納米電子學(xué)課件

1、2.5 納米電子結(jié)構(gòu) 2.6 納米技術(shù)的卓越成就簡介 納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的材納米尺度范圍或由它們作為基本結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的材料。料?；締卧淳S數(shù)分：基本單元按維數(shù)分：二二維：空間有一維處在納米尺度，如超薄膜，維：空間有一維處在納米尺度，如超薄膜，多層膜，超晶格等。多層膜，超晶格等。一一維：空間有兩維處在納米尺度，如納米絲，維：空間有兩維處在納米尺度，如納米絲，納米棒，納米管等。納米棒，納米管等。零零維：空間三維均處在納米尺度，如納米尺度維：空間三維均處在納米尺度，如納米尺度顆粒，原子團(tuán)簇等。顆粒，原

2、子團(tuán)簇等。 2D2D納米結(jié)構(gòu)就是指在三維空間里有一維處在納米納米結(jié)構(gòu)就是指在三維空間里有一維處在納米尺度的結(jié)構(gòu)。尺度的結(jié)構(gòu)。 以以二二維電子氣系統(tǒng)為例：維電子氣系統(tǒng)為例： 二維電子系統(tǒng)主要研究對(duì)象是上圖中提到的化合物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的二維電子氣（Two Dimensional Electron Gas,2DEG）系統(tǒng)。即在GaAs與AlGaAs的界面處形成薄的導(dǎo)電2DEG層。兩個(gè)能隙寬度不同的半導(dǎo)體材料剛開始接觸時(shí)，寬帶隙材料的費(fèi)米能級(jí)高于窄帶隙材料的費(fèi)米能級(jí)，結(jié)果電子從寬帶隙材料中溢出，使其僅剩下正電荷，即施主離子。這些空間電荷產(chǎn)生靜電勢(shì)，他將引起界面能帶彎曲，平衡以后費(fèi)米能級(jí)相等。電子密度

3、在界面處有一個(gè)尖銳的峰，電子的費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入導(dǎo)帶中，形成一層薄的導(dǎo)電層，稱為二維電子氣。這種結(jié)構(gòu)的重要性主要體現(xiàn)在制造場效應(yīng)晶體管等高電子遷移率電子器件中，例如調(diào)制摻雜場效應(yīng)晶體管，高電子遷移率晶體管等 納米薄膜是指有尺寸在納米量級(jí)的晶粒構(gòu)成的薄膜，或?qū)⒓{米晶粒鑲嵌于某種薄膜中構(gòu)成的復(fù)合物，以及每層厚度在納米量級(jí)的單層貨多層膜，有時(shí)也稱為納米晶粒薄膜或納米多成膜。納米薄膜的分類有很多種，例如，按結(jié)構(gòu)、按用途、按層數(shù)劃分。下面以用途劃分為例來介紹納米薄膜的種類。 納米薄膜按用途分類可分為納米功能薄膜和納米結(jié)構(gòu)薄膜。前者主要利用納米粒子所具有的光、電、磁方面的特性，通過復(fù)合使新材料具有基體所不具備的

4、特殊功能；后者主要是通過納米粒子復(fù)合，提高材料在機(jī)械方面的性能。由于納米技術(shù)的組成、性能、工藝條件等參數(shù)的變化都對(duì)復(fù)合薄膜的特性有顯著影響，因此可以在較多自由度下，人為的控制納米復(fù)合薄膜的特性，獲得滿足一定需要的材料。 1D納米結(jié)構(gòu)就是指在三維空間里有兩維處在納米尺度的結(jié)構(gòu)。 在2DEG的另一個(gè)方向加以限制，比如y方向，就可以形成所謂的量子線，這是準(zhǔn)一維限制系統(tǒng)。 金屬電極是負(fù)電壓偏置，以截?cái)嗷蚝谋M柵下面的2DEG，在兩個(gè)電極之間留下一個(gè)窄的未耗盡的通道，當(dāng)柵極電壓偏置更負(fù)時(shí)，會(huì)有效地壓縮一維通道，直到最終這個(gè)區(qū)域所有的載流子耗盡。 分裂柵結(jié)構(gòu)的限制作用是用“軟”勢(shì)（靜電勢(shì)）使載流子耗盡，橫向

