علم مواد در مقیاس نانو

مقدمه

علم نانو یا نانوتکنولوژی در ابتدا به سنتز، شناسایی و بررسی مواد نانوساختار می پردازد. این مواد حداقل در یکی از ابعاد خود در گستره ی نانو واقع شده اند. نانوساختارها پلی میان سیستم های مولکولی و سیستم های بالک نامحدود ایجاد کرده اند. نانوساختارهای منفرد شامل خوشه ها، کوانتوم دات ها، نانوکریستال ها، نانوسیم ها، و نانو تیوب ها هستند؛ درحالی که مجموعه ی نانوساختارها از آرایه ها، بخش های مونتاژ شده سوپر شبکه هایی از نانوساختارهای منفرد هستند. جدول 1 ابعاد برخی از نانومواد را گزارش کرده است. ویژگی های فیزیکی و شیمیایی نانومواد می تواند به طور قابل ملاحظه ای نسبت به ماده ی در حالت بالک( با ترکیب شیمیایی همسان)، متفاوت باشد. یکتایی ویژگی های ساختاری، پاسخگویی، دینامیک، شیمی و محتوای انرژی نانو مواد تشکیل دهنده ی اصول علم نانو است. کنترل مناسب ویژگی ها و پاسخ نانو ساختارها می تواند منجر به تولید وسایل و تکنولوژی های جدید شود. زمینه ی اصلی مطرح شده در علم نانو و نانوتکنولوژی دو بخش دارد: یکی رویه ی از پایین به بالا که این رویه کوچک سازی اجزا را بنابر گفته ی ریچارد فایمن انجام می دهد و زمینه ی دیگر، رویه ی خود آرایی اجزای مولکولی است که در آن هر جزء نانوساختار به عنوان بخشی از یک ابر ساختار مطرح می شود. رویه ی آخر را فردی به نام Jean Marie Lehn مطرح نموده است.
برخی از دغدغه های مهم علم مواد در عرصه ی علم نانو عبارتست از:
نانوذرات و نانوآرایه های فلزی و نیمه رسانا، نانو تیوب ها، نانوسیم ها، و سیستم های نانوبیولوژیکی
آرایه هایی از نانو ساختارها( مانند نانوکریستال ها، نانوسیم ها) و استفاده از سیستم های بیولوژیک مانند DNA به عنوان نانوسیم های مولکولی و تمپلیت ها برای نانوساختارهای فلزی و نیمه رسانا
بررسی های تئوری و محاسباتی برای ایجاد چهارچوب ادراکی برای ساختار، دینامیک، پاسخ دهی و انتقال در نانوساختارها
کاربردهای نانو مواد در بیولوژی، پزشکی، الکترونیک، فرایند های شیمیایی، مواد با استحکام بالا و ... می باشد.
علم نانو و نانوتکنولوژی در دهه ی گذشته به طور زیادی گسترش یافته است. علت این گسترش، به دلیل افزایش روش های موجود برای سنتز نانومواد و ابزارهای شناسایی و دستکاری در مقیاس نانوست( جدول 2). چند روش جدید برای سنتز نانوذرات و نانو تیوب ها و مونتاژ آنها وجود دارد. امروزه ویژگی های الکتریکی، نوری و مغناطیسی وابسته به اندازه در نانوساختارهای منفرد فلزی، نیمه رسانا و ... ، بهتر شناخته شده است. علاوه بر تکنیک های میکروسکوپ الکترونی، کریستالوگرافی و طیف سنجی، میکروسکوپ های پروبی- روبشی ابزارهای قدرتمندی برای مطالعه ی نانوساختارها هستند. روش های جدید تولید نانوساختارهای الگودار و وسایل جدید به طور دائمی، کشف شده است. نانوساختارها نیز فرصت هایی برای شبیه سازی و مدل سازی کامپیوتری معنادار ایجاد کرده اند زیرا اندازه ی آنها به طور قابل توجهی کوچک است و از این رو این مسئله اجازه می دهد تا دقت زیادی در محاسبات انجام شود. در محاسبات نانومواد، با مقیاس های فاصله ای در حد 1 آنگسترم تا 1 میکرون و مقیاس های زمانی 1 فمتوثانیه تا 1 ثانیه، سرو کار داریم و حد دقت بیشتر از 1Kcal/mol است. مثال های زیادی برای نشاندادن دست آوردهای این زمینه وجود دارد. مثلا تصاویر STM از کوانتوم دات ها( مثلا هرم های ژرمانیومی بر روی سطح سیلیکون) و آرایه ای کوانتمی از 48 اتم آهن( به صورت یک مدار با شعاع 7.3 nm) نشاندهنده ی برخی از این دست آوردهاست. آرایه های منظم یا ابر شبکه های نانوکریستال های فلزات و نیمه رساناها بوسیله ی برخی روش ها تولید شده اند. پلیمرهای نانوساختاری که بوسیله ی خود آرایی پلیمرهای تری بلوک ساخته می شوند و مواد نانوساختار با استحکام بالا( مثلا نانولایه های Cu/Cr ) سایر مثال ها هستند. نمونه ی آزمایشی از مدارهایی که در آنها از نانوذرات و نانوتیوب ها استفاده شده است، تولید شده اند.
به یاد داشته باشید که برخی از تکنولوژی های ایجاد شده، مانند کاتالیست ها و عکاسی که هم اکنون مورد استفاده قرار می گیرند، از فرایندهای نانو مقیاس بهره برده اند. ظرفیت سنتز، سازمان دهی و تولید مواد در مقیاس نانو، به هر حال یک منبع جدید می باشد. اهداف موجود در علم و تکنولوژی نانو مواد، مهارت پیدا کردن در تولید نانوساختارها و ترکیب خواص مناسب آنهاست. با این کار می توان نانو وسایلی تولید کرد که بوسیله ی آنها گروه های جدیدی از نانومواد با کارایی بالا، ایجاد می شوند. مثالی از این نانومواد با کارایی بالا عبارت است از سیستم های محرک بیولوژیک و وسایل بررسی نانوساختارها می باشد. کاربردهای بالقوه ی نانوتکنولوژی تولید مواد جدید و وسایل مورد استفاده در الکترونیک، تکنولوژی کامپیوتر، پزشکی و وسایل مربوط به حفظ سلامتی می باشد.

