近年來，在國家?guī)醉椈痦椖康闹С窒拢_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。 正像美國總統(tǒng)顧問尼爾萊恩指出的：“納米技術(shù)不僅僅是向小型化邁進(jìn)了一步，而是邁入了一個嶄新的微觀世界，在這個世界中物質(zhì)的運(yùn)動受量子原理的主宰。”從某種意義上說納米技術(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)的一個重要途徑是設(shè)計與合成具有傳導(dǎo)和控制電流或信號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)）還沒有做出來，也沒有演示過。但是，一種已能正常工作的分子導(dǎo)線已被合成和測試。正在攻克分子電子晶體管制造和測試難題的小組包括：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可以運(yùn)轉(zhuǎn)的邏輯結(jié)構(gòu)仍是一個棘手的難題。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)室最近演示過的一種方法把分子元件排列在一個平面上。組裝較大電子器件的另一種可能的途徑是通過陣列的自組裝。普度大學(xué)的一個跨學(xué)科小組在這個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)迅速微型化這個趨勢所必需的。 4.納米尺度量子點(diǎn)電池和無線邏輯器件
圣母大學(xué)的倫特教授和波羅教授提出的構(gòu)建無線量子點(diǎn)計算機(jī)邏輯的設(shè)計理念對于制造納米電子計算機(jī)來說是一個很有前途的創(chuàng)意。然而，要成為一個實(shí)用的設(shè)計方案，還需制造出這種類型的納米器件并對其進(jìn)行測試。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，這個方面的工作正在進(jìn)行中。 5.兆兆位量子效應(yīng)電子存儲“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)是兆兆位的存儲器陣列或芯片。這可為具備快速存取能力但沒有可動機(jī)械部件的計算機(jī)信息系統(tǒng)提供海量存儲手段。其典型應(yīng)用之一也許是在這樣一塊芯片上存儲一部電影。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。因此，僅靠一臺微型掃描隧道顯微鏡或微型原子力顯微鏡一次組裝一個納米結(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”來完成。這個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.與能移動單個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)的一個虛擬環(huán)境是一項偉大的、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還很原始。下一步是把一個相似的虛擬環(huán)境連接到一個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)時所用到的探針一樣。接著，人們也許可以“體驗(yàn)”如何對制造納米計算機(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與虛擬環(huán)境相連的正在進(jìn)行的納米試驗(yàn)。一個相對困難的、重要的挑戰(zhàn)是做到在數(shù)字計算機(jī)上實(shí)時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)，接著利用這種計算機(jī)模擬為納米技術(shù)研究人員生成一個虛擬體驗(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，仍有一些問題沒有解決，即由數(shù)萬億電子元件以前所未有的密集度組裝而成的一臺小計算機(jī)的適當(dāng)結(jié)構(gòu)及整體布局的問題。整體結(jié)構(gòu)問題中最重要的是眾所周知的“互連問題”。簡單地說，就是信息在這樣一種密集的計算結(jié)構(gòu)中如何進(jìn)出的問題。納米計算機(jī)將把巨量信息存儲在一個很小的空間內(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)來控制和協(xié)調(diào)計算機(jī)的諸多元件。這些事實(shí)說明，計算元件之間、計算元件與外部環(huán)境之間需要有大量的連接。就大多數(shù)常規(guī)計算機(jī)設(shè)計的微型化而言，由于電線之間要相互隔開以避免過熱和干擾或“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)在為互連問題及其它結(jié)構(gòu)問題尋找創(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。 
