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1、 纳米技术及纳电子学纳米技术及纳电子学报告人：李报告人：李 锋锋2014年3月4日纳米技术的基本概念n纳米（nanometer）科技的字面意思并不难理解，“纳米”只是一个长度单位。n1纳米109米，大约是10个氢原子排列起来的长度（氢原子的直径1010m数量级），大约相当于头发直径的八万分之一。纳米尺度是指0.1纳米至几百纳米的空间范围，这正是分子尺寸，也是分子相互作用的空间。n在纳米尺度上对物质和材料进行研究处理的技术称为纳米技术。纳米技术本质上是一种用单个原子、分子制造物质的科学技术。n微电子学技术及超大规模集成电路飞速发展，但是随着集成电路的集成度越来越高，晶体管的尺寸越来越小，以晶体管

2、为基础的超大规模集成电路的加工和使用均受到了极限的挑战，因此人类只得去探索新的电子学加工技术，以取代目前采用的光刻技术，在未来510年中达到极限，寿终正寝。n纳米技术有可能作为未来新型的电子学技术取代目前传统的以硅为材料的电子技术。Metric System exa-Em10181,000,000,000,000,000,000 quintillion peta-Pm10151,000,000,000,000,000 quadrillion tera-Tm10121,000,000,000,000 trillion giga-Gm1091,000,000,000 billion mega-Mm

3、1061,000,000 million kilo-km1031,000 thousand meter m1001 one deci-dm10-11/10 tenth centi-cm10-21/100 hundredth milli-mm10-31/1,000 thousandth micro-m mm10-61/1,000,000 millionth nano-nm10-91/1,000,000,000 billionth pico-pm10-121/1,000,000,000,000 trillionth femto-fm10-151/1,000,000,000,000,000 quad

4、rillionth atto-am10-181/1,000,000,000,000,000,000 quintillionth费曼之梦费曼之梦n1959年，在美国物理年会上，诺贝尔物理学奖得主理查德理查德费曼费曼在一次题目叫作“Theres plenty of room at the bottom”的讲演中说：“我认为，物理学的原理并不排斥用一个一个地安排原子来制造东西。这样做，我认为，物理学的原理并不排斥用一个一个地安排原子来制造东西。这样做，并不违反任何定理，因而原则上是可以实现的。它在实践中迄今未实现是因为我并不违反任何定理，因而原则上是可以实现的。它在实践中迄今未实现是因为我们太大了。

5、们太大了。”“如果我们能按照自己的愿望一个一个地安排原子，将会出现什么如果我们能按照自己的愿望一个一个地安排原子，将会出现什么这些物质这些物质将有什么性质？这是十分有趣的理论问题。虽然我不能精确地回答它，但我决不将有什么性质？这是十分有趣的理论问题。虽然我不能精确地回答它，但我决不怀疑当我们能在如此小的尺度上进行操纵，将得到具有大量独特性质的物质。怀疑当我们能在如此小的尺度上进行操纵，将得到具有大量独特性质的物质。”n理查德理查德费曼费曼的演讲被看作是纳米科技基本概念的起源。人类能够用宏观的机器制造比其体积小的机器,而这较小的机器可以制作更小的机器,这样一步步达到分子线度,即逐级地缩小生产装置

6、,以至最后直接按意愿排列原子,制造产品。那时,化学将变成根据人们的意愿逐个地准确放置原子的问题。当2000年人们回顾历史的时候,他们会为直到1959年才有人想到直接用原子,分子来制造机器而感到惊讶。-Richard.Feynman,1959 Nanotechnology Vision n“The principles of physics,as far as I can see,do not speak against the possibility of maneuvering things atom by atom.”“Put the atoms down where the chemis

7、t says,and so you make the substance.”-Richard Feynman(1959)Physics Nobel LaureateHe was talking about nanotechnology before the word existed!纳米技术的意义纳米技术的意义纳米技术可能是下个世纪前二十年最重要的技术。纳米技术可能是下个世纪前二十年最重要的技术。-克林顿克林顿纳米左右和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一纳米左右和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点，会有一次技术革命，从而将引起个重点，会有一次技术革命，从而将引起2121世纪又一世纪又

8、一次产业革命。次产业革命。-钱学森钱学森许多人认为纳米科技仅仅是遥远的未来基础科学许多人认为纳米科技仅仅是遥远的未来基础科学的事情的事情,而没有什么实际意义。但我确信纳米科技现在而没有什么实际意义。但我确信纳米科技现在已具有与此同时已具有与此同时150150年前微米科技所具有的希望和重要年前微米科技所具有的希望和重要意义。意义。150150年前年前,微米成为新的精确标准微米成为新的精确标准,并成为工业革并成为工业革命的技术基础命的技术基础,最早和最好学会并使用微米技术的国家最早和最好学会并使用微米技术的国家都在工业发展中占据了巨大的优势。同样都在工业发展中占据了巨大的优势。同样,未来的技术未来

