ננואלקטרוניקה

ננואלקטרוניקה היא השימוש באמצעים מתחום הננוטכנולוגיה לצורך יישום רכיבים והתקנים אלקטרוניים בקנה מידה ננומטרי, והיא תת-תחום של האלקטרוניקה והננוטכנולוגיה. ננואלקטרוניקה היא תחום מדעי טכנולוגי העוסק ביישום התקנים אלקטרוניים ממבנים הקטנים מ-100 ננומטרים ובחקר העקרונות הפיזיקליים של פעולת התקנים אלו. הננואלקטרוניקה התפתחה מתוך המיקרואלקטרוניקה עם ההתקדמות הטכנולוגית בתהליכי המזעור.
תחום זה מקיף באופן נרחב חומרים והתקנים ממוזערים רבים אשר המשותף להם הוא גודלם הקטן מאד עד כדי הופעת אינטראקציות בין אטומיות במרכיביהם ותופעות הנשענות על חוקי המכניקה הקוונטית. כמו כן, ננואלקטרוניקה כוללת שיטות ייצור חדשניות ותהליכים מיוחדים לצורך מזעור התקנים אלו. ננואלקטרוניקה אינה מתייחסת רק לגודלם הזעיר של חומרים והתקנים אלקטרוניים, אלא גם לתופעות ולמנגנונים המופיעים בקנה מידה ננומטרי זה.
בדומה להתקני מיקרואלקטרוניקה, התקני ננואלקטרוניקה עשויים בדרך כלל (אך לא בהכרח) מחומרים מוליכים למחצה. לרכיבים רבים הבנויים בתכנון של מיקרואלקטרוניקה וננואלקטרוניקה קיימים רכיבים שקולים בהתאמה מעולם המאקרו אלקטרוניקה המוכר - אלו כוללים טרנזיסטורים, קבלים, סלילים, נגדים, דיודות, מוליכים ומבודדים. טכניקות חיווט ייחודיות שהנן יקרות ודורשות ציוד מיוחד, כגון הצמדה-חוטית - Wire bonding, נמצאות בשימוש לעיתים קרובות בתהליכי מיקרואלקטרוניקה בגלל גודלם הקטן במיוחד של מגעי הרכיבים.

רקע

הרעיון של שימוש וניצול העולם הננומטרי הוצע לראשונה על ידי ריצ'רד פיינמן בשנת 1959, כאשר יכולת המימוש נהפכה אפשרית רק בשני העשורים האחרונים. העולם המיקרומטרי והננומטרי (העולם הקטן במיוחד) הוא מקום מרוחק מאד מאיתנו במובנים מעשיים - אנחנו לא יכולים לראות או לגעת בו. מיקרוסקופים אופטיים סטנדרטיים לא יכולים לדמות ולספק תמונות של משהו הקטן יותר מאורך הגל של האור הנראה, כלומר כל אובייקט הקטן יותר מ-380 ננומטר.
הקהילה המדעית כיום משתמשת במונח ננואלקטרוניקה כמונח בעל שתי משמעויות. מחד המונח ננואלקטרוניקה מתייחס לתוצרים של ההתקדמות הטכנולוגית בייצור הטרנזיסטורים המבוססים על סיליקון, אשר מיוצגים ביכולות המזעור ויכולת האינטגרציה שלהם במעגל המשולב, ומאידך משתמשים במונח ננואלקטרוניקה על מנת לציין את היישום של השפעות קוונטיות ואפקטים חדשים בתקנים ננואלקטרוניים, כמו קוונטיזציית גודל, מחסום קולון, שימוש באטומים לא נקיים בתור קיוביטים הנמצאים בשימוש במחשבים קוונטיים (או Quantum Computer), וכולה.
בקנה המידה של כמה עשרות ננומטרים, גדלים מסוימים של האלמנטים נעשים קרובים מאד ודומים לערכים פיזיקליים בסיסיים כגון מרחק אפקט המיגון, נתיב ממוצע של האלקטרון, אורך גל דה ברולי, שבהם מופיעים השפעות פיזיקליות חדשות וכמו כן קיומם של כמה הגבלות פיזיקליות בסיסיות ביכולות של התקנים אלקטרוניים בקנה מידה שכזה. בכך הננואלקטרוניקה שונה מן המיקרואלקטרוניקה אשר נשענת על החוקים המקרוסקופיים של הפיזיקה הקלאסית והמכניקה הקלאסית.

