2.4 纳米电子技术
2.4.1 传统电子器件面临的问题
随着器件的特征尺寸越来越小，不可避免地会遇到器件结构、关键工艺、集成技术以及材料等方面的一系列问题。
理论上，初期所形成的经典或半经典理论适合于描述微米量级的微电子器件，但对空间尺度为纳米量级、时间尺度为飞秒（10-15s）量级的系统芯片中的新器件则难以适用。
材料上，SiO2栅介质材料、多晶硅/硅化物栅电极等传统材料由于受到材料特性的制约，已无法满足纳米器件及电路的需求。
结构上，传统器件也已无法满足纳米器件的要求，必须发展新型的器件结构和微细加工、互连、集成等关键工艺技术。
从微电子技术到纳米电子器件将是电子器件发展的第二次变革，与从真空管到晶体管的第一次变革相比，它含有更深刻的理论意义和丰富的科技内容。在这次变革中，传统理论将不再适用，需要发展新的理论，并探索出相应的材料和技术。
2.4.2 奇妙的纳米尺寸效应
纳米效应就是指当物质达到纳米（10-9m）尺度以后，大约是在0.1～100nm这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性。如原本导电的铜达到某一纳米级界限就不导电；原来绝缘的二氧化硅晶体，在某一纳米级界限时开始导电。磁性材料也是如此，像铁钴合金，把它做成大约20～30nm大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍。这种既不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。
纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积（表面积/体积）大、表面能高、表面原子所占比例大等特点，以及其特有的三大效应，即表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。对于固体粉末或纤维，当其一维尺寸小于100nm时，即达到纳米尺寸；对于理想球状颗粒，当比表面积大于60m2/g时，其直径将小于100nm时，即达到纳米尺寸。
（1）表面效应
纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后引起的性质上的变化。球形颗粒的表面积与直径的二次方成正比，其体积与直径的三次方成正比，而其比表面积与直径成反比。随着颗粒直径变小，比表面积将会显著地增加，说明表面原子所占的原子数将会显著地增加。通常，对直径大于100nm的颗粒表面效应可忽略不计。当尺寸小于10nm时，其表面原子数急剧增长，甚至1g纳米颗粒的表面积的总和可高达100m2，这时的表面效应将不容忽略。若用高倍率电子显微镜对直径为2nm的金属纳米颗粒进行电视摄像，实时观察发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成各种形状（如立方八面体、十面体、二十面体多孪晶等，如图2-27所示），它既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾”状态，尺寸大于10nm后看不到这种颗粒结构的不稳定性，这时微颗粒具有稳定的结构状态。超微颗粒的表面具有很高的活性，利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和储气材料以及低熔点材料。这种表面效应已广泛应用于人工降雨。
图2-27 纳米材料的表面效应
（2）小尺寸效应
由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。当物质的体积减小时，将会出现两种情形：一种是物质本身的性质不发生变化，而只有那些与体积密切相关的性质发生变化，如半导体电子自由程度变小，磁体的磁区变小等；另一种是物质本身的性质也发生了变化，当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电磁、热力学等特性呈现新的小尺寸效应。对纳米颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生一系列新奇的性质。一是光学性质，金属纳米颗粒对光的反射率很低，通常低于1%，大约几微米的厚度就能完全消光。所以，所有的金属在纳米颗粒状态下都呈现黑色；二是热学性质，固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，纳米颗粒的熔点却会显著降低；三是磁学性质，小尺寸的纳米颗粒磁性与大块材料显著不同。大块的纯铁矫顽力约为80A/m，而直径小于20nm时，其矫顽力可以增加1000倍；当直径小于6nm时，其矫顽力反而降低为零，呈现出超顺磁性。
