纳米电子学导论

电子设备及其中的组件逐年变小。这是由消费者对具有相同功能和性能的更小设备的需求推动的，如果不是更好的话，比先前存在的“更笨重”的技术。在这里，我们将更详细地探讨纳米电子学如何不仅缩小电子设备的尺寸，而且提供相同或增强的性能。

纳米电子学导论

传统材料在达到无法再变小的地步之前只能走这么远。这就是纳米技术的用武之地，并使纳米电子学领域得以出现——这是使用纳米材料制造的电子元件，其尺寸仅为传统“大块”材料制成的元件的一小部分。纳米电子设备的一个例子是基于石墨烯的电池。这是一种使用纳米材料的大容量设备，但与锂离子 (Li-ion) 电池相比，它可以拥有高达 5-6 倍的能量密度，并且仍然小于锂离子电池。另一个例子——纯粹关注纳米尺寸的电子元件——是由碳纳米管制成的晶体管。

使用纳米材料——即尺寸在 1 到 100 纳米之间的材料——具有许多优势。纳米材料不仅本身很小（通常很薄），有助于缩小设备组件的尺寸（有助于减小设备本身的尺寸），而且它们通常非常高效。由于尺寸小，它们具有非常高的相对表面积，这在许多情况下非常活跃——活性表面的最好例子是石墨烯。石墨烯的表面与其周围环境的相互作用非常强烈，无论是通过表面之间的电子传导，还是通过传感机制中与环境刺激/分子的相互作用，等等。

大多数纳米电子设备都是使用二维材料或半导体开发的，这些都是非常活跃的材料。由于这些特性，纳米材料可以提供与传统组件中使用的散装材料一样高（如果不是更高的话）的电效率，但额外的好处是体积小得多。对于导电或半导电纳米材料尤其如此，它们通常具有电导率和电荷载流子迁移率——在半导体的情况下更有效的结——比块状材料高得多。此外，许多纳米材料天生就对高温、高压和化学品稳定，根据所讨论的组件，这些通常是必需的——当设备变热时，热稳定性非常重要。

但不仅仅是导电纳米材料是有效的。虽然导电纳米材料最受关注，但也有许多电绝缘纳米材料对于保护纳米电子设备的某些区域同样重要。事实上，在某些情况下，由将导电纳米材料层夹在两个绝缘纳米材料层之间组成的异质结构效果更好，因为可以更好地引导导电性以及随后的电流（这会导致较低的电能损失）。纳米材料的其他特性包括它们实现和利用量子现象的能力，这可以导致更有效的电子电流，因为当电子在量子限制区域之间移动时几乎没有或没有电阻。这些现象也是有望成为下一代技术（即量子技术）的基石。因此，可以使用的材料范围很广，具有不同的特性。

除了性能优势外，纳米材料的制造方式还有助于开发更小的组件。大多数非纳米材料组件必须使用自上而下的方法制造，即将较大的材料分解成较小的结构。但是，如果要保持结构的准确性，你可以做到多小是有限制的，尤其是当它是一个复杂的架构时。纳米材料也可以通过这种方式制造，但是如果你想要结构准确、纯净且非常小的纳米材料，那么可以使用自下而上的方法制造它们，这是一个原子一个原子地制造纳米材料的过程。这是一种更加可控的方法，可以减小组件的尺寸，而活性纳米材料是纯净的，并且在结构上设计以适合其特定应用。

纳米电子学范围

那么，什么属于纳米电子学的范围呢？除了是电子学的较小版本之外，它还涵盖从纳米级组件到量子技术、自旋电子学和分子电子学（即单分子电子学）的所有内容。就纳米电子学领域内存在的实际单个组件而言，有很多，因为纳米电子学涵盖了从能量存储和能量生成系统到晶体管、柔性和可印刷电路、开关、光电探测器、传感器、显示器、存储器等一切事物存储系统、纳米级无线电发射器和量子设备——以及介于两者之间的更多组件，这些只是最引人注目的组件。

所有这些设备均由不同的纳米材料组成，并且根据所需的效率、制造难易程度和成本，可以使用截然不同的纳米材料制造相同的组件。可以肯定地说，纳米电子学利用了大多数纳米材料形式，从二维材料和其他薄膜层到纳米管、富勒烯、纳米线、纳米粒子和量子点。

结论

纳米电子学领域近年来一直在缓慢发展，是对电子产品越来越小但仍保持高性能的日益增长的需求的答案。基于纳米材料的组件可以比传统的大体积材料制成的组件小得多，这有助于减小电子设备的整体尺寸。此外，许多纳米材料在大多数环境中都是稳定的，无论是在恶劣的化学处理环境中的传感器中，还是在向内部组件释放大量余热的电子设备中。虽然纳米电子学有很多领域，但一些更广泛研究的系统包括受纳米材料启发的能量存储和能量生成系统、各种类型的纳米尺寸和分子晶体管、光电器件、和柔性/可印刷电路——纳米材料通常被配制成墨水并印刷。如果能够在商业层面实现，未来的应用很可能包括各种量子技术，我们很可能会看到用于经典计算系统和日常技术的更小组件的生产有所增加。

利亚姆·克里奇利 ( Liam Critchley ) 是一位作家、记者和传播者，专门研究化学和纳米技术，以及分子水平的基本原理如何应用于许多不同的应用领域。利亚姆最出名的可能是他的信息丰富的方法以及向科学家和非科学家解释复杂的科学主题。Liam 在与化学和纳米技术交叉的各个科学领域和行业发表了 350 多篇文章。

Liam 是欧洲纳米技术工业协会 (NIA) 的高级科学传播官，过去几年一直在为全球的公司、协会和媒体网站撰稿。在成为一名作家之前，利亚姆完成了化学与纳米技术和化学工程的硕士学位。

除了写作之外，利亚姆还是美国国家石墨烯协会 (NGA)、全球组织纳米技术世界网络 (NWN) 的顾问委员会成员，以及英国科学慈善机构 GlamSci 的董事会成员。Liam 还是英国纳米医学学会 (BSNM) 和国际先进材料协会 (IAAM) 的成员，以及多个学术期刊的同行评审员。

审核编辑黄宇