微电子元器件的创新成果
一、微电子材料研究的新进展
1．微电子材料研究的新成果
⑴研制出可用于制造晶体管的单原子二维晶体。
2005年7月，国外媒体报道，英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆领导的研究小组，与俄罗斯琴诺格洛夫加微电子科技研究所的研究人员，合力发明了制造单原子二维晶体的技术。专家表示，二维物品实际用途广阔，它可以在晶体管、超高灵敏气体感应器、机械装置、和翻译器上得到运用。
研究人员说，对刚刚劈开的水晶断层进行打磨，就会出现像在黑板上划粉笔一样，水晶在机械的打磨中有许多薄片脱落，其中有些薄片是只有一层原子厚度的水晶片。这样的水晶薄片质地稳定，可以被用来制造晶体管和传感器。
2004年，海姆研究小组通过打磨石墨水晶，首次制造出二维原子晶体：一张碳原子薄膜片。他们以光学原理为基础，利用电子束、和原子能显微镜，来分离这层只有一个碳原子厚度的薄膜。接着，他们发现这项切割技术，几乎可以用在所有原子位面结合不牢固的物品上。例如，他们从硼氮化合物上做出了二维原子晶体。海姆研究小组发现水晶二维原子晶体性质、结构、和电子性能，在常温下可以保持几个星期不发生变化。
现在，英俄科学家们采用的是平版印刷技术，来处理这些薄膜，提高了它们的实用性。
研究人员说，这么些年来，一直存在着二维物体到底有没有存在意义的讨论。现在，我们证实了二维晶体的存在，并发现它们性质稳定。我们可以研究它们的电子原理、光学特性、和力学特性，对我们来说，二维物品是个全新的物体概念，它包括金属、绝缘体、半导体、和有磁体。这项发现，可以让有关二维物体的理论，在实践中得到检测。
⑵用石墨做纳米元件基础材料。
2006年3月，美国佐治亚理工学院和法国科学院组成的研究小组，在《化学物理杂志》上发表撰文称，他们利用石墨层成功地制造出晶体管、电子回路与集成电路的原理模型。他们制造的电子设备既具有碳纳米管的优点，但又可以用现在的微电子技术制造。如果最终取得成功，将会为纳米技术的大规模工业应用奠定基础。
对于石墨我们都不陌生，铅笔的笔芯就是由它做成的。近日，研究人员又为石墨找到了一个大用场：他们把石墨制成新的电子元件，使它可能成为新一代纳米级电子元件基础材料。
利用石墨层薄片制造碳纳米管，可以得到纳米管的所有性能，因为这些性能是由石墨层及它对电子的约束形成的，并不是由纳米管结构形成的。石墨层碳纳米管，只是把石墨层卷成圆柱型结构。
研究人员把硅碳化合物薄片在真空中高温加热，使硅原子从表面逸出，表面留下一层薄石墨层。他们利用目前的电路印刷技术，把石墨层刻成线路宽度达80纳米的石墨层电路。电路显示出高电子流动性，并且在室温条件下显示出性能稳定性。研究人员利用这种方法，还制造出全石墨层平面场效应晶体管，以及量子干涉装置。
研究人员预计石墨层碳纳米管及石墨层电路，会有很大的应用潜力。它比用多种材料制成的电子器件，会产生更多的接触面，具有只用一种材料就可制造出一个系统的巨大优势，它不但不会在接触面引起电阻及发热，还可以用现有微电子技术制造它们的系统。
研究人员表示，他们想制造的元件并不是硅基电子元件的翻版，而是以一种全新的方式看待电子学。他们的最终目标，是制造出用电子以衍射方式，而不是传播方式运动的集成电路，这样将能生产出耗能很小而效率很高的小设备。
⑶开发出可在纳米水平生成离子层的半导体材料。
2006年7月13日，加拿大多伦多大学电气与计算机工程系特德·沙尔金教授领导的一个研究小组，在《自然》杂志发表研究报告称，他们开发出一种比现今常规芯片表现更佳的新型半导体材料。该半导体材料的开发成功，首次使所谓的“湿”式半导体的性能，超过传统的成本较高的晶体生长的半导体材料。
传统制造计算机芯片、光纤激光器、数字相机成像感应器的方法既费时，又耗能且成本还高，因为它们都要依赖在原子水平上生长晶体，这需要1000℃以上的温度环境。
而多伦多大学的研究人员，在一个装有超纯油酸（橄榄油的主要成分）的烧瓶内，加热半导体离子，这种离子的直径仅有几个纳米。然后，研究人员把溶液放在一个带有金电极的玻璃片上，使用一种旋转喷涂工艺使溶液滴扩展成平滑、连续的半导体薄膜。待溶液蒸发后，就留下了800纳米厚的光敏感纳米离子层。
沙尔金教授介绍，在室温下这种喷涂形成的光电探测器，对红外光的敏感度，比现有的军用夜视仪和生物医学成像装置高10倍，是一种特别敏感的光传感器。现在证明溶液工艺电子学，能够将低成本和高性能结合在一起。
麻省理工学院的约翰·琼那珀拉斯教授认为，多伦多大学的研究工作对基础研究和工业化生产都非常重要，能够实际制造出可用于短波红外探测器和发射器的低成本、可喷涂、高性能的半导体材料，对通信、成像和监视技术的发展具有非常重要的意义。
⑷研制出新型纳米晶体。
2007年6月，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室，物理学家维克多·克里莫夫及其同事组成的研究小组，在《自然》杂志发表论文，介绍了他们研制出的一种新型纳米晶体，这种晶体使用较少能量就可增强光线。据称，通过这种途径可以制造廉价的彩色激光器。
