纳米电子学与纳米器件
电子学中的微电子器件和纳电子学
电子学中的微电子器件和纳电子学在当今电子技术飞速发展的时代，微电子器件和纳电子学是电子学领域中备受瞩目的研究方向。
它们不仅具有广泛的应用前景，而且可以为我们提供更灵活、更高效、更小巧的电子设备和系统。
本文将从微电子器件和纳电子学两个方面来介绍它们的基本概念、研究进展及应用前景。
微电子器件是指尺寸在微米级别的电子器件。
它主要应用于集成电路、传感器、激光器、光纤通信等领域，具有体积小、速度快、功耗低等优点。
其中最具代表性的就是集成电路。
作为计算机、手机等电子产品核心的集成电路，其重要性可想而知。
随着电子技术的不断进步，集成电路的制造工艺也在不断更新。
现在常用的工艺是CMOS工艺（互补金属-氧化物半导体），它能够制造出集成度更高、功耗更低的芯片。
此外，随着信息时代的来临，传感器在民用、工业、医疗等领域的应用也越来越广泛，这也使得微电子器件在未来的发展中将有更为广泛的应用前景。
而纳电子学则是指研究纳米级别下材料的电子性质和应用的学科。
与微电子器件相比，纳电子学的尺寸更小，结构更复杂，涉及到的物理和化学现象也更为微妙。
其中的纳米材料，如纳米线、纳米管、纳米颗粒等，可以在光电、磁电、荧光、热学等多个领域中发挥独特的性能。
以染料敏化太阳能电池为例，其关键组件就是纳米级的二氧化钛薄膜，它能够吸收太阳光，并将其转换为电能，使得太阳能电池具有更高的转换效率。
在生物医学领域，纳米材料也受到了广泛的关注，例如通过包覆纳米颗粒的方式，可以改善药物的生物分布和毒副作用，实现精准治疗。
在微电子器件和纳电子学的研究中，材料的制备是非常重要的一环。
传统材料制备工艺大多采用物理或化学手段，但在微型尺度下，这些工艺已经不再适用。
因此，研究人员就开始尝试新的制备方法。
近年来，利用生物、化学、物理等交叉学科的知识，在微电子器件和纳电子学领域出现了一些新的材料制备技术，如DNA自组装、容量耦合、微流控等。
这些技术使得微电子器件和纳电子学的研究更加多样化和创新性。
纳米技术在电子器件中的应用
纳米技术在电子器件中的应用随着科技的不断发展，人们对电子器件的需求也越来越高。
而纳米技术在电子器件的应用也越来越普遍。
本文将会从纳米技术的介绍、电子器件的应用以及未来展望几个方面进行详细探讨。
一、纳米技术的介绍纳米技术是将材料的结构、性质调整到纳米尺度以下，通过纳米材料的制备和加工，获得一系列新的物理、化学特性的技术。
简单来说，纳米科技就是把事物的构成粒子缩小到纳米级别，以获得独特的性能和功能。
纳米技术具有以下特点：1. 独特性能：在纳米级别内，物质的物理和化学性质会发生显著变化，具有独特的性能。
2. 模块化制造：纳米组件可以通过模块化制造合并成更复杂的结构，使整个系统具有更多的功能。
3. 可控性：纳米制造过程中可以精确地控制结构和性质，以实现所需的功能。
4. 经济效益：纳米技术的制造成本在逐渐降低，未来有望带来更低成本和更高效益。
5. 应用广泛：纳米技术涉及到各种学科，具有广泛的应用前景。
二、1. 纳米透明电极透明电极广泛应用于平板电视、手机和电脑等电子产品的显示屏幕上。
纳米材料制备的透明电极具有高透过率、高导电率和较长寿命等优点，因此更受人们的喜爱。
2. 纳米晶体管晶体管是现代电子学中最重要的器件之一，是微电子学的基础。
而纳米晶体管的制备和应用可以大大提高器件性能，进一步推动微电子学的发展。
3. 纳米存储器件纳米存储器件可以大大提高存储容量和读写速度，常用于高性能计算机、数字相机和便携式储存设备等电子器件内部。
4. 纳米光电器件纳米光电器件具有高能效、高稳定性和更大的光谱范围等特点，因此被广泛应用于光通信、太阳能电池和激光技术等领域。
5. 纳米感应器件纳米感应器件对环境变化的响应速度更快、更精确，在生命科学和医学领域具有广泛的应用前景。
