纳米电子学及其应用技术详解
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。
纳米技术的应用及原理
纳米技术的应用及原理简介纳米技术是研究和应用物质在纳米尺度范围内的特性和现象的一门跨学科领域。
它利用纳米尺度的材料和结构的特殊性质，在材料、医疗、电子、能源等领域中具有广泛的应用前景。
本文将介绍纳米技术的应用领域和原理，并列举一些典型的纳米技术应用案例。
纳米技术的应用纳米技术的应用非常广泛，包括材料学、医学、电子学、能源学等多个领域。
以下是一些典型的纳米技术应用：1.材料学–纳米涂料：纳米材料在涂料中的应用可以提供更好的耐磨性、耐腐蚀性和防腐蚀性。
–纳米复合材料：纳米材料与其他材料的结合可以产生更高的强度和硬度，并改善材料的导电性和热导性。
–纳米传感器：纳米材料的特殊性质可以用于制作高灵敏度的传感器，用于检测环境中的污染物和生物标记物。
2.医学–纳米药物输送系统：纳米技术可以将药物封装在纳米颗粒中，提高药物的稳定性和溶解度，并增加药物在靶组织中的积累量。
–纳米生物传感器：纳米材料可以用于制作灵敏的生物传感器，用于检测血糖、胆固醇等生物指标。
–纳米生物标记物：纳米颗粒可以被用作生物标记物，用于肿瘤的早期诊断和治疗。
3.电子学–纳米电子元件：纳米材料可以用于制作更小、更快的电子元件，提高电子设备的性能和功耗。
–纳米电池：纳米材料可以用于制作高容量、高效率的锂离子电池，提高电池的续航时间和充电速度。
–纳米传感器：纳米材料的特殊性质可以用于制作高灵敏度的传感器，用于检测温度、光线等环境参数。
4.能源学–纳米太阳能电池：纳米材料可以增加太阳能电池的光吸收能力，提高能量转换效率。
–纳米催化剂：纳米材料可以用作催化剂，提高化学反应的速度和效率，减少能源的消耗。
–纳米超级电容器：纳米材料可以用于制作高能量密度的超级电容器，提供快速、可靠的电能储存和释放。
纳米技术的原理纳米技术的核心原理是纳米尺度的材料和结构的特殊性质。
在纳米尺度下，物质具有以下特点：1.量子尺寸效应–纳米材料的尺寸在纳米量级，其电子结构和能带结构会发生变化。
纳米光电子学的研究和应用
纳米光电子学的研究和应用纳米光电子学是研究纳米尺度的光电子器件和系统的领域，它已成为现代科技中的一个重要组成部分。
这一领域的发展为人类的科技创新提供了新的思路和手段，有望在信息处理、太阳能、医疗和生物监测等领域发挥巨大的作用。
一、纳米光电子技术的基础纳米光电子技术是运用光子学、半导体技术、纳米加工和量子现象等新颖研究方法，制备小尺寸的纳米级光电子器件和系统。
其制造工艺主要使用了微电子加工工艺和原子层沉积技术，制备出的器件尺寸可达到纳米级别。
二、纳米光电子技术的优势纳米光电子技术因其具有较高的功率、速度、带宽和能量效率，广泛应用于数据存储、信号处理、光子计算和通信等方面。
随着人类对数据的需求不断增长，发展纳米光电子技术的势头也在不断加快。
三、纳米光电子学的应用1.数据存储研究人员已经通过设计和制造纳米结构，将数据存储的密度增加了数倍。
纳米光电子技术的高密度存储能力，使得磁盘、闪存等设备的存储量大幅提升，极大地方便了人们的生活。
2.太阳能纳米光电子技术在太阳能方面同样也表现出其独特的优势。
纳米级的材料可以使得光能被更好的吸收，提高了太阳能电池的光电转换效率。
同时，还可以更好的抵抗风化和光腐蚀，提高太阳能电池寿命，实现可持续发展。
3.医疗纳米光电子技术对医疗领域也有着不小的研究与应用。
以治疗癌症为例，纳米级的磁性材料可以在磁力场的作用下直接将治疗物质输送到病灶部位，减少了对健康组织的侵害。
同时，也可以用纳米光电子器件对病毒进行检测和跟踪等。
4.生物监测纳米光电子技术还在生物监测领域表现出了广阔前景。
利用特殊的纳米技术，制造出用于监测血压、心率、血糖等参数的微型传感器，这些传感器具有更精确、更连续的检测能力和监测范围。
同时，这些传感器的小型化也能够让其更容易被患者所接受。
四、总结纳米光电子技术通过制造小尺寸的纳米级光电子器件和系统，具有高密度存储、高效太阳能电池、癌症治疗、生物监测等领域的广泛应用。
