纳米电子学课件

1、纳米电子学,1,纳米技术纳米电子学,纳米电子学,2,无线电电子学,1906年美国发明家德福雷斯特发明真空电子管,1946年2月14日，第一台电脑ENIAC在美国宾夕法尼亚大学诞生,电子管原理,纳米电子学,3,微电子学,1947年12月23日美国贝尔实验室的肖克莱、巴丁、布拉顿发明“点接晶体管放大器,晶体管原理,贝尔实验室于1954年研制成功第一台使用晶体管的第二代计算机TRADIC,纳米电子学,4,微电子学,摩尔定律(Moores Law)： 集成电路基片上单位面积的晶体管数目在每一次技术改进中（约18个月）将翻一番 1965年提出,下一代微处理器的线宽只有35nm，晶体管有20亿只,电子在S

2、i中的德布罗意波长为10nm,纳米电子学,5,纳米电子学,真空电子管、晶体管电子“数量,纳米电子学(Nanoelectronics)：提出于1990年,纳电子学：信号处理时间纳秒（ns），信号功率纳焦（nW,单电子管电子的波动性、量子化,纳米电子学,6,对象：0.1-100nm的纳米结构（量子点、单个量子或量子波） 内容：探测、识别与控制其运动规律 研究： 在量子点内，单个量子或量子波所表现出来的特征和功能 单个原子、分子人工组装和自组装技术 用于信息的产生、传递和交换的器件、电路与系统 应用：信息科学技术、纳米生物学、纳米测量学、纳米机械学,纳米电子学,纳米电子学,7,纳米结构电子学效应,库

3、仑堵塞效应,宏观量子隧道效应,量子尺寸效应,小尺寸效应,表面效应,纳米电子学,纳米电子学,8,纳米结构中电子学效应,表面效应,表面原子增多-原子配位不足，表面能升高-表面原子活性上升-纳米粒子表面原子输运和构型变化，表面电子自旋和电子能谱变化,纳米电子学,9,纳米结构中电子学效应,小尺寸效应 小：与光波波长（百nm）、德布罗意波长、玻尔半径（0.1nm）、相干长度（几nm）、穿透深度相当 内部晶体周期性边界条件改变 特征光谱、磁序改变，超导相破坏、非热力学结构相改变 电、磁、声、光、热等物理性质变化,磁：颗粒变小-磁畴由多畴变为单畴-反转磁化方式由畴壁位移变为磁畴转动-矫顽力显著增长-制备永磁

4、粉体,纳米电子学,10,纳米结构中电子学效应,量子尺寸效应 纳米结构某维度尺寸降到纳米量级 电子波动性处于分离的量子化能级中，电子能谱由准连续变为离散，表面结构和电子态急剧变化，能隙展宽,电导量子、电子的弹道输运、库仑阻塞 场致发光、光吸收带蓝移、导体绝缘化、顺磁体反磁化,纳米电子学,11,纳米结构中电子学效应,库仑堵塞效应 20世纪80年代发现 物理体系小至纳米量级时，其充、放电不连续 若一个电子隧穿进入库仑岛，它会阻止第二个电子再次进入，以保持系统能量稳定 电荷隧穿经过隧道结就像水龙头滴水,纳米级器件中的电子流动不再是连续的，欧姆定律不适用,库仑堵塞能 充入一个电子所需的能量，电子进入或离

5、开体系中时前一个电子对后一个的库仑排斥能,纳米电子学,12,纳米结构中电子学效应,宏观量子隧道效应 即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒 也指波的隧穿,量子共振隧穿晶体管、扫描隧道显微镜 在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作,纳米电子学,13,纳米电子学研究方法,扫描探针显微镜SPM,扫描隧道显微镜STM,原子力显微镜ATM,纳米电子学,偏振差分反射光谱RDS,高分辨率透射电镜HRTEM,高空间分辨阴极荧光EL,纳米电子学,14,纳米电子学研究方法,扫描探针显微镜（Scanning Probe Microsc

6、ope，SPM） 利用探针针尖与表面原子间的不同种类的局域作用来测量表面原子结构和电子结构,大家族 扫描隧道显微镜（Scanning Tunnel Microscope，STM） 原子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM） 磁力显微镜（MFM） 近场扫描显微镜（SNOM）等,纳米电子学,15,纳米电子学研究方法,扫描隧道显微镜原理,测量表面原子结构和电子结构 电流I与距离S作指数反比关系： Ie-S,原子级分辨率 针尖尖端小到原子尺度 电流集中在中心区,量子隧穿效应 样品：金属或半导体 针尖：金属W、Pt-Ir 与样品间偏置电压（1V） 针尖与样品间距小于1nm

7、电子在针尖与样品间产生隧道电流,纳米电子学,16,纳米电子学研究方法,扫描隧道显微镜测试方法 工作模式,结果表示,线扫描像,灰度像,计算机模拟三维图像,纳米电子学,17,纳米电子学研究方法,扫描隧道显微镜纳米级加工 单原子操纵 高真空下，平行式、垂直式 针尖和样品表面之间施加电压脉冲（数伏电压、数十毫秒 ） 吸附原子将会在强电场1091010V/m的蒸发下被移动或提取 STM针尖上原子在强电场下蒸发、沉积到样品表面 阳极氧化法 电化学反应：针尖为阴极，试件表面为阳极 吸附在试件表面的水分子起电解液作用,纳米电子学,18,纳米电子学研究方法,扫描隧道显微镜工作条件 振动隔离 STM单元尽可能坚固

