一、跨世纪的新学科——纳米科技
纳米科技是在0.1~100纳米（nanometer，以下简称nm，1 nm=10-9m，通常俗称毫微米，故“纳米科技”又有“毫微米科技”之称）尺度上研究和利用原子、分子结构、特征及其相互作用的高新科技。它的诞生使人类改造自然的能力直接延伸到分子和原子。它的最终目标是直接以分子、原子在纳米尺度上制造具有特定功能的产品，实现生产方式的飞跃。因此说，纳米科技的诞生标志着人类的科学技术进入一个新时代——纳米科技时代。可以毫不夸张地说，这一兴起于本世纪90年代的纳米科学技术，必将雄踞于21世纪，对人类产生重大而深远的影响。
纳米虽然是一个长度单位。但是，在纳米科技中的“纳米”不仅意味着空间尺度，而且提供了一种全新的认识方法和实践方式。与以往的科技领域不同的是，纳米科技涉及到了几乎现有的所有科技领域，是现代科学和先进工程技术结合的产物。它的发展开辟了人类认识世界的新层次，并引发了纳米电子学（Nanoelectronics）及纳米生物学、纳米材料学、纳米化学、纳米医学、纳米机械工程学、纳米天文地质学等密切相关而又自成体系的科技新领域。1990年3月，在美国道尔基摩召开世界上第一次纳米科技学术会议，正式宣告纳米科技领域诞生。短短几年 · 这个领域已取得日新月异的新成就。其中，纳米电子学的研究与发展颇引人注目。研究者认为，作为纳米科技重要组成部分的纳米电子学，将是纳米科技发展的主要动力，它将立足于最新的物理理论和最先进工艺手段，按照全新的概念来构造电子系统，超越传统的极限，实现信息采集和处理能力的革命性突破。正如本世纪三、四十年代发展原子能、原子弹的时期核技术开发了物质潜在的能量，使单位质量物质的爆炸力增加了百万倍一样，纳米电子学将开发物质潜在的信息和结构潜力，使单位体积物质储存和处理信息的能力提高百万倍以上，纳米电子学将成为下一个信息时代的核心。
二、纳米电子学研究的诱人前景
纳米电子学的研究，离不开扫描探针显微镜（简称SPM）家族。在SPM家族中，最引人注目的是扫描隧道显微镜（简称STM）和原子力显微镜（简称AFM），实践证明SPM能够以最高的原子级空间分辨率来观察表面的原子或分子的几何分布和态密度分布，确定物体局域的光、电、磁、热和机械特性。这样细微的观察可能带来的好处之一，可能是在生产制造出十分纯净、可以说极端纯净的材料。这不仅对纳米科技制造本身很重要，而且对在较常规工艺中制造具有多种用途的材料也很重要，第二个好处可能是制造出纯度可以严格控制的材料，如半导体的掺杂物等，第三个好处可能是既纯净又在结构上无缺陷的材料。以半导体材料硅的观察为例，来说明STM在纳米电子学中的价值。现在，硅集成电路的集成密度愈来愈高，这就要求硅单晶材料有更高的纯度和更少的晶格缺陷。所谓晶格缺陷，指的是在晶体整齐的原子排列中，应该有原子的地方缺少了一个原子，或者在不该有原子的地方多出个原子。对于集成度数极高的微小元件来说，其中有一个晶格缺陷就会影响元件的性能，甚至使整个电路不能使用。因此，在制造高集成度的集成电路时，必须对所用基底材料中的缺陷进行检测。用SPM可以在原子水平观察晶体的缺陷。
迄今，基于SPM的各种纳米加工技术的研究已成为纳米电子学中最富挑战的领域，已经发现SPM具有纳米尺寸的光刻、刻蚀、薄膜沉积、表面修饰、原子搬运和装配、诱导局部化学反应等能力。就目前的情况而言，纳米电子器件的制备极有可能依赖于以SPM为核心的纳米加工技术的日趋成熟。SPM加工主要包括：直接刻写、电子束曝光、离子束刻蚀、局部加热、场致蒸发、场诱导化学反应、场诱导沉积、电化学腐蚀和沉积等，其特征尺寸大体在几纳米到几百纳米范围。
