高等半导体物理Chapter6纳米电子学基础

第六章纳米电子学基础6.1.纳米技术的发展6.2.纳米结构材料的基本特性6.3.纳米结构中的介观现象6.4.单电子器件和电路6.5.未来可能的发展第六章纳米电子学基础6.1.纳米技术的发展6.2.纳米半导体材料的基本特性6.3.纳米结构中的介观现象6.4.单电子器件和电路6.5.未来可能的发展1.纳米技术的发展ÅÅ近年来，随着计算机技术和纳米电子学的飞速发展，电子器件中电路及器件的小型化和高集成度趋势越来越显著，近年来已达到了原子尺度的量级。当电路的尺寸小到和电子的相干长度可以比拟的时候，电路本身的量子效应就会出现。。ÅÅ如今的芯片光刻工艺已经使光刻线的分辨率达到亚微米量级，例如大家熟知的IntelPentium4Prescott处理器和AMDAthlon64Winchester处理器为90nm工艺，即两导线之间的距离只有90nm,下一步将发展为65nm、40nm、32nm，甚至更小。1.纳米技术的发展ÅÅ美国半导体协会预计：到2010年，半导体器件的尺寸将达到0.1μm（100nm）极限，由于量子效应,小于这一尺寸的所有芯片就不再保持原有的性能,需要按新的原理来设计，要突破这一极限，我们就得研究纳米尺度中的理论问题和技术问题。ÅÅ““纳米”是长度单位，1nm=10-9m,即1纳米等于十亿分之一米相当于头发丝万分之的粗细纳米研究的范围是1到100纳米，相当于头发丝万分之一的粗细。纳米研究的范围是1到100纳米，正好处于原子、分子为代表的微观世界和以人类活动空间为代表的宏观世界的中间地带称之为介观世界代表的宏观世界的中间地带，称之为介观世界。1.纳米技术的发展ÅÅ人类对纳米技术的研究已有了40多年的历史。1959年，美国著名的物理年的历史。1959年，美国著名的物理学家、诺贝尔奖金获得者理查德·费曼认为：能够用宏观的机器来制造比曼认为：能够用宏观的机器来制造比其体积小的机器，而这较小的机器又可制作更小的机器，这样一步步达到可制作更小的机器，这样步步达到分子线度。ÅÅ费曼幻想在原子和分子水平上操纵和控制物质他认为：ÅÅ费曼幻想在原子和分子水平上操纵和控制物质。他认为：“物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物质的可能性”，并表示：“我深信不移，当人们能操纵细微物质的时性，并表示：我深信不移，当人们能操纵细微物质的时候，将可获得极其丰富的新的物质的性质。”1.纳米技术的发展ÅÅ科学家发现，在纳米的世界里，物质的性质发生了质的飞跃。比如硅晶体是不发光的，但纳米硅却会发光；陶瓷在通常情况比如晶体是不发光的但纳米却会发光；陶瓷在通常情况下是很硬、很脆的，如果采用纳米粉体制成纳米陶瓷，它也可以具有韧性；纳米材料还具有超塑性，室温下的纳米铜丝经过轧制其长度可以从1延伸到100其厚度可以从1减轧制，其长度可以从1cm延伸到100cm，其厚度可以从1mm减小到0.01mm。年实教授ÅÅ1981年，美国IBM公司苏黎世实验室Bining和Rohrer教授发明了扫描遂道显微镜（ScanningTunnellingMicroscope，STM）用于观察和操纵原子是目前为止进行表面分析的昀精密仪器用于观察和操纵原子，是目前为止进行表面分析的昀精密仪器，分辨率0.1nm（横向）×0.01nm（纵向）（1986年获NobelPrize），对一些纳米微粒的结构、形态和特性进行了比较系统e），对些纳米微粒的结构、形态和特性进行了比较系统的研究，并在用量子尺寸效应解释其某些特性时获得成功。1.纳米技术的发展科学家使用STM观测物质的纳米结构STM针尖STM针尖1.纳米技术的发展扫描隧道显微镜（STM）工作原理ItItItHItHxx恒高度模式恒电流模式1.纳米技术的发展硅硅晶体结结构隧道道扫描照照片1.纳米技术的发展1.纳米技术的发展IBM公司用扫描遂道显微镜操纵35个Xe原子在金属Ni写的IBM字样1.纳米技术的发展日本用扫描遂道显微镜操纵Xe写的原子字样1.纳米技术的发展量子子栅栏栏1.纳米技术的发展1.纳米技术的发展ÅÅ目前除了隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）目前除了隧道显微镜（S）、原子力显微镜（）以外，还有近场光学显微镜（NSOM）、侧面力显微镜（IFM）、磁力显微镜（MFM）、极化力显微镜镜磁力微镜极化力微镜（SPFM）……已有二十多个品种。但大量还处在实验室的产品研发阶段。由于它们都是用探针通过扫描系统来获取图像，因此这类显微镜统称为扫描探针显微镜（SPM）。1.纳米技术的发展ÅÅ1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一强度却是钢的10倍成为纳米技术研究的热点诺六分之，强度却是钢的10倍，成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来昀佳纤维的首选材料也将被广泛用于超微导线超微开关以及纳米级的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。ÅÅ1997年美国科学家首次成功地用单电子移动单电子利ÅÅ1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机成千上万倍的量子计算机。1.纳米技术的发展ÅÅ纳米技术在现代科技和工业领域有着广泛的应用前景比ÅÅ纳米技术在现代科技和工业领域有着广泛的应用前景。比如，在信息技术领域，据估计，再有10年左右的时间，现在普遍使用的数据处理和存储技术将达到昀终极限为获得更普遍使用的数据处理和存储技术将达到昀终极限。为获得更强大的信息处理能力，人们正在开发DNA计算机和量子计算机而制造两种计算机都需要控制单个分子和原子的技术能机，而制造两种计算机都需要控制单个分子和原子的技术能力。1.纳米技术的发展ÅÅ美国于2000年2月宣布启动“国家纳米科技计划(NNI)”，在2001年财政年度拨款4.95亿美元以加强研究实力。政府认为纳米技术就像20世纪50年代的晶体管一样，其科研和工业化的应用将进一步促进美国经济的发展；为美国培养新世纪的技术人才；增强美国国际科技竞争力的需要；节约资源能源，保证美国未来的可持续发展；纳米技术是开发未来微型武器的技术基础，是国防工业的未来。1.纳米技术的发展ÅÅ德国拟建立或改组六个政府与企业联合的研发中心，并启动国家级的研究计划启动国家级的研究计划。