纳米材料的电学、光学和光电性能及应用前景.pdf
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1、真 空 电子技 术 纳 米 材 料 的 电学、光 学 和光 电性 能 及 应 用 前 景 吴 锦 雷(北 京 大 学 电 子 学 系,北 京 1 0 0 8 7 1)El e c t r i c,Op t i c a l a nd Pho t o e l e c t r i c Pr o pe r t i e s a nd Ap pl i c a t i on o f Na no Sc a l e M a t e r i a l s W U J i n l e i (De p a r t me n t o fE l e c tr o n i c s,Pe k i n g Un i v e r
2、s i t y,B e ij i ng 1 0 0 0 8 7,C h i n a)Abs t r a c t:T he e l e c t r i c pr o p e r t i e s o p t i c a l p r o p e r t i e s,a nd ph o t o e l e c t r i c p r o pe rti e s o f n a n o-ale ma t e ria l s a s we l l a s,ba s i c p rinc i p l e a n d a p p l i c a t i on f o r s i ng l e e l e c t
3、 r o n de v i c e,a r e i nt r o du c e d b rie fly i n t h i s p a pe r Th e g r e a t o p t i c al a b s o r pt i o n c o e ffic i e n t an d p ho t o l umi ne s c e n ce f r om n an o-s c ale thi n fil ms c a n b e u s e d i n the s e n sor s Ha l l o-S c ale ma t e rials c o u l d also b e a p p
4、 l i e d f o r ult r a f as t p h o t o e l e c t r o ni c d e v i ce s be c a u se the y h a v e ult r a f ast r e s p o n s e s pe e d Ke ywo r d s:Na n o s c a l e ma t e rials;El e c t ric i t y p r o p e r t y;Op t i c a l pr o pe r t y;Ph o t o e l e c t ric p r o p e r t y 摘要:简要 介 绍 了纳 米材 料 的
5、 电学性 能 以及 单 电子 器 件 的 基 本 原 理 和 应 用;纳 米 材料 的 光 学性 能 和光 电性 能,高 的 光 吸收 系数 和光 致荧 光 现象 可使 其 应 用于 敏 感 元 件,由于 其 光 电特 性 具 有 超 快 响 应 速 度,可 望 在 超 快 光 电 子 器 件 中 得 到 应 用。关 键 词:纳 米 材 料;电 学 性 能;光 学 性 能;光 电性 能 中图分 类号:T N 3 0 4 文献 标 识 码:A 文 章编 号:1 0 0 2 8 9 3 5(2 0 0 2)0 4 0 0 2 3 0 5 纳 米 材 料 是 整 个 纳 米 科 学 与 技 术 领
6、域 重 要 组 成 部 分,它 涉 及 纳 米 材 料 的结 构、性 能 和 应 用,纳 米 材 料 的 制 备 工 艺 及 其 检 测 手 段 等。各 个 纳 米 研 究 领 域,诸 如 纳 米 电子 学、纳 米 化 学、纳 米 生 物 学 等 都 涉 及 纳 米 材 料 的 研 究。纳 米材料 体 系是 丰富 多彩 的,从 纳 米科 学与 技 术 的 各 个 分 支 领 域 来 讲,纳 米 材 料 涉 及 了 纳 米 物 理 学、纳米 电子学、纳米化学、纳米药 学等,纳米材料 的 研究往往需要 现代 物理、化学 等 多学科 结 合,同时,纳 米 材 料 的 研 究 也 与 纳 米 检 测