9、的技术将属于那些明智地接受纳米作为新标准将属于那些明智地接受纳米作为新标准,并首先学习和并首先学习和使用它的国家。我们应当记住使用它的国家。我们应当记住,微米技术曾同样被认为微米技术曾同样被认为对使用牛耕地的农民无关紧要。的确对使用牛耕地的农民无关紧要。的确,微米与牛毫无关微米与牛毫无关系系,但它却改变了耕作方式但它却改变了耕作方式,带来了拖拉机。带来了拖拉机。-H.Rohrer,IBM-H.Rohrer,IBM苏黎世实验室苏黎世实验室,1993,1993年年纳米技术研究内容纳米技术研究内容n纳米技术主要包含三个重要的支撑技术：1.纳米材料:无机纳米材料，有机纳米材料，复合纳米材料等；2.纳米

10、加工制造技术：微细加工技术，扫描探针加工技术，分子组装技术等；3.纳米表征测量技术：经典的表征分析技术，扫描探针显微技术，单分子检测技术等。n纳米技术的核心思想是制备纳米尺度的材料或结构，发掘其不同凡响的特性，并对其进行研究。由此形成各类纳米技术 研发领域：纳米体系物理学、纳米体系化学、纳米材料学、纳米生纳米体系物理学、纳米体系化学、纳米材料学、纳米生物学、纳电子学、纳米光子学、纳米机械学、纳米加工制造物学、纳电子学、纳米光子学、纳米机械学、纳米加工制造学、纳米表征学和纳米医学学、纳米表征学和纳米医学。纳米纳米技术技术的主要特征的主要特征n从材料发展的角度看，纳米材料的制备将更多地考虑分子设计

11、、材料结构、表面等。n从纳米结构加工制造的角度看，传统的以三束（光子束，电子束、离子束）技术为核心的微电子平面加工技术仍扮演主要角色。同时，以原子、分子STM操纵搬迁、分子装配等为基础的分子组装技术也越来越受到重视。n对纳米对象的表征除了传统的观察测量技术，如谱学技术、电子显微镜技术之外，特别采用了以STM、AFM为代表的扫描力显微技术。n纳米器件将沿两条路线进行：1）目前的微电子技术不断缩小加工尺度，为此需要发展新的功能材料和设计技术；2）量子效应纳米器件。纳米材料分类纳米材料分类n材料的某一维、二维或三维方向上的尺度达纳米范围（1-100nm）尺寸时，可称为纳米材料。n按材料的几何形状特征

12、，可以把纳米材料分类为：1.纳米颗粒与粉体（0维）；2.纳米碳管和纳米线（1维）；3.纳米带材（2维）；4.纳米薄膜（2维）；5.中孔材料，如多孔碳，分子筛；6.纳米结构材料；7.有机分子材料。纳米材料和技术领域发展的历史第一阶段纳米颗粒(纳米晶、纳米相、纳米非晶等)以及由它们组成的薄膜和块体第二阶段纳米复合材料第三阶段纳米组装体系纳米科技发展的重要事件纳米科技发展的重要事件n1974，在日本精密机械学会举办的国际生产工程技术会议上第一次论及了纳米技术的概念，设想加工精度的界限应为纳米级。n1977年美国MIT的德雷克斯勒德雷克斯勒博士提出,可以从模拟活细胞的生物分子的人工类似物-分子装置开始

13、研究,并称之为纳米科技。他70年代末在斯坦福大学建立第一个纳米科技研究小组。n1982年，IBM公司苏黎世研究实验室的海因里希海因里希罗瑞尔罗瑞尔和盖尔德盖尔德宾尼戈宾尼戈共同发明了扫描隧道显微镜，使得人类在大气和常温下看见原子，他们获得了1986年诺贝尔物理学奖。n1984年，德国萨尔大学的葛莱特葛莱特教授采用惰性气体凝聚法制备了具有清洁表面的纳米微粒，提出了纳米材料界面结构模型。n1985年，英国苏塞克斯大学的克劳托克劳托与美国赖斯大学的克尔克尔、斯莫利斯莫利合作，采用激光加热石墨蒸发并通过甲苯收集获得碳的团族，发现C60、C70。C60具有高稳定的新奇结构，即由60个碳原子组成了一个封闭