ÅÅ法国决定投资8亿法郎建立一个占地8公顷、建筑面积为6法国决定投资亿法郎个占顷筑面积为万平方米、拥有3500人的微米／纳米技术发明中心，配备昀先进的仪器设备和超净室，并成立微米纳米技术之家，专门负责申请专利和帮助研究人员建立创新企业。ÅÅ日本除继续推动早已开始的纳米科技计划外每年投资2ÅÅ日本除继续推动早已开始的纳米科技计划外，每年投资2亿美元推动新的国家计划和新的研究中心建设。第六章纳米电子学基础6.1纳米技术的发展6.2纳米结构材料的基本特性6.3纳米结构中的介观现象6.4单电子器件和电路6.5未来可能的发展2.纳米结构材料的基本特性纳米材料：指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围单构成或由它们作为基本单元构成的材料。｛纳米颗粒(0维)纳米丝、纳米棒、纳米管(1维).纳米基本单元纳米薄膜纳米多层膜(2维)｛纳米薄膜、纳米多层膜(2维).纳米颗粒型材料｛纳米颗粒型材料纳米固体材料纳米材料纳米膜材料｛纳米材料纳米膜材料纳米磁性液体材料2.纳米结构材料的基本特性纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒也叫超微粒般指寸在间的粒粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子团簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应当人们将宏观物体细分成超微颗粒效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学电学磁学力学以及化学方面的性质和大块固体时相比学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。2.纳米结构材料的基本特性I.表面效应ÅÅ球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故ÅÅ球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积／体积）与直径成反比。随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。ÅÅ对直径大于0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计，当尺寸小于0.1微米时，其表面原子百分数激剧增长，这时的表面效应将不容忽略。纳米颗粒的表面其表原百数激表效将容纳颗粒表与大块物体的表面是十分不同的，若用高倍率电子显微镜对金纳米颗粒（直径为2×10-3微米）进行电视摄像，实时观察发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成各种形状（如立方八面体十面体十面体多随着时间的变化会自动形成各种形状（如立方八面体，十面体，二十面体多李晶等），它既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了沸腾状态，尺寸大于10纳米后微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了沸腾状态，尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性，这时微颗粒具有稳定的结构状态。2.纳米结构材料的基本特性I.表面效应原子间距为0.3nm的粒子表面情况粒径(nm)2nm5nm10nm100nm原子总数Ｎ3504000300003×106原子总数Ｎ3504000300003×10表面原子百分数8640202比表面积(m2/g)450180909尺寸小，表面大，活性高。2.纳米结构材料的基本特性II.小尺寸效应ÅÅ随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对纳米颗粒而言尺寸变小同时其比表面积亦显著增加从而产生如下颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。（1）特殊的光学性质（1）特殊的光学性质（2）特殊的热学性质（3）特殊的磁学性质学质（4）特殊的力学性质纳米颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。化学性能等方面。2.纳米结构材料的基本特性II.小尺寸效应特殊的光学性质ÅÅ当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色事实上所有的金属在纳米颗粒状态都呈现为黑色尺寸越小颜黑色。事实上，所有的金属在纳米颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属纳米颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等红外隐身技术等。2.纳米结构材料的基本特性II.小尺寸效应特殊的热学性质ÅÅ固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。例如，金的常规熔点为1064℃当颗粒尺寸减小到10纳米尺寸时则降低27℃2纳米尺寸时的熔1064℃，当颗粒尺寸减小到10纳米尺寸时，则降低27℃，2纳米尺寸时的熔点仅为327℃左右；银的常规熔点为670℃，而超微银颗粒的熔点可低于100℃。因此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的基片100℃。因此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超细银粉浆料，可使膜厚均匀，覆盖面积大，既省料又具高质量。日本川崎制铁公司采用0.1～1微米的铜、镍微粒成浆代替钯银等贵金微粒熔降质镍超微颗粒制成导电浆料可代替钯与银等贵金属。超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力。例如，在钨颗粒中附加0.1％～0.5％重量比的超微镍颗粒后，可使烧结温度从3000℃降低到1200～1300℃，以致可在较的超微镍颗粒后，可使烧结温度从3000℃降低