三、未来展望未来，纳米技术将会进一步应用在电子器件和信息产业中。
随着纳米技术的不断发展，纳米元器件的制备和性能也会得到进一步提高，新的应用和领域也会不断涌现。
纳米科学与工程 研究生教育学科专业简介及其学位基本要
纳米科学与工程研究生教育学科专业简介及其学位基本要纳米科学与工程专业是一门综合性较强的交叉学科，涉及物理、化学、生物学和材料科学等多个领域。
该专业主要研究纳米结构、纳米材料及其相关技术、器件和应用等方面的问题，旨在探索和开发新型纳米材料和纳米器件，为信息、能源、环境、医药等领域的发展提供支持。
纳米科学与工程的研究生教育学科专业主要包括以下几个方面的内容：1. 纳米材料制备与表征：学习纳米材料的制备方法，了解纳米材料的形貌、结构和性能，掌握各种表征手段。
2. 纳米电子学与纳米光子学：研究纳米尺度上的电子和光子行为，学习纳米电子器件和纳米光子器件的设计、制备和应用。
3. 纳米生物医学技术：了解纳米尺度上生物系统的基本规律，学习纳米生物器件的设计和应用，探索纳米技术在生物医学领域的应用前景。
4. 纳米能源与环境技术：研究纳米尺度上的能源转换和环境治理技术，学习纳米燃料电池、太阳能电池和环境净化设备的原理和应用。
5. 纳米结构与力学：学习纳米尺度的力学、热学和光学等基本理论，了解纳米结构的稳定性和力学行为。
6. 纳米信息存储与处理：研究纳米尺度的信息存储和处理技术，学习纳米磁记录和量子计算的基本原理和应用。
学位基本要求包括：1. 掌握纳米科学与工程学科的基本理论和研究方法，具备独立开展研究的能力。
2. 至少掌握一门外语，能熟练阅读本专业的外文资料，具有一定的国际交流能力。
3. 了解本学科领域的最新研究成果和学术动态，能够独立设计并实施科学实验，分析和解释实验数据，撰写学术论文和报告。
4. 具备良好的科学道德和学术诚信，遵守学术规范，具备创新意识和团队协作精神。
5. 完成一定的课程学习和科研项目，取得相应的学分和研究成果，通过学位论文答辩。
总之，纳米科学与工程专业的研究生教育旨在培养具有创新思维和实践能力的高素质人才，为推动我国纳米科技事业的发展做出贡献。
第五章 纳米电子学
2.电子器件、电路、系统设计
纳米结构 量子阱 量子线
物理效应 共振隧穿效应 高迁移率一维电子气
应用 谐振晶体管、电路和系统 超高速逻辑开关、电路和系统
量子点 量子点接触
可集蓄电子原理
极大容量存贮器
库仑阻塞效应、单电子 单电子晶体管、电路和系统(包 振荡和单电子隧穿效应 含单电子开关和单电子存贮器)
扫描探针显微镜（SPM）技术、分子自组装合成技术以及 特种超微细加工技术
3.4.1 三束光刻加工技术
1、光学光刻技术
光学光刻是IC产业半导体加工的主流技术。通过光 学系统以投影方法将掩模上的大规模集成电路器件结 构图形“刻”在涂有光刻胶硅片上的技术。
减小光源的波长是提高光刻分辨率的最有效途径。 光刻蚀使用240nm的深紫外光波，能否突破100nm成 为现有光学光刻技术所面临的最为严峻的挑战。
1、RT>RK; 2、e2/2C>> KBT。
➢ 1、RT>RK的物理意义：当一个隧道结两端施以偏压U
时，电子的隧穿几率Γ＝U/(eR)，那么两次隧穿事件的时间 间隔为1/Γ=eR/U，而由测不准原则所决定的一次隧穿事件的 周期为h/(eU)。因此，必须满足eR/U＞＞h/eU，即R ＞＞h/e2。 这意味着两次隧穿事件不重叠发生，从而保证电子是一个一 个地隧穿。
光刻技术——X射线刻蚀、电子束刻蚀、软X射线刻蚀、
聚焦离子束刻蚀等
微细加工——扫描探针显微镜(SPM)作为工具的超微细
加工技术
第二节 纳米电子器件的分类
2.1纳米器件与纳米电子器件
2、纳米电子器件
➢纳米电子器件满足两个条件——
1、器件的工作原理基于量子效应； 2、都具有相类似的典型的器件结构——隧穿势垒包围“岛” （或势阱）的结构。
纳米技术在电子器件中的应用前景
