纳米电子学是干什么的

纳米电子学是指以纳米尺度材料为基础的器件制备、研究和应用的电子学领域为纳米电子学。由于量子尺寸效应等量子力学机制，纳米材料和器件中电子的形态具有许多新的特征。纳米电子学是当前科学界极为重视的研究领域，被广泛认为未来数十年将取代微电子学成为信息技术的主体,将对人类的工作和生活产生革命性影响。

近年来，在国家几项基金项目的支持下，开展了深亚微米MOS器件，单电子器件以及纳米结构电子输运理论的研究。在大量查阅国外文献的基础上，逐渐理出了当前“纳米电子学”主要的理论和主要研究领域。

正像美国总统顾问尼尔莱恩指出的：“纳米技术不仅仅是向小型化迈进了一步，而是迈入了一个崭新的微观世界，在这个世界中物质的运动受量子原理的主宰。”从某种意义上说纳米技术就是人工制造的、具有量子效应的结构技术。

未来的电子系统和装备都将运行在量子力学原理之上。因此，纳米科技的研究和教学都需要在量子物理的层面上进行。目前已经研制出的新型纳米器件，例如，共振隧穿器件、单电子器件等都是如此。由于纳米器件的工作原理不同于经典器件，涉及到较深的量子力学理论和数学基础。

纳米技术中最重要的一个分支领域是纳米电子学技术（nanoelectronics）。 　 在信息社会中，电子学的应用显得越来越重要。信息的获取、放大、存储、处理、传输、转换和显示，哪一样都离不开电子学。电子学技术未来的发展，将以“更小，更快，更冷”为目标。“更小”是进一步提高芯片的集成度，“更快”是实现更高的信息运算和处理速度，而“更冷”则是进一步降低芯片的功耗。只有在这三方面都得到同步的发展，电子学技术才能取得新的重大突破。 　

美国国防高等技术研究厅（DARP），不久前提出的超电子学（ulbe ebotmlllcs）研发计划，就是根据“更小，更快，更冷”的发展目标，要求未来的电子器件要比现有的微电子器件的存储密度高5－100倍，速度快10－100倍，而功耗则要小于现在器件功耗的2倍。最终希望达到“双十二”，即 1012位的存储器容量（1 Terabit）和每秒1012次的运算器速度（1000亿次/s），且廉价而节能。要实现这一目标，电子器件的尺寸将必然进入纳米技术的尺度范围，即要小于100nm。这表明，随着人类对芯片的要求越来越高，在不久的将来，微电子器件必将过渡到纳米电子器件，使其成为21世纪信息时代的核心。 　

要实现纳米电子器件及其集成电路，有两种可能的方式。 　

一种是将现有的集成电路进一步向微型化延伸，研究开发更小的最小线宽的加工技术来加工尺寸更小的电子器件。这种方法只是尺度上的缩小，电子器件的构造并不发生根本的改变。现行的微电子器件（如场效应晶体管，field-effect transistor,FET）功耗较大，它无法满足对器件“更冷”的要求。著名的莫尔定律（Moore’s law）预言：“每隔18个月新芯片的晶体管容量要比先前的增加一倍，同时性能也会提升一倍”，事实已经证明，在过去的30多年里，莫尔定律准确地代表着芯片技术的发展趋势。但是，随着集成电路的集成度越来越高，晶体管的尺寸和集成电路的最小线宽越来越小，莫尔定律受到了极大的挑战。因为按照莫尔定律的发展趋势，10年后的2010年微电子器件的尺寸和集成电路的最小线宽都将小于100nm，而目前的光刻技术能够加工的最小线宽为130nm，达到现代微电子学光刻加工技术的极限（物理限制） 　

另一种方式是研制与当代集成电路完全不同的，利用纳米结构的量子效应而构成的全新量子结构体系，它包括新型的量子器件，如单电子晶体管，单电子存储器，单原子开关等，以及可能用于量子系统的零维的量子点（quantum dot），一维的量子线（quantum wire）和二维量子阱（quantum well）等。 　

无论采取那一种方式，传统的微米技术都很难再有所作为。扫描隧道显微镜（STM）的发明给纳米电子学带来了福音，这里有必要对其做一简单的介绍： 　

1982年，国际商业机器公司（International Business Machine, IBM）苏黎世研究所的Gerd Binnig 和Heinrich Rohrer及其同事们成功地研制出世界上第一台新型的表面分析仪器，即扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope STM）。它使人类第一次能够直接观察到物质表面上的单个原子及其排列状态，并能够研究其相关的物理和化学特性。因此，它对表面物理和化学、材料科学、生命科学以及微电子技术等研究领域有着十分重大的意义和广阔的应用前景。STM的发明被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一。由于这一成就，Binnig和Rohrer获得了1986年诺贝尔物理奖。 　

由于STM具有极高的空间分辨能力（平行方向的分辨率为0.04nm，垂直方向的分辨率达到0.01nm），它的出现标志着纳米技术研究的一个最重大的转折，甚至可以说标志着纳米技术研究的正式起步，因为在此之前人类无法直接观察表面上的原子和分子结构，使纳米技术的研究无法深入地进行。 　

