半导体纳米材料研究进展与应用

半导体纳米材料研究进展与应用摘要:介绍了半导体纳米材料的研究进展、制备方法的若干进展和应用前景。关键词:半导体纳米材料研究进展应用1引言20世纪是物理学推动高新技术飞速发展的世纪,人类已从控制与利用大量微观粒子系统的时代进入了控制与利用单个微观粒子的时代。纳米技术是世纪之交发展起来的新技术,是在0.1～100nm尺度空间内,研究电子、原子和分子运动规律和特性的崭新的高技术科学Z。它的目标是人类按照自己的意志直接操纵单个电子、原子等粒子,制造出具有特定功能的产品.目前,人们已制造了各种各样的纳米材料,例如:纳米金属材料、纳米半导体材料、纳米氧化物材料、纳米陶瓷材料、纳米有机材料等.其中半导体纳米材料对未来社会信息化的产生有至关重要的影响.2半导体纳米材料相对于金属材料而言,半导体中的电子动能较低,有较长的德布罗意波长,因而对空间的限制比较敏感.电子的德布罗意波长入与其动能E的关系为入=h^2/在纸上(其中m*是半导体中电子的有效质量,h是普朗克常量)。当空间某一方向的尺度限制与电子的德布罗意波长可比拟时,电子的运动就会受限,而被量子化地限制在离散的本征态,从而失去一个空间自由度或者说减少了一维。因此,通常在体材料中适用的电子的粒子行为在此材料中不再适用,这种新型的材料称为半导体低维结构,也称为半导体纳米材料【1】。1966年,Fuouler等人[2]首次令人们信服地证实了在Si/SiO2界面处存在二维电子气,从此拉开了半导体低维结构研究的序幕.Si-MOSFET[3]可以认为是对载流子实现一个维度方向限制最早的固体结构.在这个系统中,由于Si和SiO2界面导带的不连续,形成一个三角势阱,将电子限制在其中,使其既不能穿过氧化层,也不能进入Si的体内,电子的运动被限制在二维界面内.随着微加工技术的发展和分子束外延技术(MBE)、金属有机物化学气相沉积技术(MOCVD)、液相外延(LPE)、气相外延(VPE)等技术的应用,人们可以制造出更多的二维电子气系统Z它是由两种具有不同带隙的半导体材料构成,一般要求这两种材料结构相同,并且晶格常量接近,以获得原子级光滑的界面。MBE和MOCVD的一个重要特征是可以制备量子尺寸的多层结构,其控制精度可达单原子层量级〔4〕。这些结构可分为量子阱(QW)和超晶格(SL)。1970年,Esaki和Tsu〔5〕在寻找具有负微分电阻的新器件时,提出了全新的“半导体超晶格”概念Z如果势垒层厚度足够宽,使得相邻阱内电子波函数没有相互作用,即被称为量子阱.反之,如果相邻阱内电子波函数有较强的相互作用,即相当于在晶格周期场上叠加一个多层结构的超晶格周期场,则被称为超晶格。从此,对半导体量子阱和超晶格等半导体微结构的材料和器件的研究成为近20多年来半导体物理学中最重要、最活跃的研究领域之一。1978年Dingle〔6〕等人对异质结中二维电子气沿平行于界面的输运进行了研究,发现了电子迁移率增强现象Z。以后,德国的K.V.Klitzing〔7〕和崔琦〔8〕等人相继发现了整数量子霍耳效应和分数量子霍耳效应,使半导体物理的研究取得了重大进展,他们也因此分别获得了诺贝尔奖。近年来,除了超晶格、量子阱以外,对一维量子线和量子点体系的研究也非常引人注意。早在80年代初,人们发现镶嵌在硅玻璃中的半导体纳米晶体对于准粒子(电子、空穴、激子等)表现出三维受限性质。量子点的研究之所以会越来越引起人们的重视,是因为量子点的结构具有十分显著的量子化效应,它直接影响着量子点的各种物理性质,如电子结构、输运性质以及光学特性等。半导体纳米材料研究的进展无疑会为单电子物理学和低维材料学的研究开辟新的发展方向,同时也将对新一代量子功能器件的设计与制造产生革命性的影响。3.半导体纳米粒子的的性质、应用和制备纳米粒子,般指粒度在以下的粉末或颗粒,是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。