近年來(lái)，在國(guó)家?guī)醉?xiàng)基金項(xiàng)目的支持下，開(kāi)展了深亞微米MOS器件，單電子器件以及納米結(jié)構(gòu)電子輸運(yùn)理論的研究。在大量查閱國(guó)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，逐漸理出了當(dāng)前“納米電子學(xué)”主要的理論和主要研究領(lǐng)域。 正像美國(guó)總統(tǒng)顧問(wèn)尼爾萊恩指出的：“納米技術(shù)不僅僅是向小型化邁進(jìn)了一步，而是邁入了一個(gè)嶄新的微觀世界，在這個(gè)世界中物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)受量子原理的主宰。”從某種意義上說(shuō)納米技術(shù)就是人工制造的、具有量子效應(yīng)的結(jié)構(gòu)技術(shù)。 未來(lái)的電子系統(tǒng)和裝備都將運(yùn)行在量子力學(xué)原理之上。因此，納米科技的研究和教學(xué)都需要在量子物理的層面上進(jìn)行。目前已經(jīng)研制出的新型納米器件，例如，共振隧穿器件、單電子器件等都是如此。由于納米器件的工作原理不同于經(jīng)典器件，涉及到較深的量子力學(xué)理論和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。
納米電子學(xué)的十大難題
1.分子電子整流器或分子電子晶體管
為了增加密度并把納米電子器件的工作溫度提高到低溫范圍以上，必須在單分子那么大的尺度上制造納米電子器件。達(dá)到此目標(biāo)的一個(gè)重要途徑是設(shè)計(jì)與合成具有傳導(dǎo)和控制電流或信號(hào)所必需的本征物理特性的單分子。這條途徑通常被稱為分子電子學(xué)。然而，迄今為止，已能正常工作的納米尺度分子電子交換器件和放大器件（例如分子晶體管和分子量子點(diǎn)）還沒(méi)有做出來(lái)，也沒(méi)有演示過(guò)。但是，一種已能正常工作的分子導(dǎo)線已被合成和測(cè)試。正在攻克分子電子晶體管制造和測(cè)試難題的小組包括：詹姆斯·圖爾和馬克·里德小組以及普度大學(xué)的一個(gè)跨學(xué)科小組。
2.把分子晶體管和導(dǎo)線組裝成可運(yùn)轉(zhuǎn)的電子器件
即使知道如何制造分子晶體管和分子導(dǎo)線，但把這些元件組裝成一個(gè)可以運(yùn)轉(zhuǎn)的邏輯結(jié)構(gòu)仍是一個(gè)棘手的難題。一種可能的途徑是利用掃描隧道顯微鏡按照IBM蘇黎世實(shí)驗(yàn)室最近演示過(guò)的一種方法把分子元件排列在一個(gè)平面上。組裝較大電子器件的另一種可能的途徑是通過(guò)陣列的自組裝。普度大學(xué)的一個(gè)跨學(xué)科小組在這個(gè)方向上取得了驚人的進(jìn)展。 3.納米硅基量子異質(zhì)結(jié)
為了繼續(xù)把固態(tài)電子器件縮小到納米尺度，就必須構(gòu)建納米尺度的量子勢(shì)阱。為此，必須制造出很小很小的類似層狀蛋糕的固體結(jié)構(gòu)，其中不同層是由不同勢(shì)能的不同半導(dǎo)體制成。這些層狀結(jié)構(gòu)稱為“半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)”。要可靠地在納米尺度上制造出半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)非常困難，而在納米尺度上把硅化合物制造成半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)就更難了。但納米電子學(xué)研究人員還是一致認(rèn)為，這是固態(tài)電子器件繼續(xù)迅速微型化這個(gè)趨勢(shì)所必需的。 4.納米尺度量子點(diǎn)電池和無(wú)線邏輯器件
圣母大學(xué)的倫特教授和波羅教授提出的構(gòu)建無(wú)線量子點(diǎn)計(jì)算機(jī)邏輯的設(shè)計(jì)理念對(duì)于制造納米電子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)是一個(gè)很有前途的創(chuàng)意。然而，要成為一個(gè)實(shí)用的設(shè)計(jì)方案，還需制造出這種類型的納米器件并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。在圣母大學(xué)微電子實(shí)驗(yàn)室的加里·伯恩斯坦教授的領(lǐng)導(dǎo)下，這個(gè)方面的工作正在進(jìn)行中。 5.兆兆位量子效應(yīng)電子存儲(chǔ)“芯片”
有了制造納米電子邏輯器件的能力后，用這種器件可以組裝成的一種非常有用的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)是兆兆位的存儲(chǔ)器陣列或芯片。這可為具備快速存取能力但沒(méi)有可動(dòng)機(jī)械部件的計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)提供海量存儲(chǔ)手段。其典型應(yīng)用之一也許是在這樣一塊芯片上存儲(chǔ)一部電影。德州儀器公司的納米電子學(xué)小組與馬里蘭大學(xué)的唐浩（HaoTang）正在合作組裝這樣一種兆兆位的存儲(chǔ)器，他們利用的是微電子與納米電子混合邏輯線路。 6.利用微型掃描隧道顯微鏡和微型原子力顯微鏡進(jìn)行納米組裝
