纳米电子学课件

1、2.5 纳米电子结构 2.6 纳米技术的卓越成就简介 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本结构单元构成的材纳米尺度范围或由它们作为基本结构单元构成的材料。料。基本单元按维数分：基本单元按维数分：二二维：空间有一维处在纳米尺度，如超薄膜，维：空间有一维处在纳米尺度，如超薄膜，多层膜，超晶格等。多层膜，超晶格等。一一维：空间有两维处在纳米尺度，如纳米丝，维：空间有两维处在纳米尺度，如纳米丝，纳米棒，纳米管等。纳米棒，纳米管等。零零维：空间三维均处在纳米尺度，如纳米尺度维：空间三维均处在纳米尺度，如纳米尺度颗粒，原子团簇等。颗粒，原

2、子团簇等。 2D2D纳米结构就是指在三维空间里有一维处在纳米纳米结构就是指在三维空间里有一维处在纳米尺度的结构。尺度的结构。 以以二二维电子气系统为例：维电子气系统为例： 二维电子系统主要研究对象是上图中提到的化合物半导体异质结构中的二维电子气（Two Dimensional Electron Gas,2DEG）系统。即在GaAs与AlGaAs的界面处形成薄的导电2DEG层。两个能隙宽度不同的半导体材料刚开始接触时，宽带隙材料的费米能级高于窄带隙材料的费米能级，结果电子从宽带隙材料中溢出，使其仅剩下正电荷，即施主离子。这些空间电荷产生静电势，他将引起界面能带弯曲，平衡以后费米能级相等。电子密度

3、在界面处有一个尖锐的峰，电子的费米能级进入导带中，形成一层薄的导电层，称为二维电子气。这种结构的重要性主要体现在制造场效应晶体管等高电子迁移率电子器件中，例如调制掺杂场效应晶体管，高电子迁移率晶体管等 纳米薄膜是指有尺寸在纳米量级的晶粒构成的薄膜，或将纳米晶粒镶嵌于某种薄膜中构成的复合物，以及每层厚度在纳米量级的单层货多层膜，有时也称为纳米晶粒薄膜或纳米多成膜。纳米薄膜的分类有很多种，例如，按结构、按用途、按层数划分。下面以用途划分为例来介绍纳米薄膜的种类。 纳米薄膜按用途分类可分为纳米功能薄膜和纳米结构薄膜。前者主要利用纳米粒子所具有的光、电、磁方面的特性，通过复合使新材料具有基体所不具备的

4、特殊功能；后者主要是通过纳米粒子复合，提高材料在机械方面的性能。由于纳米技术的组成、性能、工艺条件等参数的变化都对复合薄膜的特性有显著影响，因此可以在较多自由度下，人为的控制纳米复合薄膜的特性，获得满足一定需要的材料。 1D纳米结构就是指在三维空间里有两维处在纳米尺度的结构。 在2DEG的另一个方向加以限制，比如y方向，就可以形成所谓的量子线，这是准一维限制系统。 金属电极是负电压偏置，以截断或耗尽栅下面的2DEG，在两个电极之间留下一个窄的未耗尽的通道，当栅极电压偏置更负时，会有效地压缩一维通道，直到最终这个区域所有的载流子耗尽。 分裂栅结构的限制作用是用“软”势（静电势）使载流子耗尽，横向

5、限制势将电子限制在电极之间的空间，使电子的能量离散化。一维纳米材料可以根据其空心或实心，以及形貌不同，分为：纳米管纳米棒或者纳米线纳米带以及纳米同轴电缆等纳米管的典型代表就是纳米碳管，它可以看作有单层或者多层石墨面按照一定规则卷绕而成的无缝管状结构。纳米棒一般是指长度较短、纵向形态较直的一维圆柱状（或其横截面呈多角状）实心纳米材料。（金纳米棒）纳米线是指长度较长，形貌表现为直的或弯曲的一维实心纳米材料。（银纳米线）纳米带与以上2种纳米结构存在较大的差别，其截面不同于纳米管或纳米线的接近圆形，而是呈现四边形，其宽厚比分布范围一般为几到几十。纳米带的典型代表为氧化物，如ZnO等。纳米同轴电缆是指径