因此，这一技术将在未来发挥着越来越重要的作用。
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第三代 中小规模集成电路计算机
1965年到1970年的第三代计 算机采用了集成电路，这段 时期计算机被称为“中小规 模集成电路计算机”。集成 电路是将由几千个晶体管元 件构成的完整电子电路做在 比手指甲还小的一个晶片上 。 所以，第三代计算机的体积 更加小型化，而且大大降低 了功耗；运算速度提高到每 秒几十万次到几百万次
器件功耗过大也是微电子学技术进一步发展的一个主 要限制。
当今的微电子器件（如场效应晶体管），由于本身的 功耗太大，已经很难适应更大规模集成的需要。特别是随 着芯片的集成度和时钟速度大幅度提高后，电子在电路中 流动的速度越来越快，功耗也会成倍增大，并最终导致芯 片不能正常工作。同时，功耗太大出现的芯片过热还会造 成芯片的使用寿命缩短，可靠性降低等问题。所以，能够 满足“更冷”要求的低能耗芯片技术的开发是芯片得以进 一步发展的当务之急。由 IBM公司发展的芯片 SOI技术可 以在一定程度上降低芯片的能耗。
来加工未来的集成电路，同样必须解决加工
速度的问题。
微电子学技术除了在光刻加工技 术上存在着急待突破的技术限制 以外，它还受到了器件内电子行 为的限制和器件功耗过大的限制。
首先以芯片微处理器为例来讨论电子行 为对微电子学技术限制。
芯片微处理器是通过逻辑“门”的开或 关来工作的，而“门”的开或关的状态，取 决于有无电流流过。目前，微处理器中的逻 辑门正常工作时需要数百上千个电子的电流， 而随着芯片集成度和时钟速度的进一步的提 高，所需的电子数还会进一步增加。但是， 芯片内线宽的减小却会导致单位时间内流过 逻辑门的电子数大幅度减少，当电子数减至 数十个数量级时，逻辑门在判断“开”或 “关”时就会处于不确定状态，无法正常工 作。
原子力显微镜的基本原理
STM只能在导电材料的样品表面上分辨出单 个的原子并得到原子结构的三维图像。对于非导 电材料，STM将无能为力。为了弥补STM的不足， 达到分辨不导电物体表面上的单个原子，1986 年 ， Binnig 等 发 明 了 原 子 力 显 微 镜 （ Atomic Force Microscopy, AFM) 。 AFM 是 一 种 类 似 于 STM的显微技术，它的许多元件与STM是共同的， 如用于三维扫描的压电陶瓷系统以及反馈控制器 等。
纳米技术及应用资料
纳米技术及应用资料纳米技术是一门研究和应用纳米尺度范围内的材料、器件和系统的科学与技术。
纳米尺度在1纳米到100纳米之间，纳米技术主要关注和操纵材料的纳米结构和性质，以实现对材料特性、性能和功能的精确控制和改进。
纳米技术的应用非常广泛，涵盖了各个领域。
以下是纳米技术的一些主要应用领域：1. 电子学和电子器件：纳米技术在电子学领域的应用极为重要，例如微电子器件、纳米电子结构等。
纳米技术可以提高电子器件的性能和功能，使得电子设备更小、更快速、更节能。
2. 材料科学：纳米技术可以用来制备和改进各种材料，包括金属、陶瓷、聚合物等。
纳米结构的材料具有特殊的物理、化学和生物性能，可以应用于传感器、催化剂、纳米粒子药物等领域。
3. 药物传递和医学诊断：纳米技术在药物传递和医学诊断领域有广泛的应用。
纳米粒子可以作为药物载体，通过调控纳米粒子的形状、大小、表面性质等，实现药物的快速、定向、可控释放，提高药物的疗效和减少副作用。
此外，纳米技术还可以用于制备和改进医学影像技术，如纳米探针、纳米共振探针等。
4. 能源和环境：纳米技术在能源和环境领域有着广泛的应用。
通过纳米技术可以制备高效的光电材料、催化剂等，用于太阳能电池、燃料电池、水处理等。
此外，纳米技术还可以应用于空气和水污染的治理，例如纳米材料的吸附和催化等作用可以有效地去除有害气体和污染物。
5. 纳米生物技术：纳米技术在生物领域的应用被称为纳米生物技术。
纳米生物技术可以用于生物传感、分子诊断、生物成像、基因治疗等。
通过纳米技术可以制备纳米生物传感器、纳米探针等，实现对生物分子和细胞的高灵敏、高选择性的检测和干预。