جهان نانو به طور قابل توجهی متفاوت است

ویژگی های فیزیکی و شیمیایی نانوساختارها به طور قابل توجهی از اتم ها یا مولکول های منفرد و حالت بالک این مواد، متفاوت است. این تفاوت های موجود میان نانومواد و حالت مولکولی و بالک آنها وابسته به ساختارها و اشکال فضایی، تغییرات فازی، انرژی ها، ساختار الکترونی، فعالیت شیمیایی، و ویژگی های کاتالیستی، محدویت سیستمی و مونتاژکاری آنهاست. برخی از موضوعات مهم در علم نانو به اثرات اندازه، پدیده ی شکل، تحدید کوانتومی و پاسخ به تهیج های الکتریکی خارجی و نوری( مثلا عدد مغناطیسی اتم در خوشه ی فلزی، اثرات مکانیک کوانتوم در اندازه ی کوچک) و سایر کارایی های مقیاس نانو نسبت به نانوساختارهای بزرگتر است. مورد آخر شامل ظهور ویژگی های جدید در ساختار الکترونی است. در شکل 1، ما حالت ساختار الکترونی نانوکریستال های فلزی و نیمه رسانا را نشان دادیم. این ساختارها نسبت به ساختارهای موجود در حالت بالک و اتم های منفرد این مواد، متفاوت است. در شکل 2 ما وابستگی اندازه به فضاهای سطح انرژی متوسط سدیم را در اتم های سطحی را نشان دادیم. در این ویژگی، ما همچنین درصد مؤثر اتم های سطحی به عنوان تابعی از قطر ذرات را نشان دادیم. توجه کنید که در اندازه های کوچکتر، ما دارای درصد بالاتری از اتم های سطحی هستیم.
ساختار نانوذرات CdS و CdSe و این نوع از مواد به اندازه وابسته است. نقطه ذوب، طیف جذب الکترونی، و سایر ویژگی ها نیز به طور قابل ملاحظه ای به اندازه وابسته اند. در شکل 3 و شکل 4، ما برخی از اثرات اندازه ای را به طور گرافیکی نشان دادیم. این مسئله باید مد نظر قرار گیرد که فلزات از خود گاف های انرژی غیر فلزی نشان می دهند( این کار در حالتی ایجاد می شود که اندازه ی نانوکریستال در حد 1 تا 2 نانومتر باشد). خوشه های Hg دارای گاف انرژی غیر فلزی است که با افزایش اندازه ی خوشه ها، این گاف انرژی کاهش می یابد. تقریبا 300 اتم بررای بسته شدن گاف ضروری است. نانوذرات فلزی دارای قطر 1 تا 2 نانومتر دارای فعالیت کاتالیستی غیر قابل پیش بینی هستند( همانطور که این مسئله در مورد نانو ذرات طلا مورد بررسی قرار گرفت).
شکل های نانوذرات نیز بر ویژگی های آنها اثر گذار است. در واقع شکل نانوذرات بر روی فعالیت و طیف الکتریکی این مواد تأثیر دارد. برای مثال محل نوار پلاسمون نانو میله های فلزی به نسبت طول به عرض آنها بستگی دارد.