6、向在纳米尺度的核/壳准一结构，其代表产物有SiC/SiO2等纳米同轴电缆的电极材料及其形成的三维导电网络 0D纳米结构就是指在三维空间里有三维都处在纳米尺度的结构。 所谓的量子点就是一个零维系统，典型的量子点是在半导体材料中限定的一个尺度为100nm的小区域。 点意味着是空间极小的一个区域，可是一个半导体制造的量子点中大约有百万个原子及等量的电子。大多数电子紧紧束缚在核周围，自由电子的数目却非常少，在一个到百万个电子之间。 量子点具有另外一个特性，称为充电能，类似于离子的电离能。这是给点中添加或取出一个电子所需要的能量。量子点类似于真实原子，量子点也称为人造原子。 零维纳米结构单元的种类：纳米

7、粒子、超细粒子、超细粉、烟粒子、人造原子、量子点、原子团簇，他们之间不同之处在于各自尺寸范围稍有区别。1.团簇：指几个至几百个原子聚集体（粒子半径小于或者等于1nm）。它介于单个原子和固体之间。分类：金属原子团簇和非金属原子团簇非金属原子团簇：碳簇（富勒烯C60，C70等）和非碳簇等。2.人造原子所谓人造原子是由一定数量的实际原子组成的聚集体，它们的尺寸小于100nm。由于量子局限效应会导致类似原子的不连续电子能级结构，因此“造原子”有时称为“量子点”。人造原子与真实原子的不同之处：人造原子含有一定数量的真正原子；形状和对称性多种多样，真正的原子可用球星霍里房型描述。而人造原子不局限于这些简单

8、的形状，除了高对称性的量子点外，尺寸小于100nm的低对称性复杂形状的微小体系都可以称为人造原子；电子间交互作用比实际原子复杂的多；实际原子中电子受原子核吸引做轨道运动，而人造原子中电子是处在抛物线形对的势阱中，具有向势阱底部下落的趋势。在人造原子中，由于库仑排斥作用，部分电子处在势阱上部，弱的束缚使它们具有自由电子的特征。3.纳米粒子纳米粒子是指颗粒尺寸为纳米量级的超细微粒，它的尺寸大于原子簇，小于通常的微粉。尺寸一般在1-100nm之间，纳米颗粒所含原子数范围在1000-1000万个，有人称它为超微粒子。量子点接触（QPC）是比量子点更简单，但却能产生量子输运现象的结构。点线表示2DEG的

9、耗尽区，其形状和尺寸收到Vg的调节，两边宽的2DEG区域为电子库，化学势分别为u1,u2，可发射电子通过QPC。在电势差V的作用下产生通过QPC静电流I，栅极下的2DEG形成窄的导电通道。用光刻的方法在半导体夹层结构中形成空间周期排列的纳米尺度量子点阵列或量子洞阵列，就能够形成横向晶格点阵限制结构。这种结构给2DEG在x方向和y方向都引入周期性势，形成简单的人造晶格。由周期性强排斥势调制的2DEG系统成为反点格子系统。1.隧穿现象又称隧穿效应，势垒贯穿，按照经典理论，总能量低于势垒是不能实现反应的，但是量子力学观点，无论粒子能量是否高于势垒，都不能肯定粒子是否能越过势垒，只能说出粒子越过势垒概

10、率的大小。它取决于势垒高度、宽度及粒子本身的能量。能量高于势垒的、运动方向适宜的未必一定反应，只能说反应概率较大。而能量低于势垒的仍有一定概率实现反应，即可能有一部分粒子穿越势垒好像从大山隧道通过一般，这就是隧道效应。隧穿指的是粒子通过经典物理禁止的区域。该区域的总能量低于势垒的势能。能量高出粒子总能量的区域形成“势垒”。2.超小隧道结隧道结是与一种典型的量子现象隧穿现象相联系的结构。纳米薄膜：厚度为纳米尺度并具有特殊性能的薄膜。纳米颗粒膜：由纳米颗粒堆积或自组装或镶嵌在聚合物中形成的薄膜。纳米晶薄膜：由纳米尺度晶相构成的薄膜。纳米多层膜：以纳米薄膜作为基本结构单元有序叠加构成的薄膜。“超晶格