STM的基本原理是量子隧道效应。它利用金属针尖在样品的表面上进行扫描，并根据量子隧道效应来获得样品表面的图像。通常扫描隧道显微镜的针尖与样品表面的距离非常接近（大约为0．5－1.0nm），所以它们之间的电子云互相重叠。当在它们之间施加一偏置电压Vb（Vb通常为2mV－2V）时，电子就可以因量子隧道效应由针尖（或样品）转移到样品（或针尖），在针尖与样品表面之间形成隧道电流。电流I对针尖和样品表面之间的距离s变化非常敏感。如果此距离减小仅仅0.1nm，隧道电流I将会增加10倍；反之，如果距离增加0.1nm，隧道电流I就会减少10倍。 　 STM有两种工作模式，恒电流模式和恒高度模式。恒电流模式是在STM图像扫描时始

终保持隧道电流恒定，它可以利用反馈回路控制针尖和样品之间距离的不断变化来实现。当压电陶瓷Px和Py控制针尖在样品表面上扫描时，从反馈回路中取出针尖在样品表面扫描的过程中它们之间距离变化的信息（该信息反映样品表面的起伏），就可以得到样品表面的原子图像。由于恒电流模式时，STM的针尖是随着样品表面形貌的起伏而上下移动，针尖不会因为表面形貌起伏太大而碰撞到样品的表面，所以恒电流模式可以用于观察表面形貌起伏较大的样品。恒电流模式是一种最常用的扫描模式。 　

恒高度模式则是始终控制针尖的高度不变，并取出扫描过程中针尖和样品之间电流变化的信息（该信息也反映样品表面的起伏），来绘制样品表面的原子图像。由于在恒高度模式的扫描过程中，针尖的高度恒定不变，当表面形貌起伏较大时，针尖就很容易碰撞到样品。所以恒高度模式只能用于观察表面形貌起伏不大的样品。 近年来，STM不仅使得人们的视野可以直接观察到物质表面上的原子及其结构并进而分析物质表面的化学和物理性质，它还使得人们可以在纳米尺度上对材料表面进行各种加工处理，甚至可以操纵单个原子。这一特定的应用将会使人类从目前微米尺度的加工技术跨入到纳米尺度和原子尺度，成为未来器件加工（纳米电子学）和分子切割（纳米生物学）的一个重要手段。 　

STM的针尖不仅可以成像，还可以用于操纵表面上的原子或分子。单原子操纵主要包括三个部分，即单原子的移动，提取和放置。使用STM进行单原子操纵的较为普遍的方法是在STM针尖和样品表面之间施加一适当幅值和宽度的电压脉冲，一般为数伏电压和数十毫秒宽度。由于针尖和样品表面之间的距离非常接近，仅为0．3－1.0nm因此在电压脉冲的作用下，将会在针尖和样品之间产主一个强度在 109～1010V／m数量级的强大电场。这样，表面上的吸附原子将会在强电场的蒸发下被移动或提取，并在表面上留下原子空穴，实现单原子的移动和提取操纵。同样，吸附在STM针尖上的原子也有可能在强电场的蒸发下而沉积到样品的表面上，实现单原子的放置操纵。 　

1990年，美国IBM公司Almaden研究中心Eigler研究小组使用工作在超高真空和液氦温度（4.2K）条件下的STM成功地移动（displace）了吸附在 Ni（110）表面上的惰性气体 Xe原子,并用 35个Xe原子排列成“IBM”三个字样，这一研究立刻引起了世界上科学家们的极大兴趣并开创了用STM进行单原子操纵的先例。 图2 是在Cu（111）表面上成功地用101个Fe原子写下“原子”二个迄今为止最小的汉字。　 1991年日立中央研究所Hosoki等人曾经在室温的条件下，应用电压脉冲方法成功地提取MoS2表面上的S原子并用遗留下的原子空穴构成了“PEACE’91 HERL”（其中HCRL为日立中央研究所的英文缩写）的字样。用这种方法加工的字竟小于1.5nm。 　 利用单原子放置的一个典型实例，利用STM的针尖将Au原子团源源不断地放置到Au表面上的预定位置，形成一个直径仅为1μm的世界地图，与实际地球相比，其比例约为1：113。 　

总之，STM的出现为人类认识和改造微观世界提供了一个极其重要的新型工具。随着它的理论和实验技术的日益完善，它必将在单原子操纵和纳米技术等诸多研究领域中得到越来越广泛的应用。随着原子结构加工机理研究的深入，用单个原子来制造电子器件将不再是梦想，人们直接以原子和分子制造具有特定功能的产品的时代也将会到来。到那时，也许现在的巨型计算机将来有可能做成大头针那样大小，即使是美国最新开发成功的峰值速度高达每秒12万亿次超级计算机，也将会小到可以随手放进口袋里。