下一页上一页下一页上一页OUTLINE 纳米技术概述纳米半导体材料 碳纳米管和半导体纳米线 量子点和量子线纳电子器件 单电子晶体管 分子结器件 场效应晶体管 逻辑器件及其电路下一页上一页什么是纳米科技纳米科学是研究在千万分之一米 到亿分之一米(10-9米)内，原子、分 子和其它类型物质的运动和变化的规 律；利用这些规律，在这一尺度范围 内对原子、分子进行操纵和加工被称 为纳米技术。下一页上一页0.1nm 1nm 1000nm 106nm 109nm知识上的裂缝，一边是以原子、分子为主体的微观世界， 另一岸是人类活动的宏观世界。两个世界之间不是直接而 简单的联结，存在一个过渡区-纳米世界下一页上一页纳米体系：量子世界波 粒 二 象 性不确定 原 理下一页上一页隧穿几率不可 穿越 势垒可隧 穿势 垒经典力学量子力学dEV0下一页上一页不确定原理经典概念在微观世界可以应用到什么程度下一页上一页纳米技术研究内容v纳米科技主要包含三个重要的支撑技术：纳米材料: 无机纳米材料，有机纳米材料，复合纳 米材料等；纳米加工制造技术：微细加工技术，扫描探针加工 技术，分子组装技术等；纳米表征测量技术：经典的表征分析技术，扫描探 针显微技术，单分子检测技术等。v纳米科技的核心思想是制备纳米尺度的材料或结构， 发掘其不同凡响的特性，并对其进行研究。由此形成 各类纳米科技研发领域.下一页上一页纳米技术的主要特征v从材料发展的角度看，纳米材料的制备将更多地考虑分 子设计、材料结构、表面等。v从纳米结构加工制造的角度看，传统的以三束（光子束 ，电子束、离子束）技术为核心的微电子平面加工技术 仍扮演主要角色。同时，以原子、分子装配等为基础的 分子组装技术也越来越受到重视。v对纳米对象的表征除了传统的观察测量技术，如谱学技 术、电子显微镜技术外，采用了以STM（扫描隧道显微 镜）、AFM（原子力显微镜）为代表的扫描力显微技术 。v纳米器件将沿两条路线进行： 1）目前的微电子技术不断缩小加工尺度，为此需要发展 新的功能材料和设计技术； 2）量子效应纳米器件。下一页上一页扫描隧道显微镜vSTM是基于导电的样品和针尖之间的隧道电流的大小与它们 之间的距离的增大呈指数关系下降的原理造成的。v当针尖和样品距离小于1nm的时候，针尖中的电子波函数与 样品表面的电子波函数交叠，当把针尖与样品之间加上偏压 时，就可以使它们之间的电子流动，这种现象在量子力学里 被称为隧道效应或隧穿，它们之间的电流被称为隧道电流。vSTM就通过测量样品和针尖之间的隧道电流来工作。下面的 公式表示了隧道电流和样品-针尖的距离之间的关系： IVe-cd 其中，I是隧道电流，V是加在样品和针尖上的偏压，c是一 个常数,d是样品-针尖之间的距离。下一页上一页v当导电金属针尖距离导电物质表面足够近时（1nm），探 针针尖和物质表面就会有隧道电流通过，微弱的隧道电流 信号可以被电路放大，并准确记录。v隧道电流对样品表面之间的距离呈指数关系，根据量子理 论计算，距离每减小0.1nm（一个氢原子的直径），隧道电 流值会增加10倍。在探针扫描时，通过测量这种隧道电流 的变化就可以记录下物体表面的起伏情况，再经计算机重 建后就可以获得反映物体表面形貌的直观图象。vSTM只能用于导体和半导体。扫描隧道显微镜下一页上一页扫描隧道显微镜下一页上一页原子力显微镜vAFM的工作原理是通过用隧道电流检测力敏元件的位移来实现 力敏元件探针尖端原子与表面原子之间的排斥力的监测，进而 得到表面形貌。由于不需要在探针与样品间形成电回路，突破 了样品导电性的限制，因而有更加广泛的应用领域。AFM达到 了原子级分辨率。vAFM由探头、电子控制系统、计算机控制及软件系统、步进电 机样品自动逼近控制电路四部分构成。v半导体激光器发出的激光束，经透镜会聚到微探针头部，微悬 臂的尺寸大约100微米左右。由微探针反射回来，再经一反射 镜到达光斑位置敏感器，转化为电信号后，再由前置放大器放 大后送给反馈电路。