חוק מור

בשנת 1965 גורדון מור צפה כי טרנזיסטורי הסיליקון נמצאו בתהליך מתמיד בהקטנת קנה מידתם, תצפית שמאוחר יותר נקראה בשם חוק מור. חוק מור מתקיים על פי היכולת לכווץ ולהקטין את גודלם של הטרנזיסטורים - המעגלים שמעבירים את האותות החשמליים. על ידי הקטנת גודל הטרנזיסטור והמעגלים המשולבים ניתן לצופף כמות טרנזיסטורים רבה יותר בכל שבב. החוק קבע כי כל 18 עד 24 חודשים כמות הטרנזיסטורים שיכיל כל שבב אלקטרוני תוכפל. מאז, גודל המאפיין המינימלי (Minimum feature size) שבטרנזיסטור ירד מסביבות ה-10 מיקרומטר לטווח שנע בין 22 ל-28 ננומטר בשנת 2011 ו-12 ננומטר בשנת 2015 כמתואר בגרף גודל המאפיין המינימלי לפי שנים. חוק זה נתן למתכנני הננו-מעגלים המשולבים תמריץ גדול יותר (ותקווה) במטרה לנסות ולשלב תכונות חדשות על פני מצעי הסיליקון במטרה לצופף כמה שיותר טרנזיסטורים, וניתן לומר שתחזית זו הפכה לנבואה שמגשימה את עצמה בשל העובדה שתעשיית המוליכים למחצה הציבה את חוק מור כיעד ייצורי.
תחום הננואלקטרוניקה הנו 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 מאד משינויים המתרחשים בקנה המידה הננומטרי. על ידי עיצוב וקביעת תבניתו של החומר באורכים ננומטריים ניתן לשנות את תכונותיו הבסיסיות כמו טמפרטורת היתוך, רמת המגנוט, שינוי במקדם דיאלקטרי ולכן שינוי הדיאלקטריות 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 מאד 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 ואחסון אנרגיה.
גודלו הסופי של גוף החומר בקנה המידה הננומטרי (והמולקולרי) ביחס לגודלו האינסופי לכאורה של חומר רציף וגדול ברמת המאקרו 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 הננושפופרות פחמן.
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 ננוליתוגרפיה 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 - SAM כמו בניה עצמית של חלקיקים בקנה מידה ננומטרי ובניה עצמית של חלקיקים בקנה מידה מולקולרי.
דוגמאות ייצור נפוצות הם בניית טרנזיסטור אלקטרון בודד (SET - Single electron transistor) על ידי שימוש בננוליתוגרפיה וגידול תעלת ה-SET על ידי SAM, בניית מערכות ננואלקטרומכניות (מוכר גם כ-NEMS), בניית ננו-מעגלים (מוכר גם כ-Nanocircuitry) וגידול מערכים מקבילים וצפופים במיוחד של ננוחוטים. 
Molecular beam epitaxy בה מגדלים שכבות דקות של גבישים יחידים באופן אפיטקסיאלי (גידול שכבה גבישית כיוונית, על פני משטח חומר גבישי אחר שהוא בעל הרכב כימי שונה אך בעל מבנה זהה). 
תהליך שיקוע על ידי אדי גז שהוא תהליך בעל דיוק רב מאד.
גידול ננוחוטי סיליקון המיוצרים בשיטת Vapor liquid solid - VLS.
בנוסף קיימות שיטות אחרות המוכחות כיעילות ביישומי ננואלקטרוניקה, למשל סינתזת יונים (Ion synthesis) וננוליתוגרפיה.
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 קוונטיים ואפקטי קוהרנטיות קוונטית, שדות חשמליים חזקים היוצרים פריצות מפולת 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, פגמי אטומים יחידים, 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 (Fullerene), נקודות קוונטיות ובננוחוטים העשויים מחד-גביש מוליך למחצה מסודר.
ננושפופרות פחמן (CNT) - מלבד היכולת לצופף טרנזיסטורים רבים יותר בשבב יחיד, המבנה האחיד והסימטרי של הננושפופרות מאפשר מוביליות אלקטרונים גבוהה מאד (תנועת אלקטרונים מהירה יותר בחומר), וכמו כן מקדם דיאלקטריות גבוה יותר (יכולת עבודה בתדר גבוה יותר), ומאפיין יצירת צמד אלקטרון \ חור 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 (STM) ומיקרוסקופיית כוח אטומי (AFM) 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.