11、”薄膜：当调制波长比各薄膜单晶的晶格常数大几倍或更大时的薄膜（调制波长指在多层膜中相邻两层金属或合金的厚度之和）基材纳米颗粒纳米(晶)相纳米薄膜纳米薄膜的性质超强硬度TiC/Fe（8nm/6nm）多层膜，维氏硬度42GPa（TiC硬度29GPa），但TiC/聚四氟乙烯：8GPa注：维氏硬度(HV) 以120kg以内的载荷和顶角为136的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用载荷值除以材料压痕凹坑的表面积，即为维氏硬度值(HV)。增韧在传统多层结构材料（如钢化玻璃）中存在增韧现象，其增韧机理为裂纹尖端钝化、裂纹分支、层片拔出以及沿界面的界面开裂等，在纳米材料中存在类似的增韧机制。耐磨性多层膜调制波长

12、越小，使其磨损明显变大的临界载荷越大。常用制备方法1.真空镀膜法2.溶胶-凝胶法3.LB膜法4.电化学沉积法5.分子束外延沉积其他制备方法1.化学气相沉积法（CVD）2.等离子辅助气相沉积法（PACVD）3.物理气相沉积法（PVD）4.层层自组装（LBL）5.挥发诱导自组装法（EISA）指显微结构中的物相(包括晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔与尺寸缺陷等)都在纳米量级的水平上的陶瓷材料。纳米陶瓷的晶粒、晶界以及它们之间的结合都处在纳米尺寸水平。 纳米陶瓷，是指陶瓷材料的显微结构中，晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸都在纳米尺(1100nm)度上。纳米陶瓷复合材料通过有效的分

13、散、复合而使异质纳米颗粒均匀弥散地保留于陶瓷基质结构中，这大大改善了陶瓷材料的强度、韧性、耐磨性、超塑性和高温力学性能，克服了工程陶瓷的许多不足，并对材料的力学、电学、热学、磁学和光学等性能产生重要影响，它被认为是陶瓷研究发展的第三个台阶，因此纳米陶瓷被认为是解决陶瓷脆性的战略途径。 要做纳米陶瓷，首先必须制备纳米陶瓷粉体，而要真正得到纳米陶瓷，并且达到人们所期望的性能，就必须对纳米陶瓷粉体有一些必要的要求。首先必须保证陶瓷粉体到达纳米级别；其次要求纳米粉体纯度高及表面的清洁度高、尺寸分布狭窄、几何形状归一(接近球形)、晶相稳定；另外一个重要的要求就是无团聚或团聚低。优点缺点气相法气相法纯度高

14、、团聚较少、纯度高、团聚较少、烧结性较好烧结性较好设备昂贵，产量较低设备昂贵，产量较低，不易普及，不易普及液相法设备简单、无需高真设备简单、无需高真空等苛刻的物理条件空等苛刻的物理条件、易放大、纯净、团、易放大、纯净、团聚小，容易实现工业聚小，容易实现工业化生产化生产暂无固相法设备简单、操作方便设备简单、操作方便 纯度不高、粒度分布纯度不高、粒度分布较大较大从表中可以看出，液相法优势明显纳米粉体的制备方法及其对比纳米陶瓷的制作流程从纳米粉制成块状纳米陶瓷材料，就是通过某种工艺过程，除去孔隙，以形成致密的块材，而在致密化的过程中，又保持了纳米晶的特性。纳米陶瓷粉体的制备成型烧结纳米陶瓷的应用及其

15、前景1.良好的保温材料通过溶胶-凝胶法制成的陶瓷具有多孔，且特别的轻，能承受自重100倍以上的力，它可以广泛用于隔热，承载节能又环保。2.更坚硬的切割工具采用高科技精密加工制造而成，具有金属刀具所无法比拟的优点，具有高密度、无孔隙、无磁性、高硬度、耐腐蚀性强、化学稳定性好、高耐磨性等特点，使用时不粘污，易于清洁且抑菌，刃口锋利无比，是真正意义上的永不磨损、永不腐蚀的“贵族刀”。3.消除环境污染纳米材料具有特别大的晶界表面，其物理，化学，机械性能特别活跃，因此可以用作有毒气体如一氧化碳，氮氧化物的催化剂，用于汽车或能源装置中，可以消除污染。纳米加工的实质就是要切断原子间的结合，实现原子或分子的去