简而言之，纳米电子学的目标是提供给人类这样的技术：将集成电路的几何结构进一步减小，超越目前发展中遇到的极限，因而使得功率密度和数据通过量率达到目前难以想象的水平。这个目标的实现不仅需要对器件的概念进行革新，而且为了克服相互连接的限制，需要发展全新集成电路块制作方法，在这个尺度上，传统的晶体管工作所遵循的物理规律不再适用了，最重要的量子现象是隧道贯穿，另一现象是量子尺寸效应。共振隧道二极管结构中，量子阱的线度通常小于所包含的电子布拉赫波的相干长度。由于前后布拉赫波的干涉效应，这个结构便发生共振，导致稳态隧道电流大大增强。这种干涉和共振效应是量子器件工作的基础。
倘若将分子束外延薄膜生长技术和STM刻蚀技术相结合，便可望利用新的物理效应去发展新颖的量子点，即量子器件的三维尺度均为纳米量级。例如，利用砷化镓和砷铝镓多展堆叠的分子束外延材料加上纳米刻蚀，即可制成电或光的量子效应电子器件。量子效应电子器件具有高效、高功能、高速、低耗（可在常温下工作）、高集成化、经济可靠等一系列优点。利用这种量子效应电子器件，可能会引发下一次电子学革命。由于在晶体表面一特定位置上存在一个原子或缺少一个原子，便可分别表示数据0或1，因而可用于高密度的超微型数字存储器件，其存储密度将会比目前的磁盘高1亿倍。
近几年来，纳米电子学的研究不断取得重大突破，为量子器件的制造展现了美好的前景。IBM公司的研究人员宣布，他们已制成了用两个原子构成的隧道二极管，一个原子在STM探针顶尖，另一个原子在硅片表面。研究人员测定了隧道电流，大约9~10安培。这一实验显示，原子规模的器件是的确可能的，至少在理论上是这样。1991年，IBM公司的科学家利用STM能快速地重复在镍表面同一位置上“拾起”或“放下”一个氙原子，原则上创造了开关速度为0.05纳秒的单个氙原子的双向开关装置。有关专家预计，这项发明将可能使美国国会图书馆的全部藏书存储在一个直径为0.3米的硅片上。
已受到人们密切关注的一个领域是，得克萨斯仪器公司中央研究实验所从事的量子阱谐振式隧道效应晶体管（RTT）研制工作。据从事该课题的艾伦。西鲍称，这些三维器件可以在接近常用异质晶体管的自然极限的条件下进行工作。
作为室温量子阱器件的引人注目的一个例子，要算是共振式隧道效应二极管（RTD）。RTD具有一系列有者不同能带隙的半导体层，其布置方式可允许电子通过器件运动时汇集在量子阱内，当量子阱的宽度大约等于电子波长的整数或半整数倍时，就形成了共振条件。当器件接近微型化的极限时，这些效应就开始起支配作用，无论是晶体管或是二极管都是这样。利用当今的处理技术，已可以制作一个其基极宽度约为150埃的共振式隧道效应晶体管。美国麻省理工学院正在试制量子效应电子器件，一些器件的特征尺寸只有20纳米，即一根人头发丝直径的三千分之一，或比100个原子排起来大一点。
纳米电子学的另一个诱人研究方向是发展分子电子器件和生物分子器件。早在1944年，量子力学奠基人薛定谔在《生命是什么》一书中就提出了生命活动是由分子机器来实现，像酶就是一种分子机器，它能打断化学键而使得分子重新结合。DNA可以作为存储系统，可以把命令转移到核糖体中，而核糖体这种分子机器可制造蛋白质分子，自然分子机器的普遍存在导致人们设想人工分子机器，像分子装配机器、基于分子装配的复制、机械纳米计算机和细胞修复机器等。更重要的是，生物分子制造物质的真正优点是它们能自我组装，分子自我组装就是在平衡条件下，分子自发组合而成为一种稳定的、结构确定的、非共价键联结的聚集体。以分子自组装为基础制造出分子生物电子器件，是一种完全抛弃以硅半导体等为基础的电子元件。第一步的应用将可能把有特殊电子性质的大量分子堆集起来而制作大批新的电子学材料。对于更长远的目标，研究人员希望研制出由单个分子组成连线和晶体管的分子电路，最终是实现分子电脑。