7、设 备 和 技 术 紧 密 相 联。纵 观 纳 米 材 料 的研 究 进 程,不 难 发 现,纳 米 材 料 研究 的 内容不 断扩 大,基础 研 究 和应用 研 究都 成 为 关 注 的 热 点。纳 米 材 料 的 制 备 方 法 也 在 不 断 前 进,从 控 制 微 粒 尺 寸 和 形 状 到控 制 界 面、控 制 形 成 薄 膜、设计复合体,现在 纳米 体 系 的 自组 装也 加 入 了研 究 收稿 日期:2 0 0 2-0 4 1 9 基金项 目:国家重 点基 础 研 究 项 目(9 7 3项 目)、国 家 自然 科 学 基 金、行列,例如 纳米阵列 体 系、纳 米镶 嵌 体 系等,
8、目标 是 制 备 纳 米 器 件。总 之,纳 米 材 料 科 学 充 满 了 机 遇 和 挑 战。1 纳 米 材 料 的 电 学 性 能 及 应 用 介 电特 性 是 材 料 的 重 要 性 能 之 一,当 材 料 处 于 交 变 电 场 下,材 料 内部 会 发 生 极 化,这 种 极 化 过 程 对 交 变 电场 有 一 个 滞 后 响 应 时 间,即 弛 豫 时 间。弛 豫 时 间长,则 会 产 生 较 大 的 介 电 损 耗。纳 米 材 料 的 微 粒 尺 寸 对 介 电 常 数 和 介 电 损 耗 有 很 大 影 响,介 电 常 数 与交变电场 的频 率也有密切 关系。例 如纳米 T
9、 i O 在频率不太 高 的电场 作用 下,介 电常数 是 随粒 径增 大 而增 大,达到最大值后 下降,出现介 电常数最 大值 时 的粒径 为 1 7 8 H a【1 J。一般讲,纳米材 料 比块体材 料 的 介 电常 数 要 大,介 电 常 数 大 的 材 料 可 以 应 用 于 制 造 大 容 量 电 容 器,或 者 说 在 相 同 电 容 量 下 可 减 小 体积,这对 电子设 备 的小 型化来讲很 有用。单 电子 晶体 管是诱 人 的纳米微粒 电学 性能 的体 现。在 这 里,首 先 简 单 介 绍 一 下 量 子 隧 道 效 应 和 库 仑堵塞。在 电学 里,导 电 是 电子在 导
10、体 内运 动 的表 教 育部 科研 重 点资助 项 目。一一一 一一一 烈 热 个纳米微粒不相连,那么电子从一个微粒 。峨 ,-;。一 。一 。一 i 2 0 0 2年 2 3 N o 4 维普资讯 http:/ 真 空电子技术 运 动 到 另 一 个 微 粒 就 会 象 穿 越 隧 道 一 样,若 电 子 的 隧道 穿 越 是 一 个 一 个 发 生 的,则 在 电压 电 流 关 系 图 上 表 出 台 阶 曲 线,这 就 是 量 子 隧 道 效 应。如 果 两 个 纳 米 微 粒 的尺 寸 小 到 一 定 程 度,它 们 之 间 的 电 容 也 会 小到一定程度,以至 于电子不能集 体传输
11、,只能一 个一个单 电子传输,这种 不 能集 体传 输 电子 的行 为 称 之 为 库 仑 堵 塞 。当 纳 米 微 粒 的 尺 寸 为 1 n m 时,可 以在 室 温 下 观 察 到 量 子 隧 道 效 应 和 库 仑 堵 塞,当纳 米 微 粒 的 尺 寸 在 十 几 纳 米 范 围 时,观 察 这 些 现 象 必 需 在 极 低 温 度 下,例 如 一1 9 6 以 下。利 用 量 子 隧 道 效 应 和 库 仑 堵 塞,就 可 研 究 纳 米 电 子 器 件,其 中单 电 子 晶 体 管 是 重 要 的 研 究 课 题。图 1 是 单 电 子 晶 体 管 的 结 构 示 意 图,其 中
12、 画 斜 线 的部 分 是 连 接 库 仑 岛 与 金 属 引 线 的 隧 道 结,库 仑 岛是 半 导 体 纳 米 微 粒 或 金 属 纳 米 微 粒,在 两 端 的 金 属 引 线 上 加 入 电 压,输 送 电 子 和 接 收 电 子 的 两 个 电 极分别作 为“源”和“漏”,电子从“源”到“漏”是 单 电 子 隧 穿 过 程 和 库 仑 堵 塞 过 程,库 仑 岛 的 一 侧 有 另 一 个 电极,称 之 为“栅”或“门”,“栅”或“门”电极 起 控 制 作 用。UI 2 U 2 源 漏:库 仑 岛 图 1单 电 子 晶 体 管 结 构 不 意 图 由 于单 电子 晶体 管 耗 电
13、极 小,体 积 也 极 小,可 以 使大规模集成 电路 的集成度 呈 几个 数 量级地 提 高,这 将 会 引起 新 世 纪 里 电 子设 备 的重 大变 革。单 电 子 晶体 管“库 仑 岛”上 存 在 或 失 去 一 个 电 子 的 状 态 变 化 可 以作为高密 度信 息存 储 的记忆 单 元,为高 密 度信 息 存 储 开辟 了 一 条 新 的道 路。2 0 0 1年 2月,德 国 科 研 机 构 报 道 了 利 用 单 个 电 子 作 为 纳 米 电路 开 关 的研 究 取 得 初 步 进 展。现 行 的 普通 硅芯片半导 体 电路 中,微 晶体二 极 管通 过 电路 的接 通 和
