2022年纳米技术与电子信息工程专 .pdf

纳米技术与电子信息工程专业1130520220 黄翊杰摘要：为了解纳米材料对电子信息工程的影响，此处将列举介绍近年来纳米材料技术在电子信息工程上的应用与设计成果，以了解到纳米材料对电子信息技术发展的推动作用。关键词：纳电子元件晶体管 纳米隐身纳米卫星纳米材料天线一纳米材料与电子信息工程根据大部分文献及百科的定义， 电子信息工程专业 “是一门应用计算机等现代化技术进行电子信息控制和信息处理的学科，主要研究信息的获取与处理， 电子设备与信息系统的设计、 开发、应用和集成。 电子信息工程已经涵盖了社会的诸多方面，像电话交换局里怎么处理各种电话信号，手机是怎样传递我们的声音甚至图像的， 我们可以通过一些基础知识的学习认识这些东西，并能够应用更先进的技术进行新产品的研究。电子信息工程专业是集现代电子技术、信息技术、通信技术于一体的专业。 ”我们可以看出， 该专业的涉及面很广， 依托计算机与电路的知识和技术，在生活和科研中都有对该专业应用的需求。那反过来看， 对于电子信息工程， 计算机性能及设计、 电路材料、 光纤、传感器设计等都对该专业的发展及应用水平有重要影响。而纳米材料因其在物化性能上表现出与微米多晶材料巨大的差异 ,具有奇特的力学、电学、磁学、光学、热学及化学等诸方面的性能，对拥有这些性能的材料的应用 (纳米技术应用 ) 使得计算机、 电路材料、 光纤、传感器都有了很大的发展， 形成纳米电子技术， 成为新一代电子信息技术已重要组成和发展动力，下面大略介绍下几个方面：电子器件方面（即是纳米材料应用最广的方面），即微电子电子元件发展到纳电子元件，根据一些专家预测传统硅基CMOS技术在 2020 年前后将达到其10nm 尺寸和性能极限，量子效应将表现得越来越明显，微电子在速度、功耗、集成度、成本、加工均匀性和可靠性等方面将受到一系列基本物理特性、工艺技术和投资巨大等问题的限制。 而纳米电子技术立足于其特有的表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应、宏观量子隧穿效应、库仑阻塞效应、量子相干效应、巨磁阻效应、高温超导效应等特色效应， 在纳米尺度甚至分子、 原子层次上开发物质潜在的信息和结构功能， 实现信息存储和处理能力的革命性突破，所以微电子要超越目前发展中遇到的物理和工艺极限，并实现“更小（提高集成度）、更快（提高运算和处理速度）、更冷（降低功耗）”的目标，必须依赖于纳米电子技术。根据美国国防部高级研究计划局 （DARPA ） 提出的“超电子学” （ultra electronics）研究计划，未来的电子器件需达到 “双十二”，即 1012 的存储器容量 （1 Terabit）和每秒 1012 次的运算速度（ 1000亿次） ，且廉价而节能。要实现这一目标，电子器件的尺寸将必然进入纳米尺度范围。具体举例来说， 近几年来在晶体管上纳米技术的发展不小，美国耶鲁大学与韩国光州科学技术研究院合作利用单个苯分子制成世界上首个分子晶体管，之后美国哈佛大学和麦特公司研发出世界首个可编程纳米处理器，接着美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室研制出首个完整的生物电子系统由三磷酸腺苷（ATP ）驱动和控制的生物纳米电子混合晶体管，有望让义肢与人体神经系统直名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 3 页 - - - - - - - - - 接“连线”，此项技术可应用于未来无缝生物电子界面中，以实现生物体和机器的更好沟通，同月美国与澳大利亚科学家利用扫描隧穿显微镜技术操纵单个原子，成功制造出世界上最小的量子点晶体管2010 年 12 月，美国德克萨斯A&M大学研制出首个能在高温下工作的自旋场效应晶体管（FET ） 。年月，美国匹兹堡大学制造出了核心组件直径只有1.5nm 的超小型单电子晶体管“SketchSET ” ，将成为制造下一代低功耗、高密度超大规模集成电路的理想器件，此外还有现在因其具有自制冷效应、有效传导电子自旋的特性和其他优良性能备受关注的石墨烯材料元件和具有独特的拓扑结构、极高的机械强度、 良好的导电性能等众多优异而独特的光学、电子特性和机械性能的纳米碳管的元件制造。