תחום הננואלקטרוניקה הוא מימוש חוק זה על ידי ניצול שיטות וחומרים חדשים מעולם הננוטכנולוגיה לצורך בניית התקנים אלקטרוניים בעלי גודל מאפיין מינימלי בקנה מידה ננומטרי. עם זאת, כמות טרנזיסטורים רבה יותר פירוש הדבר יותר חשמל ולכן יותר חום הדחוס בחלל קטן יותר. יתר על כן, שבבים אלקטרוניים קטנים יותר אולי מגדילים את הביצועים אך כאן קיימת בעיית המורכבות והסיבוכיות של פס הייצור – נדרשת טכנולוגיה מורכבת ומסובכת יותר המתבססת על עקרונות הננוטכנולוגיה.
יחוד קנה המידה הננומטרי.
תכונות הגל של האלקטרונים בתוך כל חומר מושפעות מאוד משינויים המתרחשים בקנה המידה הננומטרי. על ידי עיצוב וקביעת תבניתו של החומר באורכים ננומטריים ניתן לשנות את תכונותיו הבסיסיות כמו טמפרטורת היתוך, רמת ה, שינוי במקדם דיאלקטרי ולכן שינוי ה או הקיבול, שינוי חוזק מבני, הגדלת כושר החיכוך ולכן יכולת היצמדות טובה יותר, שינוי במוליכות חשמלית או במוליכות חום וכל זאת מבלי לשנות את הרכבו הכימי של החומר.
הארגון השיטתי של חומרים בקנה מידה ננומטרי מהווה אופיין בסיסי מאוד בטבע במערכות ביולוגיות.
הננוטכנולוגיה מאפשרת למקם רכיבים והתקנים מלאכותיים בתוך תאים חיים, ובכך ליצור חומרים חדישים בקנה מידה ננומטרי וזאת תודות לשיטות הרכבה עצמית של הטבע.
לחומרים ולמרכיבים ננומטריים יש שטח פנים גבוה מאוד ביחס לנפחם, מה שהופך אותם אידיאליים לשימוש בחומרים מרוכבים למיניהם (לחיזוק שלדת מטוסים לדוגמה), בתחומי שיגור תרופות ו.
גודלו הסופי של גוף החומר בקנה המידה הננומטרי (והמולקולרי) ביחס לגודלו האינסופי לכאורה של חומר רציף וגדול ברמת ה משפיע בכך שהחומר הננומטרי מתנהג באופן שונה בתכונותיו ובעל השפעות מתח פנים ואפקטים אלקטרומגנטיים מקומיים שונים, ההופכים את חומרי הננו לקשים ביותר ופחות שבירים, כדוגמת ה.
מלבד התופעות וההשפעות המופיעות בקנה מידה זה יש להזכיר את המשמעות של המעבר בין גדלים הקטנים מננומטר (כמו רדיוסי האטומים של היסודות המחזוריים בטבע שגודלם נע בין 0.3 אנגסטרם ל-3 אנגסטרם), לגדלים בקנה המידה הננומטרי ומעלה (כמו מולקולות של חומרים, תרכובות, סגסוגות, וכולה).
האטום לבדו מהווה יסוד ואבן בניין של הטבע, אך צירופם של מספר אטומים יחדיו (על ידי יצירת קשרים חשמליים, קשרי מימן, קשרים כימיים, קשרי ואן דר ואלס, קשרים קוולנטים, וכדומה) יוצרים למעשה את המולקולות - ולמולקולות תכונות ותופעות מיוחדות וייחודיות. האטומים (שהם אוסף של אבני בניין) שמספרם מוגבל בונים יחדיו אין סוף סוגי מולקולות ותרכובות היוצרים חומרים בעלי תכונות שונות.
ייצור.
ייצור בקנה מידה ננומטרי מתייחס לשימוש בטכניקות ואמצעים מיוחדים (המבוססים על עקרונות בנייה המוכרים לנו מעולם המיקרואלקטרוניקה ומהעולם הביולוגי), כגון:
טכניקת הפועלת על פי עקרון בנייה מלמעלה-למטה או בשילוב עקרון הבנייה מלמטה-למעלה זאת בהשראה ממערכות ביולוגיות. תהליכי בנייה מלמטה-למעלה מבוססי תהליך הרכבה עצמית כמו ו.