14、断 开 代 表 二 进 制 中 的 1 和 0,实 现 这 样 一个 过 程 大 约 需 几 万 个 电 子。而 德 国科 学 家 在 研 究 中发 现,由 5 5个 A u原 子 在 平 面 分 布 形 成 的“纳 米 簇”可 达 到 同样 的 功 能,而 且 实 现 电 路 的接 通 和 断 开 只 需 要 一 个 电 子。这 一 项 目 的 研 究 者 之 一、埃 森 大 学施 密 特 教 授 认 为,单 电 子 纳 米 开 关 电 路 有 可 能 成 为 未 来 更 小 更 精 确 和 耗 能 更 低 的 芯 片 的 基 础,目前 全 世 界 计 算 机 超 过 1 亿 台,如 果 以
15、 每 台 消 耗 功 率 1 0 0 w 估 算,那 么 仅 为 计 算 机 供 电 就 需 要 1 0 G W 电 量,如 果 单 电 子 纳 米 开 关 电路 成 为 芯 片 的 生 产 标 准,仅 在 电 能 消 耗 上 就 可 以 至 少 降 到 目前 的 万 分 之 一,更 不 用 说 单 电 子 开 关 在 速 度 和 准 确 性 上 的优 势。存 在 于 超 晶格 材 料 中 的量 子 阱 给 超 晶 格 半 导 体 薄 膜 带 来 特 殊 的 电 学 性 能,某 一 能 量 的 电 子 在 周 期 性 结 构 中运 动会 具 有 最 大 的 隧 穿 几 率,利 用 此 特 性
16、可 制 成 双 极 型 晶 体 管、高 电 子 迁 移 率 晶 体 管 等。另 一方 面,在 一 定 条 件 下 电 子 的 迁 移 可 以使 电 子 的 能 量 发 生 转 换,若 电 子 能 量 转 换 为 光 子 发 射,由此 可 设 计 出量 子 阱激 光 器。纳 米 电 子 器 件 的研 究 成 为 国 际 上 纳 米 电 子 学研 究 的 热 点,关 于 单 电 子 晶 体 管 研 究 的 报 道 接 连 不 断 H ,它 的基 本 结 构 是 纳 米 隧 道 结,利 用“栅”电极 控 制“源”和“漏”两 个 电 极 之 间 的 位 垒 高 度,也 就 控 制 了 这 两 个 电极
17、 之 间 的隧 穿 电 流。德 国 科 学 家 和 美 国 I B M 公 司 的 科 学 家 在 2 0 0 1年 初 报 道 用 碳 纳 米 管 制 备 纳 米 晶 体 管 J,其 结 构 如 图 2所 示,他 们 先 在 硅 基 底 上 氧 化 出一 层 绝 缘 的 S i O ,在 S i O 上 制 备 金 电 极,然后把碳 纳 米 管分 散 在 S i O,上,再 用 原 子 力显 微 镜(A F M)的 针 尖 搬 动 碳 纳 米 管,使 碳 纳 米 管 处 于 两 个 金 电极 之 问,在 两 个 金 电极 上 加 电 压,同 时 硅 基 底 上 加 控 制 电 压 作 为 栅
18、 电 极,这 个 栅 电 极 经 隧 道 场 效 应 作 用 于 碳 纳 米 管,他 们 在 低 温 4 2 K下 测 量 了 由栅 电极 控 制 的 源 和 漏 之 间 的,_ 关 系 曲 线,表 现 出很 好 的 晶 体 三 极 管放 大 特 性。荷 兰 台 尔 福 特 大 学 应 用 物 理 系 的 D e k k e r 实 验 室在近几年发 表 了很多 篇 高水 平 的论 文,先 是低 温 下 测 量 了碳 纳 米 管 的三 极 管 放 大 效 应。现 在 已 研 究 成 功 了室 温 下 的 单 电 子 晶 体 管。他 们 把 长 几 百 纳 米 的金 属 型 单 壁 碳 纳 米
19、管 放 在 S i S i O,基 底 上,用 A F M 针 尖 驱 动 碳 纳 米 管 产 生 一 个 弯 曲,见 图 3(a),然后 再 在 距 这 个 弯 曲点 约 2 5 n m 的地 方 向相 反 的方 向 构 造 另 一 个 弯 曲(见 图 3(b);这 两 个 相 反 方 向 的 弯 曲 组成 一 个 碳 纳 米 管 的 弯 曲 结(见 图 3(c),放 大 的弯 曲结 如 图 3(d)所 示。通 过 测 试 栅 电 极 对 碳 纳 米 管 导 电 性 的影 响,发 现 在 室 温 下,无 弯 曲 结 时,栅 =一 一一 一一一。褪控制作用,而有弯曲结时,栅电极对碳纳米 i 2
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- 纳米 材料 电学 光学 光电 性能 应用 前景
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