半导体材料中，2～10纳米大小的晶体称为量子点。量子点可以释放不同颜色的明亮荧光。量子点的制作过程简单，成本低廉，并且，与现在的气体和二极管激光器都只能发射单色光不同，只要改变纳米晶体的大小，人们就可轻而易举地获得不同颜色的光。半导体材料中的电子有高、低两个能级，能级间的带隙决定着激光的波长。克里莫夫表示，在纳米晶体中，带隙会随着晶体薄片的尺寸而改变，尺寸越小，带隙越大。因此，通过改变晶体尺寸，纳米晶体激光器可以发射从紫色到绿色的光。
该研究小组制作了一个双层纳米晶体：内部是一个硫化镉核，外层包裹着硒化锌壳，这种纳米晶体只增强一个电子空穴对的光。据克里莫夫介绍，通过这种分割，电子老老实实呆在核中，而空穴进入外壳。这种分割改变了纳米晶体的性质，晶体中两个处于低能级的电子中，一个比另外一个需要大得多的能量才能激发。因此，受激发时，只有一个电子会被激发，形成一个电子空穴对。这样的话，当外部光子轰击时，只有一对电子空穴对重组，产生的两个光子都被释放出去。现在，研究人员只要用较小的能量轰击纳米晶体，就可以使受激发的单个电子维持2纳秒的激发态，这个时间足够增强光线。
⑸研制出可显著降低电子设备成本的铜纳米线薄膜。
2011年9月，美国杜克大学化学家本·威利领导，他的学生亚伦·莱斯梅尔等人组成的研究小组，在《先进材料》网络版上发表研究报告称，他们科学家研制出一种新型纳米结构，它具有降低手机、电子阅读器和iPad等显示器制造成本的潜力，亦能帮助科学家构建可折叠的电子产品，并提升太阳能电池的性能，目前已进入商业制造阶段。
研究小组开发出的这种新技术，可在水中“管理”铜原子，并形成长而薄但不聚集凝结分布的纳米线。这种纳米线随后可转变成透明的导电薄膜，覆盖于玻璃或塑料之上。这项新的研究表明，铜纳米线薄膜，与目前用于电子设备和太阳能电池上的薄膜具有相同的特性，但制造成本却可显著降低。
目前，连接电子屏幕像素的薄膜是由铟锡氧化物制成的，其透明程度很高，对于信息也具有良好的传导性。但铟锡氧化物薄膜必须通过蒸汽沉积，这个过程十分缓慢，而且含有铟锡氧化物的设备很容易裂开。此外，铟也是一种昂贵的稀土元素，每千克的价格高达800美元左右。威利说：“这些问题，都促使全球的科学家尽力寻找更加经济的材料，如同油墨一般，能更快速地镀在或印刷在所需的材料表面，形成低成本的透明导电薄膜。”。
铟锡氧化物薄膜的替代方法之一，是使用含银纳米线的油墨。今年，第一款屏幕由银纳米线制成的手机将会面市。但银与铟类似，仍然十分昂贵。相比之下，铜的含量十分丰富，可比铟或者银充足1000余倍。2010年，威利研究小组已经表示，有可能研制出能够覆盖在玻璃上的铜纳米线层，从而形成透明的导电薄膜。但由于铜纳米线经常聚集在一起，当时制成的薄膜性能还未达到实际应用的标准，而此次采用的新方法则解决了这一难题。
研究小组制成的铜纳米线还在弯折次数上有了较大突破，在来回弯曲1000次以后，其仍能保持传导性和形状。与此相比，铟锡氧化物薄膜的传导性和结构在几次弯折后就会损坏。
目前，威利参与创建的“纳米熔炉”公司，已开始制造可商业应用的铜纳米线，订单状况十分火爆。他表示，柔性铜纳米线低成本、高效能的特性，使其成了下一代显示器和太阳能电池的自然选择。随着此项技术的不断发展，未来的显示器将更加轻薄、可靠，太阳能也将比化石燃料等更具竞争力。
⑹研制成能自行重构电路的多维导控电流纳米材料。
2011年10月16日，美国西北大学麦科密克工程与应用科学学院，化学与生物工程教授巴托斯·格日博斯基领导，大卫·沃克等人参加的研究小组，在《自然·纳米技术》杂志网站上发表论文称，他们开发出一种能从多个方向导控电流的新型纳米材料，能调整自身排列组合重构电路，以满足不同时间的不同计算需要。这种材料可用于制造初级电子元件，为人们带来一类全新的纳米粒子电子元件，并有望使计算机能自行改装其内部电路，按照需要变成完全不同的设备。
格日博斯基说：“这是一种全新的控制转向技术，能导控连续材料中的电流方向。就像改变一条河的流向，电流通过这种材料后，也能被引导流向多个方向，甚至变成多条河流，同时流向相反的方向。”
研究人员介绍说，新材料是把硅和高分子聚合材料从多方面结合在一起。这种“杂交”材料，由一种5纳米宽的导电粒子组成，每个粒子外面涂有一层特殊的带正电的化学物质，这些粒子被带负电的原子“海洋”包围，以平衡它们所带的正电。通电时，微小的负电原子会发生迁移重建电路，而相对较大的正电粒子不会移动。通过移动包围着材料的海量负电原子，能调节高低电导区域，就生成了允许电流通过的方向路径。而通过推拉负电原子，旧有的路径会被新的路径擦除。用多种类型的纳米粒子，还可以制造出更加灵活的电子元件，如二极管和晶体管。
沃克说：“新材料除了作为现有技术的三维桥梁以外，这种可逆性能让计算机改变电流方向，在需要的时候调整自身线路。”也就是说，有一种设备，能根据计算机信号自我改装成电阻器、整流器、二极管以及晶体管，而多维电路只要使用不同的电脉冲输入序列，就能重构电路而实现这一点。
2．微电子材料研制技术创新
⑴开发出全新金属晶体生长技术。
2007年3月26日，美国能源部西北太平洋国家实验室，科学家格里高利•爱克萨霍斯领导的研究小组，在美国化学学会全国会议上表示，他们利用棉花中的纤维素制作出一种模板，并在其上获得了过去从未见过的金属晶体。这类金属晶体有望成为生物传感器、生物成像设备、药物定向输送纳米装置和催化器的组成部件。