纳米技术在电子器件中的应用前景随着科技的快速发展，纳米技术在电子器件中的应用前景显得越来越广阔。
纳米技术是一种通过控制和重组物质的原子级或分子级结构，使其具备特殊性质和功能的技术。
在电子器件领域，纳米技术的应用可以带来很多优势和创新，下面我将从纳米材料、纳米传感器和纳米器件三个方面来阐述纳米技术在电子器件中的应用前景。
首先，纳米材料是纳米技术的重要基础，也是纳米技术在电子器件中应用的核心之一。
纳米材料具有较大的比表面积、丰富的表面能级和较高的化学活性。
这些特性使得纳米材料在电子器件的制备中具备诸多优势。
例如，纳米材料可以用作电子器件中的纳米结构，通过调控粒子的尺寸和形状，可以改变材料的电学、光学和磁学性质，从而实现器件功能的优化和增强。
此外，纳米材料还可以用作传统材料的增强剂，可以提高材料的导电性、导热性和机械性能，从而提高整个电子器件的性能和可靠性。
其次，纳米传感器是纳米技术在电子器件中的另一个重要应用方向。
传统的传感器通常基于宏观物理效应来实现信号的检测和转换，而纳米传感器则可以通过纳米材料的特殊性质实现对微小信号的高灵敏检测。
例如，纳米材料的表面等离子共振效应可以实现对光信号的高灵敏检测，纳米材料的磁性和电荷传输特性可以实现对磁场和电场信号的高灵敏检测。
这些纳米传感器可以广泛应用于电子器件中的环境监测、生物医学和安防领域，为人们的生活和工作带来更多便利和安全。
最后，纳米器件是纳米技术在电子器件中的重要应用形式之一。
相较于传统的宏观器件，纳米器件具有更小的体积、更快的响应速度和更低的功耗。
这些优势使得纳米器件在电子器件的尺寸缩小和功能增强方面具备巨大的潜力。
例如，纳米晶体管是一种在纳米尺度下工作的半导体器件，具有优异的电学性能和可扩展性，可以用于制备高性能的集成电路和存储器件。
此外，纳米阵列是一种将纳米材料组装成阵列结构的器件，可以实现光电转换、能量存储和传感器件等多种功能，具备广泛的应用前景。
纳米技术的前景——纳米电子学的发展
纳米技术的前景——纳米电子学的发展纳米技术已经成为了当今科技领域中最热门的话题之一。
纳米科技的应用领域包括材料科学、医学、环境保护、信息技术等领域，其中纳米电子学更是备受关注。
这篇文章将会探讨纳米电子学的发展，以及如何利用新技术来改变我们的世界。
1. 纳米电子学的概述纳米电子学是指应用纳米尺度的物理和工程学原理来设计、制造和操作电子器件和系统的学科。
纳米电子学是基于纳米技术的电子学，集成了量子物理和材料科学的知识。
纳米电子学的发展对于人类社会的发展有着重要的影响。
电子技术已经成为了现代工业的支柱，而纳米电子学的发展将会使得这一领域进一步发展壮大，从而将为人们提供更多的生活便利以及社会进步的支持。
2. 半导体纳米材料纳米电子学的核心是纳米半导体材料。
纳米半导体材料不仅具有普通半导体材料的特点，如导电性和自发发光，而且具有其他独特特点。
例如，纳米半导体材料比普通半导体材料更透明，表面更粗糙，制造起来更方便。
这些特点使得纳米半导体材料为纳米电子学的应用提供了更大的灵活性和选择性。
随着纳米技术的不断发展，人们已经研制出了各种各样的半导体纳米材料，例如纳米晶体、纳米线、纳米棒等，这些纳米材料具有结构简单、尺寸小、扩散和输运方便、量子效应显著等优点。
这些半导体纳米材料的发展使得纳米电子学在半导体产业的领域中有了更大的应用前景。
3. 单电子器件单电子器件是纳米电子学中的一个重要研究方向。
单电子器件就是利用分子级别的电子的量子效应制造的电子器件。
与传统的电子器件相比，单电子器件不仅具有体积小、功耗低、速度快等优点，而且具有极高的灵敏度、高的信噪比和极低的噪声等特点。
由于单电子器件的优异性能，其应用领域非常广泛，包括高速和高灵敏度传感器、超级计算机、单光子检测器、通信系统等等。
这些应用领域的需求将会催生出更多的研究，推动纳米电子学前景的发展。
