纳米材料的基本概念课件

第一章纳米材料的基本概念

第一章纳米材料的基本概念1.1纳电子器件基本概念与特点1.2纳米材料基本概念和内涵1.3纳米结构单元1.4纳米材料的新发展——知识铺垫与视野拓展1.1纳电子器件基本概念与特点——知识铺垫与视野拓展1.1纳电子器件基本概念与特点1.纳米技术在信息技术中的地位信息技术重点基础技术——11.5重大专项电子信息材料与元器件技术微电子技术光电子技术主流核心技术计算机技术通信技术控制技术软件技术网络技术广播电视技术前沿技术超导技术生物技术纳米技术虚拟技术有关信息的获取、传输、处理控制的设备和系统的技术，3C技术是核心。注：C5I：指信息获取、通信、处理、控制、对抗（collection,communicationComputing,control,countermeasure,intelligence)

——信息技术是一种综合技术，是一个多层次、多专业的体系

——纳米技术是信息技术的前沿技术之一！——2007-2010年国家奖（1）相互关系1.1纳电子器件基本概念与特点信息技术重点基础技术电子信息NT、BT、IT一起被美国政府科学顾问委员会推荐为21世纪重点发展的三大技术。著名美籍华人，美国加州大学前校长田长霖博士，明确地告诉人们：对21世纪产生巨大影响的关键技术为信息技术、生命科学、纳米技术。有人称为3T技术：信息技术：InformationTechnology，IT生物技术：BiologyTechnology，BT纳米技术：

Nano-Technology，NT

IT

BT

NT——NT是IT,BT重要的技术支持和基础。——IT,BT的进步,对NT起作很好的牵引,促进和推动作用。生物、信息、纳米科技是本世纪内发展的主流！——英刊评出十大对未来影响巨大的发明IT→ETEnergy+EnvironmentNT、BT、IT一起被美国政府科学顾问委员会推荐为21世——生物科学技术对基因的认识，产生了转基因生物技术，可以治疗顽症，也可以创造出自然界不存在的生物。

——信息科学技术使人们可以坐在家中便知天下大事，因特网几乎可以改变人们的生活方式。

——纳米科学技术：——WilliamJ.Clinton，January21,2000——生物科学技术对基因的认识，产生了转基因生物技术，可以治疗In2000,PresidentClintonchoseCaltech—thesiteofthehistoricFeynmanspeech—asthevenuetoannouncethecreationoftheNationalNanotechnologyInitiative(NNI),acoordinatedFederalprogramtofundnanotechnologyresearchanddevelopment:“MybudgetsupportsamajornewNationalNanotechnologyInitiative,worth$500million…theabilitytomanipulatematterattheatomicandmolecularlevel.Imaginethepossibilities:materialswithtentimesthestrengthofsteelandonlyasmallfractionoftheweight--shrinkingalltheinformationhousedattheLibraryofCongressintoadevicethesizeofasugarcube--detectingcanceroustumorswhentheyareonlyafewcellsinsize.Someofourresearchgoalsmaytake20ormoreyearstoachieve,butthatispreciselywhythereisanimportantroleforthefederalgovernment.”In2000,PresidentClintoncho细胞内的多个基因改变导致癌症，纳米技术将实现更早期的发现和预防201510m

YearX现在过去mm早期发现和诊断恶性肿瘤和转移Prevention发现和诊断现状目标

挑战:减少癌症的病痛和死亡—2015

“AVisionNotaDream!”byusingnanotechnology,Av.Eschenbach,NCI手段/方法？细胞内的多个基因改变导致癌症，纳米技术将实现更早期的发现和预

靶向药物、饥饿疗法、热疗法治疗癌症靶向药物、饥饿疗法、热疗法治疗癌症（2）国外基础研究计划中对IT、BT、NT的关注A（2）国外基础研究计划中对IT、BT、NT的关注A（1）人类对客观世界的认识逐渐发展为两个层次一、宏观领域：肉眼可见的物体，无限大到宇宙天体二、微观领域：以原子分子为最大起点，下至无限领域在两者之间为介观2.纳米电子器件概念的提出微米m（10-6米）亚微米（10-7米）纳米nm（10-9米）