研究人员介绍说，他们先用酸对棉花纤维素进行处理后获得自然模板，然后在模板上快速和均匀生长金属晶体，其中包括金、银、钯、铂、铜、镍和其他金属，以及金属氧化物的纳米晶体。这些晶体，表现出其他较大尺寸金属晶体所不具备的光、电和催化特性。
据悉，在研究中，酸的作用，是把棉花纤维素在羟基团含量丰富的环境里，转变成大且稳定的晶格化分子，而分子间的距离可以预见，这构成了纤维素分子模板的骨架。研究人员先在含金属的盐溶液加入模板，再将其置入加压的炉灶中，从70℃加热到200℃，或在加热装置中加温4小时～16小时，结果在模板上形成了均匀的金属晶体。
研究人员称他们的方法为“绿色处理”，因为它仅仅需要加热、晶格化纤维素和金属盐。而其他获得不同大小尺寸的，均匀纳米金属晶体的方法，则往往需要用强腐蚀性的化学物质作为还原剂和稳定剂。研究人员表示，在有关钯以及硒的有机分子耦合反应中，他们获得了金属晶体某些催化作用的初步结果。同普通的商业催化剂相比，金属粒子更小（15至20纳米）则具有更快和更高的催化转化率。
⑵开发有机单分子电子材料的方法。
2007年8月，有关媒体报道，以色列魏茨曼科学研究院材料与界面系的研究人员，与美国同行一起，首次成功地在分子电子学领域中实现了“搀杂” ，开发出由(碳基)有机单分子层所组成的价格低廉、可生物降解、用途广泛且易于操纵的电子材料。
研究人员先是把有机材料制得非常纯净，然后通过用紫外光或弱电子光束照射材料表面，对“纯净”的单分子层搀杂，从而改变构成分子层的碳原子间的化学键。这些化学键的束缚，影响了分子内的电子传递。
研究人员预见，这一方法，将被实质性地广泛用于纳米电子学领域。甚至可能会创造出不同类型电子学的方法，如有些是比我们今天的标准更高的环境友好型材料。
二、微电子晶体管研发的新进展
1．原子级微电子晶体管研制的新成果
⑴研制出只有1个原子厚的超小型晶体管。
2008年4月，英国曼彻斯特大学物理与天文学院，科斯佳·诺沃舍洛维博士和海姆教授等人组成的研究小组，在美国《科学》杂志上发表论文说，他们用世界上最薄的材料石墨烯，制造出一种超小型晶体管，这种晶体管只有1个原子厚、10个原子宽。这使人们朝着制造可靠的纳米级超小型晶体管方向，迈出重要一步。
石墨烯是由英国曼彻斯特大学物理与天文学院的安德烈·海姆教授等人，在4年前发现的。这是第一种已知的1个原子厚的材料，也是目前世界上最薄的材料。自那时起，石墨烯迅速成为物理学和材料学的热门话题。
研究人员说，石墨烯可以被刻成，尺寸不到1个分子大小的单电子晶体管。而晶体管的尺寸越小，其性能越好。
诺沃舍洛维说，与所有其他已知材料不同的是，石墨烯高度稳定，即使被切成1纳米宽的元件，导电性也很好。此外，石墨烯单电子晶体管可在室温下工作。
科学家特别指出，石墨烯晶体管或许会将摩尔定律的寿命延长。最近数十年，制造商安装在集成电路上的元件越来越多，集成电路上的晶体管数量，差不多每两年就会翻番，这就是著名的摩尔定律。摩尔定律总有终结的一天，比如目前所面临的一个问题是，当普遍采用的硅材料尺寸小于10纳米时，用它制造出的晶体管稳定性变差。10纳米成为硅材料技术无法再发挥作用的小型化极限。
诺沃舍洛维和海姆认为，石墨烯晶体管已展示出优点和良好性能，石墨烯可能最终会替代硅。但就目前技术而言，要制造石墨烯超级计算机还为时过早。科学家只是在研究中偶然制成了这种超小型晶体管。现有技术，还无法使这种材料具有真正纳米级精度。
⑵研发出首个高温电子自旋场效应晶体管。
2010年12月23日，美国物理学家组织网报道，美国得克萨斯农工大学，物理学家杰罗·斯纳夫领导的一个国际研究小组，在《科学》杂志上宣布，他们研制出了首个能在高温下工作的自旋场效应晶体管，该设备由电力控制，其功能基于电子的自旋，其中包含一个与门逻辑设备。新突破将给半导体纳米电子学和信息技术领域带来新气象。
英国日立剑桥实验室、剑桥大学、诺丁汉大学、捷克科学院和查尔斯大学的研究人员首次将自旋—螺旋状态和异常霍尔效应结合在一起，制造出了这种自旋场效应晶体管，其中包括一个与门逻辑设备，自旋场效应晶体管的概念于1989年首次提出，这是科学家首次在其中实现与门逻辑设备。
⑶制造出超小型单电子晶体管。
2011年4月，美国匹兹堡大学文理学院物理学和天文学教授杰里米·利维领导的研究小组，在《自然·纳米技术》杂志上发表论文称，他们制造出一种核心组件，直径只有1.5纳米的超小型单电子晶体管。该装置是制造下一代低功耗、高密度超大规模集成电路，理想的基本器件，具有极为广泛的应用价值。
单电子晶体管，是用一个或几个电子就能记录信号的晶体管，其尺度都处于纳米级别。随着集成电路技术的发展，电子元件的尺寸越来越小，由单电子晶体管组成的电路日益受到研究人员的青睐，其高灵敏度的特性和独特的电气性，能使其成为未来随机存储器和高速处理器制造材料的有力竞争者。
据研究人员介绍，这种新型单电子晶体管的核心组件，是一个直径只有1.5纳米的库伦岛，另外还有一两个电子负责对信号进行记录。利维说，该晶体管，未来可用于研制具有超密存储功能的量子处理器。这种处理器，将能轻松应对那些让目前全世界所有的计算机，同时工作数年也计算不完的复杂问题。同时因其中央的库伦岛，可以被当作人工原子，该晶体管还可用来制造自然界原本并不存在的新型超导材料。
