納米電子學導論

電子設備及其中的組件逐年變小。這是由消費者對具有相同功能和性能的更小設備的需求推動的，如果不是更好的話，比先前存在的“更笨重”的技術。在這里，我們將更詳細地探討納米電子學如何不僅縮小電子設備的尺寸，而且提供相同或增強的性能。

納米電子學導論

傳統(tǒng)材料在達到無法再變小的地步之前只能走這么遠。這就是納米技術的用武之地，并使納米電子學領域得以出現(xiàn)——這是使用納米材料制造的電子元件，其尺寸僅為傳統(tǒng)“大塊”材料制成的元件的一小部分。納米電子設備的一個例子是基于石墨烯的電池。這是一種使用納米材料的大容量設備，但與鋰離子 (Li-ion) 電池相比，它可以擁有高達 5-6 倍的能量密度，并且仍然小于鋰離子電池。另一個例子——純粹關注納米尺寸的電子元件——是由碳納米管制成的晶體管。

使用納米材料——即尺寸在 1 到 100 納米之間的材料——具有許多優(yōu)勢。納米材料不僅本身很小（通常很?。兄诳s小設備組件的尺寸（有助于減小設備本身的尺寸），而且它們通常非常高效。由于尺寸小，它們具有非常高的相對表面積，這在許多情況下非?；钴S——活性表面的最好例子是石墨烯。石墨烯的表面與其周圍環(huán)境的相互作用非常強烈，無論是通過表面之間的電子傳導，還是通過傳感機制中與環(huán)境刺激/分子的相互作用，等等。

大多數(shù)納米電子設備都是使用二維材料或半導體開發(fā)的，這些都是非?；钴S的材料。由于這些特性，納米材料可以提供與傳統(tǒng)組件中使用的散裝材料一樣高（如果不是更高的話）的電效率，但額外的好處是體積小得多。對于導電或半導電納米材料尤其如此，它們通常具有電導率和電荷載流子遷移率——在半導體的情況下更有效的結——比塊狀材料高得多。此外，許多納米材料天生就對高溫、高壓和化學品穩(wěn)定，根據所討論的組件，這些通常是必需的——當設備變熱時，熱穩(wěn)定性非常重要。

但不僅僅是導電納米材料是有效的。雖然導電納米材料最受關注，但也有許多電絕緣納米材料對于保護納米電子設備的某些區(qū)域同樣重要。事實上，在某些情況下，由將導電納米材料層夾在兩個絕緣納米材料層之間組成的異質結構效果更好，因為可以更好地引導導電性以及隨后的電流（這會導致較低的電能損失）。納米材料的其他特性包括它們實現(xiàn)和利用量子現(xiàn)象的能力，這可以導致更有效的電子電流，因為當電子在量子限制區(qū)域之間移動時幾乎沒有或沒有電阻。這些現(xiàn)象也是有望成為下一代技術（即量子技術）的基石。因此，可以使用的材料范圍很廣，具有不同的特性。

除了性能優(yōu)勢外，納米材料的制造方式還有助于開發(fā)更小的組件。大多數(shù)非納米材料組件必須使用自上而下的方法制造，即將較大的材料分解成較小的結構。但是，如果要保持結構的準確性，你可以做到多小是有限制的，尤其是當它是一個復雜的架構時。納米材料也可以通過這種方式制造，但是如果你想要結構準確、純凈且非常小的納米材料，那么可以使用自下而上的方法制造它們，這是一個原子一個原子地制造納米材料的過程。這是一種更加可控的方法，可以減小組件的尺寸，而活性納米材料是純凈的，并且在結構上設計以適合其特定應用。

納米電子學范圍

那么，什么屬于納米電子學的范圍呢？除了是電子學的較小版本之外，它還涵蓋從納米級組件到量子技術、自旋電子學和分子電子學（即單分子電子學）的所有內容。就納米電子學領域內存在的實際單個組件而言，有很多，因為納米電子學涵蓋了從能量存儲和能量生成系統(tǒng)到晶體管、柔性和可印刷電路、開關、光電探測器、傳感器、顯示器、存儲器等一切事物存儲系統(tǒng)、納米級無線電發(fā)射器和量子設備——以及介于兩者之間的更多組件，這些只是最引人注目的組件。

所有這些設備均由不同的納米材料組成，并且根據所需的效率、制造難易程度和成本，可以使用截然不同的納米材料制造相同的組件?？梢钥隙ǖ卣f，納米電子學利用了大多數(shù)納米材料形式，從二維材料和其他薄膜層到納米管、富勒烯、納米線、納米粒子和量子點。

結論

納米電子學領域近年來一直在緩慢發(fā)展，是對電子產品越來越小但仍保持高性能的日益增長的需求的答案?；诩{米材料的組件可以比傳統(tǒng)的大體積材料制成的組件小得多，這有助于減小電子設備的整體尺寸。此外，許多納米材料在大多數(shù)環(huán)境中都是穩(wěn)定的，無論是在惡劣的化學處理環(huán)境中的傳感器中，還是在向內部組件釋放大量余熱的電子設備中。雖然納米電子學有很多領域，但一些更廣泛研究的系統(tǒng)包括受納米材料啟發(fā)的能量存儲和能量生成系統(tǒng)、各種類型的納米尺寸和分子晶體管、光電器件、和柔性/可印刷電路——納米材料通常被配制成墨水并印刷。如果能夠在商業(yè)層面實現(xiàn)，未來的應用很可能包括各種量子技術，我們很可能會看到用于經典計算系統(tǒng)和日常技術的更小組件的生產有所增加。

利亞姆·克里奇利 ( Liam Critchley ) 是一位作家、記者和傳播者，專門研究化學和納米技術，以及分子水平的基本原理如何應用于許多不同的應用領域。利亞姆最出名的可能是他的信息豐富的方法以及向科學家和非科學家解釋復雜的科學主題。Liam 在與化學和納米技術交叉的各個科學領域和行業(yè)發(fā)表了 350 多篇文章。

Liam 是歐洲納米技術工業(yè)協(xié)會 (NIA) 的高級科學傳播官，過去幾年一直在為全球的公司、協(xié)會和媒體網站撰稿。在成為一名作家之前，利亞姆完成了化學與納米技術和化學工程的碩士學位。

除了寫作之外，利亞姆還是美國國家石墨烯協(xié)會 (NGA)、全球組織納米技術世界網絡 (NWN) 的顧問委員會成員，以及英國科學慈善機構 GlamSci 的董事會成員。Liam 還是英國納米醫(yī)學學會 (BSNM) 和國際先進材料協(xié)會 (IAAM) 的成員，以及多個學術期刊的同行評審員。

審核編輯黃宇