纳米电子材料与器件

《纳米电子材料与器件》纳米电子学及纳米器件概念（2学时）单电子器件（4学时）自旋电子器件（4学时）纳米器件部分学习内容纳米体系与纳米器件文岐业微电子与固体电子学院qywen@163.com主要内容介观体系的概念和性质纳米体系基本概念和性质纳米器件分类自旋电子器件：巨磁阻磁头，存储器单电子学与单电子器件（1）库仑阻塞效应（2）隧道结I-V特性（3）单电子晶体管（SET）一.介观体系一尺之槌，日损其半，万世不竭.

《庄子·天下篇》VS银河系镶嵌了48个Fe原子的Cu表面。48个Fe原子形成“电子围栏”，围栏中的电子形成驻波？牛顿力学量子力学（原子、电子等）几十纳米到几微米纳米是多少？

介观体系的大小介于宏观与微观之间，其基本特征是：粒子保持相位相干（相位记忆）的特征长度大于体系的尺度。因而量子相干效应对其输运及其它性质有重要影响。相位相干长度依赖于温度等因素，对于低温下的高品质的半导体，介观体系的尺度可以从几十纳米到几微米。1.介观体系基本概念相位相干长度电子波：电子是微观粒子，具有波动性，电子在介观体系中的输运，在一定条件下可认为是电子波的传播。波函数包括：振幅和相位

电子（电子波）的散射：弹性散射：电子能量不变化，对应电子波相位基本不变；非弹性散射：电子能量发生变化，电子波相位变化较大。相位相干长度：

载流子发生非弹性散射的平均距离（Lj）。在比Lj小的体系中，不发生非弹性散射，载流子的波函数保持相位记忆，其相位相干性不受影响。是否考虑波函数的相位相干性，是区分介观系统与宏观系统的本质差别

特征尺度:平均自由程l，相位相干长度lφ等，与体系的尺寸L,W可比较。形成了介于宏观和微观之间的一个特殊的物理层次。称为介观体系。有特定的现象和规律。

介观物理与物理学的其他领域一样，理论研究（或说基础研究）与技术发展有一定的相对独立性。但是相互的推动是肯定的。从理论的角度，有Landauer-Buttiker理论和非平衡Green函数。从技术的角度有单电子器件、自组织生长列阵研究等等。纳米体系是介观体系的一部分。介观体系的最大尺寸：Lj≈几十纳米到1微米。

由于微加工技术的发展，各种人造介观体系成功实现，使介观物理的研究成为一个十分活跃的研究领域。它不仅能为新一代的介观或纳米器件提供物理基础，而且具有重要的基础研究意义。2.介观体系的特殊性质介观体系是介于宏观体系与微观体系之间的一种体系。实际上介观体系在尺寸上已经是宏观的，具有宏观体系的特点；同时由于其中电子运动的相干性，会出现一系列与量子力学相位相联系的干涉现象，这又与微观体系相似。当电子波通过存在电势或磁矢势的空间时相位要发生变化，从而使电阻随磁通变化而周期性振动，称为AB效应电子波从一端进入Au圆环后分为两个半环传播，由于不发生相位变化，于是在另一端相遇而发生干涉：若干涉增强则电阻较低；干涉抵消则电子较高。在外加磁性（B）下，两束电子获得qФ/h的相位差，因此电阻随B做周期性振动。1．Aharonov-Bohm效应(AB效应)直径800nm，线宽和厚度40nm，垂直环平面加周期磁场；1K测试Au环R.A.Webbetal.