8、 减少环境振动对STM单元的传递 工作环境 大气、惰性气体、超高真空或液体 精度 针尖到样品的位置控制优于分辨率 z0.01nm，x、y0.1nm 扫描范围 Z方向0.1-1m，X、Y方向0.1-1m,纳米电子学,19,纳米电子学研究方法,原子力显微镜原理 原子之间在不同距离时有斥力或引力作用,针尖(Si3N4)原子与样品原子作用使得易弯曲悬臂起伏 微小偏转由激光检测并放大,工作方式：恒力法、恒高法,原子力显微镜纳米级加工 直接雕刻加工 电子束光刻加工 导电探针,纳米电子学,20,纳米电子学研究方法,高分辨透射电镜(HRTEM) 通过材料内部对电子的散射和干涉作用成象 分辨率可达到0.1nm以

9、下 在原子尺度直观的观察材料的微缺陷和结构 偏振差分反射光谱（Reflectance-difference spectroscopy, RDS) 被测样品的平面光学各向异性讯号 检测导体的表面和异质界面结构 获得界面原子互混、原子分凝、界面粗糙度和表面行为等信息 高空间分辨阴极荧光(EL) 在低温和高真空条件下，利用的聚焦电子束作激发源，对单个或几个量子点的发光行为进行实验研究,纳米电子学,21,纳米导电材料,低维半导体材料,纳米磁性材料,纳米电子陶瓷,单电子学与单电子器件,纳米体系中的电子波和电子波器件,纳米光电材料,纳米电子学材料与器件制备,纳米电子学,22,纳米电子学材料与器件制备,纳米

10、导电材料 制备：惰性气体蒸发、原位加压法，高能球磨法，非晶晶化法，直接淬火法、形变诱导纳米晶形成（块体） 应用： 高强金属导线 导电浆料 低温焊料,纳米电子学,23,纳米电子学材料与器件制备,纳米电子陶瓷 制备： 粉体：热解法、沉淀法、溶胶凝胶法、水热合成法、喷雾法、微乳液、机械粉碎法 成型：常温单向压制、冷等静压、离心法 烧结：常压烧结、热压烧结、热等静压烧结、微波烧结、等离子体烧结 应用：绝缘、介电、铁电、压电、热敏、气敏、压敏、湿敏、导电、磁性,纳米电子学,24,纳米电子学材料与器件制备,纳米磁性材料,巨磁电阻效应(Giant Magneto Resistence MGR) 在一定的磁场

11、下电阻急剧变化，幅度比通常磁性金属、合金材料磁电阻高10余倍 应用：GMR磁头（读出），铁磁/非磁/铁磁三层，1.8nm,磁性液体 用表面活性剂处理过的超细（ 10nm以下）磁性微粒高度分散在基液中形成的磁性胶体 微粒单畴近单畴，液体超顺磁性 应用：旋转轴动态密封、增进扬声器功率、比重分离,纳米电子学,25,纳米电子学材料与器件制备,低维半导体材料超晶格 1970年美国IBM实验室的江崎和朱兆祥提出,特定形式的层状精细复合材料：两种不同组元以小于100nm的薄层交替生长、保持严格周期性 制备：分子束外延、CVD、LB膜、自组装 应用：量子阱激光器、超快光开关、光调制器,纳米电子学,26,纳米电

12、子学材料与器件制备,低维半导体材料半导体量子线 制备：外延生长、模板法（基底法、自组装法、空间限制模板法）、非模板法（VLS、SLS) 性能：电导量子化、超导现象、超快光学非线性反应、室温光致发光 应用：磁光、磁性测量，单电子器件，场效应晶体管,纳米电子学,27,纳米电子学材料与器件制备,低维半导体材料量子点 制备：应变自组装技术、微结构生长和微细加工相结合、表面活性剂法、VLS生长法、离子注入、模板法 性能：瓶颈效应、粒子反转率、直接能带到间隙能带的转变 应用：半导体量子点激光器、量子点红外探测器、单电子器件,纳米电子学,28,纳米电子学材料与器件制备,低维半导体材料准一维纳米材料 碳纳米管

13、：中空、有一定厚度、单层或多层 制备：碳棒电弧放电热分解、激光剥离技术、CVD 性能：金属性、半导体性 应用：碳纳米管场发射器件、AFM针尖、微电子互连、碳纳米管场效应晶体管 非碳纳米管：选择性腐蚀基底卷曲制备，模板法制备、高温固体气相,纳米电子学,29,纳米电子学材料与器件制备,纳米光电材料纳米发光材料 性质：光谱蓝移或红移、宽频带强吸收发光、高发光效率、高分辨率 形态：粒状、膜状、块状 组成：半导体、复合、稀土,纳米电子学,30,纳米电子学材料与器件制备,纳米光电材料纳米光电转换材料 普通太阳能电池 原理：利用光电材料吸收光能后发生的光生载流子 纳米晶光电化学电池NPC 原理：氧化还原反应实现电子空穴分离 优点：工艺简单、对电极中缺陷不敏感 组成：导电玻璃、多孔纳米TiO2膜、染料光敏化剂、电解质膜、电极,纳米电子学,31,纳米电子学材料与器件制备,单电子学和单电子器件Single-Electron Transistor (SET) 1987年贝尔实验室T.A.Fulton和G.J.Dolan制成第一只单电子晶