纳米器件的研究进展

纳米器件的研究进展

张建良

摘要：纳米量子器件可简单地分为纳米电子器件和纳米光电子器件。纳米电子器件包括：共振隧穿器件、量子点器件和单电子器件（单电子晶体管和单电子存储器）等；纳米光电子器件主要包括基于应变自组装的量子点激光器。

【关键词：主题，分类，应用】

目录：一、什么是纳米器件

二、纳米器件的技术原理

三、纳米器件的现状与发展

四、纳米器件的应用

五、纳米器件的展望

引言：1959年物理学家理查德·费恩曼在一次题目为《在物质底层有大量的空间》的演讲中提出：将来人类有可能建造一种分子大小的微型机器，可以把分子甚至单个的原子作为建筑构件在非常细小的空间构建物质，这意味着人类可以在最底层空间制造任何东西。

一、什么是纳米器件

1.什么是纳米电子器件

纳米电子器件在学术文献中的解释是器件和特征尺寸进入纳米范围后的电子器件，也称为纳米器件。纳米技术可以使芯片集成度进一步提高，电子元件尺寸、体积缩小，使半导体技术取得突破性进展，大大提高计算机的容量和运行速度。

2. 纳米器件的研究目标

材料和制备：更轻、更强和可设计；长寿命和低维修费；以新原理和新结构在纳米层次上构筑特定性质的材料或自然界不存在的材料；生物材料和仿生材料；材料破坏过程中纳米级损伤的诊断和修复。

微电子和计算机技术：2010年实现100nm的芯片，纳米结构的微处理器，效率提高一百万倍；10倍带宽的高频网络系统；兆兆比特的存储器（提高1000倍）；集成纳米传感器系统。

医学与健康：快速、高效的基因团测序和基因诊断和基因治疗技术；用药的新方法和药物“导弹”技术；耐用的人体友好的人工组织和器官；复明和复聪器件；疾病早期诊断的纳米传感器系统。

航天和航空：低能耗、抗辐照、高性能计算机；微型航天器用纳米测试、控制和电子设备；抗热障、耐磨损的纳米结构涂层材料。

环境和能源：发展绿色能源和环境处理技术，减少污染和恢复被破坏的环境；孔径为1nm的纳孔材料作为催化剂的载体；MCM-41有序纳孔材料（孔径10-100nm）用来祛除污物。

生物技术和农业：在纳米尺度上，按照预定的大小、对称性和排列来制备具有生物活性的蛋白质、核糖、核酸等。在纳米材料和器件中植入生物材料产生具有生物功能和其他功能的综合性能。，生物仿生化学药品和生物可降解材料，动植物的基因改善和治疗，测定DNA 的基因芯片等。

纳米材料：纳米颗粒是纳米材料基元。用物理、化学及生物学的方法制备出只包含几百个或几千个原子、分子的颗粒。这些颗粒的尺寸只有几个纳米。

二、纳米器件的技术原理

1. 纳米器件的技术原理

宏观世界上经典物理、化学、力学的巨大成就：计算机和网络、宇宙飞船、飞机、汽车、机器人等改变了人们的生活方式。

纳米世界。几十个原子、分子或成千个原子、分子“组合”在一起时，表现出既不同于单个原子、分子的性质，也不同于大块物体的性质。这种“组合”被称为“超分子”或“人工分子”。“超分子”性质，如熔点、磁性、电容性、导电性、发光性和染、颜色及水溶性有重大变化。当“超分子”继续长大或以通常的方式聚集成大块材料时，奇特的性质又会失去，像真是一些长不大的孩子。

在10nm尺度内，由数量不多的电子、原子或分子组成的体系中新规律的认识和如何操纵或组合及探测、应用它们---纳米科学技术的主要问题。

2. 纳米电子器件的特点

以纳米技术制造的电子器件，其性能大大优于传统的电子器件：

(1)工作速度快。

(2)纳米金属颗粒易燃易爆。

(3)纳米金属块体耐压耐拉。

(4)纳米陶瓷刚柔并济。

(5)纳米氧化物材料五颜六色

(6)纳米半导体材料法力无边。

(7)纳米药物材料的毫微。

(8)纳米材料的加工性。

三、纳米器件的现状与发展

1. 电子工业迎来纳米时代

随着纳米技术日新月异的发展，2005年全球电子工业加工精度将达到100纳米，从而普遍进入纳米时代。

美国电子工业协会预测，今后10年，纳米技术在电子工业中的应用规模将达到3000亿美元。2003年12月，美国众议院通过立法，将发展纳米科技作为国家科研发展的重点。美国科学院已将信息、生物、纳米作为科研的三大支柱。