Phys.Rev.Lett.54,2696(1985)C.P.Umbachetal.Phys.Rev.B30,4048(1984)1mm2．普适电导涨落(UCF)(1)一般特征a.与时间无关的非周期涨落，不是热噪声(和时间有关)。b.这种涨落是样品特有的(sample-specific),涨落花样可重复(pattern)。c.涨落大小是e2/h量级(～4x10－5S),普适量。与样品的材料、尺寸、无序程度无关，与样品的形状和空间维度只有微弱的关系，只要求样品具有介观尺度，并处于金属区：即普适电导涨落的存在反映了介观体系和宏观体系本质上的差别REPRODUCIBILITYOFTHECONDUCTANCEFLUCTUATIONS

MEASUREDINAGOLDRINGS.WashburnandR.A.WebbAdv.Phys.35,375(1986)(2)物理解释从样品一边到另一边的透射几率幅是许多通过样品的费曼路径相应的几率幅之和。在金属区电子通过样品时经历多次与杂质的散射，其费曼路径是无规行走式的准经典“轨道”，不同的费曼路径之间的相位差是不规则的随机干涉效应(Stochasticinterference)，使电导呈现非周期的不规则涨落。INTERFERENCEBETWEENTWOPOSSIBLE

ELECTRONPATHSWHICHPROPAGATEALONGTHESAMEARMOFTHERINGn’m’mnTWODIFFERENTTRANSMISSIONPATHSTHROUGHADISORDEREDSAMPLE由统计力学，边长为L的宏观体系物理量x的相对涨落为：<…>系综平均，LC是某一关联长度，d是体系的维度L→∞，x的相对涨落趋于零经典自平均行为(self-averaging)对于普适电导涨落：电导的平均值满足欧姆定律：d<4,与经典自平均行为不符d=2，电导的涨落与尺度无关（限于介观体系，金属区）d=1，电导的相对涨落随L增加而增加。(3)UCF的简单推导考虑一介观金属导体，设其两端由理想导体相联，金属的电导：NC：总通道数目

L：导线的横向线度，d：维度第一步：求透射几率的涨落取系综平均，忽略弱局域化效应:透射几率的方差：当计算透射几率的平方平均时，量子干涉起作用：取系综平均：③，④两项均等于零②项＝

在介观导体，Wi基本相等，为1/Np小量量子干涉效应导致与之间的区别，从而导致介观涨落：透射几率的相对涨落的量级为100％第二步：求电导G的涨落该式的结果与不同通道的透射几率是否存在关联有关α→β，α’→β’，透射路径不存在关联：在金属区，不同通道的透射几率近似相同：由欧姆定律：与UCF不同！放弃不同通道透射互不关联的假定，用反射几率来推导定义：代表从α到β通道的反射几率

G，R之间相差一个常数类似，反射几率的涨落：假定与互不关联：原因：反射过程有可能主要由少数几次散射的过程决定，而透射过程必须经历多次散射。(4)移动一个杂质所引起的电导涨落电子量子干涉－依赖于不同的费曼路径→杂质位形对电导涨落有较大影响。T＝0K，使一个杂质移动距离样品电导的涨落：对一，二维情形，移动一个杂质的效果与移动全体杂质的效果相当样“牵一发而动全身”简单分析：边长L的立方体，考虑一条典型费曼路径按Einstein关系：一条费曼路径的体积：它与样品总体积之比：令ni代表样品中杂质浓度，则：一条典型的费曼路径所通过的杂质数在总杂质数中所占的百分比，等价于通过特定杂质的费曼路径数在总费曼路径数中所占百分比。因此，移动一个杂质相当于改变了所有费曼路径中百分比为f的费曼路径。在费曼路径独立的情形下：PRL56,1960(1986)3．电子波的非定域效应(非局域性电导)对0.1μm的结构加上1V电压，E～105V/cm导电机制已不能用普通的线性理论描述，而必须考虑非线性效应。电子自由程接近或超过样品尺寸，关联效应可遍及整个样品。结构和结构，元件和元件之间的距离大为缩短，很难用单个分立元件的观点来进行分析，必须考虑元件之间的相干性和合作效应。IIVVIIVV1μmabcd5．正常金属环中的持续电流在介观尺寸的一维非超导金属环中，也可能通过磁场诱导持续电流。计算平衡态下的持续电流的热力学公式：LF:自由能对一维环且没有无序，T=0K时总电流的大小与符号由最高占据能级的电流决定。总电子数N＝奇，总电子数N＝偶，将电流展成Fourier级数：T多环实验结果与理论比较时，涉及系综平均问题。(T=0K)(1).变型正则系综(Modifiedcanonicalensemble)N>>1个彼此独立的环，每个环的总电子数固定不变，但不同的环除总电子数可以不同外，其他参数(如）均相同。对不同总电子数的系综的平均(2).变型巨正则系综(Modifiedgrandcanonicalensemble)