אלקטרוניקה מולקולרית

שימוש בהתקנים המבוססים על מולקולה בודדת בהתאם לאלקטרוניקה בקנה מידה מולקולרי. בגישה זו ייעשה שימוש נרחב בעקרון הרכבה עצמית מולקולרית 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 מחשוב בר הגדרה מחדש ואולי אף להחליף את טכנולוגיית ה-FPGA הנוכחית באופן מוחלט.
אלקטרוניקה מולקולרית 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 מארק רטנר 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 Polythiophene מולקולריים (חישובים תאורטיים הראו שהתכנון אפשרי ברמה העקרונית).

גישות נוספות

ננויוניקה, תחום החוקר את הובלת היונים (ולאו דווקא את הובלת האלקטרונים) במערכות בקנה מידה ננומטרי, וכמו כן יישום ושימוש בהתקנים המנצלים את יתרונותיו של תחום זה.
ננופוטוניקה, 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.
ננורפואה, תחום העוסק ביכולת זיהוי וגילוי ריכוזים של ביו-מולקולות 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.
ננורובוטיקה, 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 כמחסום קולון, והתקן מנהור-תהודה כגון דיודת מנהור-תהודה, 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 שער הטרנזיסטורים הנמצאים במעבדים והזיכרונות למיניהם.
לצורך המשך התקדמות טכנולוגית בתחום הננואלקטרוניקה נדרש שימוש באמצעים חדישים כמו ננולתוגרפיה. בנוסף שילוב עקרונות ננוטכנולוגיים נוספים כגון: הרכבה עצמית SAM כאסטרטגיית בנייה Bottom-Up, ניצול תכונות ייחודיות המופיעות בחומרים בגדלים ננומטריים כגון יחס פני שטח-לנפח גבוה מאד המופיע בננוחלקיקים, תופעת התהודה הפלסמונית המופיעה בננוחלקיקי זהב, נקודות קוונטיות המבצעים אפקט פלואורוסצנטי בהתאם לגודלו של הננוחלקיק, דבר היכול לשמש ביישום התקנים אלקטרואופטיים ועוד.

מחשבים

ננואלקטרוניקה מאפשרת בניית מעבדי מחשבים חזקים יותר מאשר כאלו הבנויים לפי טכניקות ייצור התקני מוליכים למחצה קונבנציונליות. מספר גישות ייצור כוללות שימוש בצורות חדשות של ננוליתוגרפיה או בליתוגרפיה על ידי ננומחט סורקת, כמו כן שימוש בננוחומרים כגון ננוחוטים או מולקולות קטנות לצורך מיתוג לוגי מולקולרי במקומם של רכיבי ה-CMOS המסורתיים.
דוגמה להתקנים ננואלקטרוניים המשמשים את עולם המחשבים הם טרנזיסטורי אפקט-שדה המיושמים על ידי ננושפופרות פחמן מוליכות למחצה יחד עם ננוחוטים מוליכים למחצה בעלי מבנה Heterojunction.
כבר בשנת 1999 פותח במעבדה לאלקטרוניקה וטכנולוגיית המידע בגרנובל צרפת, טרנזיסטור CMOS מיוחד שבעזרתו בדקו את גבולות טרנזיסטורי ה-MOSFET 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.
גישות חדשות מופיעות עקב צורכי המחשוב ההולכים וגדלים, המנצלות את חוקי מכניקת הקוונטים עבור מחשבים קוונטיים חדישים, המאפשרים את השימוש באלגוריתמים קוונטיים מהירים. במחשב קוונטי יש שטח זיכרון מסוג ביט-קוונטי המכונה קיוביט, המשמש לצורך ביצוע חישובים רבים בו זמנית. במידה וניישם את התקן זיכרון זה במערכות קיימות ישנות הוא עשוי לשפר את ביצועיהם.

