美国电子材料纳米原理研究的新成果
1．微电子纳米原理研究的新进展
⑴直接观察纳米尺度下磁性原子的相互作用。
2006年7月27日，美国爱荷华大学、伊利诺斯大学和普林斯顿大学组成的一个研究小组，在《自然》杂志上发表论文称，他们直接观察到，半导体芯片上间距小于一纳米的，两个磁性原子间的磁相互作用。这项成果，使研究人员离实现高级半导体芯片的目标又近了一步。这种芯片，将利用电子的自旋性质来处理信息，也就是自旋电子学。
伊利诺斯大学物理与天文学系教授米纤尔·傅莱特说：“根据自旋电子学，一块计算机芯片可以完成处理数据和长时间存储数据的任务，而不用CPU和硬盘来分别实现。而且数据处理过程可以更快，能耗更少。”
大约20年前，IBM的研究人员们发现普通的半导体材料砷化铟，在掺入极少量磁性原子后在低温下显示出磁性。他们掺入的磁性原子是锰，那之后其它的磁性半导体迅速涌现。手机中使用的磁性半导体材料砷化镓掺入锰原子后呈磁性，但是也要在零下88度才有效。为了在未来的计算机芯片中得到应用，像砷化镓锰等磁性半导体材料，必须在更高的温度下纯净地实现，而且阻抗要小。
傅莱特说：“在纳米尺度下实现磁相互作用将有利于设计出更好的磁性半导体材料，以及它们在电子工业中的应用。”他与伊利诺斯大学助研唐建明，预言了磁相互作用可以通过扫描隧道显微镜成像。
傅莱特与唐建明预言，磁性相互作用强烈的依赖于半导体的晶格结构。一些位置相互作用很强，而另一些地方却很弱。锰原子掺入砷化镓后会出现在很多不同的晶格上。在统计上观察两个相隔不到一纳米的锰原子是很困难的。
傅莱特研究小组采取的是一种完全不同的方法来观察磁相互作用。他们一次只在纯净的砷化镓中掺入一个锰原子。普林斯顿大学物理教授阿里·雅兹达尼说：“利用扫描隧道显微镜的探针，我们可以一次只在基底材料上移动一个原子，在用金属原子替代它的位置，这样基底材料就有磁性了。”这时科学家们首次对原子尺度的半导体材料进行操作。
扫描隧道显微镜与普通的光学显微镜很不同，它有一个非常精确的点状探针。探针可以在材料表面扫描，通过电场的变化来探测材料表面结构。但是雅兹达尼的实验室发现带电探针可以用来提取单个镓原子，然后用锰原子替代它的位置。
通过掺入锰原子，研究人员们创造出一个原子尺度的实验室，它能对芯片中原子和电子相互作用进行精确成像。该研究小组利用他们的新技术，发现锰原子的最优化排布与傅莱特和唐建明的预言一致。
傅莱特指出，接下来需要把这项新研究的结果用于芯片技术中去，可是利用扫描隧道显微镜制造出大面积的高质量砷化镓锰却并不太现实。但是从锰原子的最优化排布中学到的经验，可以用于其它的磁性半导体材料的生长技术中去。
⑵首次拍下不到1纳米的电子材料单个分子照片。
2009年8月，《每日邮报》报道，IBM公司项目首席科学家利奥·格罗斯领导，格哈德·梅耶等研究人员参与的研究小组，首次拍摄到电子材料单个分子的照片，而一个分子要比一粒沙小百万倍。借助原子力显微镜，研究人员把单个并五苯分子的照片呈现在人们面前。在照片中，并五苯分子看起来像蜂巢一般，呈栅格状。
格罗斯说：“这是首次拍摄下一个分子内所有原子的全家福。”照片显示了并五苯分子的原子连接方式。并五苯常用于太阳能电池制造。它的分子结构呈矩形，是一种有机化合物，由22个碳原子和14个氢原子组成。
在科学家拍摄的并五苯分子照片中，5个六边形碳环结构清晰可见，甚至环绕碳环的氢原子也能看到。事实上，并五苯碳环之间的间隙非常狭小，只有0.14纳米，是一粒沙子直径的百万分之一。
梅耶说：“如同医生利用X光为病人的内脏和骨骼拍照一样，我们通过原子力显微镜为原子结构拍照，这是组成单个分子的主干。”IBM苏黎世研究中心的研究小组表示，这一科研成果具有重要意义，对纳米科技将会产生深远的影响。
对单个分子观测拍照，除了要用到最为先进的原子力显微镜外，还必须在零下268℃的真空环境中进行。之所以这样做，是为了避免“来回游荡”的空气分子，影响到测量和摄像的准确度。
梅耶说：“我们从事这项研究的最终目的，就是希望能在分子电子学上取得突破。这样我们将来就能制造出尺寸超小、但是速度堪比超级计算机的芯片，甚至制造出能放在针尖上的芯片也不是没有可能。”
2．以纳米原理研究铁电材料的新发现
运用纳米原理研究铁电材料，发现铁电体的“敏感”来自其材料内部的混乱。
2008年5月11日，美国国立标准化与技术研究所(NIST)的彼得·格林牵头，美国布鲁克海文国家实验室徐光勇，以及约翰·霍普金斯大学的研究人员一起参与的一个研究小组，在《自然·材料学》网络版上发表的研究报告称，他们运用纳米原理，为弛豫铁电体材料对机械压力或电压的极度敏感性，找到了相应的解释。