下一页上一页v当探针在样品表面扫描时，由于样品表面起伏不平而 使探针带动微悬臂弯曲变化，而微悬臂的弯曲又使得 光路发生变化，最终导致照射到光敏检测器上的激光 光斑位置发生移动。光敏检测器将光斑位移信号转换 成电信号，经放大处理后，计算机通过ADC采集每个X ，Y坐标点所对应的反馈电路输出值，再转化为灰度 级在监视器上显示出扫描范围中样品的表面形貌。原子力显微镜下一页上一页原子力显微镜下一页上一页OUTLINE 纳米技术概述纳米半导体材料 碳纳米管和半导体纳米线 量子点和量子线纳电子器件 单电子晶体管 分子结器件 场效应晶体管 逻辑器件及其电路下一页上一页纳米碳管下一页上一页碳纳米管（Carbon nanotube）v1991年才被发现的一种碳结构。v由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的 管体。石墨烯的片层一般可以从一层到上百层。下一页上一页碳纳米管（Carbon nanotube）v 含有一层石墨烯片层的称为单壁纳米碳管(Single walled carbon nanotube, SWNT)，直径一般为16 nm ，最小直径大约为0.4 nm，SWNT的直径大于6nm以后特 别不稳定，会发生SWNT管的塌陷，长度则可达几百纳米 到几个微米。因为SWNT的最小直径与富勒烯分子类似， 故也有人称其为巴基管或富勒管。v 多于一层的则称为多壁纳米碳管( Multi-walled carbon nanotube, MWNT)。SWNT的MWNT的层间距约为 0.34纳米，直径在几个纳米到几十纳米，长度一般在微 米量级，最长者可达数毫米。v 由于纳米碳管具有较大的长径比，所以可以把其看成为 准一维纳米材料。 下一页上一页碳纳米管和半导体纳米线一维纳米材料n碳纳米管 因直径、手性不同而呈现不同的电学特性， 即金属性或半导体性 单壁碳纳米管：由于单壁纳米管间存在较强 的范德瓦尔斯力，极易聚集成管束，且C-C共 价键很强，其管壁结构几乎理想下一页上一页碳纳米管可以看成是由石墨卷曲而成的封 闭管，其结构可用螺旋矢量Ch和螺旋角 来表征其中Ch可表示为 Ch=na1+ma2，其中a1,a2为基本矢量，因此具有螺旋 矢量Ch的碳纳米管也就可以用一组整数（n,m）表示 ，其称为碳纳米管的指数碳纳米管的指数下一页上一页下一页上一页-镜面12橙子 味柠檬味下一页上一页n碳纳米管组装器件的局限 金属性或半导体性的碳纳米管难可控生长，不同 电学特性的纳米管生长在一起，需后续分离n半导体纳米线 总是呈现半导体特性，其掺杂类型、浓度可控， 纳米线的成分、尺寸、电学和光学特性等可在合 成过程中合理控制一维纳米材料下一页上一页n半导体纳米线由于硅纳米线表面易氧化，通过氧化层 保护下一页上一页量子点和量子线n量子线 碳纳米管平面内分布的自由电子将在某一方向 形成量子线n量子点 自由电子在x，y方向都加以限制，形成量子点 含有11000个可控制的电子P307 图10.7下一页上一页纳米材料的四大效应v小尺寸效应v量子尺寸效应v表面效应v宏观量子隧道效应下一页上一页当超细微粒的尺寸与光波波长等物理 特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的 边界条件将被破坏；非晶态纳米微粒的 颗粒表面层附近原子密度减小，导致声 、光、电、磁、热、力学等特性呈现新 的效应。小尺寸效应v光吸收显著增加v出现吸收峰的等离子共振频移v磁有序态变为磁无序态v超导相变为正常相下一页上一页当金属粒子尺寸下降到某一值时，金 属费米能级附近的电子能级由准连续变 为离散能级的现象，并且纳米半导体微 粒存在不连续的被占据分子最高轨道和 未被占据的分子最低轨道能级。能隙变宽现象称为量子尺寸效应。量子尺寸效应下一页上一页纳米微粒尺寸小，表面能高，位 于表面的原子占相当大的比例。