包括纳米范围通常1—100nm，纳米科技研究的尺寸范围0.1—100nm。——纳米尺度的图片概念（1）人类对客观世界的认识逐渐发展为两个层次2.纳米电子器件mmum

umnm

nm功能元件组装，更新颖，更复杂新材料组合1.当大规模集成电路中元件尺寸由mm

um

时，仍用传统的技术和科学来表达。2.从um

nm将研究新的效应，新概念，新技术。3.再进一步发展，将需要组装功能元件。过去传统科学技术

现在

新效应、新概念、新技术

未来

纳米材料“新一代材料——新一代器件——新一代系统”的技术链过去传统科学技术（2）电子器件技术的发展趋势一、Moore定律Intel公司创始人GordonMoore1965年在一次讲演中提出：芯片晶体管数量每18个月将会增加1倍。1996年，电子学家和企业家在美国旧金山的国际会议讨论的结果认为过去20年是这样，未来15年仍是这样。

集成度已达到108/㎝2

未来目标1012/㎝2

每个元件尺寸<10nm（2）电子器件技术的发展趋势一、Moore定律集成度已达到二、Moore定律影响中半导体器件

按Moore定律：到2011年，最小尺寸0.08um，微电子器件进入物理极限?①当每个尺寸<10nm，密度为1012b/cm2:②功耗:W<3w/in2

③每开关一次的电子数：小于10个，逼近单电子行为，具有量子效应从粒子性——电子自由程（1-100nm）与器件的物理长度相当

振幅信息电子在作为信号载流子于器件中传输时，将保留

相位信息二、Moore定律影响中半导体器件从波动性——材料中自由电子德布罗意波长与器件的物理长度相当λ：10-100nmm*：电子有效质量，m*<0.1m0(m0-自由电子质量)E<100mv

振幅信息∴电子在作为信号载流子于器件中传输时，将保留

相位信息从波动性——材料中自由电子德布罗意波长与器件的物理长度相当λ——摩尔第二定律：任何电子系统的整体效率每24个月翻一番。

这种成本将随着器件尺度的变小作指数增长”（摩尔第二定律）

——IBM公司的复杂系统顾问埃尔内斯托霍夫曼（Ernesto

Hoffmann）解释说：“还有另外一条不太知名的摩尔第二定律：生产芯片的设备造价每36个月就会翻一番。目前这套设备的成本已达几十亿美元，足以购买50多架波音747飞机。”这样以来，如果摩尔第二定律成立的话，到2030年一家新的微芯片工厂投资将可能超过整个地球的国民生产总值——这可真是太昂贵了。——摩尔第二定律：任何电子系统的整体效率每24个月翻一番。Moorelaw提出后，曾有相当一部分人认为下一代的器件是分子电子器件。其理论基础是分子电子学。

因此，纷纷展开了分子电子学的研究，经过几年的工作逐渐认识到，在微电子器件与分子电子器件之间有一个过渡时期

纳电子器件。Moorelaw提出后，曾有相当一部分人认为下一代的三、FutureIntegratedMultichipsSystems

Nano-technology(spin,molecular,RTD)devicesfullyintegratedwithRF,CMOS,andopticaltechnologiesRTD：quantum-well-resonant-tunnelingdiodeCMOS：complementarymetal-oxidesemiconductorBiCOMS：BipolarCMOSSOI：silicononinsulatorSi/SiO2的界面要非常清晰，一般采用注入氧隔离技术。

三、FutureIntegratedMultichips未来的目标应是综合的组件，或SOC（systemonchip）！未来的目标应是综合的组件，或SOC（systemonch事实上，早在1985年，G.G.Roberts统计表明：电子元件的尺寸随年代呈指数减少的关系。A.A.Chiabrera从理论上对固体结构特性的最小尺寸（原子团）、电流电压感应击穿、功率耗散、热噪声和Heisenberg不确定原理五个方面进行了讨论，给出了微电子和元件尺寸的物理极限。如:储存16位信息的元件：