سنتز و شناسایی

رشد علم نانو و نانوتکنولوژی دردهه ی اخیر بسیار زیاد بوده است. علت این موضوع موفقیت های ایجاد شده در زمینه ی سنتز نانومواد و همچنین پیشرفت های انجام شده در زمینه ی ابزارهای شناسایی و دستکاری در مقیاس نانوست. سنتز در زمینه ی نانوتکنولوژی شامل سنتز سیستم های آلی، غیر آلی، و بیولوژیکی است( جدول 2). مونتاژ ثانویه ی نانوساختارهای منفرد و تبدیل آنها به آرایه های منظم اغلبا الزامی است. مثال های قابل توجه از سنتز واحدهای نانوساختاری جدید عبارتست از:
نانوکریستال های فلزی، نیمه رسانا و مواد مغناطیسی از روش های شیمی کلوئیدی بهره می گیرند.
استفاده از روش های فیزیکی و شیمیایی برای سنتز نانوذرات مواد سرامیکی
رسوب دهی سطحی خوشه ها و نانوکریستال ها بر روی گرافیت و سایر مواد فلزی یا نیمه رسانا می تواند موجب تولید نانوسیستم های دو بعدی شود.
نانوسیم های فلزی، نیمه رسانا، اکسیدی، نیتریدی، سولفیدی و ...
ساختارهای پلیمری جدید از دندریمرها و کوپلیمرهای بلوک تشکیل شده اند
ساختارهای نانو بیولوژیک( مانند باکتری ها، مراکز فوتوسنتز گیاهی و بخش های DNA). جهش های ژنتیک ساختارهای پروتئین و اصلاح DNA ما را قادر می سازد تا پاسخ این سیستم ها را کنترل کنیم.
سنتز نانومواد شامل کنترل اندازه، شکل و ساختار می باشد. مونتاژ نانوساختارها و تبدیل آنها به آرایه های منظم اغلبا برای انتقال عملکرد به آنها، ضروری است. در دهه ی گذشته، نانوذرات( نانوپودرها) سرامیکی در مقیاس های بزرگ تولید شده اند. این مواد با روش های فیزیکی و شیمیایی تولید شده اند. با استفاده از روش های شیمی کلوییدی، پیشرفت های قابل توجهی در تولید نانوکریستال های فلزی، نیمه رسانا و مواد مغناطیسی ایجاد شده است. نانوکریستال های مواد با توزیع ابعادی کم عرض بوسیله ی کنترل شکل در برخی مثال ها، تولید شده اند. برای نشان دادن این جنبه، ما تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری که از نانو میله های CdSe تهیه شده است را در شکل 5 نشان دادیم.
از زمان کشف نانو تیوب های کربنی تاکنون، پیشرفت های زیادی در زمینه ی سنتز نانو تیوب های تک لایه، چندلایه و اجزای متصل شده به نانو تیوب ها، انجام شده است. در شکل 6، ما تصویر میکروسکوپ الکترونی را که از نانوتیوب های چند لایه و تک لایه گرفته شده است، نشان دادیم. روش های مورد استفاده در سنتز نانو تیوب های تک لایه عبارتست از تخلیه ی قوسی با الکترودهای کربنی که حاوی کاتالیست های مناسبی هستند، سایش لیزری، پیرولیز پیش ماده، و تجزیه ی CO. نانو تیوب های کربنی با نیتروژن و بور، دوپ می شوند. مخصوصا مسئله ی قابل توجه سنتز نانو تیوب های با اتصال Y است که می تواند به عنوان اجزای حیاتی در نانوالکترونیک مورد استفاده قرار گیرند. نانو تیوب های مواد غیر آلی مخصوصا سولفیدهای فلزی( مانند ، با روش های مختلفی تولید می شوند.