纳米技术的应用给人类带来了很多益处，但也存在一些挑战和问题需要解决。
例如，纳米材料对环境和生物体的安全性需要评估和监控；纳米器件的制备和集成技术仍然面临着一些技术难题；纳米尺度下的物理和化学现象仍然不完全理解等。
总之，纳米技术是一门前沿的科学和技术，其应用潜力巨大。
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。
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
正如微米科学和技术的核心是微电子学一样，纳米科学和技术的核心是 纳米电子学。
从人类传统概念自上而下的制造观而 言，纳米电子学是微电子学继续向微 小世界、更微小世界不断发展的自然 延伸； 而从著名物理学家费曼的自下而上的 单个组装观而言，它又是在全新概念 上用单个原子和单个分子构建量子结 构、量子器件、量子电路和量子系统 的新领域。
由 MOS管构成的集成电路称为MOS集成电路，而由pMOS管和 nMOS管共同构成的互补型MOS集成电路即为 CMOS-IC （ Complementary MOS Integrated Circuit）。
进入纳米尺度以后，我们把相应的器件和电路归入纳米电子学，但此 时的物理学基础是经典物理学和量子物理学并存的，器件的工作机制 是由一个或少数几个粒子的行为来描述的。在纳米尺度内，半经典器 件和半经典电路、量子器件和量子电路同时存在。
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1. 理论基础
二、纳米器件和电路
纳米电子学的物理学基础是经典物理学和量子物理学并存，半经典器 件和半经典电路、量子器件和量子电路同时存在。器件的工作机制由 一个或少数几个粒子的行为来描述。
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一、纳米电子学的基本内涵
纳米科技中具有主导或牵头作用的是纳米电子学，因为它是微电子学 发展的下一代。 纳米电子学来自电子工业，是纳米技术发展的一个主要动力。
1. 基本概念
纳米电子学是研究在特征长度为0.1-100nm的纳米结构内单个电子或电 子波表现出来的特征和功能，并利用这些性质制备用于信息的产生、 传递和交换的器件、电路和系统的学科。
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一、纳米电子学的基本内涵
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一、纳米电子学的基本内涵
纳米科技中具有主导或牵头作用的是纳米电子学，因为它是微电子学 发展的下一代。 纳米电子学来自电子工业，是纳米技术发展的一个主要动力。
3. 研究内容和意义
纳米电子学是纳米技术的重要组成部分，是纳米技术发展的主要动力。
它立足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 造电子系统。它将突破传统的极限，开发物质潜在的信息和结构潜力， 使单位体积物质的信息存储和处理能力提高百万倍以上，实现信息采 集与处理能力的革命性突破。
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二、纳米器件和电路
2. 纳米器件与电路的分类
① 纳米CMOS器件 由于性能、价格比的绝对优越地位，同时存在纳型化的潜力，从工业 化的角度来看，纳米硅CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) 器件和电路仍是21世纪初的主流器件和电路。
金属-氧化物-半导体（MetalOxide-Semiconductor）结构的 晶体管简称MOS晶体管，有p 型MOS管和n型MOS管之分。
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第十八章 纳米电子学