利维研究小组把这种超小型单电子晶体管命名为“SketchSET”。原因在于这项技术受到了一种名为蚀刻素描画板（Etch A Sketch）的启发，这种晶体管的制造原理也与其类似。在实验中，通过原子力显微镜，研究人员用一种极为尖锐的电导探针，就能在钛酸锶晶体界面上，用1.2纳米厚的一层铝酸镧“蚀刻”出所需的晶体管。
据介绍，它是第一个完全由氧化物制成的单电子晶体管，并且其库伦岛内能容纳两个电子。经过库伦岛的电子数量可以是0、1或2，而不同数量的电子，将决定其具有怎样的导电性能。
利维表示，这种单电子晶体管对电荷极为敏感，且所使用的氧化物材料具有铁电效应，该晶体管还可制成固态存储器，即便没有外部电源，该晶体管存储器也不会丢失此前存储的信息。此外，这种晶体管对压力变化也极为敏感。根据这一特性，可用其来制成纳米尺度的高灵敏度压力传感设备。
2．分子级微电子晶体管研制的新进展
⑴制成可在纳米尺寸上引导电子的分子晶体管。
2005年5月，加拿大国家纳米技术研究所、加拿大阿尔伯塔大学及英国利特浦大学联合组成的一个研究小组，在《自然》杂志上发表研究成果称，他们成功研制出分子晶体管的模型。
晶体管是当代电子设备的基础，目前最快的晶体管，也需要一百万的电子来转换电流。而该研究小组在研究中，首次实现用一个电子，来转换通过一个纳米尺寸分子的电流。尤其值得注意的是，他们的实验成果是在室温下取得的，而以往此类实验通常都在低温下完成。
研究小组利用扫描隧道显微镜，证明他们的分子晶体管，可以在纳米的尺寸上引导电子。他们的实验结果同时也与计算机模型的预测相同。
有关专家认为，这项研究显示了硅电子应用的潜力。如果能成功控制单个分子晶体管并把它们联结起来，就能制造速度更快、更节能、产生热量更少的电器。该研究小组这一研究，为未来制造更小型和功能更强大的处理器打下基础。但研究人员同时认为，这项研究的实际应用至少还需要十年时间。
⑵发明单分子“量子干涉效应晶体管”。
2006年9月，美国亚利桑那州大学物理学家苏米特•玛祖达、大卫•卡德蒙、查尔斯•斯塔福德等人组成的一个研究小组，在《纳米科学》网络版发表研究成果称，他们发明了把单分子转变为工作晶体管的工艺。这项成果的出现，使纳米学专家梦寐以求的下一代微型高效计算机研制方法，获得了突破性进展。
晶体管是一种设置电流开关状态的装置，就像花园水管上用来控制水流开关的阀门一样。亚利桑那州大学的物理学家，正计划制造出尺寸在1纳米，即十亿分之一米的微型晶体管。
⑶制成以单个苯分子为材料的分子晶体管。
2009年12月23日，美国耶鲁大学发表新闻公报称，该校工程和应用科学系教授马克·里德领导，他的同事及韩国光州科学技术研究院研究人员组成的一个研究小组，合作制成以单个苯分子作为材料的分子晶体管。
研究人员说，苯分子在附着到黄金触点上后，就可以发挥硅晶体管一样的作用。研究人员能够利用通过触点施加在苯分子上的电压，操纵苯分子的不同能态，进而控制流经该分子的电流。
里德教授说：“这就像推一个球滚过山顶，球就代表电流，而山的高度则代表苯分子的不同能态。我们能够调整山的高度，山低时允许电流通过，而山高时则阻止电流通过。”
研究人员说，由于流经苯分子的电流能够控制，因此就可以像使用普通晶体管一样使用苯分子晶体管。
里德指出，这项研究只能算得上科学突破，而像“分子计算机”这样的实际应用，即使真的可以实现，也需要几十年的时间。
3．纳米级微电子晶体管研制的新成果
⑴开发可用于太阳能电池的碳纳米二极管。
2005年8月，通用电气公司全球研究中心，是通用电气公司专门进行科技研究的机构，近日它透露了碳纳米二极管技术的开发。碳纳米二极管技术将用于廉价太阳能电池技术的开发。这是去年通用电气公司全球研究中心开发和宣布的新颖碳纳米二极管装置的改进。
通用电气公司资深纳米技术领导玛格丽特·布洛赫姆，在一份声明中说：“通用电气公司开发碳纳米二极管装置的成功，不仅仅表明通用电气公司是新时代电子技术的先驱，这一新技术的成功潜在的公开了一条太阳能研究的通道。在我们开发的碳纳米管装置中光电效应的发现，将导致在太阳能电池领域出现令人激动的突破。人们不仅可以获得太阳能电池更多的效率，在主流电池能量市场，消费者有了进行更多可行的选择余地。”
通用电气公司全球研究中心表示，不同于传统的二极管，通用电气公司开发的碳纳米二极管能够执行多种功能，一个二极管和二个不同类型的晶体管能够发射和侦查阳光。通过一个P型和一个n型半导体材料的连接构成了二极管。在通用电气公司开发的碳纳米二极管装置中，采用静电掺杂技术构成了两个区域。使用两个分离的栅极连接两个等分的碳纳米管，通过一个阴极偏压和其他使用的阳极电压，碳纳米管的P-n结就可构成。
通用电气公司的研究人员发现，一个理想的二极管，可以中止碳纳米管中间部分信号再结合的发生。这些试验结果，显示出碳纳米管在接触基体时是非常灵敏的。这一发现，为任何基于碳纳米管装置的工作原理提供了重要的线索。
通用电气公司全球研究中心指出，在光能量转换成电流的过程中，通过测试碳纳米管的参数、科学家进一步详细阐述了理想二极管的性能，尽管提供的能量比光的波长小1000倍，但由于提高了理想二极管的参数，碳纳米管显示了重要的能量转换效率。
碳纳米二极管技术的开发，是通用电气公司主要开发计划的一部分，通用电气公司保证在未来五年中用于新技术开发的投资水平将超过两倍，达到7亿至15亿美元。作为这一承诺的一部分，通用电气公司全球研究中心，将积极安排光电技术的开发，研究阳光产生能量的成本效益和更多的效率。