由于量子尺寸效应和表面效应,它具备了体相材料所不具备的许多奇异的光学、热学、磁学性能和化学活性[9-13],因而近年来对一半导体纳米粒子的研究较多,制备方法相对也较多。主要有以下一些方法。3.1沉淀法沉淀法主要包括共沉淀法、均匀沉淀法、尺寸选择沉淀法等。共沉淀法是在含有多种阳离子的溶液中加入沉淀剂,使金属离子完全沉淀的方法。该法主要用于制备掺杂的一半分体纳米晶。吉林大学杨桦[14]等人,,利用共沉淀法制备出了众方结构的纳米晶粉末。均匀沉淀法,又称均相沉淀法,是在溶液中加入某种能缓慢生成沉淀剂的物质,使溶液中的沉淀均匀出现。中南大学杨富国等人[15]利用一定比例的硫代乙酞胺配制成溶液,采用均匀沉淀技术,得到了无团聚、粒径分布在之间的白色球形纳米微粒。尺寸选择沉淀法是根据粒径的差异,进行分级沉淀,从而得到某特定尺寸的纳米粒子。等人,利用尺一寸选择沉淀法,以疏基乙酸为稳定剂,合成出了尺寸分布很窄的纳米晶,粒径在之间。3.2水热法水热法是将反应物和水在密闭容器中加热到高温高压时,反应物之间发生化学反应而制备无机纳米粉体的种先进而成熟的技术。中国科学技术大学的苏宜等人[16]利用水热法合成出了平均粒径分别为和的纳米、粉末。水热法即在水解条件下加速离了反应和促进水解反应,所得产物具有较好的结晶形态,并可通过实验条件调控纳米颗粒的形状,而且工艺流程简单,易于控制。由此而衍生出来的溶剂热法,有着更为广泛的应用,后面将有详细介绍。3.3模板法该法是通过合成适宜尺寸和结构的模板作为主体,利用物理或化学的方法向其中填充各种金属、非金属或半导体材料,从而获得所需特定尺寸和功能的客体纳米结构。这种方法的优点在于对制备条件要求不高,操作较为简单,通过调整模板制备过程中的各种参数可制得粒径分布窄,尺寸可控、易掺杂和反应易控制的超分子纳米材料。中科院物理所于广友等人〔17〕在分子筛内用物理蒸气输运法内延生长得到了纳米晶。除分子筛外,常用的模板还有多孔氧化铝膜、纳米碳管、多孔玻璃、沸石分子筛、大孔离子交换树脂、高聚物、生物大分子、反向胶束等[18]。3.4微乳液法微乳液是由两种互不相容的液体形成的热力学稳定的、各向同性的分散体系,由水溶液、有机溶剂、表面活性剂以及助表面活性剂构成。作为微反应器的微乳液的界面是一层表面活性剂分子,在微反应器中形成的纳米微粒因这层界面膜隔离而不能团聚,是理想的反应介质。天津大学的张韵慧等人[19]利用微乳液法制备出了粒径为的立方晶型纳米微粒。这种方法的装置简单、操作方便,并且可以人为控制粒径,因此在一讥半导体纳米粒子的制备中具有极其广泛的应用前景。除以上介绍的几种方法外制备一半导体纳米粒子的方法还有很多,如胶体法〔20-21〕化学合成法〔22〕射频磁控溅射法[23]、外延电化学沉积法〔24〕紫外辐射法[25],不再一一详述。4、纳米半导体的应用前景半导体纳米材料所具有的各种量子效应和其独特的性质,使其在未来的各种功能器件的应用中发挥重要作用,其中包括以微结构激光器为主的光电子器件、以单电子晶体管为主的量子电子器件以及利用量子点微结构具有的大的光学非线性性质制造的光学器件等.随着社会信息化水平的提高,21世纪数据递将以日新月异的速度发展Z但以电子为载体的传输信息流由于技术性和经济性的原因,其传输量只能达到数百Mb/s,难以满足未来信息社会Tb/s(1Tb/s=1012b/s)超大容量传输的要求Z因此,高码率信息流的传输、交换处理与储存技术是社会信息化的关键技术.伴随着光电子技术和微电子技术的迅速发展和相互紧密结合与渗透,这两种技术,尤其是半导体光电子和集成技术是实现社会信息化不可替代的手段,也将进一步发展成为新世纪的信息高技术产业.由于半导体光电子器件和半导体微电子器件具有高效率、高频率、低功耗、长寿命、高可靠性、多功能、微小尺寸、易集成、易批量低成本生产,尤其是两者易于相互兼容等优点,使其在这两种技术中,特别是在信息传输、交换、互连、处理、显示等方面具有独特和关键的基础地位,在日臻完善的微电子工艺技术和先进的半导体纳米材料生长技术的支持下,半导体光电子学和半导体微电子学已成为当今最活跃、最热门的科学之一,其相关器件的设计和研制也将成为新世纪最重要的产业之一.