最小面积最小原子数最小掺杂数量运算1次功耗

目前

1um210910310-3PJ

极限

10310kBT量级事实上，早在1985年，G.G.Roberts统计表明：电子3.三代电子器件的比较名称真空管晶体管电子盒放大器件符号环境真空晶格隧道隙元件尺寸cmmmμm控制区尺寸mmμmnm自由程m0.1μm～10nm材料电真空材料单晶半导体有机/无机，？材料纯度高纯（5～6个9）半导体纯(8～9个9)？工艺电子管制造工艺光刻、掺杂技术组装，自相似生长理论真空电子学(宏观）半导体物理(宏观)纳电子学(局域)参量平均值平均值非平均值3.三代电子器件的比较名称真空管晶体管电子盒放大器件符号环境三代电子器件的比较（续）名称真空管晶体管电子盒分布参量作用很小小显著温度敏感很小小显著载流子数量宏观量宏观量有限量信号电流强度mAμAnA载流子电子电子/空穴电子/空穴：金属、半导体孤子：有机材料极化子：极化材料、有机材料放大器件控制电流电子/空穴数隧穿速率集成度分立<1010b/cm2>1012b/cm2加工模式模拟bitqubit加工网分立元件数字网类神经网构造仪器无线电、雷达计算机计算机、自动器、信息网三代电子器件的比较（续）名称真空管晶体管电子盒分布参量作用很（1）孤子(Soliton)反式聚乙炔有两个能量最低的二聚化状态(基态)A相和B相，其结构对称，为基态简并准一维体系。若A、B两相共存于同一分子链，两相交接处的畴壁被称为孤子。若孤子左侧的单键与其相邻的双键交换位置，则孤子向左发生了移动。如此移动可以连续向左进行,但系统的总能量不变，孤子在分子链中可以自由地运动(向右运动也一样)。带电孤子在电场的作用下将会发生迁移，荷电的孤子是载流子。（1）孤子(Soliton)（2）极化子（polaron)电子的自陷在离子晶体或分子晶体中，电子在运动时受到其他电荷的影响，会吸引正离子，使它靠近电子，排斥负离子使它远离电子，从而产生离子的位移极化，导致所在区域内电子静电势下降，称电子自陷。这情况在离子晶体中更为明显。电子带上它运动的极化区域可以看为一种“准粒子”，称极化子，即电子+晶格畸变。极化子的尺度取决于电子（或空穴）周围晶格畸变区域的大小。畸变区域尺度大于晶格常数时，称大极化子。当畸变区域尺度与晶格常数同量级时，称小极化子。极化子的形成（2）极化子（polaron)极化子的形成有机材料：在有机材料中存在最低的未占用分子轨道（LowestUnoccupiedMolecularOrbital,LUMO,相当于无机材料中的导带）和最高被占用分子轨道（HighestOccupiedMolecularOrbital,HOMO，相当于无机材料中的价带），由于有机分子的链结构容易变化，当有电子进入，将引起周围分子链的某种结构扰动，而形成一种电子周围环绕着被扰动分子链的粒子，称为“极化子”。电子进入此能级易注入：电子或空穴1－2evEF导带价带0.1-0.5evEFHOMOLUMO1－2ev有机材料：电子进入此能级易1－2evEF导带价带0.1-0.（1）隧道结和量子点的量子隧道效应。其效应灵敏，可观测到单电子行为。隧道结和量子点是单电子器件（Singleelectrondevices）的基本单元。（2）载流子的波动性显著，在相位相干长度范围内，不丢失载流子的相位信息。当系统尺寸与特性散射自由程相当时，载流子输运为弹道式的，有显著的干涉、衍射效应。（3）超高密度集成的行为与微电子器件将有不同，信号载流子除电子－空穴之外，还会有孤子、极化子等，呈现阵列的各向异性行为，在不同方向有不同的隧穿特性（载流子输运的空间相关和时间相关）。（4）环境影响显著，主要是电路的分布参量（如L，C等）。（5）温度影响显著。要观测单电子行为必须满足的荷电能e2/2C>>KBT。4.纳电子器件的主要特点（1）隧道结和量子点的量子隧道效应。其效应灵敏，可观测到单电名称量子化维数器件工作机理器件端数I-V特性共振隧穿器件，量子线一维或二维量子化量子共振隧穿效应两端或三端单电子晶体管三维皆纳米量级，但皆未量子化库仑阻塞效应三端量子点器件三维都量子化，岛由量子点构成量子化效应两端电子共振隧穿器件、单电子器件、量子点器件…名称量子化维数器件工作机理器件端数I-V特性共振隧穿器件●

纳米器件分类

纳米光电器件纳米磁性器件纳米级CMOS器件纳电子机械系统其它纳米器件（量子干涉器件等）共振隧穿器件量子点器件

固体纳米电子器件单电子晶体管（SET)

纳米电子器件单电子器件单电子储存器（SEM)