דוגמאות ייצור נפוצות הם בניית טרנזיסטור אלקטרון בודד (SET - Single electron transistor) על ידי שימוש ב וגידול ה-SET על ידי , בניית מערכות ננואלקטרומכניות (מוכר גם כ-), בניית ננו-מעגלים (מוכר גם כ-) וגידול מערכים מקבילים וצפופים במיוחד של .
בה מגדלים של באופן (גידול שכבה גבישית כיוונית, על פני משטח חומר גבישי אחר שהוא בעל הרכב כימי שונה אך בעל מבנה זהה).
תהליך שהוא תהליך בעל דיוק רב מאד.
גידול ננוחוטי סיליקון המיוצרים בשיטת .
בנוסף קיימות שיטות אחרות המוכחות כיעילות ביישומי ננואלקטרוניקה, למשל סינתזת יונים (Ion synthesis) ו.
ככל שטכניקות הייצור משתפרות, גודל התקני המיקרואלקטרוניקה ממשיך לרדת. בקנה מידה קטן יותר קיימות השפעות בתכונות עצמותיות (אינטרינזיות) של המעגל האלקטרוני, כדוגמה השפעה הדדית בין מחברי המעגל עקב תופעות קוונטיות הנעשות יותר משמעותיות ככל שקנה המידה קטן.
חלק מהמכשולים הקיימים בתהליך המזעור הם אפקטים ואפקטי קוהרנטיות קוונטית, שדות חשמליים חזקים היוצרים בהתקנים, דיאלקטריות לא קבועה הגורמת לתדר עבודה לא יציב, כמו כן בעיה בהולכה ופיזור החום עקב מבנים והתקנים הבנויים באופן צפוף ביותר, סימום לא אחיד של אטומי סיגים, , וכדומה. כל אלו ידועים כאפקטים טפיליים והמטרה ביישום הננואלקטרוניקה היא מציאת הדרכים לצמצום השפעות אלו ככל הניתן ועדיין ליצור מכשירים קטנים, זולים ומהירים יותר.
ננוחומרים.
טכנולוגיות ננואלקטרוניקה משתמשות בננוחומרים כמו פולרנים (), ובננוחוטים העשויים מחד-גביש מוליך למחצה מסודר.
ננו-שפופרות פחמן () - מלבד היכולת לצופף טרנזיסטורים רבים יותר בשבב יחיד, המבנה האחיד והסימטרי של ה מאפשר גבוהה מאוד (תנועת אלקטרונים מהירה יותר בחומר), וכמו כן מקדם דיאלקטריות גבוה יותר (יכולת עבודה בתדר גבוה יותר), ו סימטרי מאד.
דימות.
קיימות גישות חדשניות נוספות ופיתוחים חדשים לצורך ייצור, מדידה ואנליזת פרמטרי אובייקטים בעלי מבנה ננומטרי. גישות אלו כוללות שיטות שונות של מיקרוסקופיות כגון מיקרוסקופיית מנהור () ומיקרוסקופיית כוח אטומי () אשר ניתן להשתמש בשניהם עבור מחקר והדמיית פני שטח של מבנים בקנה מידה ננומטרי, ולצורכי בניית התקני ננואלקטרוניקה על ידי עיצוב וחריטה או גידול ננוחלקיקים על פני משטח המטרה.
גישות.
אלקטרוניקה מולקולרית.
שימוש בהתקנים המבוססים על מולקולה בודדת בהתאם ל. בגישה זו ייעשה שימוש נרחב בעקרון לצורך עיצוב רכיבי ההתקן כבנייה על ידי הרכבה עצמית של מבנה גדול יותר או אפילו מערכת שלמה בכוחות עצמם. דבר זה יכול להיות שימושי עבור ואולי אף להחליף את טכנולוגיית ה-FPGA הנוכחית באופן מוחלט.
היא טכנולוגיה חדשה הנמצאת בתחילת דרכה, המביאה תקווה למערכות אלקטרוניות בקנה מידה אטומי, ואחד מיישומיה המבטיחים הוצע על ידי החוקר ארי אבירם מחברת IBM והכימאי התאורטי מתוך המאמר מהשנים 1974 ו-1988 "מולקולות לזיכרון, לוגיקה והגברה".
זוהי אחת מבין הדרכים האפשריות הרבות שבהן ניתן לסנתז דיודה או טרנזיסטור ברמה המולקולרית על ידי שימוש בכימיה אורגנית. על פי מודל זה הוצעה מערכת בעלת מבנה פחמן ספיראלי המתפקדת כדיודה מולקולרית שאורכה מחצית הננומטר, וניתנת לחיבור בעזרת חוטי מולקולריים (חישובים תאורטיים הראו שהתכנון אפשרי ברמה העקרונית).