正如微米科学和技术的核心是微电子学一样，纳米科学和技术的核心是 纳米电子学。
迄今为止，作为电子器件只利用了电子波粒二象性的粒子性，其次，各 种传统电子元器件都是通过控制电子数量来实现信号处理的。随着集成 度的提高，功耗、速度成为严重的问题。现有的硅和砷化镓器件无论怎 样改进，其响应速度最高只能达到10-12秒，功耗最低只能降低到1W 。
纳米电子学在信息科学技术、纳米生物学、纳米测量学、纳米显微学 及纳米机械学等学科中有广泛的应用，也称为量子功能电子学。
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一、纳米电子学的基本内涵
纳米科技中具有主导或牵头作用的是纳米电子学，因为它是微电子学 发展的下一代。 纳米电子学来自电子工业，是纳米技术发展的一个主要动力。
2. 研究基础
物理学、化学、生物学和工程学的深入发展为纳米电子学的创建提供 了坚实的基础。
其研究内容包括：基于量子效应的纳米电子器件，纳米结构的光/电性 质，纳米电子材料的表征，原子操纵和原子组装，等等。
纳米电子学将成为21世纪信息时代的核心。
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第十八章 纳米电子学
一、纳米电子学的基本内涵 二、纳米器件和电路 三、纳米电子学的应用
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二、纳米器件和电路
1. 理论基础
结构尺度表征了电子器件有源区的大小，它与物理学和电子学发展的 量子阶跃密切相关。 微电子学对应于器件的宏观结构（微米尺度），器件的工作机制由大 量微观粒子构成的统计系综来描述，所需要的物理学基础是经典物理 学：把电子视为由牛顿方程描述的经典粒子（半导体器件中电子的漂 移和扩散方程），把光看作由麦克斯韦方程描述的经典波动。
如：单电子器件在本质上是一种量子隧穿行为，即电子波的隧道过程。 但是当我们利用这个概念求得量子隧道电导（或结电阻）以后，在相 当大的范围内，对单电子器件和电路的行为几乎可用以电容模型为基 础的半经典理论来描述。
半经典模型或理论在纳米电子学的研究中有着广泛而有效的应用。
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二、纳米器件和电路
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二、纳米器件和电路
利用电子的量子效应原理制作的器件称为量子器件或纳米器件，也叫单 电子晶体管。在量子器件中，只要控制一个电子的行为即可完成特定的 功能，即量子器件不单纯通过控制电子数目的多少，主要是通过控制电 子波动的相位来实现某种功能的。因此，量子器件具有更高的响应速度 和更低的功耗，从根本上解决日益严重的功耗问题。
➢ 探测、识别与控制单个量子（如单个电子、单个光子、单个磁通量 子、单个原子和单个分子等）、少数几个量子或量子波的运动规律；
➢ 研究在量子点（也称人造原子）、量子线和量子点阵内单个原子、 少数几个量子或量子波所表现的特征和功能；
➢ 研究原子、分子人工组装和自组装而成的器件； ➢ 研制信息的产生、传递、交换器件、电路和系统，并应用于信息科 学技术中。
由于器件尺度为纳米级，集成度大幅度提高，同时还由相信纳米电子学的发展， 必将在电子学领域中引起一次新的电子技术革命，从而把电子工业技术 推向一个更高的发展阶段。
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第十八章 纳米电子学
一、纳米电子学的基本内涵 二、纳米器件和电路 三、纳米电子学的应用
➢ 物理学：通过凝聚态物理中的金属、半导体、超导体和绝缘体不断 减小其维度而得二维、一维、零维介观结构 介观效应
➢ 化学：通过原子学、分子学、超分子结构学为纳米电子学提供基础
➢ 生物学：从自然系统到细胞、再到蛋白质的发展研究
➢ 工程学：通过不断创新、改进微米、纳米尺度加工技术中所用的精 密仪器、仪表、设备为纳电子学的发展提供测控和制造工具