量子效应分子电子器件

分子电子器件电机械分子电子器件

●纳米器件分类前沿内存器中的纳米材料!前沿内存器中的纳米材料!因此,新器件（纳器件）:不遵守传统的操作规律，具有明显量子效应和统计涨落特性，并将出现一系列的新效应。一代新器件的诞生要以三方面的发展为基础新理论：研究量子效应和统计涨落占支配地位地工作原理新材料：有限个原子组成的纳米材料（表面、界面、电子结构）新技术：制备、剪裁、自组装成为功能器件，及分析、测试手段因此,新器件（纳器件）:不遵守传统的操作规律，具有明显量子效纳电子器件发展的路径图硅技术：由umnm分子组装技术：由原子分子水平nm相结合B纳电子器件发展的路径图硅技术：由umnm分子1.2纳米材料基本概念和内涵1.定义：三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级（1-100nm）的尺度范围内或由此作为基本单元构成的材料。1.2纳米材料基本概念和内涵1.定义：三维空间尺寸中至少有2.分类主要按材料的几何形状特征分类。（1）零维纳米材料：指空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米微粒或团簇（量子点）。零维的纳米材料粒子（PbS纳米粒子）2.分类零维的纳米材料粒子（PbS纳米粒子）（2）一维纳米材料：指空间二维处于纳米尺度，如纳米量子线、丝、棒、管（量子线）。纳米线纳米阵列具有超延展能力的纳米晶铜带（2）一维纳米材料：指空间二维处于纳米尺度，如纳米量子线、二次氧化获得的氧化铝模板的SEM照片（a）样品正面；（b）样品反面（未通孔）；（c）样品反面（通孔）

在氧化铝模板中生长的碳纳米管的SEM照片a）样品的斜截面;（b）模板经NaOH部分溶解后形成的碳纳米管束

纳米管二次氧化获得的氧化铝模板的SEM照片在氧化铝模板中生长的碳庆典礼花——用物理气相沉积（PVD）法制备的ZnO纳米棒的SEM图象庆典礼花——用物理气相沉积（PVD）法制备的ZnO纳米棒的S森林——直立在Au薄膜上的单壁碳纳米管的STM图像森林——直立在Au薄膜上的单壁碳纳米管的STM图像2007年最佳纳米级显微图像揭晓：量子森林托斯藤-兹欧姆巴在德国实验室中捕获，它展示了锗硅量子点：高15nm，直径70nm。2007年最佳纳米级显微图像揭晓：量子森林使用静电力显微镜获取直径为18nm的碳纳米管发出的电荷。图中明亮的光晕是由纳米管帽发射出的电荷所产生的，放电时，纳米管则变暗。

使用静电力显微镜获取直径为18nm的碳纳米管发出的电荷。图中（3）二维纳米材料：指空间一维处于纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格（量子阱）。纳米单层与多层薄膜15层超晶格（3）二维纳米材料：指空间一维处于纳米尺度，如超薄膜、多层膜（4）三维纳米固体材料：指由纳米基本单元构成的块体材料，如纳米晶块体材料（纳米陶瓷、纳米结构材料）、纳米复合材料、纳米多孔材料（多孔碳，分子筛）……纳米陶瓷纳米固体单元（4）三维纳米固体材料：指由纳米基本单元构成的块体材料，如沸石的笼结构沸石的笼中相嵌成多纳米孔结构纳米多孔材料（如SiO2

）沸石的笼结构沸石的笼中相嵌成多纳米孔结构纳米多孔材料（如Si纳米晶结构材料的剖面示意图（实心球表示体相原子，空心球表示界面原子）650℃750℃800℃晶化后

晶化前纳米晶结构材料的剖面示意图650℃750℃800℃晶化（5）按材料学科体系可分为：纳米金属材料、纳米陶瓷材料、纳米高分子材料、纳米复合材料；按应用分：纳米电子材料、纳米磁性材料、纳米生物材料、纳米隐身材料、纳米催化剂材料……（6）纳米材料也存在于自然界中，但为数不多——自然界的纳米现象与纳米材料（5）按材料学科体系可分为：——自然界的纳米现象与纳米材料1.基本单元：（1）.团簇（cluster）（2）.纳米微粒（Nanofineparticle）（3）.人造原子（artificialatoms）（4）.纳米管、纳米棒、纳米丝（5）.纳米微观结构（晶粒、畴……）1.3纳米结构单元与纳米体系物理1.基本单元：1.3纳米结构单元与纳米体系物理2.为什么把“纳米晶”作为纳米结构的基本单元？

纳米颗粒

长宽高任意纳米化

纳米薄膜

三维尺寸的纳米化

纳米丝

传统材料（块材）

长宽高三维尺寸不变，而内部晶粒尺寸发生变化

大颗粒

纳米晶材料

薄膜

晶粒尺寸纳米化

块材

纳米化电、磁、声、光、热、力等有显著变化:——纳米晶交换耦合稀土永磁材料具有高的Br、高的（BH）max——纳米晶软磁合金具有极高的饱和磁感应强度Bs、低的矫顽力Hc——纳米晶陶瓷具有超塑性…...