ساخت آرایه های منظم از نانوساختارهای بوسیله ی استفاده از تکنیک های خود آرایی آلی، استراتژی های دیگری برای تولید نانو وسایل ایجاد می کند. آرایه های دو و سه بعدی از نانوکریستال های مواد نیمه رسانا، فلزی و مغناطیسی با استفاده از مواد آلی مناسب تولید می شوند. مونتاژکاری جهت دار آرایه های نانوذره ای( مانند نیمه رساناها) مقدمه ای برای ورود به ایجاد عاملیت های خاص در زیرلایه هاست. ما تصاویر TEM از نانوکریستال های Pd را که به صورت خود آرا تولید شده اند را در شکل 7 نشان دادیم. آرایش نانوکریستال ها با روش های مختلفی انجام می شود. علاوه بر استفاده از تیول های آلکانی و یک چنین ترکیباتی، آرایش جهت دار DNA نیز مورد استفاده قرار می گیرد.
ناحیه ی بوجود آمده توسط جامدات نانو حفره دارای مزیت های زیادی است. یک تلاش همیشگی برای تولید جامدات کریستالی با تخلخل های بزرگ در سال های اخیر منجر به تولید روش های جدیدی در تولید مواد جدید شده است. اندازه ی تخلخل در زئولیت ها و سایر مواد متخلخل می تواند کنترل شود و کاتالیست های انتخاب گر شکل از جامدات نانو حفره تولید شده اند که از آنها در علم کاتالیست استفاده می شود. از زمانی که شیمیدان های شرکت Mobil جامد نانو حفره ی MCM 41 را کشف کردند، گستره ی بزرگی از جامدات غیر آلی مزوحفره با اندازه ی حفره ی 2 تا 20 نانومتر تولید و شناسایی شده است. الیاف و کره های مزوحفره از سیلیس و سایر مواد تولید شده اند. یک گستره ی بزرگی از مواد شبکه ای هیبریدی( آلی- غیر آلی) با ساختار باز در سال های اخیر تولید شده اند که دارای معماری های مختلفی از تخلخل هستند.
مثال های نمونه وار از خود آرایی ها عبارتند از:
ساختارهای دو و سه بعدی از نانوکریستال های مواد نیمه رسانا، فلزی و مغناطیسی با استفاده از روش خود آرایی و با استفاده از حلال های آلی تولید شده اند.
نانوکریستال های پوشش داده شده با پلیمر با روش خود آرایی از نانو ذرات بزرگ تولید می شوند.
خود آرایی نانوتیوب های کربنی کریستال های تکی را تشکیل می دهند.
خود آرایی نانوساختارهای کلوییدی
خود آرایی القا شده با لیتوگرافی
استفده از ویژگی های منحصر بفرد، خود آرایی و ایجاد پیوند های خاص از هسته ها در رشته های DNA (برای ساخت بلوک ها و یا تمپلیت های مورد استفاده در ایجاد آرایش در سایر المان های نانویی).
دکوراسیون ذرات ویروسی با نانوذرات فلزی( برای ایجاد کمک به اتصال ویروس ها به آریه هاو ایجاد شبکه هایی از نانوذرات).

