今天市場上的微處理器是通過蝕刻矽片製造的，其精度小到14納米。儘管多年來這種精度有了很大的提高，但今天的微處理器基本上是用為前幾代微處理器開發的相同類型的結構製造的。進一步縮小基本元件的尺寸可能會改變相關物體的性質，它們可能不再提供最初設計的相同功能。在這個尺寸領域，經典物理學在許多情況下演變為量子物理學，在這個新的物理環境中，必須想像出新的設備。

爭取實現少數電子

電晶體在電子傳輸的基礎上作為一個開關工作。電子移動產生信號，用於攜帶、存儲和處理信息。例如，一個比特可以從1切換到0，反之亦然。幾個電晶體適當地聯繫在一起，可用於構建邏輯門或存儲器元件。大量關聯的電晶體被用來製造微處理器。縮小電晶體或存儲器，正如歷代微電子技術所做的那樣，可以減少能源消耗，因為需要更少的電子來產生數位訊號。這就是為什麼用較小的元件製造的微處理器通常用於可攜式計算機，而那些雕刻不太精確的微處理器則用於台式計算機的原因。電子運輸需要能量。

這種能量通常由電網或電池提供。在金屬氧化物半導體場效應電晶體（MOSFET）等固態設備中，開關或放大一個信號所需的電子數量為1至1萬個。單個電晶體的效率隨著其尺寸的減小而增加。縮小源極和漏極（通道）之間的距離可以提高工作速度。減少氧化門的厚度也會增加效率。然而，在低於1.2納米時，會發生隧道效應，產生從柵極到主體的電子泄漏，並增加MOSFET的能量消耗。

為了減輕這種影響，矽二氧化碳絕緣材料可以用更高的二電常數的材料代替。最終的目標是使用單電子裝置。然而，隨著電子數量的減少和器件尺寸的縮小，特性也會發生變化，因為在大尺寸時可以忽略不計的現象在小尺寸時就變得很重要。此外，使用較少的電子也意味著器件對熱背景的隨機噪聲更加敏感，這個問題往往需要新的操作條件。

庫倫封鎖

由於可以在納米尺度上工作，科學家和工程師們已經開發出了可以精確控制每個電子流的單電子裝置，並且單電子器件的一個基本原理，這就是庫侖阻斷現象。它意味著電子通過具有小電容的金屬結的隧道需要靜電充電能量，因此在低溫和小的應用電壓下可能會被抑制。

靜電勢壘是一個經典的概念，穿過勢壘的隧道是一種量子效應。為了進一步闡明這一點，讓我們考慮兩個金屬板，它們之間由一個絕緣體薄層隔離，每塊金屬板都是電中性的，都有相等數量的正電荷（離子）和負電荷（電子）。

任何物體的淨電荷都是元素電荷e的整數倍，換句話說，電荷是量化的。電子的電荷是減去基本電荷-e（-1.60217662×10^-19庫侖），質子的電荷是+e（+1.60217662×10^-19庫侖）。兩個物體之間的電子轉移總是會產生一個變化，這個變化是基本電荷-e的倍數。如果在其中一塊金屬板上施加一個正電荷，第二塊金屬板上就會出現一個相等的負電荷。此外，在金屬中，電子的運動和離子的振動在金屬板上引起了電荷的波動，這種波動圍繞著作為時間函數的平均值，允許非整數的值。因此，儘管金屬板上的平均電荷Q是基本電荷的整數倍，當Q很大時，它可以被視為一個連續變量。

再次考慮圖中顯示的具有非常薄的絕緣層的兩個導體的排列，但現在假設該裝置保持在非常低的溫度下，通常是1K（一個絕對度）。低溫確保系統始終處於最低能量狀態，而不是由於熱激發而處於激發狀態。如果絕緣體足夠厚，就沒有電流可以從一個導體傳到另一個導體，這樣的系統表現為一個電容器。隨著絕緣體的厚度減少，電子隧道成為可能。如果我們在兩個導電電極之間施加一個偏置電壓，電子電流就可以流動。

由於絕緣體位於兩個導電電極之間，因此該系統同時具有電阻和電容。在圖的頂部，假設電極上沒有淨電荷。如果一個電子從左邊穿越到右邊，左邊將有一個電荷量為+e的空穴（一個電子缺失），而右邊還有一個帶電荷的電子-e，這就是圖中底部所示的構型。在初始狀態和最終狀態之間，有一個2e的電荷差。一個電子在結上的移動增加了系統的能量。由隧道引起的電壓差U等於U=e/C，其中C是結點的電容。