纳米尺度效应是指普通材料纳米化而产生的奇妙物理化学特性。

晶粒纳米化2.为什么把“纳米晶”作为纳米结构的基本单元？纳米化电、磁、目前还有一种观点，即使材料三维尺寸，晶粒尺寸均不在1－100nm范围内，但如果有1－100nm的畴，也算为纳米材料行列中。Ex：驰豫铁电体可归在自组装纳米结构材料中，因为在无序的基体中包含了大量纳米尺度的有序电畴（纳米极化偶极子），而电畴是对铁电性能起主要作用的。纳米材料概念扩展原定义：三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级（1-100nm）的尺度范围内或由此作为基本单元构成的材料。现定义：三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级（1-100nm）的尺度范围内或内部结构尺寸处于纳米量级的尺度范围内或由这些作为基本单元构成的材料。目前还有一种观点，即使材料三维尺寸，晶粒尺寸均不在1－1003.人造原子与实际原子的区别：（1）人造原子含有一定数量的真实原子。（2）人造原子的形状与对称性是多样的，包括量子点，尺寸小于100nm的对称性复杂的微小子体系。真实原子可用简单的球形或立方形来描述。（3）人造原子间相互作用比实际原子复杂。（4）人造原子中电子处于抛物线形的势阱中，实际原子中电子受原子核吸引作轨道运动。4.纳米结构

以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造（construction)的一种新体系，包括一维、二维、三维体系。构筑纳米的结构过程叫纳米结构的组装。3.人造原子与实际原子的区别：下面是美国世界技术评估中心WorldTechnologyEvaluationCenter(WTEC)提供的纳米科技组织图，从图中可以反映出纳米结构的合成与组装在整个纳米科学与技术中所处的基础地位。

构筑单元纳米颗粒

纳米线、管、晶、畴

原子（合成）组装纳米结构功能材料分散与包覆高比表面材料功能纳米材料强化材料C下面是美国世界技术评估中心WorldTechnology第一章思考题1.纳米材料的定义是什么？基本单元包括的哪些类型？2.解释0维、1维、2维及3维纳米固体材料，并画出示意图。3.什么是纳米结构？为什么说纳米结构是纳米科学与技术的基础？4.为什么纳米晶是纳米材料的基本单元。第一章思考题第一章纳米材料的基本概念

第一章纳米材料的基本概念1.1纳电子器件基本概念与特点1.2纳米材料基本概念和内涵1.3纳米结构单元1.4纳米材料的新发展——知识铺垫与视野拓展1.1纳电子器件基本概念与特点——知识铺垫与视野拓展1.1纳电子器件基本概念与特点1.纳米技术在信息技术中的地位信息技术重点基础技术——11.5重大专项电子信息材料与元器件技术微电子技术光电子技术主流核心技术计算机技术通信技术控制技术软件技术网络技术广播电视技术前沿技术超导技术生物技术纳米技术虚拟技术有关信息的获取、传输、处理控制的设备和系统的技术，3C技术是核心。注：C5I：指信息获取、通信、处理、控制、对抗（collection,communicationComputing,control,countermeasure,intelligence)

——信息技术是一种综合技术，是一个多层次、多专业的体系

——纳米技术是信息技术的前沿技术之一！——2007-2010年国家奖（1）相互关系1.1纳电子器件基本概念与特点信息技术重点基础技术电子信息NT、BT、IT一起被美国政府科学顾问委员会推荐为21世纪重点发展的三大技术。著名美籍华人，美国加州大学前校长田长霖博士，明确地告诉人们：对21世纪产生巨大影响的关键技术为信息技术、生命科学、纳米技术。有人称为3T技术：信息技术：InformationTechnology，IT生物技术：BiologyTechnology，BT纳米技术：

Nano-Technology，NT

IT

BT

NT——NT是IT,BT重要的技术支持和基础。——IT,BT的进步,对NT起作很好的牵引,促进和推动作用。生物、信息、纳米科技是本世纪内发展的主流！——英刊评出十大对未来影响巨大的发明IT→ETEnergy+EnvironmentNT、BT、IT一起被美国政府科学顾问委员会推荐为21世——生物科学技术对基因的认识，产生了转基因生物技术，可以治疗顽症，也可以创造出自然界不存在的生物。