روش های عملی

در حالی که روش های استاندارد برای اندازه گیری و شناسایی به طور مستمر برای بررسی نانوساختارها مورد استفاده قرار می گیرد، استفاده از میکروسکوپ های پروبی- روبشی( با رزولیشن فضایی 1 nm) به همراه استفاده از میکروسکوپ الکترونی با رزولیشن بالا قابلیت تصویربرداری مستقیم از ساختارها و مطالعه ی ویژگی این مواد را مقدور ساخته است. برای مثال، میکروسکوپ الکترونی روبشی و میکروسکوپ نیروی اتمی در دماهای پایین، تحت خلآ و یا در میدان مغناطیسی مورد استفاده قرار می گیرد. میکروسکوپ نیروی اتمی به طور مستقیم برای تصویربرداری دومین های مغناطیسی و میکروسکوپ های رزونانس مغناطیسی برای تشخیص رزونانس چرخش الکترون و هسته( در رزونانس فضایی زیر میکرون) مورد استفاده قرار می گیرد. میکروسکوپ پروبی- روبشی کنترل شده با کامپیوتر در دستکاری های نانوساختاری در زمان های حقیقی مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین با استفاده از TEM ها و SEM ها می توان در مقیاس نانو دستکاری انجام داد. مدل های جدیدتر از وسایل دستکاری در مقیاس نانو با استفاده از تکنولوژی هایی مانند سیستم های نانو الکترومکانیکی( NEMS) توسعه یافته اند.
میکروسکوپ های نوری روبش کننده ی میدان نزدیک اجازه می دهد تا بتوان به مقیاس هایی زیر طول موج 50 تا 100 نانومتر دستیابی داشت( این کار با شکستن حد تفرق انجام می شود). انبرک های نوری، روش های دقیقی برای بررسی ویژگی های مکانیکی و دینامیک ذرات و مولکول ها ایجاد می کنند. بنابراین اندازه گیری نیروی پیوند DNA می تواند یک سنسور حساس ایجاد کند.
علم نانومکانیک با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی قادر است تا مولکول های منفرد را مورد مطالعه قرار دهد. این مطالعات می تواند آگاهی مناسبی در زمینه ی مسائل مربوط به چین خوردگی در مولکول های بیولوژیکی، به ما ارائه دهد. پروب های اهرمی ما را قادر می سازد تا بتوانیم در مقیاس نانومتر و با سرعت بالا تصویر برداری کنیم.
چیپ های میکرویی برای استفاده در آنالیز DNA و واکنش های زنجیره ی پلیمری توسعه یافته اند. اگر ابزارهای بهبود یافته برای تصویربرداری سه بعدی و میکروسکوپی و همچنین ادوات آنالیز شیمیایی در مقیاس های نانویی ابداع شود، مزیت خیلی بوجود می آید.

شبیه سازی و مدل سازی کامپیوتری

چندین روش محاسباتی برای شبیه سازی و مدل سازی نانومواد توسعه یافته است. از آنجایی که زمان آسایش می تواند از پیکو ثانیه تا ساعت ها طول کشد، این ضروی است که از دینامیک Langvein علاوه بر دینامیک مولکولی در محاسبات بهره بگیریم. شبیه سازی نانو وسایل از طریق بهینه سازی اجزا و فعالیت های مختلف منجر به نتایج مؤثری می شود (مثلا روان سازی در مقیاس نانو). شبیه سازی دینامیک مولکولی DNA به طور موفقیت آمیز در برخی حوزه ها مورد استفاده قرار گرفته است. کوانتوم دات ها و نانو تیوب ها به طور رضایت بخش مدل سازی شده اند. محاسبات قوانین بر روی نانو مواد می تواند پیچیده باشد، اگر خوشه ها به حدی بزرگ باشند که با روش های Hartree- Fock و یا به حدی کوچک باشند که بوسیله ی تئوری فانکشنالیتی دانسیته قابل بررسی نباشند.