如果電容非常小，也就是這些納米級系統的情況，U可以大到足以阻止電子進一步隧道化。如果隧道從右到左發生，也存在類似的情況。因此，如果不向系統提供外部能量，就不會有更多的電子通過隧道穿過結，這就是庫侖封鎖的基本思想。由於電荷的波動，有可能暫時在左、右電極上分別出現-e/2和+e/2。在這種情況下，如圖的底部所示，一個電子可以從右邊移動到左邊，因為電極上的電荷只是改變了符號，但系統的能量將保持不變。有趣的是，一個電子可以隧道，但不能同時有兩個，否則就需要額外的能量。

有了這種認識，我們考慮更複雜的裝置。一個尺寸通常為100納米或以下的小金屬點，扮演著中心電極的角色，通過絕緣體結與外部電極分開。如果點中沒有電荷，由於庫侖封鎖機制，電子不能穿過結點。用矩形表示的柵極，用於施加外部電壓。能量可以被注入到設備中，點可以被外部控制。施加一個外部電壓會改變點上的電荷。如果這個電壓的值使電荷改變為+e/2，那麼電子穿越到點上的概率就會急劇增加。

只有一個電子可以通過隧道，點的電荷就變成了-e/2。現在，點中的電子可以從點中隧道出來，到達第二個電極。這個過程被稱為相關隧道。這個裝置允許電子一個接一個地穿過點。電流的流動由施加到柵極的電壓決定，這與MOSFET的柵極工作原理類似。庫侖封鎖發生在-e/2C和+e/2C之間。電流和電壓之間的關係並不遵循歐姆定律，因為該定律在此圖中對應於一條直線。

單電子電晶體

我們注意到，電晶體是用於信號調製、放大、穩壓等的三端設備。根據電晶體的類型，輸入電流或電壓控制著流經該器件的供電電流。我們還介紹了MOSFET（金屬氧化物半導體場效應電晶體），這是一種廣泛使用的單極電晶體，在數字和模擬電路中用於放大和切換信號。CMOS（互補金屬氧化物半導體）技術被廣泛用於微電子學中的微處理器、隨機存取存儲器、數字邏輯電路等。互補這個詞的意思是互補的p型和n型MOSFET被對稱地放置在一起，以提供數字功能。

CMOS技術的優點是它對電子噪音的敏感度比其他技術低，而且在不活動時具有較低的功率消耗。單電子電晶體是一種開關器件，其結構類似於MOSFET，但功能不同。它是一個由源極、漏極和建立在半導體基底上的一個非常小的幾納米或更小的導管組成的三端器件。該島通過一層薄薄的二氧化矽（通常為1納米厚）與漏極和源極電氣隔離，起到隧道結的作用。

柵極通過一個足夠厚的絕緣層與導管分離，以防止隧道。柵極提供了通過靜電影響來控制電子流經該島的能力。上面的電子數量可以被精確地固定，它們的流動可以被完全控制。單電子電晶體必須在非常低的溫度下工作，才能防止誘發熱激勵的熱背景，因為那會使器件失去作用。工作溫度隨著島的大小會減少，因為可用的能級相互之間變得更加分離（量子效應）。

在典型的室溫下工作需要一個尺寸通常為一納米或更小。單電子電晶體是一項正在實驗室中開發和研究的新興技術，但還沒有進入工業階段。單電子電晶體所執行的功能與MOSFET的功能不同。因此，必須建立不同的架構來處理信號信息。目前正在對用金屬、半導體、碳納米管和分子構建的單電子電晶體進行廣泛的研究。單電子電晶體的應用包括：可編程單電子邏輯、單電子光譜學、直流電流標準、電子測量儀、溫度標準、紅外輻射檢測等。作為一個可實現的靈敏度的例子，一個單電子電晶體電度表可以檢測到極小的直流電流（大約10-20A）。

量子點

量子點是一種通常由半導體材料製成的納米晶體，其中電子被限制在一個納米級的體積內。有了這一發現，幾乎所有的量子力學文獻中都提到的自由粒子被封閉在納米級立方體盒子裡的標準問題成為現實。

在量子點中，能級分離與量子點封閉空間的尺寸的平方成反比。兩個能級之間的能量差直接關係到量子點可以吸收的電磁輻射的波長和量子點在激發狀態下發射電磁輻射的波長。由於有可能製造具有特定尺寸的量子點，因此有可能使該尺寸吸收或發射特定的波長而定製。對於可見區的電磁輻射，這意味著隨著點的尺寸增加，吸收或發射的光的顏色也會改變。