14、的32面体结构，获得1996年诺贝尔化学奖。n同年，莫斯科国立大学的康斯坦丁康斯坦丁利哈廖夫利哈廖夫等人提出，可以通过控制单个电子进入或离开所谓的库仑岛，来实现一些目前需要一定规模电路才能实现的功能，这就是单电子器件的基础。纳米科技发展的重要事件n1986年，MIT的德雷克斯勒德雷克斯勒博士在创造的工程中提出，通过分子的自发相互作用可进行具有纳米尺度的器件或系统的制造，即自组装的概念。n1987年，荷兰戴尔夫特理工大学的巴尔特巴尔特威斯威斯等人在研究电流流过现在被称为量子点接触的纳米结构时，获得明显的具有台阶特征的伏安特性，即电导量子化。n1990年美国IBM公司的艾格勒艾格勒在液氦温度（4K

15、）下，用STM首次实现单原子操纵。用35个氙原子在镍表面上组成了“IBM”图案。操纵氙原子，用操纵氙原子，用3535个原个原子排出了子排出了IBMIBM字样字样 纳米科技发展的重要事件纳米科技发展的重要事件n1991年，日本NEC的饭岛澄男饭岛澄男采用电焊放电合成球碳微粒时，发现纳米碳管。n1993年，日本日立制作所研制成功了在室温下工作的单电子存储器。在极微小的晶粒中封入一个电子，用此存储信息。n1996年，美国赖斯大学斯莫利斯莫利等人合成了成行排列的单壁碳纳米管束。几乎与此同时，中科院物理所解思深解思深等人实现了碳纳米管的定向生长，合成了毫米量级的纳米碳管。国际上纳米研究n世界各国都充分地

16、认识到纳米技术将成为明天高新技术产业的源头，纷纷启动了发展纳米技术和纳米计划的研究计划。n美国将纳米技术视为下一次工业革命的核心，列为国家战略目标，在纳米科技基础研究方面的投资，从1997年的1亿多美元增加到2001年近5亿美元，准备像微电子技术那样独占领先地位。布什政府比克林顿政府更加重视发展纳米科技，并制定了新的目标，希望到2010年能培养80万名真正懂得纳米科技的人才，新增加200万就业岗位，使美国纳米技术对gdp贡献达到万亿美元。n日本设立了纳米材料中心，把纳米技术列入新五年科技基本计划的研究开发重点，将以纳米技术为代表的新材料技术与生命科学、信息通信、环境保护等并列为四大重点发展领域

17、。n德国把纳米技术列为21世纪科研的战略领域，全国有19家机构专门建立了纳米技术研究网。n在纳米技术的研究方面，现在美国已在纳米结构组装体系的高比表面纳米颗粒制备与合成方面领先，在纳米功能涂层设计改性及纳米材料在生物技术中的应用上与欧共体并列世界第一，纳米尺度的元器件和纳米固体制备上与日本分庭抗礼。中国在纳米方面的研究n我国早在1985年就开展了纳米方面的研究，在北京大学建立了“人工微结构和介观物理国家实验室人工微结构和介观物理国家实验室”，在南京大学建立了“固体微结构国家重点实验室固体微结构国家重点实验室”。n自1985年以来，中国科学技术大学“结构分析中心结构分析中心”一直在从事物质结构方

18、面的研究，在单分子取向、C60单分子和团族的器件研究方面取得一系列重大成果。组建了“微尺度物质微尺度物质科学国家实验室科学国家实验室”。n八五期间，“分子器件的基础研究”列为国家自然科学基金重大项目，“纳米材料科学”列入国家攀登项目等。n十五期间，国家投入25-30亿组织纳米技术研究和产业化发展。中国纳米科技发展的总体目标中国纳米科技发展的总体目标n国家科技部制定了2001-2010年国家纳米科技发展纲要，明确要求：到2010年，我国纳米科技研究、应用及成果转化水平居国际先进行列，在若干方面具有竞争优势：1.1.形成若干具有国际一流水平的纳米科技创新基地，基本形成若干具有国际一流水平的纳米科技

19、创新基地，基本完成我国纳米科技创新体系的建设，为长远发展奠定基完成我国纳米科技创新体系的建设，为长远发展奠定基础；础；2.2.大幅度提高我国纳米科技创新能力，一批纳米科技成果大幅度提高我国纳米科技创新能力，一批纳米科技成果实用化或产业化；实用化或产业化；3.3.形成一批具有市场竞争能力的骨干企业。形成一批具有市场竞争能力的骨干企业。中国纳米科技发展的总体目标中国纳米科技发展的总体目标n为应对国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）的相关计划，制定了纳米研究“十二五”专项规划，明确提出以深化基础研究和促进产业化为主线，促进纳米科学技术与经济相结合，发挥我国在纳米科学技术领域的高水