4. 纳米电子学的未来纳米电子学在未来将会开启新的科技领域。
纳米电子学的研究正在朝着更小、更快、更节能、更可靠和更智能的方向发展。
电科专业纳米电子学基础第一章
光年
以上
实际范围 河外星系
适用理论 尚无
宇观 宏观 微观
渺观
1021米=105 光年 102米
10-17米= 10-15厘米
10-36米= 10-34厘米
从3亿公里到 3×1014光年
从3 ×10-6厘米 到3亿公里
从3 ×10-25厘 米到3 ×10-6厘 米
3 ×10-25厘米 以下
从太阳系 到银河系 从大分子 到太阳系 从基本粒子 到大分子
§1.3 材料
纳米结构材料的基本特性
II. 小尺寸效应
特殊的力学性质
Å 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷
材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是 相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧 性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。美国学者报道氟化 钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明，人的牙齿之所 以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒 的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍。至于金属一陶瓷等复合纳米材料 则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分宽广。
纳米电子学基础
主讲人：杨红官
课程内容：
第一章 绪 论 第二章 纳电子学的物理基础 第三章 共振隧穿器件 第四章 单电子晶体管 第五章 量子点器件 第六章 碳纳米管器件 第七章 分子电子器件 第八章 纳米级集成系统原理 第九章 纳电子学发展中的问题
参考资料：
1. 纳电子学导论，蒋建飞 编著，科学出版社。 2. 纳米电子学，杜磊 庄奕琪 编著，电子工业出版社。 3. 纳电子器件及其应用，蔡理 编著，电子工业出版社。 4. 纳电子学与纳米系统，陈贵灿 等译，西安交通大学 出版社。
纳米技术在电子学与材料科学上的应用
纳米技术在电子学与材料科学上的应用随着科学技术的不断进步，纳米技术作为目前最前沿的科技之一，在电子学与材料科学等领域也得到了广泛的应用。
在这篇文章中，我们将深入探讨纳米技术在电子学与材料科学上的应用。
一、纳米技术在电子学上的应用1. 纳米电子器件纳米电子器件是当前纳米科技应用于电子学领域最为重要的一项技术。
纳米电子器件的小尺寸、高速度和高灵敏度等特点，使得它们可以被应用于存储器、集成电路和光电器件等领域。
例如，随着纳米技术的发展，纳米存储器件已经成为目前研究的热点之一。
利用纳米技术制备的存储器件，可以大大提高存储密度和读写速度，同时还可以降低功耗和产品成本。
在未来，纳米存储器件有望成为一种新的存储介质，应用于移动设备和高性能计算机等领域。
2. 纳米传感器纳米传感器是一种高灵敏度、高分辨率的传感器。
由于其尺寸非常小，所以它可以在微观和宏观尺度上检测到许多物理和化学参数。
当前，纳米传感器已经被广泛应用于生物、环境等领域。
例如，在医学领域，利用纳米传感器可以实现对血糖、血压、体温等生理参数的实时监测。
同时，还可以用于探测某些疾病的早期诊断。
3. 纳米材料纳米材料是一种具有特殊性质的材料。
它的尺寸通常在50nm以下，具有高比表面积、量子效应和独特的光学、电学、热学性质。
这些特殊性质使得纳米材料在电子学领域具有广泛的应用前景。