用大探針對(duì)納米結(jié)構(gòu)和器件進(jìn)行機(jī)械組裝是一種笨拙的方法且困難重重。一些權(quán)威認(rèn)為，出于熵方面的原因，這些方法注定要失敗。因此，一些小組正在利用微型掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡進(jìn)行制造和試驗(yàn)，他們認(rèn)為利用這些微機(jī)電系統(tǒng)器件可使納米結(jié)構(gòu)的機(jī)械操縱更有效。然而，這種微型掃描隧道顯微鏡和微型原子力顯微鏡還沒(méi)有應(yīng)用到實(shí)際的納米組裝中。那將是向前跨出的一大步。 7.利用微型掃描隧道顯微鏡或微型原子力顯微鏡陣列進(jìn)行的并行納米組裝納米器件最
終要變得實(shí)用且經(jīng)濟(jì)上可行，則要求納米結(jié)構(gòu)能被迅速大量地組裝出來(lái)。因此，僅靠一臺(tái)微型掃描隧道顯微鏡或微型原子力顯微鏡一次組裝一個(gè)納米結(jié)構(gòu)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。如果納米器件要實(shí)現(xiàn)機(jī)械化組裝，則需要由大量并行的顯微“納米操縱器”來(lái)完成。這個(gè)方向的一些初步試驗(yàn)正在進(jìn)行中，突出的有康奈爾大學(xué)的諾埃爾·麥克唐納教授和斯坦福大學(xué)的卡爾文·夸特教授。 8.與能移動(dòng)單個(gè)原子的正在工作的掃描隧道顯微鏡連接的虛擬環(huán)境
北卡羅萊納大學(xué)的“納米操縱器”控制“近似探針（proximal－probe）”試驗(yàn)的一個(gè)虛擬環(huán)境是一項(xiàng)偉大的、富于想象力的成就。然而，其虛擬環(huán)境所連接的近似探針儀器相對(duì)還很原始。下一步是把一個(gè)相似的虛擬環(huán)境連接到一個(gè)非常靈敏精確的掃描隧道顯微鏡或原子力顯微鏡近似探針上，就象IBM的蘇黎世實(shí)驗(yàn)室和阿爾梅頓實(shí)驗(yàn)室在制造和顯示納米結(jié)構(gòu)時(shí)所用到的探針一樣。接著，人們也許可以“體驗(yàn)”如何對(duì)制造納米計(jì)算機(jī)或其它器件所用的原子和分子構(gòu)件進(jìn)行操縱，控制自如地抓取原子和分子。這種創(chuàng)新肯定可以帶來(lái)并進(jìn)一步加快概念突破和實(shí)用上的突破。 9.逼真的模擬實(shí)際納米操縱的虛擬環(huán)境
當(dāng)前的納米操縱器包括一個(gè)與虛擬環(huán)境相連的正在進(jìn)行的納米試驗(yàn)。一個(gè)相對(duì)困難的、重要的挑戰(zhàn)是做到在數(shù)字計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)模擬這一納米尺度的實(shí)驗(yàn)，包括所有的關(guān)鍵量子力學(xué)效應(yīng)，接著利用這種計(jì)算機(jī)模擬為納米技術(shù)研究人員生成一個(gè)虛擬體驗(yàn)。這種模擬虛擬環(huán)境要求的迅速、敏感、精細(xì)的量子模擬遠(yuǎn)非今天的量子模擬技術(shù)所能達(dá)到。然而，一些小組正在攻克這一挑戰(zhàn)。
10.“互連問(wèn)題”
即便組裝電子器件的所有其它挑戰(zhàn)都克服了，仍有一些問(wèn)題沒(méi)有解決，即由數(shù)萬(wàn)億電子元件以前所未有的密集度組裝而成的一臺(tái)小計(jì)算機(jī)的適當(dāng)結(jié)構(gòu)及整體布局的問(wèn)題。整體結(jié)構(gòu)問(wèn)題中最重要的是眾所周知的“互連問(wèn)題”。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是信息在這樣一種密集的計(jì)算結(jié)構(gòu)中如何進(jìn)出的問(wèn)題。納米計(jì)算機(jī)將把巨量信息存儲(chǔ)在一個(gè)很小的空間內(nèi)，并有可能極快地使用和產(chǎn)生信息。因此，還需要一些結(jié)構(gòu)來(lái)控制和協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)的諸多元件。這些事實(shí)說(shuō)明，計(jì)算元件之間、計(jì)算元件與外部環(huán)境之間需要有大量的連接。就大多數(shù)常規(guī)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的微型化而言，由于電線之間要相互隔開(kāi)以避免過(guò)熱和干擾或“串線”，這樣就有一些幾何學(xué)上的考慮和限制，因此連接的數(shù)量不可能無(wú)限制地增加。信息的輸入/輸出和控制顯然需要新的策略。有人提出把幾乎相互獨(dú)立的處理器組成的大規(guī)模陣列和分布式（甚至是“隨機(jī)的”）控制作為解決方法。這個(gè)領(lǐng)域要做的工作還很多。一些科學(xué)家已經(jīng)在為互連問(wèn)題及其它結(jié)構(gòu)問(wèn)題尋找創(chuàng)新的解決方法，倫敦大學(xué)的特里·方丹教授就是其中之一。 