20、平基础研究优势，抢占未来科技发展的制高点：1.在纳米材料、器件和系统、生物医学、测量表征等方面取得国际一流的原创性成果2.在信息、生物医药、能源、环境、制造等重要应用领域取得重大进展3.促进纳米绿色印刷制版、高密度存储器、新型显示、疾病快速诊断、水净化、高效能源转化等纳米材料、器件与技术的规模化应用4.培养一批高水平的学术带头人并形成在国际上有重要影响的研究团队纳米级中国地图，刻线粗细为10纳米世界上最小的唐诗（10微米10微米）纳米测量和加工纳米测量和加工显微镜显微镜n扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope，STM)n原子力显微镜（Atomic Force

21、 Microscope，AFM）n近场光学显微镜（Scanning Near-Field Optical Microscopy,SNOM）n扫描噪声显微镜(Scanning Noise Microscope，SNM)n扫描隧道电位仪(Scanning Tunneling Potentiometry，STP)n弹道电子发射显微镜(Ballistic Electron Emission Microscope，BEEM)n扫描热显微镜(Scanning Thermal Microscope)n扫描离子电导显微镜(Scanning Ion-Conductance Microscope,SICM)n光子

22、扫描隧道显微镜(Photon Scanning Tunneling Microscope,PSTM)扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜nSTMSTM是基于导电的样品和针尖之间的隧道电流的大小与它们之间的距离的增大呈指数关系下降的原理研制的。n当针尖和样品距离小于1nm的时候，针尖中的电子波函数与样品表面的电子波函数交叠，当把针尖与样品之间加上偏压时，就可以使它们之间的电子流动，这种现象在量子力学里被称为隧道效应隧道效应或隧穿，它们之间的电流被称为隧道电流隧道电流。nSTMSTM就通过测量样品和针尖之间的隧道电流来工作。下面的公式表示了隧道电流和样品-针尖的距离之间的关系：IVe-cd其中，I是隧道电

23、流，V是加在样品和针尖上的偏压，c是一个常数,d是样品-针尖之间的距离。n当导电金属针尖距离导电物质表面足够近时（1nm），探针针尖和物质表面就会有隧道电流通过，微弱的隧道电流信号可以被电路放大，并准确记录。n隧道电流对样品表面之间的距离呈指数关系，根据量子理论计算，距离每减小0.1nm（一个氢原子的直径），隧道电流值会增加10倍。在探针扫描时，通过测量这种隧道电流的变化就可以记录下物体表面的起伏情况，再经计算机重建后就可以获得反映物体表面形貌的直观图象。nSTM只能用于导体和半导体。扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜（扫描隧道显

24、微镜（STM）原子分辨率）原子分辨率There are two basic modes of STM operation,In the constant current mode the tunneling current is measured when the tip is positioned near the surface and is suitable biased in the 5 mV 2 V range.The tip is scanned over the surface and any change in the tunneling current is sensed b

25、y a feedback loop,which then changes,if necessary the height z such that the current remains constant.Finally,a map z(x,y)is obtained.In the constant height mode,the tip is scanning the surface at a constant height and the current is directly measured obtaining finally the map I(x,y)原子力显微镜原子力显微镜nAFM

26、AFM的工作原理是通过检测力敏元件的位移来实现力敏元件探针尖端原子与表面原子之间的排斥力的监测，进而得到表面形貌像。由于不需要在探针与样品间形成电回路，突破了样品导电性的限制，因而有更加广泛的应用领域。AFM达到了原子级分辨率。nAFMAFM由探头、电子控制系统、计算机控制及软件系统、步进电机样品自动逼近控制电路四部分构成。n半导体激光器发出的激光束，经透镜会聚到微探针头部，微悬臂的尺寸大约100微米左右。由微探针反射回来，再经一反射镜到达光斑位置敏感器，转化为电信号后，再由前置放大器放大后送给反馈电路。n计算机发出的数字信号经DAC转化为模拟信号，以高压运放放大后驱动压电陶瓷管作XY平面扫描