——信息科学技术使人们可以坐在家中便知天下大事，因特网几乎可以改变人们的生活方式。

——纳米科学技术：——WilliamJ.Clinton，January21,2000——生物科学技术对基因的认识，产生了转基因生物技术，可以治疗In2000,PresidentClintonchoseCaltech—thesiteofthehistoricFeynmanspeech—asthevenuetoannouncethecreationoftheNationalNanotechnologyInitiative(NNI),acoordinatedFederalprogramtofundnanotechnologyresearchanddevelopment:“MybudgetsupportsamajornewNationalNanotechnologyInitiative,worth$500million…theabilitytomanipulatematterattheatomicandmolecularlevel.Imaginethepossibilities:materialswithtentimesthestrengthofsteelandonlyasmallfractionoftheweight--shrinkingalltheinformationhousedattheLibraryofCongressintoadevicethesizeofasugarcube--detectingcanceroustumorswhentheyareonlyafewcellsinsize.Someofourresearchgoalsmaytake20ormoreyearstoachieve,butthatispreciselywhythereisanimportantroleforthefederalgovernment.”In2000,PresidentClintoncho细胞内的多个基因改变导致癌症，纳米技术将实现更早期的发现和预防201510m

YearX现在过去mm早期发现和诊断恶性肿瘤和转移Prevention发现和诊断现状目标

挑战:减少癌症的病痛和死亡—2015

“AVisionNotaDream!”byusingnanotechnology,Av.Eschenbach,NCI手段/方法？细胞内的多个基因改变导致癌症，纳米技术将实现更早期的发现和预

靶向药物、饥饿疗法、热疗法治疗癌症靶向药物、饥饿疗法、热疗法治疗癌症（2）国外基础研究计划中对IT、BT、NT的关注A（2）国外基础研究计划中对IT、BT、NT的关注A（1）人类对客观世界的认识逐渐发展为两个层次一、宏观领域：肉眼可见的物体，无限大到宇宙天体二、微观领域：以原子分子为最大起点，下至无限领域在两者之间为介观2.纳米电子器件概念的提出微米m（10-6米）亚微米（10-7米）纳米nm（10-9米）

包括纳米范围通常1—100nm，纳米科技研究的尺寸范围0.1—100nm。——纳米尺度的图片概念（1）人类对客观世界的认识逐渐发展为两个层次2.纳米电子器件mmum

umnm

nm功能元件组装，更新颖，更复杂新材料组合1.当大规模集成电路中元件尺寸由mm

um

时，仍用传统的技术和科学来表达。2.从um

nm将研究新的效应，新概念，新技术。3.再进一步发展，将需要组装功能元件。过去传统科学技术

现在

新效应、新概念、新技术

未来

纳米材料“新一代材料——新一代器件——新一代系统”的技术链过去传统科学技术（2）电子器件技术的发展趋势一、Moore定律Intel公司创始人GordonMoore1965年在一次讲演中提出：芯片晶体管数量每18个月将会增加1倍。1996年，电子学家和企业家在美国旧金山的国际会议讨论的结果认为过去20年是这样，未来15年仍是这样。

集成度已达到108/㎝2

未来目标1012/㎝2

每个元件尺寸<10nm（2）电子器件技术的发展趋势一、Moore定律集成度已达到二、Moore定律影响中半导体器件

按Moore定律：到2011年，最小尺寸0.08um，微电子器件进入物理极限?①当每个尺寸<10nm，密度为1012b/cm2:②功耗:W<3w/in2

③每开关一次的电子数：小于10个，逼近单电子行为，具有量子效应从粒子性——电子自由程（1-100nm）与器件的物理长度相当

振幅信息电子在作为信号载流子于器件中传输时，将保留

相位信息二、Moore定律影响中半导体器件从波动性——材料中自由电子德布罗意波长与器件的物理长度相当λ：10-100nmm*：电子有效质量，m*<0.1m0(m0-自由电子质量)E<100mv

振幅信息∴电子在作为信号载流子于器件中传输时，将保留

相位信息从波动性——材料中自由电子德布罗意波长与器件的物理长度相当λ——摩尔第二定律：任何电子系统的整体效率每24个月翻一番。

这种成本将随着器件尺度的变小作指数增长”（摩尔第二定律）

——IBM公司的复杂系统顾问埃尔内斯托霍夫曼（Ernesto

Hoffmann）解释说：“还有另外一条不太知名的摩尔第二定律：生产芯片的设备造价每36个月就会翻一番。目前这套设备的成本已达几十亿美元，足以购买50多架波音747飞机。”这样以来，如果摩尔第二定律成立的话，到2030年一家新的微芯片工厂投资将可能超过整个地球的国民生产总值——这可真是太昂贵了。——摩尔第二定律：任何电子系统的整体效率每24个月翻一番。Moorelaw提出后，曾有相当一部分人认为下一代的器件是分子电子器件。其理论基础是分子电子学。