⑵发明纳米混合热晶体管。
2007年8月，芬兰赫尔辛基理工大学电子专家马蒂亚斯·麦什科等人，与意大利的合作者共同组成的一个研究小组，在《物理评论快报》上发表研究成果称，他们研制成世界上第一个纳米尺度的混合热晶体管。
麦什科表示，这种热晶体管，代表了制作更方便的制冷装置的最新进展。目前这种晶体管还比较基本，需要进一步研发。但是这种原理，将来一定能够被使用在航天等领域上。
这种热晶体管最大的优势，是它纳米级的尺寸。通常的制冷手段，往往需要大而笨重的设备，制作低温很困难且成本很高。而这些新型的热晶体管能够很容易地达到同样的低温。
芬兰研究人员另一个发现，是关于利用晶体管门装置的。通常，在传统的晶体管方案中，门电压使用来控制电流的。研究人员发现门电压同样会影响温度。
麦什科说：“原理上这很简单。我们把半导体通过隧道节连接在一块普通金属上，然后在两个节之间加电压。我们可以通过所加电压来控制单个电子的流动，调节接触来确保只有热电子能够逃脱，这样的结果便是制冷。这个过程可还以被转换，从而实现加热。”他还说：“提高灵敏度要求装置越小越好，但是一旦小到纳米尺度，一个电子就能改变能量，因此不能有第二个电子跟进来。所以缩小的装置往往会不工作。而我们得宜于门技术，能够控制电子流动，使整个微型装置能够正常工作。”
⑶研制出新型生物纳米电子晶体管。
2010年5月，美国劳伦斯伯克利国家实验室，研究人员亚历山大·诺伊等人组成的研究小组，在《纳米快报》上发布研究成果称，他们建造了可由三磷酸腺苷驱动和控制的生物纳米电子混合晶体管。研究人员称，新型晶体管是首个整合的生物电子系统，它将为义肢等电子修复设备与人体的融合提供重要途径。
三磷酸腺苷可作为细胞内能量传递的“分子通货”，储存和传递化学能，为人体新陈代谢提供所需能量；其在核酸合成中亦具有重要作用。
诺伊表示，离子泵蛋白，是新型晶体管装置中最核心的部分。此次开发的晶体管，由处于两个电极之间的碳纳米管组成，起半导体的作用。纳米管的末端，附有绝缘聚合物涂层，而整个系统则包裹于双层油脂膜之中，与活体细胞膜的原理相似。当科学家将电压加在电极之上时，含有三磷酸腺苷、钾离子和钠离子的溶液便会倾泻而出，覆盖在晶体管装置表面，并引发电极之间电流的流动。使用的三磷酸腺苷越多，产生的电流也越强烈。
研究人员解释说，之所以会产生如此效果，是由于双层油脂膜内的蛋白质，在接触三磷酸腺苷时，会表现得如同“离子泵”一般。在每个周期中，蛋白质会往一个方向抽送3个钠离子，并向相反方向抽送2个钾离子，致使1个电荷，在“离子泵”的作用下，越过双层油脂膜抵达纳米管之中。随着离子的不断累积，其将在纳米管中部的周围产生电场，从而提升纳米晶体管的传导性。
耶路撒冷希伯来大学的伊特玛·维尔纳表示，这一生物电子系统，通过离子运动把纳米层级的机械能转化为电能，从而为晶体管的运行提供支持。在这种情况下，晶体管可被用于制造由生物信号驱动和控制的电子设备。例如，这一进展能使电子仪器不需电池或其他外界电力供给便可永存于体内，而义肢等人体修复器械，也有望直接与人体神经系统“连线”。诺伊希望，这种技术，将来能被用于建设无缝生物电子界面之中，以实现生物体和机器的更好沟通。
⑷开发出纳米级砷化铟镓晶体管。
2012年年12月，物理学家组织网报道，美国麻省理工学院电气工程和计算机科学系教授，德尔·阿拉莫领导的研究小组，开发出有史以来最小的砷化铟镓晶体管。这个复合晶体管，长度仅为22纳米。
阿拉莫表示，随着硅晶体管降至纳米尺度，器件产生的电流量也不断减小，从而限制了其运行速度，这将导致摩尔定律逐渐走到尽头。为了延续摩尔定律，研究人员一直在寻找硅的替代品，以能在较小尺度上产生较大电流。其中之一便是砷化铟镓，已用于光纤通信和雷达技术的该化合物具有极好的电气性能。
研究人员说，使用砷化铟镓，创建一个纳米尺寸的，金属氧化物半导体场效应晶体管，是可能的，金氧半场效晶体管是微处理器等逻辑应用中最常用的类型。晶体管包括3个电极：栅极、源极和漏极，由栅极控制其他两极之间的电流。由于这些微小晶体管的空间十分紧张，3个电极必须被放置得相互非常接近，但即便使用精密的工具，也很难达到精确水平。该研究小组则实现晶体管栅极，在其他两个电极之间进行“自对准”。
研究人员首先使用分子束外延法生长出薄层的砷化铟镓材料，然后在源极和漏极上沉积一层金属钼。研究人员使用电子聚焦束，在该基底上“画”出一个极其精细的图案，然后蚀刻掉材料不想要的区域，栅氧化物便沉积到微小的间隙上。最后，将钼蒸汽喷在表面上形成的栅极，可紧紧地挤压在其他两个电极之间。
阿拉莫表示，通过刻蚀和沉积相结合，栅极就能安放在四周间隙极小的电极之间。他们的下一步目标将是，通过消除器件内多余的阻力来进一步改善晶体管的电气性能，并提高其运行速度。一旦实现此一目标，他们将进一步缩减器件尺寸，最终将晶体管的栅极长度减至10纳米以下。
4．功能型微电子晶体管研制的新进展
⑴发明称作最小“冰箱”的新型精微晶体管。
2007年7月7日，芬兰赫尔辛基科技大学，物理学教授尤卡·佩柯拉率领的一个研究小组，在《物理评论快报》上发表研究成果说，他们研制出一种新型精微晶体管，堪称世界上最小的人造“冰箱”，它尽管无法冷冻一块牛排，却能够用来冷却那些探测宇宙中寒冷的尘埃与气体的X射线传感器。
