纳米电子技术的发展现状与未来展望

纳米电子技术的发展现状与未来展望

作者：余巧书

来源：《电子世界》2012年第12期

【摘要】纳米电子技术主要针对物质在纳米尺度内（0.1-100nm）的电子运动规律和特性，根据这些规律和特性生成有益于人类的纳米电子产品和材料。纳米电子技术的研究是一个国家科学技术水平的展现，本文将从纳米电子技术的发展现状出发，展望纳米电子技术的未来。

【关键词】纳米电子技术；发展现状；未来展望

进入21世纪以来，相关专家意识到纳米技术将作为领先科技的前沿，对纳米技术进行深入的研究，纳米电子技术可能为新技术的开发和应用带来革命性的突破。纳米技术的应用范围广，可能深入到每个领域，每个行业，也可能成为人类生活中必不可少的必需品。目前，人类对纳米电子技术的研究还不够深入，应用也不够广泛，但是纳米电子技术已向人们展示出了强大的魅力和应用潜力。目前已经研究出的纳米电子技术产品包括纳米电子元件和纳米电子材料，这些产品不仅功能奇异，而且性能优良。 一、纳米电子技术的发展现状 （一）纳米电子材料的应用

目前大多数纳米材料包括：纳米硅薄膜、纳米硅材料以及纳米半导体材料。其中，纳米硅材料最具有技术优势，非常符合新世纪人类对电子技术的发展需求。硅电子材料的技术相较于其他材料的优势在于：

1.能耗低、准确可靠、运行时间较短、不易受外界的环境影响。 2.得益于科技的保证和不断地开发研究应用，使得其成本价钱有所降低。

3.由于其短距离的分子间距，使得硅电子材料在运行过程中，反应速度很快，这就从另一方面降低了材料能耗，提高工作效率。

从上述的优势不难看出，纳米硅电子材料的问世是材料的一个新突破，它的领先技术使得其相较于同等材料具有绝对的优势。相信随着纳米材料的不断研究，纳米材料在生活中的应用普及之后，会给人类带来意想不到的方便。 （二）纳米电子元件的应用

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纳米电子元件问世之前，电子元件经过了集成元件、超大规模集成元件两个发展历程，因此，纳米电子元件是在“两位前辈”的发展基础上开发出来的。

自从美国的研究者J•KILBY在上世纪50年代研究出第一个集成电路以后，集成电路的就开始了快速发展，并不断更新换代，从小规模集成到中型、大型，再到后来的超大型集成电路，如今又发展到了特大型的集成电路。

随着集成规模的不断扩大，电子元件的尺寸却要越做越小，要达到纳米尺寸的范围(0.1-100nm)，例如刚刚面试的单电子晶体管，它的一个电子信号就代表了一位信息的数据，意思就是晶体管的尺寸要小到极致，从而颠覆了现代电子技术的高集成、高速度下，一定要高能耗的格局。

（三）纳米电子技术应用于现代医学

随着纳米技术的不断研究和应用，更多的纳米电子技术被应用到医学领域之中。 纳米电子技术的发展有助于细微部位的研究，而这些细微之处通过普通显微镜是无法做到的，纳米电子技术的应用还能有助于纳米传感器的发明，通过纳米传感器可以观察到生化反应的各种不同的化学信息以及电化学信息。此外，还有很多类似伽马刀、螺旋CT以及MRI等高科技医学产品的问世，它们的出现为人类医学注入了新鲜血液。

纳米电子技术作为生物医学与电子学相交的新新技术，它将具有巨大的开发利用价值，它的研究潜力是无穷的。生物医学电子学作为生物医学和电子学两大学科的结合，在生物医学电子设备集成化和微型化方向的研究有着很大的发展空间，这种研究主要基于微电子器件的发展，当器件的尺寸发展到分子或原子的大小水平时，人们对于微小生物体的研究将进入前所未有的新阶段。