5、限制勢(shì)將電子限制在電極之間的空間，使電子的能量離散化。一維納米材料可以根據(jù)其空心或?qū)嵭?，以及形貌不同，分為：納米管納米棒或者納米線納米帶以及納米同軸電纜等納米管的典型代表就是納米碳管，它可以看作有單層或者多層石墨面按照一定規(guī)則卷繞而成的無縫管狀結(jié)構(gòu)。納米棒一般是指長度較短、縱向形態(tài)較直的一維圓柱狀（或其橫截面呈多角狀）實(shí)心納米材料。（金納米棒）納米線是指長度較長，形貌表現(xiàn)為直的或彎曲的一維實(shí)心納米材料。（銀納米線）納米帶與以上2種納米結(jié)構(gòu)存在較大的差別，其截面不同于納米管或納米線的接近圓形，而是呈現(xiàn)四邊形，其寬厚比分布范圍一般為幾到幾十。納米帶的典型代表為氧化物，如ZnO等。納米同軸電纜是指徑

6、向在納米尺度的核/殼準(zhǔn)一結(jié)構(gòu)，其代表產(chǎn)物有SiC/SiO2等納米同軸電纜的電極材料及其形成的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò) 0D納米結(jié)構(gòu)就是指在三維空間里有三維都處在納米尺度的結(jié)構(gòu)。 所謂的量子點(diǎn)就是一個(gè)零維系統(tǒng)，典型的量子點(diǎn)是在半導(dǎo)體材料中限定的一個(gè)尺度為100nm的小區(qū)域。 點(diǎn)意味著是空間極小的一個(gè)區(qū)域，可是一個(gè)半導(dǎo)體制造的量子點(diǎn)中大約有百萬個(gè)原子及等量的電子。大多數(shù)電子緊緊束縛在核周圍，自由電子的數(shù)目卻非常少，在一個(gè)到百萬個(gè)電子之間。 量子點(diǎn)具有另外一個(gè)特性，稱為充電能，類似于離子的電離能。這是給點(diǎn)中添加或取出一個(gè)電子所需要的能量。量子點(diǎn)類似于真實(shí)原子，量子點(diǎn)也稱為人造原子。 零維納米結(jié)構(gòu)單元的種類：納米

7、粒子、超細(xì)粒子、超細(xì)粉、煙粒子、人造原子、量子點(diǎn)、原子團(tuán)簇，他們之間不同之處在于各自尺寸范圍稍有區(qū)別。1.團(tuán)簇：指幾個(gè)至幾百個(gè)原子聚集體（粒子半徑小于或者等于1nm）。它介于單個(gè)原子和固體之間。分類：金屬原子團(tuán)簇和非金屬原子團(tuán)簇非金屬原子團(tuán)簇：碳簇（富勒烯C60，C70等）和非碳簇等。2.人造原子所謂人造原子是由一定數(shù)量的實(shí)際原子組成的聚集體，它們的尺寸小于100nm。由于量子局限效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致類似原子的不連續(xù)電子能級(jí)結(jié)構(gòu)，因此“造原子”有時(shí)稱為“量子點(diǎn)”。人造原子與真實(shí)原子的不同之處：人造原子含有一定數(shù)量的真正原子；形狀和對(duì)稱性多種多樣，真正的原子可用球星霍里房型描述。而人造原子不局限于這些簡單

8、的形狀，除了高對(duì)稱性的量子點(diǎn)外，尺寸小于100nm的低對(duì)稱性復(fù)雜形狀的微小體系都可以稱為人造原子；電子間交互作用比實(shí)際原子復(fù)雜的多；實(shí)際原子中電子受原子核吸引做軌道運(yùn)動(dòng)，而人造原子中電子是處在拋物線形對(duì)的勢(shì)阱中，具有向勢(shì)阱底部下落的趨勢(shì)。在人造原子中，由于庫侖排斥作用，部分電子處在勢(shì)阱上部，弱的束縛使它們具有自由電子的特征。3.納米粒子納米粒子是指顆粒尺寸為納米量級(jí)的超細(xì)微粒，它的尺寸大于原子簇，小于通常的微粉。尺寸一般在1-100nm之間，納米顆粒所含原子數(shù)范圍在1000-1000萬個(gè)，有人稱它為超微粒子。量子點(diǎn)接觸（QPC）是比量子點(diǎn)更簡單，但卻能產(chǎn)生量子輸運(yùn)現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)。點(diǎn)線表示2DEG的

9、耗盡區(qū)，其形狀和尺寸收到Vg的調(diào)節(jié)，兩邊寬的2DEG區(qū)域?yàn)殡娮訋?，化學(xué)勢(shì)分別為u1,u2，可發(fā)射電子通過QPC。在電勢(shì)差V的作用下產(chǎn)生通過QPC靜電流I，柵極下的2DEG形成窄的導(dǎo)電通道。用光刻的方法在半導(dǎo)體夾層結(jié)構(gòu)中形成空間周期排列的納米尺度量子點(diǎn)陣列或量子洞陣列，就能夠形成橫向晶格點(diǎn)陣限制結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)給2DEG在x方向和y方向都引入周期性勢(shì)，形成簡單的人造晶格。由周期性強(qiáng)排斥勢(shì)調(diào)制的2DEG系統(tǒng)成為反點(diǎn)格子系統(tǒng)。1.隧穿現(xiàn)象又稱隧穿效應(yīng)，勢(shì)壘貫穿，按照經(jīng)典理論，總能量低于勢(shì)壘是不能實(shí)現(xiàn)反應(yīng)的，但是量子力學(xué)觀點(diǎn)，無論粒子能量是否高于勢(shì)壘，都不能肯定粒子是否能越過勢(shì)壘，只能說出粒子越過勢(shì)壘概