近年来,随着半导体纳米材料研究的深入,量子点分子和量子点晶体的研究已越来越引起人们的广泛关注.量子点可以看作一个比实际原子尺寸大得多的人造原子,以人造原子为基元,通过量子点间的耦合和相互作用则形成一种分子,称这种人造分子为量子点分子;这种新型的人造分子不同于通常以原子为基元构成的分子,具有独特而新奇的性质(比半导体量子点更加可控制和利于实际应用的性质).目前已利用半导体量子点分子制备出了数字逻辑电路单元〔26〕Z.把量子点按着晶体方式排列可以生长出一维、二维或三维的晶体,称该种人造晶体为量点晶体.它同样具有区别于通常以原子为基元构成的晶体的性质Z半导体量子点在未来的光电器件制造中具有重要的应用价值,但只有具备高密度、窄尺寸分布的量子点才具有实际应用价值.由于量子点晶体是由等尺寸和等间距的量子点组成的,人们可以通过改变量子点晶体的结构(例如:晶格常量、堆积方式、基元的大小和取向等)控制量子点晶体材料的光电性质〔27〕,使其更具有实际应用价值.进一步探索全光网络(包括全光学计算机),是人类社会信息时代追求的更高目标,光电技术和微电子技术,特别是半导体光电技术及集成技术是实现此宏大目标不可替代的手段,而半导体光电子学和半导体微电子学则是实现这一目标的应用的理论基础,半导体量子点分子和半导体量子点晶体的研究无疑是半导体光电子学和半导体微电子学的重要组成部分.其研究进展不仅极大地拓展纳米材料的研究领域,也为半导体光电子学和半导体微电子学的研究开辟了新的发展方向,更为设计和研制具有优异性能的新型半导体光电子和半导体微电子量子功能器件提供重要理论依据与实验指导.不但具有重要的应用基础理论研究意义,而且具有十分重要的潜在应用价值.80年代以来,半导体纳米材料的研究已逐渐成为凝聚态物理学中一个新的热点研究领域.它对凝聚态物理的基础研究有着重要的作用,为进一步发展固体电子学提供了物理基础.半导体纳米材料的研究一方面为我们理解物质的宏观性质提供了重要的中介途径,另一方面它本身表现了一些特殊现象,也有助于量子力和统计力学的一些基本原理进行理论上的清和实验上的检验Z特别是,近十几年来迅速发展起来的X射线、紫外光、电子束及离子束纳米微刻(nanolithography)技术使得超小纳米材料的制作成为可能,现代科技对电子器件小型化、多功能化、高速化的要求更成为纳米材料研究的一个强大推动力.5参考文献[1]罗莹.半导体纳米材料[J].物理实验,2000,21(3):3~6[2]FowlerAB,FangFF,HowardWEetal.Phys.Rev.Lett.,1966,1:909[3]AndoT,FowlerAB,SternT.Rev.Mod.Phys.,1982,54:437[4]ChangLL,SakakiH,ChangCAetal.Phys.Rev.Lett.,1977,38:1478[5]EsakiL,TsuR.IBMJ.Res.Dev.,1970,14:61[6]DingleR,StormerHL,GrossardACetal.Appl.Phys.Lett.,1978,33:665[7]KlitzingKV,DordaD,PepperM.Phys.Rev.Lett.,1980,45:495;KlizingKV.Surf.Sci.,1982,1:113[8]TsuiDGetal.Phys.Rev.Lett.,1982,48:1559[9]刘孝恒,王恒志等,水玻璃相合成纳米CdS的研究[J]淮海一学院学报,2000,9（2）31~33【26】IslamshahA,AlexeiOO,GezaTetal.Science,1999,284:289[27]SpringholzG,HolyV,PinczolitsMetal.Science,1998,282:734