鉴于纳米研究领域接连取得一连串实质性的突破，一个崭新的纳米电子时代可望提前到来。

据预测，也许只要再过３到７年，纳米电子技术就会改变计算机业的发展走向。

集成电路的研究并获得突破。2003年5月，该公司研制成功迄今为止有源区（称为有效沟道长度）最小的P沟道MOSFET晶体管。

(1)纳米晶体管技术的突破

为了发展超微型晶体管，美国新泽西州Lucent technologies公司贝尔实验室的研究人员正在从事这种超大规模集成电路的研究并获得突破。2003年5月，该公司研制成功迄今为止有源区（称为有效沟道长度）最小的P沟道MOSFET晶体管。

(2)生产纳米导线

研制纳米导线是制造大多数纳米器件和装置的关键因素。美国加州大学伯克利分校最近在改进纳米导线特性方面获得重大进展，被公认为纳米导线的先驱。

(3)开发纳米计算机

纳米计算机指的是它的基本元器件尺寸在几到几十纳米范围，突破0.1微米界，实现纳米级器件。

(4)硅纳米线传感器

硅纳米线的表面积大、表面活性高，对温度、光、湿气等环境因素的敏感度高，外界环境的改变会迅速引起表面或界面离子价态电子输运的变化，利用其电阻的显著变化可制成纳米传感器，并具有响应速度快、灵敏度高、选择性好等特点，可实现硅纳米线在化学、生物传感中的应用。近两年来，硅纳米线在检测细胞、葡萄糖、过氧化氢、牛类血清蛋白和DNA 杂交方面取得了很大进展。

四、纳米器件的应用

纳米技术的大胆应用设想包括：利用纳米机器将获取的碳原子逐个组织起来，变成精美的金刚石；将二氧化物分子重新分解为原来的组成部分；在人血中放入纳米巡航工具，它能自动寻找沉积于静脉血管壁上的胆固醇，然后将它们一一分解；将来纳米机器能够把草地上剪下来的草变成面包……在完全意义上讲，世上每一个现实存在的物体无论是电脑还是奶酪都是由分子组成的；

在理论上，纳米机器可以构建所有的物体。当然从理论到真正实现应用是不能等同的，但纳米机械专家已经表明，实现纳米技术的应用是可行的。在扫描隧道电子显微镜帮助下，纳米机械专家已经能将独立的原子安排成自然界从未有的结构。此外，纳米机械专家还设计出了只由几个分子组成的微小齿轮和马达。

1. 纳米技术与未来战场“小精灵”

(1)易潜伏的蚂蚁机器兵

蚂蚁机器兵背上微型探测器，就可在敌方敏感军事区内充当不知疲倦的全天候侦察兵，长期潜伏，不断将敌方情报传回控制站。若它再与微型地雷配合使用，还能实施战略打击。让它们充当杀手，去炸毁或“蚕噬”敌方设备，特别是破坏信息系统和电力设备等基础设施。

(2)易突防的袖珍飞机

这种袖珍飞机长度只有几毫米到几十毫米，甚至连肉眼几乎都看不到。由于体积太小，它的能量消耗非常低，但活动能力却很强，本领也很大，可以几小时甚至几天不停地在敌方空域飞行，通过机载微传感器将战场信息传回己方指挥所。

(3)像种草一样布放“间谍”

利用纳米技术制造微探测器并组网使用，形成分布式战场传感器网络。这种微探测器由战机、直升机或人员实施布放，就像在敌方军事区内种草一样简单，一经布防即自动进入工作状态，能源源不断地送回情报。另外，把间谍草传感器网络与战场打击系统连成一体，就可在战场透明化的基础上实施“点穴式”的精确打击。

(4)血管潜艇救死扶伤

只要战场上还有作战人员，就难免出现伤亡，而“血管潜艇”在救死扶伤方面可尽显神奇功能。利用微机电系统制作的一种“血管潜艇”，可从注射针孔中钻进血管内执行任务，一旦发现人体哪部分出现“病变”或“异常”，就会立即发出报警信号，并按医生的指令采取行动，直接将携带的治疗药物释放在伤员病变部位上，或同人体内的细菌和病毒“殊死拼杀”。

2. 纳米发电机

纳米发电机是基于规则的氧化锌纳米线的纳米发电机。(A)在氧化铝衬底上生长的氧化锌纳米线的扫描电子显微镜图像。(B)在导电的原子力显微镜针尖作用下，纳米线利用压电效应发电的示意图。(C)当原子力显微镜探针扫过纳米线阵列时，压电电荷释放的三维电压/电流信号图。

据英国出版的《科学》报道，美国佐治亚理工学院教授、中国国家纳米科学中心海外主任王中林等成功地在纳米尺度范围内将机械能转换成电能，研制出世界上最小的发电机——