גישות נוספות.
, תחום החוקר את הובלת ה (ולאו דווקא את הובלת האלקטרונים) במערכות בקנה מידה ננומטרי, וכמו כן יישום ושימוש בהתקנים המנצלים את יתרונותיו של תחום זה.
, תחום החוקר את התנהגות האור ותכונותיו בקנה מידה ננומטרי, ומציבה את המטרה לפתח מכשירים המנצלים את התנהגות זו ותכונות אלו, כגון שימוש בהתקן ננופוטוני בתור מוליך אור למחצה - באנלוגיה להתקני מל"מ מעולם האלקטרוניקה והמיקרואלקטרוניקה תוך שילוב מערכות פוטוניקה עם מעגלים משולבים או ב-MOEMS.
, תחום העוסק ביכולת זיהוי וגילוי ריכוזים של בזמן אמת לצורך בניית כלי אבחון רפואי באמצעות ננוחיישנים אלקטרוניים, החדרת תרופות בזמנים קצובים למחזור הדם ללא הפרעה לפציינט, וכדומה.
פיתוח אף אלקטרוני לחישה ברגישות גבוהה של סמים וחומרי נפץ.
, זהו תחום המתפתח במהירות העוסק בייצור רובוטים זעירים אשר בנויים ממרכיבים שגודלם בקנה מידה ננומטרי.
יישום התקנים ננואלקטרוניים.
התקן ננואלקטרוני הוא התקן קטן מאוד היכול לעבור את מגבלת יכולת ייצורו בקנה המידה הננומטרי. התקנים נפוצים הם טרנזיסטור אלקטרון בודד (SET) שבו מנהור האלקטרונים הוא מבוקר במטרה לבצע הגברת זרם על ידי ניצול תופעה קוונטית המוכרת כ, והתקן מנהור-תהודה כגון , בהם קיים השימוש בתופעות קוונטיות לצורך שליטה על הזרם.
תהליכי הייצור הנוכחיים המתקדמים ביותר מבוססים בעיקר על פי אסטרטגיית בנייה Top-Down מסורתית, כדומה בתחום המיקרואלקטרוניקה. כיום אנו נמצאים בגבול יכולת הקטנת הגודל המאפיין המינימלי במעגלים משולבים, וזאת בהתייחס לרוחב של הנמצאים במעבדים והזיכרונות למיניהם.
לצורך המשך התקדמות טכנולוגית בתחום הננואלקטרוניקה נדרש שימוש באמצעים חדישים כמו . בנוסף שילוב עקרונות ננוטכנולוגיים נוספים כגון: כאסטרטגיית בנייה Bottom-Up, ניצול תכונות ייחודיות המופיעות בחומרים בגדלים ננומטריים כגון גבוה מאוד המופיע ב, תופעת ה המופיעה ב, המבצעים אפקט פלואורוסצנטי בהתאם לגודלו של ה, דבר היכול לשמש ביישום התקנים ועוד.
מחשבים.
ננואלקטרוניקה מאפשרת בניית מעבדי מחשבים חזקים יותר מאשר כאלו הבנויים לפי טכניקות קונבנציונליות. מספר גישות ייצור כוללות שימוש בצורות חדשות של או ב, כמו כן שימוש ב כגון או מולקולות קטנות לצורך במקומם של רכיבי ה- המסורתיים.
דוגמה להתקנים ננואלקטרוניים המשמשים את עולם המחשבים הם המיושמים על ידי מוליכות למחצה יחד עם מוליכים למחצה בעלי מבנה .
כבר בשנת 1999 פותח במעבדה לאלקטרוניקה וטכנולוגיית המידע ב צרפת, טרנזיסטור מיוחד שבעזרתו בדקו את גבולות טרנזיסטורי ה- בעלי רוחב של 18 ננומטר (כ-70 אטומים המוצבים זה לצד זה). טרנזיסטור זה היה כמעט עשירית מגודלו של הטרנזיסטור התעשייתי הקטן ביותר בשנת 2003 (130 ננומטר ב-2003, 90 ננומטר ב-2004, 65 ננומטר ב-2005, ו-45 ננומטר ב-2007), דבר המאפשר מבחינה תאורטית את היישום והאינטגרציה של שבע מיליארד צומתי טרנזיסטורים היכולים להיות ממוקמים בתוך מטבע קטן של €1.