未来的计算机将采用某些细菌体中的光敏蛋白质作为超高密度存储信息的存储器。确切地讲，是使用一种叫嗜盐菌的细菌，它生存于世界各地的盐沼泽地中。当光照射到嗜盐菌上时，一种叫细菌视红质（bacteriorhodopsin）的蛋白质（简称BR）就发生异构化，即其分子结构发生改变，并释放出少量的质子，从而产生出可以检测的微小电信号。这个过程中发射出来的信号依赖于这种蛋白质所处的化学环境。当它在某个频率的光照射下，它发射出来的信号强度随介质的酸度增加而减弱。而另一频率的光则可以使它对氯离子的浓度敏感。利用这种蛋白质，可检测介质的酸度和氯离子的浓度。BR蛋白质在光照射下，其作用类似于生物分子开关，能用于记录数字信息。利用此性质，可以制作一个计算机寄存器。把一薄层细菌视红质放在一个玻璃上，然后用一束极细的激光束去照射某区域，把信息“写”上去，再利用第二束激光照射在光性质已改变的地方，将信息“读”出来。
在纳米科学技术中，纳米电子学与纳米生物学既相互联系又相互促进。利用特殊的DNA序列，可将DNA分子构成特殊的立体结构，这将为分子电子学和分子操纵提供所需的分子元件，并且是可以大量自动复制的分子元件。最近用AFM成功地对DNA分子链上的任何确定部位进行了分子切割。这类分子手术再结合分子操纵，是迈向在纳米尺度上改造基因的重要进展。分子机器的研制是纳米生物学中最诱人的内容。第一代分子机器是生物系统和机械系统的有机结合体，设想中的第二代分子机器应是能直接从原子、分子装配成有一定功能的纳米尺度的装配装置。第三代分子机器将是含有纳米计算机的、可人机对话的并有自身复制能力的纳米装置。要说明的是，设想中的纳米计算机是基于“拉杆逻辑”原理的。拉杆可能是一条碳原子绳，纳米计算机就是由这种拉杆构成的“迷宫”，它通过推、拉拉杆进行运算，分子机器一旦制成，它能在1秒钟内完成数十亿个操作动作。如果有足够的分子机器，就可以在几秒钟或几分钟内完成现今需几天或几个月才能完成的工作，可以想象，只要有几组可编程序的分子机器，及一连串的必要的化学成分，就能制造出任何具体的物体。到那时，大气中密密麻麻的分子机器可以吸掉有毒气体，建筑工地上那些笨重的机器和工人被一无声息二无形体的小机器所取代。分子机器可以修复损坏的器官、清除堵塞的血管、消灭癌变的细胞、更换缺损的基因。由于纳米技术能够提供一种神奇的、逐个原子地组合新物质的能力，经过专P设计的用于传递信息的分子将被引入只有细胞那么大的纳米计算机中，我们人类有可能将强大的存储了人类全部知识的一些纳米计算机安放在人脑中，并使它们与人脑直接相连接，像所有的神经元那样被人脑所用。专门设计的纳米计算机，可能用来读出人脑的内容及其品性，将信息记录到另一个脑中，这个脑可以是人脑，也可以是电脑。随着纳米电子学和相关纳米科学技术的发展，人类有可能把自己的品性传输给诸如兽类、昆虫、鸟类等其他形式的生物，把别的生物的智力水平提高，使之能与人类媲美。我们也有可能改变人类自身，让人类成为能在天上飞、水中游，能进行光合作用的“超人”。这种“超人”在大小、外貌、能力及价值上，都不必与现在的人雷同。虽然这些设想有些离奇，但绝非是毫无科学根据的幻想。专家们认为，纳米电子学正处于重大突破的前期，纳米电子学的新纪元即将到来。