奈米技術中最重要的一個分支領域是奈米電子學技術（nanoelectronics）。 在資訊社會中，電子學的應用顯得越來越重要。資訊的獲取、放大、儲存、處理、傳輸、轉換和顯示，哪一樣都離不開電子學。電子學技術未來的發展，將以“更小，更快，更冷”為目標。“更小”是進一步提高晶片的整合度，“更快”是實現更高的資訊運算和處理速度，而“更冷”則是進一步降低晶片的功耗。只有在這三方面都得到同步的發展，電子學技術才能取得新的重大突破。
美國國防高等技術研究廳（DARP），不久前提出的超電子學（ulbeebotmlllcs）研發計劃，就是根據“更小，更快，更冷”的發展目標，要求未來的電子器件要比現有的微電子器件的儲存密度高5－100倍，速度快10－100倍，而功耗則要小於現在器件功耗的2倍。最終希望達到“雙十二”，即1012位的儲存器容量（1Terabit）和每秒1012次的運算器速度（1000億次/s），且廉價而節能。要實現這一目標，電子器件的尺寸將必然進入奈米技術的尺度範圍，即要小於100nm。這表明，隨著人類對晶片的要求越來越高，在不久的將來，微電子器件必將過渡到奈米電子器件，使其成為21世紀資訊時代的核心。
要實現奈米電子器件及其積體電路，有兩種可能的方式。
一種是將現有的積體電路進一步向微型化延伸，研究開發更小的最小線寬的加工技術來加工尺寸更小的電子器件。這種方法只是尺度上的縮小，電子器件的構造並不發生根本的改變。現行的微電子器件（如場效應電晶體，field-effecttransistor,FET）功耗較大，它無法滿足對器件“更冷”的要求。著名的莫爾定律（Moore’slaw）預言：“每隔18個月新晶片的電晶體容量要比先前的增加一倍，同時效能也會提升一倍”，事實已經證明，在過去的30多年裡，莫爾定律準確地代表著晶片技術的發展趨勢。但是，隨著積體電路的整合度越來越高，電晶體的尺寸和積體電路的最小線寬越來越小，莫爾定律受到了極大的挑戰。因為按照莫爾定律的發展趨勢，10年後的2010年微電子器件的尺寸和積體電路的最小線寬都將小於100nm，而目前的光刻技術能夠加工的最小線寬為130nm，達到現代微電子學光刻加工技術的極限（物理限制）
另一種方式是研製與當代積體電路完全不同的，利用奈米結構的量子效應而構成的全新量子結構體系，它包括新型的量子器件，如單電子電晶體，單電子儲存器，單原子開關等，以及可能用於量子系統的零維的量子點（quantumdot），一維的量子線（quantumwire）和二維量子阱（quantumwell）等。
無論採取那一種方式，傳統的微米技術都很難再有所作為。掃描隧道顯微鏡（STM）的發明給奈米電子學帶來了福音，這裡有必要對其做一簡單的介紹：
1982年，國際商業機器公司（InternationalBusinessMachine,IBM）蘇黎世研究所的GerdBinnig和HeinrichRohrer及其同事們成功地研製出世界上第一臺新型的表面分析儀器，即掃描隧道顯微鏡（scanningtunnelingmicroscopeSTM）。它使人類第一次能夠直接觀察到物質表面上的單個原子及其排列狀態，並能夠研究其相關的物理和化學特性。因此，它對錶面物理和化學、材料科學、生命科學以及微電子技術等研究領域有著十分重大的意義和廣闊的應用前景。STM的發明被國際科學界公認為20世紀80年代世界十大科技成就之一。由於這一成就，Binnig和Rohrer獲得了1986年諾貝爾物理獎。
由於STM具有極高的空間分辨能力（平行方向的解析度為0.04nm，垂直方向的解析度達到0.01nm），它的出現標誌著奈米技術研究的一個最重大的轉折，甚至可以說標誌著奈米技術研究的正式起步，因為在此之前人類無法直接觀察表面上的原子和分子結構，使奈米技術的研究無法深入地進行。