其他关于纳电子元件还有NanoOpto公司一直在从事分波长光元件的开发，在纳米级上制作滤光器和光耦合器； 加拿大 Galian Photonics 公司和 Southampton大学正在开发所谓的光子晶体， 它能在微米距离内把光导入一条通道，从而克服全光元件的设计困难，但实际产品还要等若干年才有；，美国一家半导体公司Kopin 发布了一系列叫做 Cyberlite 的新的发光二极管（ LED ）芯片，它用纳米技术使得 LED在低功率下仍能保持正常发光；Discera公司则使用 MEMS技术制作接收机，称作振动机械谐振器，它能使手机等无线设备具有更好的频率选择性，延长电池寿命； Arizona大学光数据存储中心正在研究用MEMS探测器在便宜的纳米有机薄膜上读写的技术。 这种技术允许以分子串方式读写和存储数据，其结果是可以在每平方英寸上存储太比特级的数据；更有甚者，NanoTitan 公司已经推出一种称作 nanoML 的构成语言，它是一种开放的源软件码，打算用来做纳米计算，就像超文本标记语言（HTML）为 Web 所做的那样，帮助工程师定义制作纳米计算设备和纳米系统所需的元素。而以上元件的纳米化在提升自身性能同时，纳米级的元件和集成线路也使得计算机存储密度、计算速度和效率提高数百万倍，大大缩小计算机的体积和重量，而能耗却可降低到今天的几十万分之一。纳米隐身材料方面， 虽然与雷达探测相对， 但隐身材料的进步必会促使雷达技术进步。就原理来说纳米颗粒粉体具有小尺寸效应、表面效应 ( 比表面积大 ) 、量子尺寸效应和宏观量子效应，它的表面原子比例高, 悬挂的化学键多，它的这些特征使得纳米材料具有吸波频带宽、兼容性好、质量轻和厚度薄等特点, 易于满足雷达吸波材料“薄、轻、宽、强”的要求。关于研究现状，国内关于纳米吸收剂的研究具有代表性的是成都电子科技大学的纳米针形磁性金属粉、多层纳米膜复合吸收剂 , 青岛化工学院的手征和纳米磁性金属离子的复合吸收剂以及哈尔滨工业大学的纳米亚单畴氮化铁固体超顺磁体复合吸收剂；对于其他国家日本用二氧化碳激光法研制出一种在厘米和毫米波段都有很好吸波性能的硅碳氮和硅/ 碳氮氧复合吸收剂； 法国最近研制成功由粘结剂和纳米级微屑填充材料组成的钴镍纳米材料与绝缘层构成的复合结构；美国研制出的由纳米石墨作吸收剂制成的石墨热塑性复合材料和石墨环氧树脂复合材料“超黑粉”纳米吸波材料, 对雷达波的吸收率大于99%， 以及明尼苏达采矿和制造公司在中空玻璃球表面利用溅射成膜技术生成多层纳米颗粒膜吸收剂。同时，在电子信息工程技术参与众多大型项目中，其他纳米技术产品也起到重要作用， 最具代表新的莫过于纳米卫星侦察系统，制近地轨道 ( LEO) 和中低轨道( MEO) 的小卫星 , 并以此作为先进的数据处理系统, 每一颗小卫星都拥有十分强大的运算能力。这些小卫星能与数十颗甚至数百颗小卫星相连接织成天网, 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 3 页 - - - - - - - - - 从而实现全球地毯式覆盖,则能实现高空侦察无“死区” ，同时若将高低空侦查结合起来则能让辐射信号实现全球性覆盖, 从而达到全域监控 , 使数据处理和图像传送更及时。 还有，国家 863 高技术计划研究成果新型微带天线材料, 即有机高分子 /纳米磁性介质材料，这种材料的基本特点是比重小、质量轻, 在温度变化范围较大的情况下磁性能及化学性能稳定,在高频微波激励下损耗低, 适用频率范围广 , 能工作于 VHF/UHF 、L、S ( 70MHz 17 000MHz) 等波段 , 在目前的磁性衬底材料和介质衬底材料中具有应用优势。二结语在现在这样一个不同学科、 专业之间相互影响、 相互支撑的时代， 纳米材料的的不断进步和纳米技术的不断发展正在不断地革新着其他领域的技术，电子信息工程便是最受益者之一， 相信未来电信专业方向中更多的发展和突破将会借助于纳米技术的突破。参考文献雷震洲未来5 年热门电信技术展望2002.2 刘长利，沈雪石，张学骜，刘书雷纳米电子技术的发展与展望Technology Frum2011，10：671-4776 张卫东，吴伶芝，冯小云，刘剑锋，孟秀兰纳米雷达隐身材料研究进展2001(3) 王远，廖瑞华纳米电子技术在军事领域的应用2003(11)：1671-4776李明怡纳米材料应用现状及发展趋势WORLD NONFERROUS METALS2000(7) 刘春生，刘樟树纳米技术对未来电子战系统的影响飞航导弹2002(2)名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 3 页 - - - - - - - - -