זיכרונות

בעבר תכנון זיכרונות אלקטרוניים (או זיכרון מחשב) הסתמך במידה רבה על המבנה ותצורת הטרנזיסטורים לאחר יצורם והתקנתם. עם זאת, לפי מחקר באלקטרוניקה המתבסס על מתגי משקוף (Crossbar Switches), קיימת חלופה על ידי ניצול חיבורי צמתים ברי תכנון מחדש (המתבססים על עקרונות הרכבה עצמית ביולוגית וננוטכנולוגיות של DNA) שקיימים בין מערכי החיווט האנכיים והאופקיים של התקני הזיכרון, על מנת ליצור זיכרונות בצפיפות גבוהה במיוחד.
שני המובילים בתחום זה הם חברת Nantero אשר פיתחו זיכרון משקוף מבוסס ננושפופרות פחמן הנקרא בשם Nano-RAM, וחברת Hewlett-Packard שהציעה את השימוש בחומר בשם Memristor כתחליף עתידי לזיכרון ההבזק (Flash memory).
התקנים חדישים אלו מבוססים על ספינטרוניקה.
אפקט תלות התנגדותו של החומר עקב ספין האלקטרונים שלו, בתוך שדה מגנטי חיצוני נקראת התנגדות מגנטית.
אפקט זה יכול להיות מוגבר באופן משמעותי ולגרום להתנגדות מגנטית ענקית (GMR) באובייקטים שהם בעלי גדלים בקנה מידה ננומטרי, למשל כאשר שתי שכבות פרומגנטיות מופרדות על ידי שכבה לא מגנטית שהיא בעובי של כמה ננומטרים (לדוגמה שכבת קובלט-נחושת-קובלט Co-Cu-Co).
אפקט ה-GMR הוביל לעלייה חזקה ביכולת הציפוף ולכן לעלייה חדה ביכולת אחסון הנתונים בדיסקים קשיחים (ובכך איפשר למעשה יכולת אחסון בכמויות של ג'יגה-בייטים לדבר אפשרי).
התנגדות מגנטית של מנהור (TMR) דומה מאוד ל-GMR ומבוססת על המנהור תלוי-הספין של האלקטרונים העוברים דרך שכבות פרומגנטיות סמוכות. ניתן להשתמש בהשפעות ה-GMR וה-TMR ליצירת זיכרון בלתי נדיף ראשי למחשבים, כמו זיכרון הנקרא זיכרון גישה אקראי התנגדותי-מגנטי (MRAM).

צגים

ייצור צגים מבוססי ננואלקטרוניקה בעלי צריכת אנרגיה נמוכה במיוחד הוא בר ביצוע באמצעות ננושפופרות פחמן (CNT). ננושפופרות פחמן הם מוליכים חשמליים טובים ובשל קוטרם הזעיר של כמה ננומטרים הם יכולים לשמש כמערכים פולטי שדות בעלי יעילות גבוהה מאוד עבור צגי פליטת שדה (FED). עקרון הפעולה דומה לזה של שפופרת קרן קתודית (CRT) אך אורך ההתקן קטן בהרבה.

ייצור אנרגיה

קיים מחקר מתמשך על אופן השימוש בננוחוטים וחומרים בעלי מבנה ננומטרי אחרים בתקווה ליצור תאים סולאריים זולים ויעילים יותר מהאפשרי כיום בתאים סולאריים  פלנריים  מבוססי סיליקון, לדוגמה שילוב של גרפן בתאים סולאריים. מובן מאליו כי להמצאת אנרגיה סולארית יעילה יותר תהיה השפעה גדולה מאד על צורכי האנרגיה העולמיים.
ישנו גם מחקר להפקת אנרגיה על ידי התקנים שיפעלו בתוך ומתוך אורגניזם חי, הנקראים ננו-ביו-מחוללים. ננו-ביו-מחולל או ננו-ביו-גנרטור (המבוסס על ננומחולל), הוא מכשיר אלקטרו-כימי בקנה מידה ננומטרי, בדומה לתא דלק או לתא גלווני, אך כעת מדובר על התקן שמושך אנרגיה מתוך הגלוקוז שנמצא בדם הגוף החי בדומה מאוד לאופן שבו הגוף מייצר אנרגיה ממזון. כדי לאפשר את האפקט, משתמשים באנזים המסוגל "להפשיט" את הגלוקוז מהאלקטרונים שלו ובכך לשחרר אותם לצורכי שימוש של התקנים חשמליים.
גופו של האדם הממוצע יכול באופן תאורטי לייצר חשמל בסדרי גודל של כ-100 ואט (לפי צריכת 2000 קלוריות מזון ליום) באמצעות ננו-ביו-גנרטור. עם זאת, הערכה זו נכונה רק במידה וכל האוכל הנצרך הוסב במלואו לחשמל, והרי גוף האדם צריך (ולכן מנצל) אנרגיה באופן קבוע, אזי האנרגיה האפשרית הנוצרת נמוכה בהרבה.
החשמל המופק על ידי התקן שכזה יכול לשמש מכשירים אלקטרוניים הצמודים באופן קבוע או זמני לגוף האורגניזם החי (כגון קוצבי לב), או בתור ננורובוטים שתפקידם למתן סוכר לתוך מחזור דם הפציינט.