STM的基本原理是量子隧道效應。它利用金屬針尖在樣品的表面上進行掃描，並根據量子隧道效應來獲得樣品表面的影象。通常掃描隧道顯微鏡的針尖與樣品表面的距離非常接近（大約為0．5－1.0nm），所以它們之間的電子雲互相重疊。當在它們之間施加一偏置電壓Vb（Vb通常為2mV－2V）時，電子就可以因量子隧道效應由針尖（或樣品）轉移到樣品（或針尖），在針尖與樣品表面之間形成隧道電流。電流I對針尖和樣品表面之間的距離s變化非常敏感。如果此距離減小僅僅0.1nm，隧道電流I將會增加10倍；反之，如果距離增加0.1nm，隧道電流I就會減少10倍。 STM有兩種工作模式，恆電流模式和恆高度模式。恆電流模式是在STM影象掃描時始
終保持隧道電流恆定，它可以利用反饋迴路控制針尖和樣品之間距離的不斷變化來實現。當壓電陶瓷Px和Py控制針尖在樣品表面上掃描時，從反饋迴路中取出針尖在樣品表面掃描的過程中它們之間距離變化的資訊（該資訊反映樣品表面的起伏），就可以得到樣品表面的原子影象。由於恆電流模式時，STM的針尖是隨著樣品表面形貌的起伏而上下移動，針尖不會因為表面形貌起伏太大而碰撞到樣品的表面，所以恆電流模式可以用於觀察表面形貌起伏較大的樣品。恆電流模式是一種最常用的掃描模式。
恆高度模式則是始終控制針尖的高度不變，並取出掃描過程中針尖和樣品之間電流變化的資訊（該資訊也反映樣品表面的起伏），來繪製樣品表面的原子影象。由於在恆高度模式的掃描過程中，針尖的高度恆定不變，當表面形貌起伏較大時，針尖就很容易碰撞到樣品。所以恆高度模式只能用於觀察表面形貌起伏不大的樣品。近年來，STM不僅使得人們的視野可以直接觀察到物質表面上的原子及其結構並進而分析物質表面的化學和物理性質，它還使得人們可以在奈米尺度上對材料表面進行各種加工處理，甚至可以操縱單個原子。這一特定的應用將會使人類從目前微米尺度的加工技術跨入到奈米尺度和原子尺度，成為未來器件加工（奈米電子學）和分子切割（奈米生物學）的一個重要手段。
STM的針尖不僅可以成像，還可以用於操縱表面上的原子或分子。單原子操縱主要包括三個部分，即單原子的移動，提取和放置。使用STM進行單原子操縱的較為普遍的方法是在STM針尖和樣品表面之間施加一適當幅值和寬度的電壓脈衝，一般為數伏電壓和數十毫秒寬度。由於針尖和樣品表面之間的距離非常接近，僅為0．3－1.0nm因此在電壓脈衝的作用下，將會在針尖和樣品之間產主一個強度在109～1010V／m數量級的強大電場。這樣，表面上的吸附原子將會在強電場的蒸發下被移動或提取，並在表面上留下原子空穴，實現單原子的移動和提取操縱。同樣，吸附在STM針尖上的原子也有可能在強電場的蒸發下而沉積到樣品的表面上，實現單原子的放置操縱。
1990年，美國IBM公司Almaden研究中心Eigler研究小組使用工作在超高真空和液氦溫度（4.2K）條件下的STM成功地移動（displace）了吸附在Ni（110）表面上的惰性氣體Xe原子,並用35個Xe原子排列成“IBM”三個字樣，這一研究立刻引起了世界上科學家們的極大興趣並開創了用STM進行單原子操縱的先例。圖2是在Cu（111）表面上成功地用101個Fe原子寫下“原子”二個迄今為止最小的漢字。 1991年日立中央研究所Hosoki等人曾經在室溫的條件下，應用電壓脈衝方法成功地提取MoS2表面上的S原子並用遺留下的原子空穴構成了“PEACE’91HERL”（其中HCRL為日立中央研究所的英文縮寫）的字樣。用這種方法加工的字竟小於1.5nm。 利用單原子放置的一個典型例項，利用STM的針尖將Au原子團源源不斷地放置到Au表面上的預定位置，形成一個直徑僅為1μm的世界地圖，與實際地球相比，其比例約為1：113。
總之，STM的出現為人類認識和改造微觀世界提供了一個極其重要的新型工具。隨著它的理論和實驗技術的日益完善，它必將在單原子操縱和奈米技術等諸多研究領域中得到越來越廣泛的應用。隨著原子結構加工機理研究的深入，用單個原子來製造電子器件將不再是夢想，人們直接以原子和分子製造具有特定功能的產品的時代也將會到來。到那時，也許現在的巨型計算機將來有可能做成大頭針那樣大小，即使是美國最新開發成功的峰值速度高達每秒12萬億次超級計算機，也將會小到可以隨手放進口袋裡。