例如，在太阳能电池领域，纳米材料可以被用于制造高效的太阳能电池。
利用纳米颗粒的量子效应，可以提高太阳能的吸收率和转换效率。
同时，纳米材料还可以被用于提高电池的电化学效率，从而降低能量消耗和产品成本。
二、纳米技术在材料科学上的应用1. 纳米材料的制备纳米技术可以被用于制备纳米材料。
其制备工艺多种多样，包括物理、化学、生物等方法。
通过调整制备工艺和材料组成，可以制备出具有特殊性能的纳米材料。
例如，在材料科学领域，纳米二氧化钛已经成为一种应用广泛的纳米材料。
通过控制纳米二氧化钛的制备工艺，可以调整其光学、电学、热学等性质，从而应用于制造太阳能电池、气敏传感器、催化剂等领域。
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纳米电子学与纳米电子器件引言电子器件是20世纪的伟大发明之一。
它的诞生给人类社会带来了巨大的影响。
电子器件的发展过程大致可分为三个阶段：即真空电子管、固体晶体管和正在悄然兴起的单电子管。
1947年，固体晶体管的发明标志着固体电子学的开始，真空电子学的终结。
半个多世纪以来，以集成电路为主要标志的微电子技术和后来的超晶格及其低维量子结构的研究使得电子科学技术发展到了一个前所未有的高度，而且这种发展趋势愈演愈烈。
进入21世纪，以纳米量子器件为主攻方向的纳米电子学崭新时代已经来临！1纳米电子学及其发展路线1.1纳米电子学基本概念作为微电子学的下一代，纳米电子学是指在1nm-100 nm的纳米结构(量子点)内探测、识别与控制单个量子或量子波的运动规律，研究单个原子、分子人工组装和自组装技术，研究在量子点内单个量子或量子波所表现出来的特征和功能，用于信息的产生、传递和交换的器件，电路与系统及其在信息科学技术、纳米生物学、纳米测量学、纳米显微学、纳米机械学等应用的学科，也称为量子功能电子学。
它的最大特点是把半导体电子学、超导电子学、原子电子学、分子电子学等融为一体，而且高温铜氧化物超导体有可能和半导体硅、化合物半导体、生物膜等一样成为重要的纳米量子材料。
纳米电子学可分为两大类，一为单量子电子学，重点着眼于器件载流子的量子力学行为中的粒子性；二为量子波电子学，重点着眼于器件载流子的量子力学行为中的波动性。
按照Moore定律，以硅材料为主的微电子技术到2011年最小尺寸为0.08微米，达到了微电子器件的物理极限，此后将是纳电子学时代。
当进入纳电子时代后，在微电子学中适合的Moore定律将不再适应纳电子学。
在纳米系统中失去了宏观体系的统计平均性，其量子效应和统计涨落为主要特征。
纳米电子学就是讨论这些特性的规律和利用其规律制成功能器件的学科。
1.2纳米电子学发展路线一般认为纳米电子的由来与发展有两条路径：一条是以Si和GaAs为主的无机材料的固态电子器件尺寸和维度不断变小的自上而下的发展路径；另一条则是基于化学有机高分子和生物学材料自组装功能器件尺度逐渐变大的自下而上的发展过程，两者的交叠构成21世纪初期新型电子和光电子器件。
1.2.1自上而下的发展路线纳米科技的提出和发展有着其社会发展强烈需求的背景。
首先，来自微电子产业。
1965年，英特尔公司的创始人Moore科学而及时地总结了晶体管集成电路的发展规律，提出了著名的“摩尔定律”，即芯片上晶体管数量每18个月将会增加1倍。
过去20多年的实践证明了它的正确性，MOS集成电路一直严格遵循这一定律，从最初每个芯片上仅有64个晶体管的小规模集成电路，发展到今天能集成上亿个器件的甚大规模集成电路。
预计到2014年，器件特征尺寸为35 nm的集成电路将投入批量生产，此后将进入以纳米CMOS晶体管为主的纳米电子学时代。
由此可见，对于微电子器件的集成度要求越来越高、器件加工工艺尺寸要求越来越小，也就是说要求微电子器件特征尺寸缩小对于纳米电子学的兴起和发展起了至关重要的作用。