חיישנים

ישנו אינטרס רב בפיתוח חיישנים ננואלקטרוניים שיוכלו לזהות ולגלות ריכוזים נמוכים במיוחד באופן ספציפי וסלקטיבי של מולקולות ביולוגיות לצורך אבחון מוקדם של מחלות. מאמץ נרחב נעשה בתחום זה לפיתוח ביוננוחיישנים אולטרה רגישים הבנויים ממבנים ננומטרים ופועלים על בסיס התמרת תגובות כימיות ואינטראקציות ביולוגיות לאותות חישה אלקטרוניים. כמו כן נעשה מאמץ בפיתוח של מכשירים ננואלקטרוניים שיוכלו לקיים אינטראקציה עם תאים בודדים לצורך שימוש במחקרים ביולוגיים בסיסיים.  
מכשירים לריצוף DNA על בסיס אותות חישה חשמליים פיתוח אף מלאכותי המאפשר לחוש ברגישות גבוהה במיוחד מולקולות בודדות של חומרים נדיפים כמו חומרי נפץ או סמים.

התקנים אופטו-אלקטרוניים חדישים

בטכנולוגיות תקשורת מודרניות, מכשירי חשמל אנלוגיים מסורתיים מוחלפים על ידי התקנים אופטיים או אופטו-אלקטרוניים בשל קיבולתם הגבוהה ורוחב הפס העצום שלהם. שתי דוגמאות טובות להתקנים אלו הן גבישים פוטוניים ונקודות קוונטיות. גבישים פוטוניים הם חומרים בעלי וריאציה מחזורית של מקדם שבירתם עם קבוע סריג בעל ערך השווה למחצית אורך הגל המסוים של האור הנמצא תחת שימוש. הם מאפשרים פער פס אנרגיה סלקטיבי (ניתן לבחירה) להתפשטות האור בהתאם לאורך גל מסוים, ובכך הם דומים מאד למוליכים למחצה, אך במקום היכולת לאפשר הולכה חלקית של אלקטרונים מדובר כעת על אפשור חלקי של מעבר אור או פוטונים.
נקודות קוונטיות הם אובייקטים בקנה מידה ננומטרי, אשר ניתן להשתמש בהם בין היתר לבנייה של לייזרים. היתרון של לייזר מבוסס נקודות קוונטיות על פני לייזר מבוסס מוליך למחצה מסורתי הוא שאורך גל הלייזר הנפלט תלוי בקוטר הנקודה הקוונטית. לייזרים מבוססים נקודות קוונטיות הם זולים יותר ומציעים קרן לייזר באיכות גבוהה יותר מאשר אלו של דיודות לייזר קונבנציונליות.

ננורדיו

בהתבסס על הננואלקטרוניקה, פותח התקן תקשורת רדיו הנקרא ננורדיו, אשר ייצורו מבוסס ננושפופרות פחמן.

ננואנטנה

ננואנטנה הנקראת גם בשם Nantenna היא סוג של אנטנת יישור מרחבית (מוכרת גם כ-Rectenna), אך בגודל ננומטרי. מדובר על טכנולוגיה ניסיונית וחדשנית שפותחה על מנת להמיר את קרינת האור לאנרגיה חשמלית. הרעיון מתבסס על אנטנת יישור - מכשיר הממיר את אנרגיית קרינת המיקרוגלים לזרם חשמלי ישר, המשמשת לשידור והעברת הספק באופן אלחוטי. אנטנה זו היא אנטנת רדיו מיוחדת אשר ממירה גלי רדיו לחשמל בזרם ישר. האור מורכב מגלים אלקטרומגנטיים שחלקם בעלי אורך גל הקטן בהרבה משל גלי רדיו. Nantenna היא מעין Rectenna קטנה מאוד בעלת גודל הקרוב לזה של אורך גל האור ומתפקדת כמעין "אנטנה" עבור האור - היא ממירה את האור לחשמל, ובנייתה מיושמת על ידי אמצעים ננוטכנולוגיים. מערכי ננואנטנות יכולים להיות אמצעי יעיל להמרת אור השמש לאנרגיה חשמלית ואף לאפשר הפקת אנרגיה סולארית ביעילות רבה יותר מאשר זו המופקת מתאים סולאריים קונבנציונליים.