隨著量子點尺寸的增加，發射光的顏色從藍色轉移到紅色。對於直徑為2納米的球形量子點，光的發射是在藍色區域，而如果直徑約為6納米則是紅色區域。用紫外線照射的不同大小的半導體納米晶體，吸收的顏色根據納米晶體的大小而不同。人們看到了照明時觀察到的波長和顏色。雖然量子點通常是由半導體材料製造的，但也有可能用不同的材料製造一個三維納米級的域：金屬、絕緣體、有機物質等等。

在左手部分，一個量子點通過一個隧道結與金屬觸點分離，描述了勢阱中的相應能級。該勢阱中的能級可以通過改變施加在門上的電壓而連續改變。位於左邊的電子，其能量與量子點的能級相匹配，可以通過隧道穿過兩個障礙物，到右邊去。由於庫侖阻擋，這些電子將一個接一個地穿過量子點，並觀察到傳導率的峰值與柵極電壓的關係。由於量子點很容易調諧，它們可以適應廣泛的應用。

自旋電子學

金屬或半導體中的電流反映了電荷的傳輸，這些電荷可以是電子（負電荷）或空穴（實際上是由缺失電子產生的正電荷）。自旋電子學（自旋傳輸電子學）或自旋電子學利用電子的固有自旋角動量及其電荷來開發新型的電子裝置。與這個自旋相關的是一個磁力矩。

因此，電子的自旋可以在磁場或電場中被定向。電子的自旋s粒子是1/2ℏ，在Z軸上有兩個投影：sz=+1/2ℏ和sz=-1/2ℏ，通常被稱為向上（自旋向上）和向下（自旋向下）。利用電子的自旋來攜帶和儲存信息是很有趣的，因為它可以在低能量消耗的情況下迅速完成。根據外部條件的不同，自旋可以在空間上有不同的排列。如果電子在普通溫度下自由移動，它們就會隨機分布。

在適當的方向上施加一個強磁場可以使自旋排列。非磁性材料製成的晶體中的自旋可以隨意定向，在磁性材料中，它們是對齊的。磁電阻是一種物理效應，在這種效應中，材料的電阻在應用外部磁場的情況下發生變化。在納米範圍內製造層狀材料的可能性導致了「巨型磁阻」（GMR）的發現,這是一個量子效應，用一個只有三層的堆棧說明了這種效果。在實際實驗中，可能涉及10層或更多。在圖中，一個厚度為一納米的非磁性層被夾在兩個鐵磁層之間。

電阻隨著這些鐵磁層磁化的相對方向而強烈變化。如果兩個磁化層是反平行的（或者在層數較多的情況下，當鐵磁層有交替的磁化方向時），電阻會非常高，而對於平行磁化，電阻會變得非常小。基本上，平行自旋的電子具有較小的散射概率，從而產生較小的電阻，而反平行自旋的電子具有較高的散射概率，從而產生較高的電阻。電子的平均自由路徑，即兩個結點之間的平均距離，是10-100納米的數量級。

為了使GMR機制出現，它必須比層間距離大得多，當涉及到厚度為1納米左右的層時，就是這種情況。GMR的應用包括內存存儲（硬碟）和磁場傳感器。在硬碟的情況下，自旋上升和自旋下降狀態為信息的二進位編碼（0和1）提供了自然基礎。

自2000年以來，利用GMR效應的自旋閥傳感器已被用於100％的商業硬碟。有了自旋電子學，除了磁場之外，還有其他的可能性來控制磁化。可以用自旋極化的電流、電場或光子場來控制磁化。自旋電子學設備非常小而且非常快，在皮秒或飛秒的時間尺度上運行。

納米光子學

美國科學院將納米光子學定義為「發生在波長和亞波長尺度上的光-物質相互作用的科學和設計，其中自然或人工納米結構物質的物理、化學或結構性質控制著相互作用」。可見光的波長大約在380-780納米之間，這遠遠高於被定義為1-100納米範圍的納米級領域。納米光子學關注的是由納米結構的物理或化學特性或其結構所控制的相互作用。

納米光子學可以分為三個主要領域，這取決於所涉及的納米級限制。第一個領域涉及到光的限制。這包括光子晶體中的光子定位、光傳播的控制和光與物質的相互作用。近場光學顯微鏡或光子掃描隧道顯微鏡都屬於這一領域。第二個領域涉及到將物質限制在一維、二維和三維納米結構中。納米光子學提供了控制這些設備的光學行為和功能的能力。第三個領域是納米過程的限制。這涉及到設備的納米製造和合成，如納米級傳感器、檢測器和執行器或納米級雷射器等。