由 于表面原子数增多，原子配位不足 及高的表面能，使这些表面原子具 有高的化学活性、催化活性、吸附 活性表面效应下一页上一页微观粒子具有贯穿势垒的能力称 为隧道效应。一些宏观量，例如微 颗粒的磁化强度，量子相干器件中 的磁通量等亦具有隧道效应，成为 宏观的量子隧道效应。宏观量子隧道效应下一页上一页OUTLINE 纳米技术概述纳米半导体材料 碳纳米管和半导体纳米线 量子点和量子线纳电子器件 单电子晶体管 分子结器件 场效应晶体管 逻辑器件及其电路下一页上一页Nano Science and TechnologyInsect1 m1 mm1 m1 nm 1 Molecula rAtomMACRO-MICRO- Condensed Matter PhysicsMeso- physicsbig barrierVacuum TubeSemiconductor DevicesSingle Electron DevicesNANOELECTRONICSAnimal下一页上一页三代电子器件v真空电子管主要是将电子引入真空环境，成为自 由电子，它具有较长的自由程。v晶体管是利用固体中自由载流子通过相对的两个 pn结，同时由基极注入结中的少数载流子与多数 载流子复合来实现信号放大；MOS管是利用门（g ）电压来控制（s）和（d）极间的电流实现信号 放大。v纳电子器件主要为单电子器件，量子效应是信号 加工的基础。下一页上一页纳电子学v电子技术的发展趋势要求器件和系统更小、更 快和更冷，即集成度更高、响应和操作速度更 快、功耗更底。v在硅上，目前已经生产最小线宽为130nm的电 路，再进一步发展到线宽小于100nm时，将会 遇到两大难题：光刻技术的限制，刻蚀尺寸已远小于所用光 束波长，而且掩膜的平整度、基板的平整度以及 两者之间的平行度已经成为工艺方面的不可逾越 的障碍。工艺设备和研发的投资可能远远大于产品的 回报。下一页上一页解决的思路v目前可分为两种类型：一是研究开发最小线宽为20-50nm的器件，作为 现有集成电路的进一步微型化延伸，大体延用目 前的基本设计思想，但不能使用目前常用的光刻 、参杂工艺，在材料上需要有新的突破，如使用 有机物或聚合物，属于塑料电子学范畴，或称有 机纳米电子器件。另一种是与经典集成电路完全不同的、利用量子 效应构成的全新的量子结构系统，简称量子器件 ，可能的器件模式有量子点、量子线、量子阱、 单电子晶体管、单原子开关、自旋电子器件、共 振隧道器件等，目前还都处于了解基本现象的原 理阶段。下一页上一页纳电子器件 分类 分子电子器件 ：基于碳纳米管或单个C分子 固体纳电子器件：基于半导体材料，单电子等 特点 电导的量子化 库仑阻塞和单电子隧穿 量子的相干特性显著下一页上一页电导量子化v电导是在保持不同费米能级的电子之间的电子 跃迁，对一维体系，考虑电子的自屏蔽作用， 导出电导率与跃迁几率之间的关系的公式：vC为与系统结构和特性有关的常数，T为电子的 穿透几率。当T=1时，电阻为0。v电导量子化，是量子点接触和单电子器件的基 础。下一页上一页电导量子化满足量子条件的 电导率是因子（ e2/h）的函数， e2/h为电导量子。在单电子输运情 况下，此因子为 量子化台阶值。下一页上一页库仑堵塞现象v当体系的尺寸进入到纳米级，体系是电荷量子化的， 即充放电过程是不连续的。v充入一个电子的所需要的能量为： EC=e2/2Ce为电子电荷，C为小体系的电容。体系越小，C越小 ， EC越大。 EC称为库仑堵塞能。v库仑堵塞能可以理解为前一个电子对后一个电子的库 仑排斥。它导致了对一个小体系的充放电过程，电子 不能集体传输。v小体系的这种单电子输运行为被称为库仑堵塞效应。 由于库仑堵塞效应的存在，电流随电压的上升不再是 直线，而是呈现锯齿形状的台阶。下一页上一页隧道效应v微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。v如果两个量子点通过一