納米電子學(xué)導(dǎo)論

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

納米電子學(xué)導(dǎo)論

傳統(tǒng)材料在達(dá)到無法再變小的地步之前只能走這么遠(yuǎn)。這就是納米技術(shù)的用武之地，并使納米電子學(xué)領(lǐng)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(shè)備的一個(gè)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(shè)備，但與鋰離子 (Li-ion) 電池相比，它可以擁有高達(dá) 5-6 倍的能量密度，并且仍然小于鋰離子電池。另一個(gè)例子——純粹關(guān)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?。ㄍǔ：鼙。兄诳s小設(shè)備組件的尺寸（有助于減小設(shè)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(qiáng)烈，無論是通過表面之間的電子傳導(dǎo)，還是通過傳感機(jī)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(shè)備都是使用二維材料或半導(dǎo)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(dǎo)電或半導(dǎo)電納米材料尤其如此，它們通常具有電導(dǎo)率和電荷載流子遷移率——在半導(dǎo)體的情況下更有效的結(jié)——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(xué)品穩(wěn)定，根據(jù)所討論的組件，這些通常是必需的——當(dāng)設(shè)備變熱時(shí)，熱穩(wěn)定性非常重要。

但不僅僅是導(dǎo)電納米材料是有效的。雖然導(dǎo)電納米材料最受關(guān)注，但也有許多電絕緣納米材料對于保護(hù)納米電子設(shè)備的某些區(qū)域同樣重要。事實(shí)上，在某些情況下，由將導(dǎo)電納米材料層夾在兩個(gè)絕緣納米材料層之間組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)效果更好，因?yàn)榭梢愿玫匾龑?dǎo)導(dǎo)電性以及隨后的電流（這會導(dǎo)致較低的電能損失）。納米材料的其他特性包括它們實(shí)現(xiàn)和利用量子現(xiàn)象的能力，這可以導(dǎo)致更有效的電子電流，因?yàn)楫?dāng)電子在量子限制區(qū)域之間移動(dòng)時(shí)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(shù)（即量子技術(shù)）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(jié)構(gòu)。但是，如果要保持結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性，你可以做到多小是有限制的，尤其是當(dāng)它是一個(gè)復(fù)雜的架構(gòu)時(shí)。納米材料也可以通過這種方式制造，但是如果你想要結(jié)構(gòu)準(zhǔn)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(gè)原子一個(gè)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(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)以適合其特定應(yīng)用。

納米電子學(xué)范圍

那么，什么屬于納米電子學(xué)的范圍呢？除了是電子學(xué)的較小版本之外，它還涵蓋從納米級組件到量子技術(shù)、自旋電子學(xué)和分子電子學(xué)（即單分子電子學(xué)）的所有內(nèi)容。就納米電子學(xué)領(lǐng)域內(nèi)存在的實(shí)際單個(gè)組件而言，有很多，因?yàn)榧{米電子學(xué)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(guān)、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(shè)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(shè)備均由不同的納米材料組成，并且根據(jù)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(xué)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(diǎn)。

結(jié)論

納米電子學(xué)領(lǐng)域近年來一直在緩慢發(fā)展，是對電子產(chǎn)品越來越小但仍保持高性能的日益增長的需求的答案。基于納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(shè)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(xué)處理環(huán)境中的傳感器中，還是在向內(nèi)部組件釋放大量余熱的電子設(shè)備中。雖然納米電子學(xué)有很多領(lǐng)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(shí)現(xiàn)，未來的應(yīng)用很可能包括各種量子技術(shù)，我們很可能會看到用于經(jīng)典計(jì)算系統(tǒng)和日常技術(shù)的更小組件的生產(chǎn)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(xué)和納米技術(shù)，以及分子水平的基本原理如何應(yīng)用于許多不同的應(yīng)用領(lǐng)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(xué)家和非科學(xué)家解釋復(fù)雜的科學(xué)主題。Liam 在與化學(xué)和納米技術(shù)交叉的各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域和行業(yè)發(fā)表了 350 多篇文章。

Liam 是歐洲納米技術(shù)工業(yè)協(xié)會 (NIA) 的高級科學(xué)傳播官，過去幾年一直在為全球的公司、協(xié)會和媒體網(wǎng)站撰稿。在成為一名作家之前，利亞姆完成了化學(xué)與納米技術(shù)和化學(xué)工程的碩士學(xué)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(shù)世界網(wǎng)絡(luò) (NWN) 的顧問委員會成員，以及英國科學(xué)慈善機(jī)構(gòu) GlamSci 的董事會成員。Liam 還是英國納米醫(yī)學(xué)學(xué)會 (BSNM) 和國際先進(jìn)材料協(xié)會 (IAAM) 的成員，以及多個(gè)學(xué)術(shù)期刊的同行評審員。

審核編輯黃宇