自从1947年电子晶体管发明以来，其尺寸持续缩小。随着器件尺寸进入纳米尺度，介观物理和量子效应将会越来越明显，因此将产生短沟道效应、库仑阻塞效应、绝缘氧化层量子隧道效应和沟道掺杂原子统计涨落等物理现象，影响器件的性能；由于晶体管集成度的提高，单位面积内的功耗增加，散热问题对器件性能的影响越来越大；为了满足纳米尺度工艺精度和技术要求，芯片制造设备成本越来越高。为此，在人们将微电子学向纳米尺度推进的过程中，一方面，对以硅基互补金属氧化物半导体（complementary metal oxide semiconductor; CMOS）为主的集成电路技术不断改进，将器件的尺寸按比例缩小的规律降至纳米量级；另一方面，同时发展基于新概念和新物理机制的纳米电子器件。纳米电子器件不仅是微米电子器件尺寸的进一步缩小，更重要的是在这些器件中，原子间相互作用和量子力学效应不可忽略，它们会对器件性能产生影响，使得纳米电子器件出现不同于传统宏观电子器件的一些量子行为特性。

纳米电子器件的研究主要有两条途径：一是沿着微电子学技术的方法，将以硅（Si）、砷化镓（GaAs）等为主的无机半导体材料构成的微电子器件按比例缩小到纳米级，称为自上而下模式；二是从原子、分子入手，基于物理/化学生长、组装，使材料的尺寸从原子分子尺寸长大到纳米尺度，形成纳米结构，组装成功能器件，称为自下而上模式。

纳米电子器件的研究和发展分为3个方向：①新理论。研究量子效应影响及主导下的电子器件工作的原理。②新材料。研究高纯度，结构完善的二维、一维和零维等低维纳米级材料，这些材料的表面、界面原子和电子结构将起重要作用。③新技术。研究在原子、分子尺度上制备、组装成为功能元件的技术，同时要将光刻、掺杂等技术拓展到纳米尺度，并发展相应的纳米尺度的表征、分析和测试手段。

常见的纳米电子器件可以分为纳米级CMOS器件和基于新物理机制的纳米电子器件。基于新物理机制的纳米电子器件按照器件的结构和工作原理分类，可进一步分为共振隧穿器件、单电子器件、量子点器件、超导量子干涉仪和自旋电子器件等。按照材料分类，纳米电子器件可分为以硅、砷化镓为代表的传统半导体纳米电子器件，以石墨烯、碳纳米管、纳米线为代表的低维材料纳米电子器件，单原子和单分子纳米电子器件等。

纳米电子器件具有尺寸小、功耗低、对外界环境敏感等特点，具有的量子效应使得其与传统电子器件有着很多不同之处。纳米电子器件不仅可以应用于模拟电路、数字逻辑电路和信息存储传统电子器件研究领域，也被广泛应用于图像显示、图像处理、探测传感、柔性电子学、医学诊断和仿生学等新兴交叉学科领域。与此同时，由于其具有的量子效应，人们也尝试将电子计算机中的比特概念用量子比特代替，利用量子比特叠加和纠缠的特性，制造量子计算机，用以解决某些高度并行的计算任务。