纳米材料的这种奇特的小尺寸效应为纳米材料的应用开拓了广阔的新领域。例如，随着纳米材料粒径的变小，其熔点不断降低，烧结温度也显著下降，从而为粉末冶金工业提供了新工艺；利用等离子共振频移随晶粒尺寸变化的性质，可通过改变晶粒尺寸来控制吸收边的位移，从而制造出具有一定频宽的微波吸收纳米材料。
（3）宏观量子隧道效应
微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量子，例如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统中的势垒并产生变化，称为宏观量子隧道效应。利用这个概念可以定性解释超细镍粉在低温下继续保持超顺磁性。Awachalsom等人采用扫描隧道显微镜技术控制磁性粒子的沉淀，通过研究低温条件下微粒磁化率对频率的依赖性，证实了低温下确实存在磁的宏观量子隧道效应。宏观量子隧道效应的研究对基础研究和实际应用都有重要的意义，它限定了磁带、磁盘进行信息存储的时间极限。宏观量子隧道效应与量子尺寸效应，是未来微电子器件的基础，或者说确立了现有微电子器件进一步微型化的极限。当微电子器件进一步细微化时，必须要考虑上述的量子效应。
2.4.3 纳米电子器件
纳米电子学是讨论纳米电子器件、电路、集成器件和信息加工的理论和技术的新学科。它代表了微电子学的发展趋势并将成为下一代电子科学与技术的基础。目前，人们利用纳米电子材料和纳米光刻技术，已研制出许多纳米电子器件，如电子共振隧穿器件、有机分子场效应晶体管、单电子碳纳米晶体管及碳纳米管制造的存储器等。
1.隧道结和量子隧穿
绝缘薄层隔离开的两块金属导体就构成了隧道结。隧道结的绝缘层很薄，电子可以通过量子力学隧穿在两个金属导体之间通过。因而它可以等效为一个隧道电阻RT和一个结电容C并联，当结面积很小时，结电容C很小。隧道结及其电路符号如图2-28所示。
图2-28 隧道结及其电路信号
a）结构图 b）电路符号
2.单电子晶体管（Single Electronic Transistor，SET）
单电子晶体管是一种双隧道结器件，隧道结之间是一个金属岛（也称库仑岛，由两个极薄的绝缘层夹一个小岛组成，尺寸小于10nm，纳米电子器件的这个岛被认为具有与FET沟道类似的作用），它通过隧道结和漏、源电极相连，通过一个栅电容和栅极相连。单电子晶体管的漏源电流受栅极偏压的控制，当加在栅极上的电压变化引起库仑岛中电荷变化量不到一个电子的电荷时，将没有电流通过；直到电压增大到能引起一个电子电荷的变化时，源漏之间有电流通过。单电子晶体管及其等效电路如图2-29所示。
图2-29 单电子晶体管及其等效电路
3.有机分子场效应晶体管
近几年来，作为新一代半导体晶体管的有机场效应晶体管，在制备技术和器件性能上都取得了很大的进步，并引起了有机半导体领域人员的广泛关注。该技术利用分子之间可自由组合的化学特性，晶体管电极之间的距离仅为1～2nm，是目前世界最小的晶体管，具有制造简单、造价低廉的优点。有机分子场效应晶体管如图2-30所示。
图2-30 有机分子场效应晶体管
4.碳纳米晶体管及器件
1991年，日本NEC公司的饭岛澄男等发现碳纳米管（Carbon Nanotube Transistor，CNT），立刻引起了许多科技领域的科学家们极大关注。
碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子组成的数层到数十层的同轴空心圆管构成，如图2-31所示。层与层之间保持固定的距离，约0.34nm，其中石墨层可以因卷曲方式不同而具有手性。碳纳米管的直径一般为几纳米至几十纳米，长度为几至几十微米。碳纳米管可以因直径或手性的不同而呈现很好的金属导电性或半导体性。碳纳米管具有极好的可弯折性、极好的可扭曲性、很高的强度和极高的韧性。碳纳米管的强度比钢高100多倍，是目前可制备出的具有最高比强度的材料，而比重却只有钢的1/6；同时碳纳米管还具有极高的韧性，十分柔软。它被认为是未来的“超级纤维”，是复合材料中极好的加强材料。