二、纳米电子技术的发展动向及展望

纳米技术的研究和应用已经得到世界上很多国家的认可，各国也加大了对纳米技术研究工作的投入力度。其中，美国提出了名为NNI，即国家纳米技术的计划项目，将重点研究纳米电子学。欧盟等多个国家将在支持纳米技术研究的工作上，重点投入到纳米电子材料以及纳米电子器件关于存储系统和信息处理的研究，成立相关委员会，并提出欧盟每年60亿欧元到纳米电子研究工作中的投资报告，以推进和鼓动研究者参与到纳米电子技术研究的兴趣当中。而在亚洲，中国台湾地区和日韩两国也加入到纳米电子技术研究的计划和策略当中来，也采取了不少积极措施，比如建立纳米电子研究所，加大研究经费的投入等，旨在对纳米电子技术的研究工作中抢占先机，掌握主动。而我国则将纳米研究技术作为重要的科学研究规划，主要进行纳米电子学的研究，而纳米电子学也被中科院肯定为2020年左右最易实现，也对纳米科技研究有重大影响的研究。 （一）纳米硅薄膜

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硅是目前为止发展最快且用途最广，产量最大的半导体材料，硅在全世界半导体材料的总体比重中占到了95%以上，不可谓不惊人，因此，研究纳米硅是研发高性能半导体的最好途径。纳米硅薄膜的工艺程序与集成电路和硅器件完全相容，因此，它可以成为进一步研制量子功能的基础，将会在今后的纳米电子研究技术中具有很大的影响力。 （二）新型电子元件的开发

随着纳米电子技术研究的深入，新型的电子元件产品也渐渐问世。

2010年2月，美国人研发的纳米处理器可实现编程，可能成为纳米计算机。同年5月，澳大利亚和美国研究者基于隧穿显微镜实现了对单个原子的操控，从而创造出了迄今为止最小的原子晶体管，它标志着世界上第一个人工制造原子的电子设备的出现，向信息处理的超强大和超高速性迈进新的台阶。同年12月，在美国德克萨斯大学，又推出了世界上第一个耐高温工作的自旋场效应晶体管。而在2011年的4月，在美国匹兹堡大学，科学家又制造出了超小型的单电子晶体管，它的核心组件的直径Φ小至1.5nm，这一创举也将成为超大规模集成电路的高密度性和低能耗性的理想电子元件。

在以后的20年，将是电子元件不断发展的时期，在此期间，新型电子元件的研究将更加深入，更多的电子元件产品将会不断问世，为人类探索更高领域提供更科学研究方法。 （三）纳米生物电子

纳米生物电子是一个重要的纳米电子学部分，把纳米电子学的科技应用于生物芯片的领域，从而有了纳米机器人的出现，这种纳米机器人不是传统的机器人，而是能进入人体血管，帮人体清除体内有害物质的清洁器，更有效地为人体排出毒素，为保证人体的正常代谢，保持人体健康做出重大贡献。 （四）碳纳米管

1991年日本科学家第一次发现碳纳米管。碳纳米管自身是拓扑结构，又有很好的机械强度和导电性等，可以说集光学和机械性能以及电子特性三者的优异性于一身，所以，碳纳米管也被世界上的科学家们作为研究的重点。

利用碳纳米管的电子性，使得它可以往单电子器件和晶体管材料方向展开研究。2010年2月，芬兰和日本的科学家研究出了新型碳纳米管，它是最优的介于半导体和金属性两者平衡点之间的材料，基于对新型碳纳米管的研究，科学家们发现它可以制作成集成电路，且该电路具有逻辑顺序，可为纳米计算机的研发带来一些启发和灵感。同年6月份，瑞典的歌德堡大学研发出了一种对纳米管形成的过程可控的方法，利用碳纳米管可以使晶体管的尺寸变得更小，运行速度也更快，制造出的半导体材料比硅晶体管高出70%的碳纳米管，从而使得电子流动性要高于现有普通半导体材料的25%，可以说半导体材料已经在往新型碳纳米管上转型，新型碳纳米管将会在今后得到更多的应用。

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三、结束语

纳米电子技术的迅猛发展对人类来说绝对是一大利好消息，随着国际的重视，各国对纳米电子技术的资金投入以及科学研究者们的不断研发，纳米电子技术真正应用到人们的日常生活将指日可待。届时，高效、环保、科学的生物材料，医学设备和电子晶体管的问世，将会大大改善人们的生活现状，让人们切切实实地体验纳米时代。 参考文献

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