27、。n当探针在样品表面扫描时，由于样品表面起伏不平而使探针带动微悬臂弯曲变化，而微悬臂的弯曲又使得光路发生变化，最终导致照射到光敏检测器上的激光光斑位置发生移动。光敏检测器将光斑位移信号转换成电信号，经放大处理后，计算机通过ADC采集每个X，Y坐标点所对应的反馈电路输出值，再转化为灰度级在监视器上显示出扫描范围中样品的表面形貌。n样品同探针距离调整采用步进电机带动螺杆使样品台升降来控制，开始工作时启动样品逼近开关，样品台上升带动样品向探针逼近，当样品距探针到达设定的工作距离时，检测系统自动发出一负脉冲信号，从而使步进电机迅速停下来，此时系统进入工作状态。原子力显微镜原子力显微镜原子力显微镜原子力

28、显微镜近场光学显微镜近场光学显微镜STM techniquePhysical principleAFMforcedetectionbetweenacantileverterminatedwithatipandasurfaceSTMtunnelingcurrentdetectionofelectronsthattunnelfromanano-sizedtipintoasurfaceSNOMoptical intensity measurement due the near fieldinteractions between a nano-sized aperture and anillumina

29、tedsurface扫描噪声显微镜扫描噪声显微镜n扫描噪声显微镜扫描噪声显微镜(Scanning Noise Microscope，SNMSNM)是STM的改进，除了在隧道结上没有偏压外，几乎和STM没有什么差别。SNM通过在很宽的带宽上检测来自隧道结上的均方噪声电压，并利用反馈回路控制探针和样品间隙，进而使均方噪声电压恒定。n由于均方噪声电压和隧道间隙电阻成比例关系，因此，控制均方噪声电压恒定也就控制了间隙电阻恒定。SNM不仅可用于观测表面形貌，实际上它提供了一种控制隧道间隙的新方法。nSNMSNM存在的问题是控制回路的信噪比取决于测量噪声电压所用的频带宽和控制回路的频带宽之比。由于测量噪声

30、电压所用的最大频带宽为100KHz，因此SNMSNM的信噪比劣于STM。但是对于一些特殊用途，如在电化学中需要零平均电流，SNMSNM则具有其优势。扫描隧道电位仪扫描隧道电位仪n扫描隧道电位仪扫描隧道电位仪(Scanning Tunneling Potentiometry，STPSTP)与STM的不同在于样品表面又加了一个电极(一共有两个电极)。n在样品与探针之间加一交流电压，反馈系统利用由这一交流电压产生的交流隧道电流来控制隧道间隙的恒定。n当探针在样品表面扫描时，另一控制回路通过用探针上的电压连续跟踪样品上的电压使隧道电流中的直流分量为零。因此，探针上的电压等于样品表面上每一点的电压。ST

31、P可用来测量纳米尺度的电位变化，如肖特基势垒等，其电压分辨率为几个毫伏。弹道电子发射显微镜n弹道电子发射显微镜弹道电子发射显微镜(Ballistic Electron Emission Microscope，BEEM)是在STM的基础上发展起来的，它能直接对界面进行实时地无损伤探测，并具有纳米级分辨率。n在位于金属膜表面的探针和膜之间施加一定电压时，通过隧道效应，探针发射出隧道电子并进入金属膜中。这些低能电子在金属中的衰减长度约为10nm。如果膜厚在10nm左右时，有些电子将达到界面处而没有能量损失。n当探针与膜之间偏压大于界面势垒Vb时，这些电子有足够的能量穿过势垒进入收集极形成弹道电流Ic

32、。相反，如果偏压小于Vb，电子不能穿过势垒而收集极没有电流。通过连续改变偏压测量电流Ic值，就能得到Ic-V谱。Ic-V谱直接表征了界面上局域肖特基势垒高度，界面的缺陷结构等。如果探针在金属表面以恒流模式扫描时采集STM信号和Ic信号，可同时得到表面形貌和界面图像。nBEEM是目前唯一能够在纳米尺度上无损探测表面和界面结构的先进分析仪器。与STM相比，BEEM更具有挑战性。扫描热显微镜n扫描热显微镜扫描热显微镜(Scanning Thermal Microscope)所用的探针是一根表面覆盖有镍层的钨丝。镍层与钨丝之间有一绝缘层。只是在探针尖端两种金属才结合在一起。n钨/镍结点起热电偶的作用，

33、它产生一个与温度成正比的电压。首先将探针稳定在样品表面，并向结点通直流电来加热，当探针散失到空气中的热量等于电流提供的能量时，尖端的温度就稳定下来，这时探针比环境温度高几度。n当探针接近样品时，热量向样品流失。由于样品是固体，其传热性比空气好，探针的热量散失速率将增加，于是探针尖端开始冷却，热电偶结上电压也随之下降。通过用反馈回路调节探针与样品间隙，从而控制恒温扫描，可获得表面起伏情况。n用这种方法已经获得了红血细胞的表面形貌。扫描离子电导显微镜n扫描离子电导显微镜扫描离子电导显微镜(Scanning Ion-Conductance Microscope,SICM)SICM)的原理是将一个充满