图2-31 碳纳米管
（1）单电子碳纳米晶体管
2001年7月6日出版的美国《科学》周刊报道，荷兰研究人员制造出首个能在室温下有效工作的单电子碳纳米管晶体管，其内部等效电路如图2-32所示。他们使用一个单独的碳纳米管为原材料，利用原子作用力显微镜的尖端在碳管里制造带扣状的锐利弯曲，这些带扣的作用如同屏障，它只允许单独的电子在一定电压下通过。用这种方法制造的纳米碳管单电子晶体管只有1nm宽、20nm长，整体不足人的头发丝直径的1/500。这种晶体管以碳纳米管为基础，依靠一个电子来决定“开”和“关”的状态，由于它具有微型化和低耗能的特点，因而可成为分子计算机的理想材料。
图2-32 单电子碳纳米晶体管等效电路
（2）碳纳米晶体管阵列及存储器芯片
第一个碳纳米晶体管阵列是由IBM公司的研究人员制造出来的。利用这一突破性的晶体管技术，制造的芯片将比现在的硅芯片更小更快。碳纳米晶体管阵列所利用的碳纳米晶体管是由碳原子排列而成的微小圆柱体，体积是现在的硅晶体管的1/100。研究表明，碳纳米晶体管性能上可以和晶体硅管一争高低，而且碳纳米晶体管可以制造得更小。在未来，硅芯片已经不能被制造得更小，因而必须寻找新的制造集成电路芯片的材料，碳纳米晶体管将是很好的选择。
悬挂的十字交叉单壁碳纳米管阵列如图2-33所示。当悬在上面的碳纳米管与下面的碳纳米管分开时，结点的电阻非常高，即OFF态；而当悬在上面的碳纳米管与下面的碳纳米管在结点接触时，结点的电阻会减小几个数量级，即ON态。通过瞬间对碳纳米管充电，使两个碳纳米管之间产生静电吸引或排斥力，从而使这个结点双稳态器件开关于ON态和OFF态之间。
图2-33 悬挂的十字交叉单壁碳纳米管阵列
在集成系统中，电极仅与上下两套碳纳米管的一端相连。因此，阵列中的每一个结点都可以用地址（n，m）标志出来，可以通过测量结点的电阻来读出结点所处状态，并且可以通过对（n，m）两个相应的电极施以电压脉冲来控制结点（n，m）的开关。这提供了一种制造高集成度的快速的可寻址的非挥发性随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）的方法。
2.4.4 纳米电子系统及应用
1.量子计算机
量子计算机是一种采用基于量子力学的深层次计算模式的计算机，这一模式由物质世界中一个原子的行为所决定，而不是像传统的二进制计算机那样将信息分为0和1，用晶体管的开和关来处理这些信息。量子计算机利用量子位（qubit）存储信息，用量子态表示0和1，量子位可以不同的概率同时存储0或1。我们规定原子在基态时记为0>，在激发态时原子的状态记为1>。原子除了保持上述两种状态之外，还可以处于两种态的线性叠加，记为
ϕ＞=a|1＞+b|0＞ （2-1）
式中，a和b分别代表原子处于两种状态的概率。
存储一系列量子比特的体系称为量子寄存器，可以同时处在多个状态。量子计算机具有以下优点。
（1）计算速度快
经典计算机采用串行计算，一步一步按顺序处理；而量子计算机采用并行运算，对每一分量的运算相当于一次经典运算，对所有分量的运算同时完成，并按一定的概率叠加，从而给出输出结果。并行运算极大地提高了计算速度，可提高10亿倍，1个400位长的数分解成质数乘积，采用巨型机需10亿年，用量子计算机只要一年。
（2）量子位的存储能力大大提高
假如有一个由3个比特构成的寄存器，在经典计算机中，可以表示0～7共8个数，并且在某一时刻，只能表示其中的一个数，但3个量子比特的系统可以同时表示8个传统状态，从而提高了量子位的存储能力。
图2-34 3个量子比特构成的寄存器
（3）可完成一些传统计算机无法完成的计算
除了进行并行计算外，量子计算机的另一重要用途是模拟量子系统，这项工作是经典计算机无法胜任的。人们一旦有了量子模拟计算机，就无需求解薛定谔方程或者采用蒙特卡罗算法在经典计算机上做数值计算，便可精确地研究量子体系的特征。
（4）低能耗