16、除，切断原子间结合所需要的能量，必然要求超过该物质的原子间结合能。用传统的切削、磨削加工方法进行纳米级加工就相当困难了。几种新兴的纳米加工技术利用扫描隧道显微镜和原子力显微镜的纳米加工技术 化学合成方法 化学合成方法是制备纳米尺度电子学器件的另一 种途径用化学过程“自下而上”地把微观体系的物 质单元组装成纳米器件。由于用纳米探针进行机械合 成很难同时组装数目巨大的纳米结构和器件，所以研 究化学合成方法非常重要。 世界上最小的广告石墨三维图像 通过扫描隧道显微镜操纵氙原子用35个原子排出的“IBM”字样 聚焦离子束技术 聚焦离子束(FIB)技术是在电场和磁场的作下，将离子束聚焦到亚微米甚至纳米量

17、级，通过偏转系统 及加速系统控制离子束，实现微细图形的检测分析和 纳米结构的无掩模加工。准分子激光直写纳米加工技术 准分子激光(excimer laser)以其高分辨率、光子能 量大、冷加工、“直写”特点、无环境污染以及对加工材 料广泛的适应性，使其成为一种重要的MEMS和纳米 加工技术。 NEMS被形容为MEMS与纳米技术的结晶；在美国国防部高等研究计划署(Drapa)掌管NEMS研究的DennisPolla表示：“如果某系统有一个关键机械零件或架构的尺寸小于1微米(micrometer)，并且能整合其它不同的零件，那就是NEMS。”他指出，该单位认为NEMS技术就是“下一场微型化革命”。D

18、arpa I-E在研究将NEMS技术与传感器、致动器(actuators)、电子组件与光学组件、甚至微流体组件整合的方法。NEMS优点高速度(gigahertz)低漏电与现有CMOS制造设备兼容以及可进军传统芯片无法运作之严苛环境（包括汽车、工业领域的储存设备，或是RF与生物医疗应用）开创一系列特殊应用超微型电动机 1994年世界最小的电动机在美国6家科研单位的通力协作下完成，这架电动机主轴的直径仅有2103nm，体积只有一个红血球那么大。纳米齿轮科学工作者将纳米技术应用到医药学领域，就产生了纳米医药学这门新学科。优势：优势：小纳米微粒比血红细胞还小许多，可以在血液中自由运行。奇异纳米粒子呈现

19、许多奇异的物理性质、化学性质，出现一些“反常现象”。精细能直接利用原子、分子的排列制造具有特定功能的药品、器械。应用：应用：1.在诊断方面的应用遗传病诊断纳米技术有助于诊断胎儿是否有遗传缺陷。妇女怀孕8个星期时，血液中开始出现少量胎儿细胞。利用具有纳米级大小孔洞的半透膜或特殊的合成纳米管等，可把胎儿细胞分离出来进行诊断。不需要进行羊水穿刺。目前美国已经将此项技术应用于临床诊断中。影像学诊断一种新型的纳米影像学诊断工具“光学干层析术（OCT）”已由清华大学研制成功。每秒钟能完成生物体内活细胞的动态成像2000次，以此来观察活细胞的动态。OCT的分辨率达到微米级，可以发现直径是毫米级的肿瘤。不会像X线、CT、MRI那样杀死活细胞。病理学诊断肿瘤诊断最可靠的手段是建立在组织细胞水平上的病理学方法，但存在着良恶性及细胞来源判断不准确的问题。利用原子力显微镜可以在纳米水平上揭示肿瘤细胞的形态特点。通过寻找特异性的异病纳米级结构改变，以解决肿瘤诊断的难题。原子力显微镜2.在治疗方面的应用纳米粒径化增加药物吸收度增大药物的表面积促进溶解。药物大分子就能穿透组织间隙，也可以通过人体最小的毛细血管。而且分布面极广。应用于中药制剂。药物的物理的物理活性、靶向性比普通中药大大提高。纳米医用材料目前广泛使用的人工心脏瓣膜，是由钛金属与不锈钢合金所构成，但在移植入人体后仍有损坏