因此，纷纷展开了分子电子学的研究，经过几年的工作逐渐认识到，在微电子器件与分子电子器件之间有一个过渡时期

纳电子器件。Moorelaw提出后，曾有相当一部分人认为下一代的三、FutureIntegratedMultichipsSystems

Nano-technology(spin,molecular,RTD)devicesfullyintegratedwithRF,CMOS,andopticaltechnologiesRTD：quantum-well-resonant-tunnelingdiodeCMOS：complementarymetal-oxidesemiconductorBiCOMS：BipolarCMOSSOI：silicononinsulatorSi/SiO2的界面要非常清晰，一般采用注入氧隔离技术。

三、FutureIntegratedMultichips未来的目标应是综合的组件，或SOC（systemonchip）！未来的目标应是综合的组件，或SOC（systemonch事实上，早在1985年，G.G.Roberts统计表明：电子元件的尺寸随年代呈指数减少的关系。A.A.Chiabrera从理论上对固体结构特性的最小尺寸（原子团）、电流电压感应击穿、功率耗散、热噪声和Heisenberg不确定原理五个方面进行了讨论，给出了微电子和元件尺寸的物理极限。如:储存16位信息的元件：

最小面积最小原子数最小掺杂数量运算1次功耗

目前

1um210910310-3PJ

极限

10310kBT量级事实上，早在1985年，G.G.Roberts统计表明：电子3.三代电子器件的比较名称真空管晶体管电子盒放大器件符号环境真空晶格隧道隙元件尺寸cmmmμm控制区尺寸mmμmnm自由程m0.1μm～10nm材料电真空材料单晶半导体有机/无机，？材料纯度高纯（5～6个9）半导体纯(8～9个9)？工艺电子管制造工艺光刻、掺杂技术组装，自相似生长理论真空电子学(宏观）半导体物理(宏观)纳电子学(局域)参量平均值平均值非平均值3.三代电子器件的比较名称真空管晶体管电子盒放大器件符号环境三代电子器件的比较（续）名称真空管晶体管电子盒分布参量作用很小小显著温度敏感很小小显著载流子数量宏观量宏观量有限量信号电流强度mAμAnA载流子电子电子/空穴电子/空穴：金属、半导体孤子：有机材料极化子：极化材料、有机材料放大器件控制电流电子/空穴数隧穿速率集成度分立<1010b/cm2>1012b/cm2加工模式模拟bitqubit加工网分立元件数字网类神经网构造仪器无线电、雷达计算机计算机、自动器、信息网三代电子器件的比较（续）名称真空管晶体管电子盒分布参量作用很（1）孤子(Soliton)反式聚乙炔有两个能量最低的二聚化状态(基态)A相和B相，其结构对称，为基态简并准一维体系。若A、B两相共存于同一分子链，两相交接处的畴壁被称为孤子。若孤子左侧的单键与其相邻的双键交换位置，则孤子向左发生了移动。如此移动可以连续向左进行,但系统的总能量不变，孤子在分子链中可以自由地运动(向右运动也一样)。带电孤子在电场的作用下将会发生迁移，荷电的孤子是载流子。（1）孤子(Soliton)（2）极化子（polaron)电子的自陷在离子晶体或分子晶体中，电子在运动时受到其他电荷的影响，会吸引正离子，使它靠近电子，排斥负离子使它远离电子，从而产生离子的位移极化，导致所在区域内电子静电势下降，称电子自陷。这情况在离子晶体中更为明显。电子带上它运动的极化区域可以看为一种“准粒子”，称极化子，即电子+晶格畸变。极化子的尺度取决于电子（或空穴）周围晶格畸变区域的大小。畸变区域尺度大于晶格常数时，称大极化子。当畸变区域尺度与晶格常数同量级时，称小极化子。极化子的形成（2）极化子（polaron)极化子的形成有机材料：在有机材料中存在最低的未占用分子轨道（LowestUnoccupiedMolecularOrbital,LUMO,相当于无机材料中的导带）和最高被占用分子轨道（HighestOccupiedMolecularOrbital,HOMO，相当于无机材料中的价带），由于有机分子的链结构容易变化，当有电子进入，将引起周围分子链的某种结构扰动，而形成一种电子周围环绕着被扰动分子链的粒子，称为“极化子”。电子进入此能级易注入：电子或空穴1－2evEF导带价带0.1-0.5evEFHOMOLUMO1－2ev有机材料：电子进入此能级易1－2evEF导带价带0.1-0.（1）隧道结和量子点的量子隧道效应。其效应灵敏，可观测到单电子行为。隧道结和量子点是单电子器件（Singleelectrondevices）的基本单元。（2）载流子的波动性显著，在相位相干长度范围内，不丢失载流子的相位信息。当系统尺寸与特性散射自由程相当时，载流子输运为弹道式的，有显著的干涉、衍射效应。（3）超高密度集成的行为与微电子器件将有不同，信号载流子除电子－空穴之外，还会有孤子、极化子等，呈现阵列的各向异性行为，在不同方向有不同的隧穿特性（载流子输运的空间相关和时间相关）。（4）环境影响显著，主要是电路的分布参量（如L，C等）。（5）温度影响显著。要观测单电子行为必须满足的荷电能e2/2C>>KBT。4.纳电子器件的主要特点（1）隧道结和量子点的量子隧道效应。其效应灵敏，可观测到单电名称量子化维数器件工作机理器件端数I-V特性共振隧穿器件，量子线一维或二维量子化量子共振隧穿效应两端或三端单电子晶体管三维皆纳米量级，但皆未量子化库仑阻塞效应三端量子点器件三维都量子化，岛由量子点构成量子化效应两端电子共振隧穿器件、单电子器件、量子点器件…名称量子化维数器件工作机理器件端数I-V特性共振隧穿器件●