34、电解液的微型管作为扫描探针，非导电样品放在一个电解液存储池底部。n将滴管探针调节到样品表面附近，监测滴管内电极和在电解池中另一电极之间电导变化。由于当滴管接近表面时，允许离子通过的空间减小，离子电导也随之减小。在滴管探针扫描时，通过反馈电路使探针上下移动以保持电导守恒，则可获得样品表面的形貌。n由于SICMSICM在电解液中工作，很适用于进行生物学和电生理学的研究。其分辨率在亚微米量级。光子扫描隧道显微镜光子扫描隧道显微镜n光子扫描隧道显微镜光子扫描隧道显微镜(Photon Scanning Tunneling Microscope,PSTMPSTM)是用光学探针探测样品表面附近被内全反射所激

35、励的瞬衰场，从而获得表面结构信息。其分辨率远小于入射光的半波长。nPSTMPSTM的原理和工作方式在许多方面和STM相似。STM用电子隧道效应，而PSTMPSTM则是用光子隧道效应。当界面两边物质的折射率满足一定条件时，一束内全反射光会导致界面的另一侧产生一个瞬衰场，其强度随离界面的距离成指数关系。将一光学探针调节到祥品表面的瞬衰场内，入射光的一些光子会穿过界面和光学探针之间的势垒，即产生光子隧道效应。产生的光子经过光导纤维传到光电倍增管并转换成电信号。nPSTMPSTM提供了在亚波长级分辨水平上的三维表面形貌，而且其切线方向的分辩率可达到十分之一波长，垂直于样品方向的分辩率主要是受到电子线路

36、的限制，得到纳米级或更高的分辩率是容易办到的。纳米电子学纳米电子学/纳电子学纳电子学n“两弹一星”奖章获得者陈芳允陈芳允院士认为：“Nanoelectronics”研究的对象不仅尺寸是纳米（nm）的，而且信号处理的时间是纳秒（ns）的，信号的能量是纳焦（nj）的，所以“Nanoelectronics”应译成纳电子学电子学是合理的。三代电子器件三代电子器件n电子器件是20世纪伟大的发明之一，发展过程分为三个阶段，即真空电子管，固体晶体管和即将出现的纳电子器件。n真空电子管主要是将电子引入真空环境，成为自由电子，它具有较长的自由程。n晶体管是利用固体中自由载流子通过相对的两个pn结，同时由基极注入

37、结中的少数载流子与多数载流子复合来实现信号放大；MOS管是利用门（g）电压来控制（s）和（d）极间的电流实现信号放大。n纳电子器件主要为单电子器件，量子效应是信号加工的基础。摩尔定律摩尔定律n摩尔定律是1965年英特尔公司创始人戈登摩尔（Gordon Moore）提出来的，他说集成电路里晶体管数量每18个月翻一番。现实与摩尔的预言非常一致。n摩尔定律会一直有效吗？换句话说，在单位面积硅片上集成的晶体管数量会达到极限吗？什么时候到极限？科学界普遍认为摩尔定律不会永远有效，而Intel的最新工艺是0.022微米，硅极限将在5年内到达。n之后，将是纳电子学时代，社会将进入更加令人惊奇的时代。纳电子学

38、纳电子学n电子技术的发展趋势要求器件和系统更小、更快和更冷，即集成度更高、响应和操作速度更快、功耗更低。n在硅上，目前已经生产最小线宽为22nm的电路，再进一步发展到线宽小于20nm时，将会遇到两大难题：1.光刻技术的限制，刻蚀尺寸已远小于所用光束波长，而且掩膜的平整度、基板的平整度以及两者之间的平行度已经成为工艺方面的不可逾越的障碍。2.工艺设备和研发的投资可能远远大于产品的回报。解决的思路解决的思路n目前可分为两种类型：目前可分为两种类型：1.一是研究开发最小线宽为20-50nm的器件，作为现有集成电路的进一步微型化延伸，大体延用目前的基本设计思想，但不能使用目前常用的光刻、参杂工艺，在材