正是这种要求器件尺寸日渐小型化的发展趋势，促使人们所研究的对象由宏观体系进入到纳米体系。
从而产生了纳米电子学。
其次，纳米电子学另一个自上而下兴起的发展历程的主要影响因素，是以超晶格、量子阱、量子点、原子团簇为代表的低维材料。
该类材料表现出明显的量子特性，特别是以这类材料中的量子效应为基础，发展了一系列新型光电子、光子等信息功能材料，以及相关的量子器件。
1.2.2自下而上的发展路线纳米结构的自组装体系是指通过微弱的和较小方向性的非共价键，如氢键、范德瓦耳斯键弱的离子键协同作用把原子、离子或分子连接在一起构建成一个纳米结构或纳米结构的花样。
自组装过程的关键不是大量原子、离子、分子之间弱作用的简单叠加，而是一种整体的、复杂的协同作用。
原子和分子是组成物质的最小结构单元，许多有机物质都具有超分子结构和多极性结构特征，而这些特征都与被称为“分子自组装”的概念有关。
研究证实，要完成一个确定的分子自组装过，首先要建造基本模块。
通常是在溶剂中及合适的溶液条件下，由原子或分子形成确定组分的原子团、超分子、分子集合体、纳米粒子以及其他尺度的粒子基元，而这一过程需要系统中存在不同层次的相互作用，由这些相互作用的差异、协同、分子识别以及热力学驱动完成整个自组装过程。
分子自组装的最主要应用则是利用该技术制作具有特定功能的纳米量子器件，这无疑是一条纳米电子学的自下而上的发展路径。
发展纳米电子学的另外一条重要途径就是由无机材料构成的纳米微粒、纳米薄膜和纳米固体的研究。
1986年，德国的著名材料物理学家格莱特教授率先采用物理方法制备了由纳米晶粒和晶粒间界两种组元形成的纳米固体材料，在世界范围内引起了轰动。
其后，人们纷纷采用各种工艺，如分子束外延法、激光烧蚀沉积法、磁控溅射法、等离子体化学气相沉积法、凝胶--溶胶法和高能离子注入等沉积生长了各类薄膜材料，并制作了一系列低维量子器件。
2纳米电子学基本原理纳米电子学是纳米技术的重要组成部分，其主要理论思想是基于纳米粒子的量子效应来设计并制备出纳米器件，即正是由于各种量子化效应的出现，才导致了具有不同量子功能纳米量子器件的诞生。
在不同的纳米结构与器件中，其量子化效应的物理体现也是多种多样的。
如“短沟道量子化效应”、“库仑阻塞效应”、“量子尺寸效应”、“自旋极化电子输运”、“电导呈量子化效应”等。
其中“量子尺寸效应”是设计量子点光电子器件的重要物理基础。
它所表现的物理现象是：当半导体材料由体相转变为纳米结构后，会导致其带隙的加宽和量子化能级的出现，从而由于晶体中平移对称性的丧失使得动量守恒定律要求的禁戒跃迁放松约束，其结果是无声子参与的直接跃迁几率大大增加，因而有效地改善了其发光特性。
此外，量子尺寸效应还体现在：低维纳米体系具有较大的激子束缚能和锐化的态密度，这对量子点激光器的设计十分有利。
“库仑阻塞效应”是指如果一个量子点与它周围外界之间的电容为10-16~10-18量级时，则进入该量子点的单个电子引起系统静电能的增加等于e2/2C，此时就会出现一个有趣的现象：一旦有一个电子隧穿进入量子点，它所引起的静电能增加足以阻止随后第二个电子再进入到同一量子点。
因为这样的过程要导致系统总能量的增加，这就是人们早已熟知的库仑阻塞现象。
目前人们研究的单电子器件，就是基于这种物理效应而设计的。
有关其他量子化效应的理论及器件中的物理体现，在此不一一叙述，有兴趣者可以参考纳米电子学理论书。
3纳米器件纳电子学在传统的固态电子学基础上，借助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器件和系统。
纳电子器件的发展必然要以材料(无机/有机复合材料)、工艺(分子尺度上的自组装和裁剪技术)、理论(纳器件的量子统计理论)为其基础。
纳电子学的发展将基于纳米尺寸显著的物理特性。
目前人们认识到，纳米材料的特性除材料本身固有的特性外，还与维数和尺寸有密切关系。
