纳米电子学技术

第二节　纳米电子学技术

纳米电子学是基于纳米粒子的量子效应来设计并制备纳米量子器件的新学科。它包括纳米有序（无序）阵列体系、纳米微粒与微孔固体组装体系、纳米超结构组装体系。纳米电子学的最终目标是将集成电路进一步减小，研制出由单原子或单分子构成的在室温能使用的各种器件。纳米电子学是今后信息技术的主要支撑。

一、智能型微型电脑

目前，纳米电子学已被成功用于研制各种纳米器件。美国威斯康星大学已制造出可容纳单个电子的量子点。在一个针尖上可容纳这样的量子点几十亿个。利用量子点可制成体积小、耗能少的单电子器件，在微电子和光电子领域将获得广泛应用。此外，若能将几十亿个量子点连接起来，每个量子点的功能相当于大脑中的神经细胞，再结合微电子机械系统方法，它将为研制智能型微型电脑带来希望。

二、碳纳米管技术

（一）用于未来芯片设计

碳纳米管的强度比钢高100倍，密度只有其1/6。碳纳米管很细，5万个碳纳米管排列起来才只有一根头发丝那么粗。

科学家预计它将成为理想的导体，因为其导电性很可能远远超过铜。它将成为制造超微导线和超微开关的首选新材料，可以用于纳米级的电子线路。

芯片连线已经成为一个令半导体厂商十分头疼的问题。根据“摩尔定律”，芯片厂商每两年就要缩小一次半导体芯片内部的元件。然而，缩小连线会增加电阻，降低芯片的性能。

而碳纳米管导电性比金属要好，有可能成为替代金属连线的解决方案。芯片厂商美国英特尔公司正指望用碳纳米管取代半导体芯片内部的铜连线。

2008年2月，美国亚利桑那州立大学的科学家提出利用碳纳米线连接电路建立三维堆砌芯片的构想。如果这一构想能实现，将大大提高计算机的运行速度。

碳纳米管制造人造卫星的拖绳

（二）构成最小发光元件

2003年5月，美国IBM公司宣布成功开发出了由单分子碳纳米管构成的最小发光元件。这一发光元件为直径1.4纳米的纳米管状单分子，可发出波长1.5微米的光。这一波长的光广泛应用于光通信领域。

将该发光元件嵌入3引脚晶体管内部，并在晶体管栅极部分施加低电压后，管的两端（源极和漏极之间）产生了电流。碳纳米管的源极中就被注入负电荷（电子），漏极中就被注入正电荷（空穴）。当电子和空穴在纳米管中相遇时，电荷发生中和后就会发光。

（三）用于航天领域

在航天事业中，利用碳纳米管制造人造卫星的拖绳，不仅可以为卫星供电，还可以耐受很高的温度而不会烧毁。用碳纳米管制作的绳索，是唯一可以从月球上挂到地球表面，而不被自身重量拉断的绳索。如果用它做成从地球到月球乘人的电梯，将大大方便人类未来在月球上定居。

三、高密度存储器

1996年，美国IBM公司利用分子组装技术，研制出了世界上最小的“纳米算盘”。算盘架是蚀刻而成的铜槽和铜脊，算珠由球状的巴基球分子构成。每个铜槽内可容纳任意个巴基球，巴基球由扫描隧道显微镜操纵在铜槽内滑动。理论上，这一“纳米算盘”储存信息的容量是常规电子计算机存储器的10亿倍。

利用分子组装的世界上最小的“纳米算盘”

而利用纳米磁学中显著的巨磁电阻效应和隧道磁电阻效应也可大大提高磁盘记录密度。1997年，美国明尼苏达大学纳米结构实验室采用纳米平板印刷术成功地研制了纳米结构的磁盘——长度为40纳米的钴棒周期性排列成的量子棒阵列。由于纳米磁性单元是彼此分离的，因而被称为量子磁盘。它利用磁纳米线阵列的存储特性，极大地提高了存储密度。