞，它为研制智能型电脑展现美好的前景。

经过各国科学家们的努力，利用纳米电子学已经研制成功各种纳米器件。美国已研制成功只有4 nm具有开关特性的复杂分子，它由激光驱动，开、关速度快，为研制激光计算机提供技术基础。1993年日本日立公司与英国剑桥大学合作，研制成功存储容量达16吉拉的“单分子存储器”。美国TL公司在1994年研制成功在常温下工作的量子器件，其速度和功能比普通同样规模的集成电路高3倍，而体积则为后者的三分之一。目前美国IBM公司和日本日立公司都已经研制成功单个电子晶体管，它通过控制单个电子运动状态完成特定功能，即一个电子就是一个具有多功能的器件。此外各国科学家还研制成功共振隧道二极管、董子耦合器件、共振隧道传输器，量子导线等。这些器件高速、低耗，在常温下工作，集成度高，经济可靠。如未来的分子电路和分子电脑研制成功并实用化，这必将引起电子学的一场革命。

2.纳米电子学促使微电子和光电子更加紧密结合，使光电器件的性能大大提高

随着纳米电子学的发展，使微电子和光电子的结合更加紧密，将使光电子器件广泛应用于光电信息传输、探测、存贮、处理、运算和显示等方而，使光电器件的性能大大提高。如应用纳米计算机可以提高现有雷达信息处理能力的10倍至几百倍，能够把建立在大界信息处理基础上的超高分辨率合成孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地侦察。对合成孔径雷达来说，要获取高分辨率图像的关键是数字信息处理技术。由于合成孔径雷达的数据率非常高，而成像处理过程又相当复杂，其数据如果要求实时计算出图像，则要求运算速度达1012——1013次/秒，这样高速的计算机应用硅集成电路是达不到这样高的要求的，然而应用纳米计算机则能实现。又如将光调制器和光探测器结合在一起的量子阱自电光效应器件，它在实现光学高速数学运算中特别受到重视。应用纳米电子学还可提高激光器、光探测器和传感器的性能。应用量子阱彐崩光电二极管可制成一种响应速度快、高灵敏度的光探测器。可以预料，纳米电子学一定会把目前以光电子技术为基础的高技术兵器的性能提高到划时代水平。

3.纳米电子学与生物学相结合，为发展生物分子器件和生物电脑展现诱人的前景

纳米电子学另一令人神往的发展方向是利用纳米电子学和生物学相结合研制生物分子器件。以分子自组装为基础制造的生物分子器件是一种完全抛弃以硅半导体为基础的电子元件。在传统的计算机中，其最基本的构件是开关元件，要想提高集成度，创造微型计算机关键在于寻找更小、具有开关功能的基本器件。在自然界中，能保持物质化学性质不变的最小单位是分子。科学家们发现，一种蛋白质分子是选作生物芯片的理想材料。目前利用蛋白质可制成各种生物分子器件，如开关器件、逻辑电路、存储器、传感器、检测器以及蛋白质集成电路等。美国密歇根韦思大学医学院生物分子信息小组，利用细菌视紫红质（简称BR蛋白质）和发光染料分子研制出具有电子功能的蛋白质分子集成膜，这是一种可使分子周围的势场得到控制的新型逻辑元件。美国锡拉丘兹大学也利用BR蛋白质制作光导“与”门。利用发光门制成蛋白质存储器。此大学还利用BR蛋白质研制模拟人脑联想能力的中心网络和联想式存储装置。美国的科克分子学中心也利用BR蛋白质开发出光学存储器和多次录抹光盘存储器。美国在1994年11月利用此蛋白质器件已经研制成功生物电脑。

4.纳米电子学的其他应用前景

利用纳米电子学与纳米机械相结合，可制成微机电系统、微型机器人。现在日本已研制成功直径只有1一2 mm的静电发动机、米粒大小的汽车。美国已研制成功微型光调器，并计划研制微电机化坦克、纳米航天器等。德国已研制成功一架肉眼几乎看不见的直升飞机、微型机器人。

最诱人的应用前景是利用纳米电子学与纳米生物学相结合可研制分子机器。第一代分子机器是生物系统和机械系统的有机结合体；第二代分子机器是能直接以原子、分子装备成具有一定功能的纳米装置；第三代分子机器将是含有纳米电脑的可人——机对话的并具有自我复制能力的纳米装置。分子机器一旦研制成功，它能在1秒钟内完成数十亿个操作动作，可在几秒钟内完成现在几天或几个月才能完成的工作。利用分子机器人可在血液中循环，可对身体各部位进行检测、诊断和实施特殊治疗。还可创造出全新的作战手段。利用昆虫作平台，把分子机器人植入昆虫的神经系统中控制昆虫飞向敌方收集情报，使目标丧失功能。此机器人还可进入人体的血管，是一种看不见的冷血杀手。

利用分子器件可制成各种传感器和探测器。可制作模仿人的视觉、味觉、嗅觉、听觉、触觉等仿生系统。纳米电子学展现出诱人的应用前景。