39、料上需要有新的突破，如使用有机物或聚合物，属于塑料电子学范畴，或称有机纳米电子器件。2.另一种是与经典集成电路完全不同的、利用量子效应构成的全新的量子结构系统，简称量子器件，可能的器件模式有量子点、量子线、量子阱、单电子晶体管、单原子开关、自旋电子器件、共振隧道器件等，目前还都处于了解基本现象的原理阶段。纳米效应纳米效应n纳米系统不再利用宏观体系的统计平均性，而是利用纳米系统不再利用宏观体系的统计平均性，而是利用量子效应或非周期性涨落等主要特性。纳电子学的发量子效应或非周期性涨落等主要特性。纳电子学的发展将基于因小尺寸而显现的物理特性。展将基于因小尺寸而显现的物理特性。n纳米尺度内出现的主要新

40、效应有：纳米尺度内出现的主要新效应有：1.表面效应表面效应2.小尺寸效应小尺寸效应3.量子效应量子效应表面效应表面效应纳米微粒尺寸小，位于表面的原子占相当大的比例。由于表面原子数增多，使这些表面原子具有高的化学活性，催化活性，吸附活性。n随着颗粒直径变小，表面积/体积比将会显著增大，说明表面原子所占的百分比将会显著地增加。n颗粒没有固定的形态，呈现出不稳定性。n尺度大于10nm才看不到这种颗粒结构的不稳定性。纳米颗粒尺寸（nm）包含原子数表面原子所占比例（%）10310420441034022508013099小尺寸效应小尺寸效应当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透

41、射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致光、电、磁、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应：n光吸收显著增加n出现吸收峰的等离子共振频移n磁有序态变为磁无序态n超导相变为正常相量子尺寸效应量子尺寸效应n当电路的集成度达到当电路的集成度达到1012b/cm2时，每个元件的尺寸小于时，每个元件的尺寸小于10nm，这时集，这时集成电路芯片遇到两个主要问题：成电路芯片遇到两个主要问题：1.若功耗小于若功耗小于3W/in2，那么每开关一次的电子数必须少于，那么每开关一次的电子数必须少于10个，纳米功能个，纳米功能元件逼近了单电子行为，具有

42、更显著的量子效应。元件逼近了单电子行为，具有更显著的量子效应。2.电子的自由程与器件的物理长度可比拟，当电子作为信号载流子在器件中电子的自由程与器件的物理长度可比拟，当电子作为信号载流子在器件中传输时，不仅具有振幅信息，还保留着相位信息。传输时，不仅具有振幅信息，还保留着相位信息。n材料中自由电子的德布罗意波长可表示为：材料中自由电子的德布罗意波长可表示为：n对于半导体接近导带底的电子，对于半导体接近导带底的电子，E 100eV，m*0.1m0，的量级为的量级为10 100nm，这正是纳米功能器件的物理长度。，这正是纳米功能器件的物理长度。n如果势垒宽度小于势垒内电子波长如果势垒宽度小于势垒内

43、电子波长，电子隧穿几率很高。，电子隧穿几率很高。电子能级的不连续性电子能级的不连续性n当颗粒尺寸进入到纳米级时，由于量子尺寸效应，原当颗粒尺寸进入到纳米级时，由于量子尺寸效应，原来大块金属的准连续能级产生离散现象。来大块金属的准连续能级产生离散现象。n久保理论认为相邻电子能级间距和颗粒直径的关系为：久保理论认为相邻电子能级间距和颗粒直径的关系为：=4EF/3N V-1式中式中N为超微粒的总导电电子数，为超微粒的总导电电子数，V为超微粒体积，为超微粒体积，EF为费米能级，它可以表示为：为费米能级，它可以表示为：EF=2（3 2n1）2/3/2mn1是电子密度，是电子密度，m为电子质量。为电子质量

44、。n当当N为无穷大时，为无穷大时，为为0，能级连续。，能级连续。n当当N只有几个电子时，能级间距产生分裂，不连续。只有几个电子时，能级间距产生分裂，不连续。电导量子化电导量子化n电导或它的倒数电阻出现量子化，量子电阻：电导或它的倒数电阻出现量子化，量子电阻：n根据量子力学理论，电流密度决定于电子的局域速度分布，金属的根据量子力学理论，电流密度决定于电子的局域速度分布，金属的电导率可表示为：电导率可表示为：式中式中n为电子密度，在二维条件下为电子密度，在二维条件下，kF费米波矢。费米波矢。n 为平均输运弛豫时间，在满足量子效应的条件下可表示为：为平均输运弛豫时间，在满足量子效应的条件下可表示为：