封閉和控制光線

關於波導，長期以來一直被用來限制和引導光線。這是在不同的空間維度上操作的限制。波導通常有一個結構，其中具有高折射率的材料被構成包層的低折射率的材料所包圍。波導可用於光學連接。光連接是有趣的，因為光在波導中的傳播比在導電線中的電子傳輸要快。此外，與電子傳輸中的能量耗散相比，光傳播中的能量耗散可以忽略不計（焦耳效應）。

然而，應該記住的是，如果光要比電子傳播的距離大得多，那麼全球設備的速度就會比較慢。此外，光學互連和傳統電路之間的耦合需要將光信號轉換為電子信號，反之亦然。這需要新的耦合裝置，它可能會耗散能量並帶來時間延遲。在納米尺度上，由兩種不同光學材料的交替層組成的抗反射塗層和布拉格鏡已經使用了很長時間。1978年，第一個在室溫下工作的量子阱雷射器被製造出來。其活性區域只有20納米厚。量子阱雷射器現在已經很普遍。

光子晶體

光子晶體是人工周期性納米結構，其間距為光波長的數量級。在我們進一步討論之前，回顧一下關於晶體中的電子的一些情況是很有用的。單個原子有不連續的能級，這些能級定義了唯一可能的能量值，即原子中的一個電子可以有的能量。其他能量是被禁止的。在一個完美的晶體中，原子位於晶格的每個位置，能級在帶中轉換。晶體中的電子只能有屬於一個帶的能量，波段之間的區域是被禁止的，就像原子的能級在滿足泡利原則時從底部開始填充一樣，帶子也從底部開始被可用電子填充。

含有電子的最高能帶被稱為價帶。最低的未被占用的帶子被稱為導帶，價帶頂部和導帶底部之間的能量差被稱為帶隙或能隙。在絕緣體中，價帶完全被電子填滿，而且間隙很大，防止價電子在正常條件下被提升到傳導帶。在金屬中，要麼價帶不完全充滿，要麼價帶和導帶之間有重疊。在中間情況下，價帶充滿，導帶空，能隙小，該材料是一種半導體。大多數現代微電子裝置使用半導體，主要是矽，來執行開關和邏輯功能。

價帶和導帶中電子和空穴的可用性是通過使用非常少量的摻雜原子來控制的。這些摻雜原子擁有比矽更多或更少的價電子。光子晶體與半導體或絕緣體有一些結構上的相似之處。在半導體中，有一個周期性的電位，它在電子的禁帶隙的起源。在光子晶體中，有一些具有不同二電常數的材料碎片產生了正交的介電功能。這產生了一個周期性的折射率，可以產生一個光子帶隙。通過適當選擇介電材料和排列方式，有可能定製光子帶隙，光子帶隙在一定的波長範圍內為光服務。

在一維晶體中，透明電介質材料的板塊被空氣等相互隔開。如果入射光的波長不在帶隙內，光在材料中傳播時衰減很小。入射波部分被每個板塊反射，但這些波是不相位的，相互抵消。如果波長在帶隙中，反射波是同相的，並且相互加強。光被晶體擋住了。好的是，光子晶體可以根據需要進行設計，從而有能力定製光子帶隙的特性。在創造光子晶體的過程中，有可能對晶體的尺寸、晶格的對稱性和拓撲結構、晶格參數、填充率（折射材料的相對數量）、折射率對比（位於高介電常數的材料之間的比率）進行調整。

在站點和其餘材料的低介電常數）和可擴展性，允許在不同的波長有類似的性能。光子晶體的應用包括超級準直器或超級透鏡、光限制（近場和遠場顯微鏡）、光子而非電子攜帶信息的光子集成電路等。基於光子晶體的光導纖維已經可以在商業上使用。布拉格光柵是一維光子晶體的簡單例子，它們還有許多應用，其中包括測量大壩的結構穩定性，以防止事故。

結論

納米尺度上新現象的出現為新的應用鋪平了道路。一些應用，如基於巨大磁阻的設備已經商業化了。其他如單電子電晶體仍處於實驗室階段。量子納米電子學並不對應於傳統微電子學的簡單推斷，它為處理或存儲信息提供了新的機會。當可能的功能是新的或比傳統電子學中的類似功能更有效時，它可以被整合到一個微型設備（納米內）。將一些量子納米電子功能整合到傳統設備中，可能將是微電子學的未來發展方向：在更遙遠的未來，量子納米電子學的進一步發展可能會使量子計算大規模地出現。

目前，量子計算機還處於研究階段。它們使用的是Qbits（量子比特），它不像傳統計算機中使用的比特那樣被限制在兩種狀態。量子密碼學是量子糾纏的一種應用，是量子物體的一種非局域屬性，可用於製造不可破解的密碼系統，也是一種有趣的應用。