能耗会导致计算机中的芯片发热，极大地影响了芯片的集成度，从而限制了计算机的运行速度。研究发现，能耗来源于计算过程中的不可逆操作。所有经典计算机都可以找到一种对应的可逆计算机，而且不影响运算能力。既然计算机中的每一步操作都可以改造为可逆操作，那么在量子力学中，它就可以用一个幺正变换来表示。量子计算机计算是幺正变换，是可逆的，从而可以降低计算机的能耗。
1994年，贝尔实验室的专家彼得·秀尔（Peter Shor）证明量子计算机能做出对数运算，而且速度远胜传统计算机。这是因为量子不像半导体只能记录0与1，而是可以同时表示多种状态。如果把半导体比成单一乐器，量子计算机就像交响乐团，一次运算可以处理多种不同状况，因此，一个40位元的量子计算机，就能解开1024位元计算机花上数十年解决的问题。此外Peter Shor还给出了第一个大数因子分解的量子算法，并成功地进行了“1+1=2”的运算。对于1000位的大数质因子分解，传统的计算机需要1025年，量子计算机仅需几分之一秒。Shor算法使双密钥系统土崩瓦解（如RSA算法），是量子计算机理论的里程碑。
2000年8月15日，美国IBM公司的科研小组在斯坦福大学向参加热点芯片计算技术会议的各国专家展示了迄今最尖端的“5比特量子电脑”——仅装着5个氟原子的一组玻璃试管（见图2-35），并初步验证了量子计算技术所具有的超凡魔力。
图2-35 含5个氟原子的IBM量子计算机模型
日前，澳大利亚科学家在量子科学方面获得了重大的突破，成功地实现了首个用8个钙离子组成的量子字节（Quantum Byte）。
2007年，加拿大计算机公司D-Wave展示了全球首台量子计算机——Orion（猎户座），它利用了量子退火效应来实现量子计算，包含16个量子位。该公司在2011年又推出了具有128个量子位的D-Wave One型量子计算机，并在2013年宣称美国国家航空航天管理局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）与谷歌公司共同预定了一台具有512个量子位的D-WaveTwo量子计算机。
2.DNA生物计算机
DNA分子上包含大量的遗传密码，它能通过生化反应来传递信息，这些密码可以被看成是数据。DNA计算机是通过控制DNA分子之间的生化反应来完成计算，反应前的基因代码可作为输入数据，反应后的基因代码可作为运算结果，反应在瞬间完成，也意味着计算可以在瞬间完成，如图2-36所示。
图2-36 DNA生物计算机
与电子计算机以二进制的0和1两数字进行数据存储不同，DNA计算机通过组成DNA分子的A、G、C、T四种核苷酸的排列来编码信息，特定的生物酶可充当软件，使DNA分子完成某种生物化学反应，从一种基因代码（即反应前的输入数据）变为另一种基因代码（即反应后的输出数据）。与传统的电子计算机相比，DNA计算机有着很多优点：
1）体积小。在一个试管中可以含有约1万亿个DNA片段，而每一个DNA片段都可以作为一个微型的处理器。
2）存储量大。1cm3的DNA所能存储的信息量可与1万亿张CD相当，远大于现有的计算机存储芯片和其他存储介质。
3）运算快。其运算速度可以达到每秒10亿次，十几个小时的DNA计算，相当于所有计算机问世以来的总运算量。
4）耗能低。DNA计算机的能耗非常低，仅相当于普通计算机的10亿分之一。如果放置在活体细胞内，能耗还会更低。
5）并行性。普通计算机采用的都是以顺序执行指令的方式运算，由于DNA独特的数据结构，数以亿计的DNA计算机可以同时从不同角度处理一个问题，工作一次可以进行10亿次运算，即以并行的方式工作，大大提高了效率。
此外，DNA计算机能够使科学观察与化学反应同步，节省大笔的科研经费。
2001年，以色列魏茨曼研究所的科学家研制成功世界上第一台DNA计算机，运算速度约为每秒10亿次。2002年2月，日本开发出全球第一台能够进行基因诊断的DNA计算机。
DNA计算机针对NP（Non-deterministic Polynomial）问题已经有了很出色的表现。NP完全问题包括汉密尔顿路径问题（Hamilton Path Problem，HPP）、图论中的最大集团问题（Maximal Clique Problem，MCP）、布尔代数中可满足性（Satisfy Ability，SAT）问题等。