纳米器件分类

纳米光电器件纳米磁性器件纳米级CMOS器件纳电子机械系统其它纳米器件（量子干涉器件等）共振隧穿器件量子点器件

固体纳米电子器件单电子晶体管（SET)

纳米电子器件单电子器件单电子储存器（SEM)

量子效应分子电子器件

分子电子器件电机械分子电子器件

●纳米器件分类前沿内存器中的纳米材料!前沿内存器中的纳米材料!因此,新器件（纳器件）:不遵守传统的操作规律，具有明显量子效应和统计涨落特性，并将出现一系列的新效应。一代新器件的诞生要以三方面的发展为基础新理论：研究量子效应和统计涨落占支配地位地工作原理新材料：有限个原子组成的纳米材料（表面、界面、电子结构）新技术：制备、剪裁、自组装成为功能器件，及分析、测试手段因此,新器件（纳器件）:不遵守传统的操作规律，具有明显量子效纳电子器件发展的路径图硅技术：由umnm分子组装技术：由原子分子水平nm相结合B纳电子器件发展的路径图硅技术：由umnm分子1.2纳米材料基本概念和内涵1.定义：三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级（1-100nm）的尺度范围内或由此作为基本单元构成的材料。1.2纳米材料基本概念和内涵1.定义：三维空间尺寸中至少有2.分类主要按材料的几何形状特征分类。（1）零维纳米材料：指空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米微粒或团簇（量子点）。零维的纳米材料粒子（PbS纳米粒子）2.分类零维的纳米材料粒子（PbS纳米粒子）（2）一维纳米材料：指空间二维处于纳米尺度，如纳米量子线、丝、棒、管（量子线）。纳米线纳米阵列具有超延展能力的纳米晶铜带（2）一维纳米材料：指空间二维处于纳米尺度，如纳米量子线、二次氧化获得的氧化铝模板的SEM照片（a）样品正面；（b）样品反面（未通孔）；（c）样品反面（通孔）

在氧化铝模板中生长的碳纳米管的SEM照片a）样品的斜截面;（b）模板经NaOH部分溶解后形成的碳纳米管束

纳米管二次氧化获得的氧化铝模板的SEM照片在氧化铝模板中生长的碳庆典礼花——用物理气相沉积（PVD）法制备的ZnO纳米棒的SEM图象庆典礼花——用物理气相沉积（PVD）法制备的ZnO纳米棒的S森林——直立在Au薄膜上的单壁碳纳米管的STM图像森林——直立在Au薄膜上的单壁碳纳米管的STM图像2007年最佳纳米级显微图像揭晓：量子森林托斯藤-兹欧姆巴在德国实验室中捕获，它展示了锗硅量子点：高15nm，直径70nm。2007年最佳纳米级显微图像揭晓：量子森林使用静电力显微镜获取直径为18nm的碳纳米管发出的电荷。图中明亮的光晕是由纳米管帽发射出的电荷所产生的，放电时，纳米管则变暗。

使用静电力显微镜获取直径为18nm的碳纳米管发出的电荷。图中（3）二维纳米材料：指空间一维处于纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格（量子阱）。纳米单层与多层薄膜15层超晶格（3）二维纳米材料：指空间一维处于纳米尺度，如超薄膜、多层膜（4）三维纳米固体材料：指由纳米基本单元构成