کاربردها

با استفاده از سل ژل هاو آیروژل ها و مواد اکسیدی غیر آلی با ناحیه ی سطح بالا ویژگی های جذب، کاتالیستی و سایر ویژگی ها قابل بهبود می باشد. نانوکامپوزیت ها و نانوساختارهای با استحکام بالا قادر به ایجاد موادی با استحکام بسیار بالا، مواد با تافنس بسیار بالا، سمنت های داکتیل و مگنت های جدید است. توسعه های قابل توجهی در زینترینگ نانو فازهای مواد سرامیکی و تولید پارچه ها و پلاستیک های حاوی نانوذره بوجود آمده است. مواد الکترودی نانوساختار می تواند ظرفیت و کارایی باتری های لیتیومی را افزایش دهد. Shipway و همکارانش کاربردهای نانوذرات را مورد بررسی قرار دادند. انواع جدید و شناخته شده از مواد نانو، مزو و ماکرو تخلخل می توانند در کاتالیست ها و سنتزهای صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند. صنعت شیمی ممکن است مقادیر زیادی از مواد نانومتری را در کاتالیست های خود مورد استفاده قرار دهد زیرا کاتالیست های نانو مقیاس می تواند انتخاب گری مناسبی ایجاد کند.
تکنیک های لیتوگرافی در مقیاس نانو و لیتوگرافی نرم به طور مؤثر مورد استفاده قرار می گیرد و یک ترکیب از خود آرایی به همراه ابزارهای ایجاد الگو، می تواند ما را قادر سازد تا الگوهای نانولیتوگرافی ایجاد کنیم. الکترودهای لایه نازک که با استفاده از بار بدام افتاده، الگودار شده اند، یکی دیگر از روش ها برای ایجاد الگو می باشد که ممکن است در ابزارهای جدید ذخیره سازی داده و در پرینترهای با رزولیشن بالا، کاربرد داشته باشند. لیتوگرافی با قلم فرو رونده( Dip-pen lithography) نیز برای دستکاری نانو مواد مورد استفاده قرار می گیرد( شکل 8).
کاربردهای بالقوه از نانوتیوب های کربنی زیاد است. نانو تیوب های کربنی به عنوان سری های میکروسکوپ روبشی مورد استفاده قرار می گیرند و همچنین از این تیوب ها در امیترهای وسایل نمایش استفاده می شود. از آنجایی که نانو تیوب ها می تواند فلزی یا نیمه رسانا باشند، ما انتظار داریم که این مواد کاربردهای زیادی در ساختارهای الکترونیک داشته باشند. در شکل 9، ما نمودار I-V را در پیکربندی FET نشان دادیم. این پیکربندی های در وسایل با ترمینال 3 و 4 تایی قابل استفاده می باشند. نانو تیوب های با اتصال Y می تواند برای چیپ های مورد استفاده در مدارات جدید، استفاده شوند.
سنسورهای شیمیایی و بیوشیمیایی با نانوتیوب ها ساخته شده اند. اگرچه نانوتیوب های کربنی دارای ویژگی های خوبی برای ذخیره سازی هیدروژن هستند، اندازه گیری های جدید امکان را منتفی دانسته است. ویژگی های سطحی نانوتیوب های کربنی برای کاربردهای کاتالیستی مورد استفاده قرار می گیرند مخصوصا بعد از جذب نانوذرات فلزی بر روی سطح آنها. در حالی که ما در اینجا خودمان را به نانو تیوب های کربنی محدود کردیم، به یاد داشته باشید که استفاده های بالقوه از نانو تیوب های غیر آلی هنوز بررسی نشده است. به طور مشابه، استفاده از نانو سیم های غیر آلی برای کاربردهای مختلف هنوز هم به طور کامل بررسی نشده است.
نانوذرات طلای کلوییدی که به DNA متصل می شوند، می توانند برای بررسی DNA های مکمل مورد استفاده قرار گیرند. مثال های زیادی وجود دارد که در آن نانوکریستال های فلزی و نیمه رسانا یا کوانتوم دات ها برای استفاده در سنسورها، علامت گذاری شده اند. تکنولوژی آرایه های میکروچیپی حاوی DNA که از الگوبرداری های لیتوگرافی استفاده می کند، نیز توسعه یافته اند. دارو رسانی و ژن رسانی به طور روز افزونی از نانو ذرات و نانو کپسول ها استفاده می کنند. موتورهای مولکولی مانند فاز پروتئینی هم اکنون شناخته شده اند، اما این مسئله که آیا این موتورها به طور عملی می توانند نانو وسایل را به حرکت در آورند، مسئله ای است که باید مورد بررسی قرار گیرد. سایر زمینه های بیولوژی که در آن نانومواد مورد استفاده قرار می گیرد، عبارتست از نظارت بر محیط یا سیستم های زنده بوسیله ی نانو سنسورها و بهبود پروتزهای مورد استفاده در بدن و ... .
کاربردهای مهم از نانو مواد در نانو وسایل و نانو الکترونیک ایجاد می شود. هم اکنون برخی پیشرفت ها در این زمینه ها وجود دارد که یک چنین انتظاراتی را تصدیق می کند. نمونه ای از پیشرفت های انجام شده در سال های گذشته، تولید حافظه های تک الکترونی، سدهای کولمبی و اثرات کوانتومی، پروب های روبشی در آرایه ها، المان های منطقی و سنسورهاست. استفاده از نانو ساختارهای نیمه رسانا مخصوصا نیتریدهای گروه های III-V به عنوان LED ها و دیودها، یکی از موفقیت ها در این حوزه می باشد. همچنین کوانتون دات ها و نانو سیم های ساخته شده از این مواد نیز دارای کاربردهای زیادی هستند. وسایل تونل زنی رزونانسی در نانوالکترونیک سزاوار توجه بیشتر است زیرا آنها هم اکنون موفقیت های زیادی در مدارات حافظه و چند منطقی دارند. وسایل با عملکرد خاص که بر اساس پیکربندی های کوانتمی ساخته می شوند، می توانند در سوئیچینگ فوتونی و ارتباطات نوری، مورد استفاده قرار گیرد.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع می باشد.