不同环的化学势可以不同，其他参数均相同。对不同化学势的系综的平均(1).纳米体系物理学(2).纳米化学(3).纳米材料学(4).纳米生物学(5).纳米电子学(6).纳米加工学(7).纳米力学1．纳米结构单元

零维：团簇、量子点、纳米粒子一维：纳米线、量子线、纳米管、纳米棒二维：纳米带、二维电子气、超薄膜、多层膜、超晶格体系的某个或数个特征长度在nm量级2.纳米结构的制备技术

(1).球磨和机械合金化工艺和技术(2).化学合成工艺和技术(3).等离子电弧合成技术(4).电火花制备技术(5).激光合成技术(6).生物学制备技术(7).磁控溅射技术(8).燃烧合成技术(9)喷雾合成技术……Bottom-up,Top-down二.纳米体系3.纳米体系的基本物理效应

(1).小尺寸效应：尺寸与光波波长、德布罗意波长以及相干长度等相当或更小时，导致声、光、电磁、热力学等物性呈现新的小尺寸效应。

(2).表面效应：d(nm)N表面(%)1030,0002044,0004022508013099(3).量子尺寸效应：T=1K,d=14nm(4).宏观量子隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力。宏观量：微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量，亦具有隧道效应。Fe-Ni薄膜中畴壁运动速度在低于某一临界温度时基本上与温度无关。限定了磁带、磁盘进行信息储存的时间极限。(5).库仑阻塞与库仑台阶效应：VI(6).介电限域效应：纳米微粒分散在异质介质中由于界面引起的体系介电增强现象。纳米粒子的光吸收带边移动(蓝移，红移)的Brus公式：

包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光/电性质、纳米电子材料的表征，以及原子操纵和原子组装等。如现有的硅和砷化镓器件的响应速度最高只能达到10～12秒，功耗最低只能降至1微瓦。而量子器件在响应速度和功耗方面可以比这个数据优化1000～10000倍。由于器件尺度为纳米级，集成度大幅度提高，同时还具有器件结构简单、可靠性强、成本低等诸多优点。因此，纳米电子学的发展，可能会在电子学领域中引起一次新的电子技术革命，从而把电子工业技术推向更高的发展阶段。三.纳米电子学及纳米器件

迄今为止，作为电子器件只利用了电子波粒二象性的粒子性，其次，各种传统电子元器件都是通过控制电子数量来实现信号处理的。随着集成度的提高，功耗、速度成为严重的问题。现有的硅和砷化镓器件无论怎样改进，其响应速度最高只能达到１０－１２秒，功耗最低只能降低到１μＷ。

利用电子的量子效应原理制作的器件称为量子器件或纳米器件。在量子器件中，控制一个电子的行为即可完成特定的功能，即量子器件不单纯通过控制电子数目的多少，主要是通过控制电子波动的相位来实现某种功能的。因此，量子器件具有更高的响应速度和更低的功耗，从根本上解决日益严重的功耗问题。（1）纳米器件概念纳米电子器件：固态纳米电子器件量子点器件（QD），谐振隧穿器件（RTD）单电子器件（SET），单电子存储器（SEM）分子电子器件量子效应分子器件；电机械分子电子器件纳米光电子器件：纳米激光器,纳米光电探测器,纳米光缆

纳米磁性器件：巨磁阻磁头，存储器，自旋晶体管

纳米电子机械系统（NEMS）：（2）纳米器件分类（2）纳米器件制备方法

自下而上的方法（bottom－up）：从更小的单元（原子或分子等）组装成纳米结构或器件

最终目标法（Ultimate