45、即满足量子条件的电导率是因子（即满足量子条件的电导率是因子（e2/h）的函数，）的函数，e2/h为电导量子。为电导量子。在单电子输运情况下，此因子为量子化台阶值。在单电子输运情况下，此因子为量子化台阶值。电导量子化电导量子化n1957年年IBM公司的公司的R.Landauer给出的说法：电导是给出的说法：电导是在保持不同费米能级的电子之间的电子跃迁，对一维在保持不同费米能级的电子之间的电子跃迁，对一维体系，考虑电子的自恰屏蔽作用，导出电导率与跃迁体系，考虑电子的自恰屏蔽作用，导出电导率与跃迁几率之间的关系的公式：几率之间的关系的公式：nC为与系统结构和特性有关的常数，为与系统结构和特性有关的常

46、数，T为电子的穿透几为电子的穿透几率。当率。当T=1时，电阻为时，电阻为0。n该式比较严格第给出了纳电子器件中电导量子化的特该式比较严格第给出了纳电子器件中电导量子化的特征，它是量子点接触和单电子器件的基础。征，它是量子点接触和单电子器件的基础。电导量子化电导量子化满足量子条件的电满足量子条件的电导率是因子导率是因子（e2/h）的函数，）的函数，e2/h为电导量子。为电导量子。在单电子输运情况在单电子输运情况下，此因子为量子下，此因子为量子化台阶值。化台阶值。库仑堵塞现象n当体系的尺寸进入到纳米级，体系是电荷量子化的，当体系的尺寸进入到纳米级，体系是电荷量子化的，即充放电过程是不连续的。即充放

47、电过程是不连续的。n充入一个电子的所需要的能量为：充入一个电子的所需要的能量为：EC=e2/2C e为电子电荷，为电子电荷，C为小体系的电容。体系越小，为小体系的电容。体系越小，C越小，越小，EC越大。越大。EC称为库仑堵塞能。称为库仑堵塞能。n库仑堵塞能可以理解为前一个电子对后一个电子的库库仑堵塞能可以理解为前一个电子对后一个电子的库仑排斥。它导致了对一个小体系的充放电过程，电子仑排斥。它导致了对一个小体系的充放电过程，电子不能集体传输。不能集体传输。n小体系的这种单电子输运行为被称为库仑堵塞效应。小体系的这种单电子输运行为被称为库仑堵塞效应。由于库仑堵塞效应的存在，电流随电压的上升不再是由

48、于库仑堵塞效应的存在，电流随电压的上升不再是直线，而是呈现锯齿形状的台阶。直线，而是呈现锯齿形状的台阶。隧道效应n微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。n如果两个量子点通过一个如果两个量子点通过一个“结结”连接起来，一个量子连接起来，一个量子点上的单个电子穿过能垒到另一个量子点上的行为称点上的单个电子穿过能垒到另一个量子点上的行为称为量子隧穿。为量子隧穿。n对于一个纳米尺寸的隙缝，电容量为对于一个纳米尺寸的隙缝，电容量为C。若两极板上的。若两极板上的电荷分别为电荷分别为q和和-q，其静电能为，其静电能为q2/2C。如果它比电子。如果它比电子的热能的热能

49、kBT大得多，电荷从一个极板到另一个极板的传大得多，电荷从一个极板到另一个极板的传输在低电压时应该受到抑制。输在低电压时应该受到抑制。n当当q qth(对应阈值电压对应阈值电压qth/2C)阈值时，两极板之间阈值时，两极板之间将有隧穿电流；当将有隧穿电流；当qqth时，隧穿消失，电流阻断。时，隧穿消失，电流阻断。n只要电源能提供电子，经过一段时间，只要电源能提供电子，经过一段时间，q将超过将超过qth，隧道又畅通，接着隧道又畅通，接着q又小于又小于qth，阻塞又发生。如此往复，阻塞又发生。如此往复，形成振荡。形成振荡。单电子晶体管 SEDn单电子晶体管是依据单电子隧道效应和库仑堵单电子晶体管是

50、依据单电子隧道效应和库仑堵塞效应的基本物理原理设计的纳米结构器件。塞效应的基本物理原理设计的纳米结构器件。n将一个微结构用隧道结与金属导线弱连接起来，将一个微结构用隧道结与金属导线弱连接起来，形成的电子器件被称为形成的电子器件被称为“单电子晶体管单电子晶体管”。器。器件中的主要电荷迁移机制是非连续的单电子隧件中的主要电荷迁移机制是非连续的单电子隧道穿越过程。道穿越过程。n由于这个过程起源于电荷之间的库仑静电相互由于这个过程起源于电荷之间的库仑静电相互作用，这个微结构被称为库仑岛。它可以是半作用，这个微结构被称为库仑岛。它可以是半导体纳米材料或金属纳米材料。导体纳米材料或金属纳米材料。单电子晶体