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纳米电子学的几个问题，个人见解！
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这是就是我现在10年之内的主攻方向,前面有lieber CM在摇旗呐喊,science,nature一篇一
篇的出,看起来似乎花团锦簇,前景大好.可惜事实上,也有很多瓶颈问题制约这个方向的发
展.与我很投机的一位professor跟我说,他遇到lieber,大家聊聊的时候,lieber一上来就说
他是做fundamental research,连他都这么说,后来者可想而知了.
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。
不过我在这里要讲的就是,我的研究包括我的概念,纳米电子学的维度5-200 nm的范围内.
而更小的,应该叫做分子电子学的范畴.
很明显,随着INTEL等大公司不断推进技术的发展,Si的微加工技术其实已经超过我们实验室
里面纳米线电子学的现有技术.所以我个人认为,在5纳米尺度以上想要用其他材料来代替S
i做晶体场效应管是不现实,所有基于晶体场效应管的研究,基本都是无用功.个人认为在纳
米电子学里面,最有前景的就是LED,传感器等功能器件的高度集成化,利用一些复杂的化合
物半导体的高效发光以及复杂的表面态,在一个chip上面集成复杂功能,尤其是生物化学功
能,这个现有Si材料的弱势.
但是纳米线也遇到很多问题,这里就简单的说一下,一个生长的不可控,同一个样品,每一根
纳米线做出来的器件性能都有所差别.第二就是定位性差,所谓的自组装还不能满足纳米电
子学的需要.纳米材料内部的缺陷控制,也是一个非常难以克服的问题.等等问题加在一起,
我想10年还看不到纳米线电子学应用的曙光.
https://blog.sciencenet.cn/blog-41999-23282.html
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篇的出,看起来似乎花团锦簇,前景大好.可惜事实上,也有很多瓶颈问题制约这个方向的发
展.与我很投机的一位professor跟我说,他遇到lieber,大家聊聊的时候,lieber一上来就说
他是做fundamental research,连他都这么说,后来者可想而知了.
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。
不过我在这里要讲的就是,我的研究包括我的概念,纳米电子学的维度5-200 nm的范围内.
而更小的,应该叫做分子电子学的范畴.
很明显,随着INTEL等大公司不断推进技术的发展,Si的微加工技术其实已经超过我们实验室
里面纳米线电子学的现有技术.所以我个人认为,在5纳米尺度以上想要用其他材料来代替S
i做晶体场效应管是不现实,所有基于晶体场效应管的研究,基本都是无用功.个人认为在纳
米电子学里面,最有前景的就是LED,传感器等功能器件的高度集成化,利用一些复杂的化合
物半导体的高效发光以及复杂的表面态,在一个chip上面集成复杂功能,尤其是生物化学功
能,这个现有Si材料的弱势.
但是纳米线也遇到很多问题,这里就简单的说一下,一个生长的不可控,同一个样品,每一根
纳米线做出来的器件性能都有所差别.第二就是定位性差,所谓的自组装还不能满足纳米电
子学的需要.纳米材料内部的缺陷控制,也是一个非常难以克服的问题.等等问题加在一起,
我想10年还看不到纳米线电子学应用的曙光.
https://blog.sciencenet.cn/blog-41999-23282.html
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