研究人员认为，对弛豫铁电体材料敏感度的控制和“裁剪“能力，将有助于提升一大批工业设备的性能，比如医学超声波成像仪器、扩音器、声纳以及计算机硬盘等。
弛豫材料是一类固体压电材料，它们会在端电压存在时改变形状，或者在受到挤压时产生电压。格林解释道：“弛豫材料的敏感度，高出其他任何已知的压电材料10倍”，它们可以实现机械能和电能的低损转换，因此极为有用。
格林研究小组，利用美国国立标准化与技术研究所的中子散射设备，以纳米原理为基础，研究了弛豫铁电体材料系统内部的原子“声振动”，如何响应外部施加的电压。结果发现，内在混乱状态是造成弛豫材料特殊性质的显著因素。对此次研究而言，这种混乱是由三种带不同电荷的元素——锌、铌和钛的原子晶格，随机交替引起的。
固体中的原子，通常都是以完美的晶格排列，它们在这些位置的附近振动，并以声波的形式传播能量。在典型的压电材料中，这些声振动持续很长时间，就像石头投入湖中激起的层层波纹。而在弛豫铁电体材料中，情况大不相同：声振动很快就会消失。最新研究发现，弛豫铁电体中特有的极性纳米区(它对铁电体的介电性质起重要作用)，会极大地影响材料自身的化学结构。极性纳米区与声子传播，也有很强的相互作用。研究小组，对比了声子在不同方向的传播形式，并观测到极性纳米区，会导致弛豫材料晶格在外电压作用下，表现出很大的非对称性。
格林说，“我们认识到，晶格的内在化学混乱，影响着该材料的基本组织和行为。”它破坏了声振动，这造成材料结构的不稳定性，以及对压力和电压的极度敏感。
3．光电转换材料纳米原理研究的新进展
⑴发现纳米水晶可以提高光电转换率。
2006年6月，有关媒体报道，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室一个研究小组，利用光束照射直径仅为几个纳米的量子点（也称纳米水晶或半导体微片），结果发现，一个光子能够在量子点中产生多个电子。
研究人员在最近完成的试验中，采用直径为8纳米的硒化铅量子点，取得迄今最好的成绩：在紫外线光波的照射下，每个光子能在硒化铅量子点中产生7个自由电子。
过去几十年中，研究人员发现，虽然许多光子具有足够的能量在半导体材料中产生多个自由电子，但在实际的光电转换中，一个光子通常只能对应一个自由电子的产生。其原因在于，在光子作用下产生的自由电子，往往会与其周围的原子发生碰撞，结果是导致原子发生振动产生热量消耗了电子多余的能量，而没有产生更多的自由电子。
⑵发现可提高光电效能的黄金纳米粒子微观通道。
2012年2月，美国莱斯大学化学和电气系副教授斯蒂芬·林克等人组成的研究小组，在《纳米快报》杂志上发表论文称，他们发现黄金纳米粒子的微观通道，可通过暗等离子体振子传输电磁能量，或将大幅提升光电设备的效能。
研究小组开发出一种在玻璃上“打印”，产生黄金纳米粒子细线的方式。这些纳米粒子线，能从一个纳米粒子把信号传给几微米外的另一个纳米粒子。传输间距远高于此前的实验成果，效果与使用黄金纳米线进行传输大致相当。
研究人员利用电子束把微小的通道切割成玻璃基板上的聚合物，以让纳米粒子线成形。黄金纳米粒子通过毛细作用力沉积在通道内，当剩余的聚合物和杂散的纳米粒子被冲走后，纳米粒子线形成，粒子则留在距离纳米线几纳米之外。这些粒子都聚集于拥挤不堪的线型链中。较小的粒子间距能产生强劲的电磁耦合，引发低损耗“亚辐射”等离子体振子的形成，这可促进能量传播的距离达数微米。
等离子体振子是一种可在金属表面移动的电子波，就像池塘中的水被干扰时一样。这种干扰可由光等外部的电磁源引起，相邻的纳米粒子将在电磁场互相作用的位置相互耦合，支持信号从一个粒子传输至下一个粒子。而暗等离子体振子没有纯粹的偶极矩，因此其无法与光结合。
为了验证究竟能传输多远，研究小组为15微米长的粒子线涂上了荧光染料，并利用光漂白的方法，来测量由激光所激发的等离子体振子的传输距离。结果显示，等离子体振子的传播能量，随距离增加呈指数递减。在传输4微米后，所测的强度值仅为最初的1/3。虽然这样的传输距离仍比传统的光波导短，但在微型电路内只需要覆盖较小的长度尺度。未来或可将放大器应用于系统之中，以增加传输距离。
林克表示，银纳米线具有比黄金更好的等离子体振子波运载功能，传输长度可达15微米。如果未来以银纳米粒子进行实验，则可应用于更复杂的结构，或是利用纳米粒子波导与其他纳米结构部件连接。