材料中自由电子具有粒子性和波动性，即一定能量的电子，在传输中表现出波的形式，成为德布洛意波。
对于半导体中接近导带底的电子，通常能量小于100 MeV，电子波长为100 nm量级。
这正是纳米功能器件的物理长度。
在纳米物理长度内，出现了一些量子效应，主要有量子相干效应、A-B效应，即弹性散射不破环电子相干性、量子霍尔效应、普适电导涨落特性、库仑阻塞效应以及海森堡不确定效应等。
这些效应是纳米电子器件运行的基础，是纳米电子学研究的主要内容。
在纳米体系中失去了宏观体系的统计平均性，以量子效应和统计涨落为主要特征。
纳米电子学就是讨论这些特性的规律和利用其规律制成功能器件的学科。
现在研究较多的纳米结构有二维电子气、一维量子线和零维量子点。
利用这些结构和特性研制纳电子器件，目前主要有[4][10]：(1)电子共振隧穿器件(2)量子点单电子器件(3)量子点阵耦合器件(4)逻辑/存储器件(5)超高密度信息存储等。
特别是单电子器件，它的简单工作原理是控制在小的隧道结构体系中单电子的隧穿过程，并利用它设计各种功能器件。
研究单电子器件的驱动力主要来自两方面：一是对纳米结构中的单电子现象进行深入研究，可以揭示低维量子系统中具有的许多新颖物理性质，这对蓬勃发展的凝聚态物理学具有重要意义；二是单电子器件及其集成电路在未来的海量信息存储、快速逻辑运算、复杂数据处理以及量子计算中都具有广阔的应用前景。
目前，已公开的器件有单电子量子开关件、量子能级存储器、标准DC电流源、小超灵敏静电计、红外辐射接收器和几种数字电路等。
其中世界上第一个单电子晶体管是2000年5月由日本科学家成功研制出的。
单电子器件和电路由于超高灵敏度、超微功耗和极限密度集成使其在纳电子领域中具有独特的地位。
4纳电子学的现实意义纳米电子学的最终目标是将微电子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工作的各种器件。
目前，利用纳米电子学已经成功研制出各种纳米器件。
如单电子晶体管，红、绿、蓝三基色可调谐的纳米发光二极管以及利用纳米丝、巨磁阻效应制成的超微磁场探测器。
碳纳米管的研制成功，为纳米电子学的发展起到了重要的作用。
碳纳米管是由石墨碳原子层卷曲而成，径向尺层控制在几纳米以下。
电子在碳纳米管运动时，径向上受到限制，表现出典型的量子限制效应，而在轴向上则不受任何限制。
清华大学的范守善教授利用碳纳米管为模子来制备一维半导体量子材料，将气相反应限制在纳米管内进行，从而生长出半导体纳米线。
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，在微电子和光电领域将获得广泛应用。
此外，若能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，再结合微电子机械系统（MEMS）方法，它将为研制智能微电脑带来希望。
纳米技术是一个多层次、多学科的和综合性的研究范畴。
纳米电子学追求的目标是突破微电子的各种极限限制，研制出单个原子或单个分子的器件，而且能在室温环境中工作。
利用量子隧道效应，制成量子功能器件，从而实现超高速、超容量、超微型、超低功耗的廉价产品。
纳米电子学使微电子与光电子紧密结合，如果将纳米计算机用于雷达，它可以把信息处理能力提高10倍甚至几百倍，从而可以获得超高分辨率。
纳米电子学的进展可以用来提高激光器、光探测器和传感器的性能。
纳米电子学与纳米生物学相结合可研制生物分子器件。
科学家们发现，一种蛋白质分子是制作生物芯片的理想材料，正在研制的生物分子器件有：开关器件、逻辑电路、存储器和传感器、集成电路等。
利用分子器件可以制成模仿人的视觉、味觉、触觉、听觉、嗅觉的各种传感器。
纳米电子技术可以显著地提高光电能转换效率，为廉价利用太阳能开辟了一条“高速路”，将为解决下个世纪的能源危机和环境污染找到一种有效途径。