奈米技術中最重要的一個分支領域是奈米電子學技術（nanoelectronics）。 在資訊社會中，電子學的應用顯得越來越重要。資訊的獲取、放大、儲存、處理、傳輸、轉換和顯示，哪一樣都離不開電子學。電子學技術未來的發展，將以“更小，更快，更冷”為目標。“更小”是進一步提高晶片的整合度，“更快”是實現更高的資訊運算和處理速度，而“更冷”則是進一步降低晶片的功耗。只有在這三方面都得到同步的發展，電子學技術才能取得新的重大突破。
美國國防高等技術研究廳（DARP），不久前提出的超電子學（ulbeebotmlllcs）研發計劃，就是根據“更小，更快，更冷”的發展目標，要求未來的電子器件要比現有的微電子器件的儲存密度高5－100倍，速度快10－100倍，而功耗則要小於現在器件功耗的2倍。最終希望達到“雙十二”，即1012位的儲存器容量（1Terabit）和每秒1012次的運算器速度（1000億次/s），且廉價而節能。要實現這一目標，電子器件的尺寸將必然進入奈米技術的尺度範圍，即要小於100nm。這表明，隨著人類對晶片的要求越來越高，在不久的將來，微電子器件必將過渡到奈米電子器件，使其成為21世紀資訊時代的核心。
要實現奈米電子器件及其積體電路，有兩種可能的方式。
一種是將現有的積體電路進一步向微型化延伸，研究開發更小的最小線寬的加工技術來加工尺寸更小的電子器件。這種方法只是尺度上的縮小，電子器件的構造並不發生根本的改變。現行的微電子器件（如場效應電晶體，field-effecttransistor,FET）功耗較大，它無法滿足對器件“更冷”的要求。著名的莫爾定律（Moore’slaw）預言：“每隔18個月新晶片的電晶體容量要比先前的增加一倍，同時效能也會提升一倍”，事實已經證明，在過去的30多年裡，莫爾定律準確地代表著晶片技術的發展趨勢。但是，隨著積體電路的整合度越來越高，電晶體的尺寸和積體電路的最小線寬越來越小，莫爾定律受到了極大的挑戰。因為按照莫爾定律的發展趨勢，10年後的2010年微電子器件的尺寸和積體電路的最小線寬都將小於100nm，而目前的光刻技術能夠加工的最小線寬為130nm，達到現代微電子學光刻加工技術的極限（物理限制）
另一種方式是研製與當代積體電路完全不同的，利用奈米結構的量子效應而構成的全新量子結構體系，它包括新型的量子器件，如單電子電晶體，單電子儲存器，單原子開關等，以及可能用於量子系統的零維的量子點（quantumdot），一維的量子線（quantumwire）和二維量子阱（quantumwell）等。
無論採取那一種方式，傳統的微米技術都很難再有所作為。掃描隧道顯微鏡（STM）的發明給奈米電子學帶來了福音，這裡有必要對其做一簡單的介紹：
1982年，國際商業機器公司（InternationalBusinessMachine,IBM）蘇黎世研究所的GerdBinnig和HeinrichRohrer及其同事們成功地研製出世界上第一臺新型的表面分析儀器，即掃描隧道顯微鏡（scanningtunnelingmicroscopeSTM）。它使人類第一次能夠直接觀察到物質表面上的單個原子及其排列狀態，並能夠研究其相關的物理和化學特性。因此，它對錶面物理和化學、材料科學、生命科學以及微電子技術等研究領域有著十分重大的意義和廣闊的應用前景。STM的發明被國際科學界公認為20世紀80年代世界十大科技成就之一。由於這一成就，Binnig和Rohrer獲得了1986年諾貝爾物理獎。
由於STM具有極高的空間分辨能力（平行方向的解析度為0.04nm，垂直方向的解析度達到0.01nm），它的出現標誌著奈米技術研究的一個最重大的轉折，甚至可以說標誌著奈米技術研究的正式起步，因為在此之前人類無法直接觀察表面上的原子和分子結構，使奈米技術的研究無法深入地進行。