如今排列在电脑芯片上的大部分晶体管，主要依赖于在超导材料薄层间传输的电流。其功能，即所谓的逻辑门：它们利用一个很小的电压变化，来控制电流的通与断。与此形成对照的是，新研制的晶体管则是第一个控制热流动的设备。
佩柯拉研究小组设计了一种半导体，在这一装置中，电子能够从超导材料跃迁到晶体管的一个铜极上。研究人员通过改变电压实现了对电子能级的微调，当达到一个“最佳位置”时，那些能量更高、“滚烫”的电子，会重新返回超导材料。而那些能量较低的电子，则依然停留在铜极上，从而最终使温度下降到0.1开氏度。这一温度，略低于用氦-3进行冷却所能达到的0.3开氏度，后者是一种标准的低温技术。
⑵研制出可传输质子流的新式晶体管。
2011年9月，美国华盛顿大学材料科学与工程副教授马科·罗兰蒂领导的研究小组，在《自然·通信》上网络版上发表研究成果称，他们开发出一种能传输质子流的新式晶体管，有望开发出和生物体直接沟通联系的设备。
在体内，质子处于“开”或“关”两种状态，它在生物能量转移中至关重要，可通过细胞膜中的离子开关通道，把物质吸进或推出细胞；动物和人则用离子传输大脑和肌肉信号来保持灵活运动。那些能与人体生理过程相连的设备，可用来开发生物传感器或义肢。但通常，这些设备都是用带负电荷的电子来输送信息，而非质子或离子。
如何让一台机器和一个生命系统兼容，这两者间的接口是最大的挑战。
罗兰蒂说：“怎样才能把电子信号转化为离子信号，或反过来？我们发现了一种生物兼容材料，非常适于传导质子，很有可能成为连接生命系统的接口。”
这种材料是一种改良的壳聚糖，最初从鱿鱼骨中提取，也能从食物加工厂丢弃的蟹壳和鱿鱼骨中回收利用。研究人员发现，它在传输质子方面效果显著，能吸水而形成许多氢键，由此质子能从一个氢键跳到另一个。他们还用电荷传输计算机模型进行验证，与实验结果能够很好地吻合。
研究人员制作的样品设备，仿照了一种场效应晶体管，宽约5微米，是人类发丝的1/20，包括一个栅极、一个漏极和一个源终端，但它传输的却是质子流脉冲。罗兰蒂说：“在我们的设备中，生物激发分子能移动质子，质子流可以被打开或关闭。这种方式，完全能比拟，任何其他的场效应晶体管中的电子流。”。
关于这种晶体管的应用，罗兰蒂说，在下个10年左右很可能出现实验室用的细胞直接传感器。目前的质子流样品设备有一个硅基，不能用在人体中。但从长远来看，可能会有能直接植入生物体内的兼容设备，监控甚至控制特定的生物过程。
三、微电子电路研究的新成果
1．微电子集成电路的新进展
⑴发明用纳米材料印制集成电路。
2005年6月，国外媒体报道，俄罗斯科学院物理技术研究所，尤里•高尔捷耶夫教授领导的研究小组，提出利用纳米巴基球材料印制集成电路的新方法。利用该方法生产的集成电路质量高、效益好，生产过程中不会出现石印技术中产生的“湿”和“脏”的问题。该项目得到俄罗斯教育科学部和“发展与独联体国家科学家合作的国际协会”（INTS）的资助，并已在俄罗斯申请专利。
目前，微电子技术中，石印刷生产集成电路的方法，主要是在制作的元件表面上覆盖防染剂，该元件是用导电材料、绝缘体和半导体材料制成的。在元件表面上覆盖防染剂目的，是在其上面建立隐蔽的集成电路元件造型，经过有机溶液的处理后，隐蔽的造型就像冲洗胶片一样留下了。但这样生产的集成电路，容易被化学或等离子体等物质破坏，也容易因溶解液纯度不高出现杂质产生质量问题，容易在生产过程中出现令人头疼的“湿”和“脏”的环境污染问题。高尔捷耶夫教授建议使用纳米巴基球材料做防染剂解决上述问题。
高尔捷耶夫认为，如果在某个衬底表面，镀上一层巴基球，就可以获得一种称为巴基球的材料，然后对这个表面小心进行加热，所有的巴基球像碘分子一样蒸发了而不被破坏。但如果用一束电子束作用巴基球材料层，其上巴基球将被破坏，转变成非晶体碳材料牢固地留在制件表面，这样的非晶体碳材料结构具有导电性，是一种有潜力的量子导体，比如可作三极管的开关和其他重要电子元件。因此，如果在这个过程中，使部分巴基球蒸发，部分留在制件表面，就可以生产集成电路。他说，这种方法能够生产大小在几个纳米的超微型电子元件，大大提高现代微电子技术工艺中集成电路生产的质量，并解决目前集成电路石印技术中产生的“湿”和“脏”的问题，是一种“干燥”的集成电路生产方法。
高尔捷耶夫指出，目前，纳米技术工艺已经可以生产出上百千克的巴基球材料。因此，在当前的技术条件下，他提出的方法适合于像手机这样比较简单的集成电路的生产，将来技术和工艺完善后可以用于微型中央处理器集成电路的生产。
⑵制成DNA分子组成的迄今最复杂生化电路。
2011年6月3日，加州理工学院生物工程系学者钱璐璐，与同事埃瑞克·温弗利教授等一起组成的研究小组，在《科学》杂志上发表研究成果称，他们使用DNA分子，在一个试管中构造出迄今最复杂的生化电路。科学家表示，这些电路可用来探测生物系统内部信息处理的基本原理，也可用来设计具有决策能力的生物化学路径等。
逻辑门是使计算机在正确的时间，做出正确行动的数字逻辑电路的基本组成元件。传统计算机中的逻辑门，由电子晶体管制成，导线把它们连在一起形成电路。而该研究小组制造的生化电路，其逻辑门则由装满盐水的试管内的DNA分子组成。与电子电路中以电子流入和流出晶体管作为信号不同，用DNA制成的逻辑门把接收和发出分子作为信号，这些分子信号从一个特定的逻辑门漫游到另一个，好似有无形的导线把它们连在一起组成电路。
钱璐璐解释道，此前实验室制造的生化电路都有局限性，当电路增大时，其工作的稳定性和可预测性会随之下降。因为不同的电路，需要不同的分子结构来实现其功能，因此，电路越大，结构越复杂，调试难度也随之增加。而新方法制造出的分子元件结构简单且标准化、运作稳定也容易进行规模化的制造，可以制造出更大更复杂且运行稳定的电路。
研究小组利用新方法制造出几个电路，其中最大的一个包含有74个不同的DNA分子，可以计算不超过15的整数的平方根。研究人员通过监测输出分子的浓度获取答案，整个计算过程耗时10小时，因此，它无法很快取代笔记本电脑。但这种电路的主要目标不是取代计算机，而是让科学家更好地对生化过程进行逻辑控制。钱璐璐说：“我们想要制造出更加尖端的生化电路来完成更加复杂的任务，让分子设备根据具体环境做出行动。”
钱璐璐表示，他们的电路有几个新特性。首先，所有逻辑门的结构都一样，区别只在于DNA序列不同。因此，同一类元件可以连在一起，制造出任何电路。更重要的是，研究人员不需要了解电路背后的分子机制，就可以制造出电路。另外，通过调整某些DNA分子的浓度，研究人员可改变逻辑门的功能。而且，这些组成元件可以即插即用，因此很容易重新组装成不同的电路。
新研究让科学家在设计应用于生物、化学工程的化学反应方面，拥有前所未有的掌控力。未来，人工合成的生化电路，可探测血液样本中各分子的浓度，并把信息整合后进行病理学诊断。
⑶研制成以碳纳米管为基础的全晶片数字电路。
2012年6月，美国斯坦福大学和南加州大学有关人员组成的研究小组，开发出一种设计碳纳米管线路的新方法，首次能生产出一种以碳纳米管为基础的全晶片数字电路，即使在许多纳米管发生扭曲偏向的情况下，整个线路仍能工作。
碳纳米管（CNTs）超越了传统的硅技术，在能效方面有望比硅基线路提高10倍。第一个初级纳米管晶体管诞生于1998年，人们期望这将开启一个高能效、先进计算设备新时代，但受制于碳纳米管本身固有的缺点，这一愿望一直未能实现。
在碳纳米管能变成一种有现实影响力的技术之前，至少还要克服两大障碍：第一，研究已证明，要造出具有“完美”直线型的纳米管是不可能的，而扭曲错位的纳米管会导致线路出错，以致功能紊乱；第二，迄今还没有一种技术能生产出完全一致的半导体纳米管，如果线路中出现了金属碳纳米管，会导致短路、漏电、脆弱易受干扰。
针对这两大难题，研究人员设计了一种独特的“缺陷-免疫”模式，生产出第一个全晶片级的数字逻辑装置，能不受碳纳米管线向错误和位置错误的影响。此外，他们还发明了一种能从线路中清除那些不必要元素的方法，从而解决了金属碳纳米管的问题。他们的设计方法有两个突出特点，首先是没有牺牲碳纳米管能效，其次还能与现有的制造方法和设施兼容，很容易实现商业化应用。
研究人员表示，下一步，将尝试造出数字集成系统的基本组件：计算线路与序列存储，以及首个高度一体化的整体三维集成电路。
2．微电子电路开关的新成果
研制成功世界首个纳米碳管电路开关。
2005年8月14日，美国圣地亚哥市加利福尼亚大学，材料科学家普拉巴卡尔·班达鲁领导的研究小组，在《自然·材料学》上发表研究报告称，他们研制出世界上第一个完全由纳米碳管制成的电路开关，他们希望这种成本更低、体积更小、速度更快的纳米碳管元件能够代替硅芯片。
这种元件是一种Y型纳米管，而它的作用和普通家用的晶体管一样。从一个支管流向另一个支管的电流，受到第三支管电压的控制来完成开关动作，而且永远只有两种情况，要么开，要么关。
班达鲁说：“纳米管开关体积小、灵活的开关动作，绝对适合成为新一代的晶体管材料，” 研究小组通过在直纳米管的生长过程中添加一种钛铁催化剂来制造Y型纳米管。在一个催化剂粒子粘附到纳米管的一侧时，就形成了一个新的支管。
传统的晶体管是由数层半导体材料构成，比如说硅。目前随着制造技术的进步，芯片的体积已经变得更小，赋予了台式电脑更加强大的计算能力。
但是，在元件的体积越来越小的同时，漏电情况也变得越来越严重，导致温度升高、废热，并且使有些本应关闭状态的开关依然处于开启状态。但是，硅芯片的体积看起来已经不可能进一步缩小了。
所以，研究人员正尝试寻找新方法，用纳米碳管来起到相同的作用。碳分子管卷不仅能够导电，而且比硅电路的体积更小，大概只有一米的十亿分之几。
纳米碳管还能够通过更加低廉的化学方法来制造，这样一来就能避免目前电路制造技术中费时费力的增层和蚀刻等工序。瑞典卢德大学的物理学家许洪其解释说：“这能够帮助我们实现制造体积更小、功能性更加复杂的仪器，”。
研究人员已经使用纳米碳管制成逻辑电路，但是这些电路需要金属“关卡”来控制电荷流动。许洪其表示，实现这样的目标需要分好几步才能完成，所以与传统电子元件相比，这种产品在经济成本方面完全没有竞争性。
班达鲁进一步解释说，新的电子仪器中所需要的“关卡”是纳米结构的一部分，也就是说整个结构是完全独立的，而研究人员能够调整纳米碳管中央的催化剂粒子来实现改变仪器的切换性质，例如在不同的电压间切换等。
目前这一研究小组正尝试研制T型和X型的纳米碳管来实现其它不同的功能。班达鲁说：“想到未来可能实现的种种可能，我就会兴奋不已，”。
3．微电子混合集成电路元件的新成果
⑴提出分子将成为新型混合芯片的存储单元。