STM的基本原理是量子隧道效應。它利用金屬針尖在樣品的表面上進行掃描，並根據量子隧道效應來獲得樣品表面的影象。通常掃描隧道顯微鏡的針尖與樣品表面的距離非常接近（大約為0．5－1.0nm），所以它們之間的電子雲互相重疊。當在它們之間施加一偏置電壓Vb（Vb通常為2mV－2V）時，電子就可以因量子隧道效應由針尖（或樣品）轉移到樣品（或針尖），在針尖與樣品表面之間形成隧道電流。電流I對針尖和樣品表面之間的距離s變化非常敏感。如果此距離減小僅僅0.1nm，隧道電流I將會增加10倍；反之，如果距離增加0.1nm，隧道電流I就會減少10倍。 STM有兩種工作模式，恆電流模式和恆高度模式。恆電流模式是在STM影象掃描時始
終保持隧道電流恆定，它可以利用反饋迴路控制針尖和樣品之間距離的不斷變化來實現。當壓電陶瓷Px和Py控制針尖在樣品表面上掃描時，從反饋迴路中取出針尖在樣品表面掃描的過程中它們之間距離變化的資訊（該資訊反映樣品表面的起伏），就可以得到樣品表面的原子影象。由於恆電流模式時，STM的針尖是隨著樣品表面形貌的起伏而上下移動，針尖不會因為表面形貌起伏太大而碰撞到樣品的表面，所以恆電流模式可以用於觀察表面形貌起伏較大的樣品。恆電流模式是一種最常用的掃描模式。
恆高度模式則是始終控制針尖的高度不變，並取出掃描過程中針尖和樣品之間電流變化的資訊（該資訊也反映樣品表面的起伏），來繪製樣品表面的原子影象。由於在恆高度模式的掃描過程中，針尖的高度恆定不變，當表面形貌起伏較大時，針尖就很容易碰撞到樣品。所以恆高度模式只能用於觀察表面形貌起伏不大的樣品。近年來，STM不僅使得人們的視野可以直接觀察到物質表面上的原子及其結構並進而分析物質表面的化學和物理性質，它還使得人們可以在奈米尺度上對材料表面進行各種加工處理，甚至可以操縱單個原子。這一特定的應用將會使人類從目前微米尺度的加工技術跨入到奈米尺度和原子尺度，成為未來器件加工（奈米電子學）和分子切割（奈米生物學）的一個重要手段。
STM的針尖不僅可以成像，還可以用於操縱表面上的原子或分子。單原子操縱主要包括三個部分，即單原子的移動，提取和放置。使用STM進行單原子操縱的較為普遍的方法是在STM針尖和樣品表面之間施加一適當幅值和寬度的電壓脈衝，一般為數伏電壓和數十毫秒寬度。由於針尖和樣品表面之間的距離非常接近，僅為0．3－1.0nm因此在電壓脈衝的作用下，將會在針尖和樣品之間產主一個強度在109～1010V／m數量級的強大電場。這樣，表面上的吸附原子將會在強電場的蒸發下被移動或提取，並在表面上留下原子空穴，實現單原子的移動和提取操縱。同樣，吸附在STM針尖上的原子也有可能在強電場的蒸發下而沉積到樣品的表面上，實現單原子的放置操縱。
1990年，美國IBM公司Almaden研究中心Eigler研究小組使用工作在超高真空和液氦溫度（4.2K）條件下的STM成功地移動（displace）了吸附在Ni（110）表面上的惰性氣體Xe原子,並用35個Xe原子排列成“IBM”三個字樣，這一研究立刻引起了世界上科學家們的極大興趣並開創了用STM進行單原子操縱的先例。圖2是在Cu（111）表面上成功地用101個Fe原子寫下“原子”二個迄今為止最小的漢字。 1991年日立中央研究所Hosoki等人曾經在室溫的條件下，應用電壓脈衝方法成功地提取MoS2表面上的S原子並用遺留下的原子空穴構成了“PEACE’91HERL”（其中HCRL為日立中央研究所的英文縮寫）的字樣。用這種方法加工的字竟小於1.5nm。 利用單原子放置的一個典型例項，利用STM的針尖將Au原子團源源不斷地放置到Au表面上的預定位置，形成一個直徑僅為1μm的世界地圖，與實際地球相比，其比例約為1：113。
總之，STM的出現為人類認識和改造微觀世界提供了一個極其重要的新型工具。隨著它的理論和實驗技術的日益完善，它必將在單原子操縱和奈米技術等諸多研究領域中得到越來越廣泛的應用。隨著原子結構加工機理研究的深入，用單個原子來製造電子器件將不再是夢想，人們直接以原子和分子製造具有特定功能的產品的時代也將會到來。到那時，也許現在的巨型計算機將來有可能做成大頭針那樣大小，即使是美國最新開發成功的峰值速度高達每秒12萬億次超級計算機，也將會小到可以隨手放進口袋裡。