2006年8月，有关媒体报道，数字时代的发展，要求电子元件的运行速度更快，体积更小，价格更便宜。科学家们正在向这个方向努力，其中最有希望的技术之一是混合集成电路。它结合了微米、纳米和分子等不同的技术。虽然目前混合集成电路的发展遇到了很多挑战，但是这项技术很有希望生产出存储密度极高的芯片。
意大利科学家的研究表明，分子将成为新型混合芯片的存储单元。他们设计的混合集成电路装置，从微电子硅芯片出发，硅芯片上有纳米交叉点，每个交叉点上最多有一万个分子，所以被称为“微米——纳米——分子集成电路”。其中单个分子起到存储设备的作用，因为它们具有两个不同的导电状态（电压高和低），可以用来记录比特信息。每个分子都利用电子形成的电流来存储不同的状态，导通或切断。电子可以通过隧穿效应，抹除掉存储的信息。
研究者表示，这些假设的分子，可以模仿闪存单元的结构和功能。如果分子允许存在导电性差别很大的两种状态，那么整个结构，就可以看成是一个混合纳米微型集成电路，比特密度将达到每平方厘米1000亿。
研究者指出，为了把这项技术应用于实际生产，还需要对以下几方面进行改进：沉积技术、氧化技术和各项异性腐蚀技术，以及允许在相对短的时间内反复读写的技术。并且，要求亚微米尺度上存在的化学、流变学等性质，在纳米尺度上也仍然能够存在。
⑵研制成由半导体和有机分子组成的分子电子器件。
2008年3月，美国国家标准和技术研究院的一个研究小组，在新出版的美国化学学会杂志上发表论文说，他们成功地寻找到，把半导体材料组成的微电子电路，与复合有机分子材料组成的器件相连接的途径。
研究人员把有机分子单层结构，组装到普通微电子硅基底上，获得半导体和有机分子组成的电阻。据介绍，这种技术同样以硅为基底，与工业标准互补型金属氧物半导体晶体管（CMOS）生产技术相兼容，为未来金属氧物半导体与分子混合器件电路的制造，铺平道路。可以说，该混合器件电路，将是金属氧物半导体晶体管之后，即将出现的全分子技术的基础或前身。
该研究小组首先发现，他们采用新创技术，能够把高质量的有机分子单层，组装到工业金属氧物半导体晶体管制造中常见的硅切面上。通过外延光谱分析，研究人员证实了自己的研究成果。
随后，研究人员利用相同的技术，研制出简单但具有工作能力的分子电子器件：电阻。他们用碳原子链组成单层结构，每条碳原子链的端点与硫原子相系，并将原子链放入硅基底上的深度为100纳米的小井中，然后用一层金属银封住井口，同时井上端形成顶部电接触点。他们表示，金属银不会取代碳原子链组成的单层结构，也不会阻碍单层结构发挥正常功能。
据悉，研究人员共研制出两个分子电子器件，每个器件具有不同长度的碳原子链。正如所预期的那样，两个器件在测试中均成功地表现出电阻的作用，同时碳原子链更长的器件其电阻更大。研究人员还证明它们显示非线性电阻的性能。研究人员表示，他们下一步目标，是制造一个金属氧物半导体与分子的混合电路，以证明分子电子原件能够与当今的微电子技术协调工作。
四、微电子收音机研制的新成果
⑴研制出由单一碳纳米管构成的收音机。
2007年10月31日，美国加州大学伯克利分校亚历克斯·泽托教授主持的研究小组，在《纳米通信》网站上刊登研究报告称，他们研制出迄今为止世界上最小的收音机：它由单一的、尺寸仅为头发丝直径万分之一的碳纳米管构成，人们加上电池和耳机，就能用它收听到自己喜欢的广播节目。
同传统收音机相比，纳米收音机具有显著的特点。在纳米收音机中，碳纳米管集天线、调谐器、放大器和解调器于一身；在传统标准的收音机中，各个功能由相互独立的部件来完成。
为探测到广播的无线电信号，纳米收音机的碳纳米管被置于真空管中，并钩挂在电池负极上。广播电台的无线电信号经过后，其产生的电场将不断”推”和”拉”纳米管，也就是碳纳米管随无线电信号发生共振，利用这种共振现象，可以探测到无线电信号。研究人员表示，他们在碳纳米管的自由端，安装了非接触式正电电极，其目的是改变碳纳米管的张力，以便让碳纳米管具有可变的振动频率。
研究人员说，非接触式电极，除能让碳纳米管具有可变的振动频率外，还能使碳纳米管成为无线电信号放大器。因为当电极的电压足够高时，它能将碳纳米管自由端的电子夺过来。由于此时碳纳米管处于振动中，因此电子从碳纳米管到正电电极时，产生的电流如同被放大了的无线电信号，这类似于早期收音机和电视机中的，老式真空管放大器的场致发射放大原理。
此外，场致发射和振动两者的结合，还能调解无线电信号。经过这番处理，利用非常灵敏的耳机，人们便可听到广播的节目内容。
伯克利分校亚历克斯·泽托教授称，他们研制的纳米收音机比人类首批商业化的收音机要小1000亿倍。虽然目前纳米收音机还只是设定成无线电接收器，但它也可改变成无线电发射器。他说，纳米收音机将具有广泛的应用途径，纳米收音机的研制也许还将引领他们开拓出崭新的应用领域。
⑵研制出体积比沙粒还小的纳米收音机。
2008年 1月30日，美国伊利诺伊大学，与一些其他机构组成的一个研究小组，周一在美国《国家科学院学报》网络版上撰文表示，他们利用纳米技术，成功研制出比粒沙还小的收音机，并成功利用它收听到日常的广播节目。
研究人员表示，他们利用粗细约相当于人头发丝十万分之一的碳纳米管，制造出微型收音机，个头比沙粒还小。研究人员克服了在如此微小的尺度上，进行空间布局和控制电子性质等诸多困难，利用碳纳米管制造出射频放大器和混频器等收音机所需的关键部件。这种纳米收音机使用正常大小的耳机和天线。在测试中，科学家成功利用它收听到美国巴尔的摩一家广播电台的交通节目。