10、率的大小。它取決于勢(shì)壘高度、寬度及粒子本身的能量。能量高于勢(shì)壘的、運(yùn)動(dòng)方向適宜的未必一定反應(yīng)，只能說反應(yīng)概率較大。而能量低于勢(shì)壘的仍有一定概率實(shí)現(xiàn)反應(yīng)，即可能有一部分粒子穿越勢(shì)壘好像從大山隧道通過一般，這就是隧道效應(yīng)。隧穿指的是粒子通過經(jīng)典物理禁止的區(qū)域。該區(qū)域的總能量低于勢(shì)壘的勢(shì)能。能量高出粒子總能量的區(qū)域形成“勢(shì)壘”。2.超小隧道結(jié)隧道結(jié)是與一種典型的量子現(xiàn)象隧穿現(xiàn)象相聯(lián)系的結(jié)構(gòu)。納米薄膜：厚度為納米尺度并具有特殊性能的薄膜。納米顆粒膜：由納米顆粒堆積或自組裝或鑲嵌在聚合物中形成的薄膜。納米晶薄膜：由納米尺度晶相構(gòu)成的薄膜。納米多層膜：以納米薄膜作為基本結(jié)構(gòu)單元有序疊加構(gòu)成的薄膜?！俺Ц?/p>

11、”薄膜：當(dāng)調(diào)制波長比各薄膜單晶的晶格常數(shù)大幾倍或更大時(shí)的薄膜（調(diào)制波長指在多層膜中相鄰兩層金屬或合金的厚度之和）基材納米顆粒納米(晶)相納米薄膜納米薄膜的性質(zhì)超強(qiáng)硬度TiC/Fe（8nm/6nm）多層膜，維氏硬度42GPa（TiC硬度29GPa），但TiC/聚四氟乙烯：8GPa注：維氏硬度(HV) 以120kg以內(nèi)的載荷和頂角為136的金剛石方形錐壓入器壓入材料表面，用載荷值除以材料壓痕凹坑的表面積，即為維氏硬度值(HV)。增韌在傳統(tǒng)多層結(jié)構(gòu)材料（如鋼化玻璃）中存在增韌現(xiàn)象，其增韌機(jī)理為裂紋尖端鈍化、裂紋分支、層片拔出以及沿界面的界面開裂等，在納米材料中存在類似的增韌機(jī)制。耐磨性多層膜調(diào)制波長

12、越小，使其磨損明顯變大的臨界載荷越大。常用制備方法1.真空鍍膜法2.溶膠-凝膠法3.LB膜法4.電化學(xué)沉積法5.分子束外延沉積其他制備方法1.化學(xué)氣相沉積法（CVD）2.等離子輔助氣相沉積法（PACVD）3.物理氣相沉積法（PVD）4.層層自組裝（LBL）5.揮發(fā)誘導(dǎo)自組裝法（EISA）指顯微結(jié)構(gòu)中的物相(包括晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、氣孔與尺寸缺陷等)都在納米量級(jí)的水平上的陶瓷材料。納米陶瓷的晶粒、晶界以及它們之間的結(jié)合都處在納米尺寸水平。 納米陶瓷，是指陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)中，晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、氣孔尺寸、缺陷尺寸都在納米尺(1100nm)度上。納米陶瓷復(fù)合材料通過有效的分

13、散、復(fù)合而使異質(zhì)納米顆粒均勻彌散地保留于陶瓷基質(zhì)結(jié)構(gòu)中，這大大改善了陶瓷材料的強(qiáng)度、韌性、耐磨性、超塑性和高溫力學(xué)性能，克服了工程陶瓷的許多不足，并對(duì)材料的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)等性能產(chǎn)生重要影響，它被認(rèn)為是陶瓷研究發(fā)展的第三個(gè)臺(tái)階，因此納米陶瓷被認(rèn)為是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑。 要做納米陶瓷，首先必須制備納米陶瓷粉體，而要真正得到納米陶瓷，并且達(dá)到人們所期望的性能，就必須對(duì)納米陶瓷粉體有一些必要的要求。首先必須保證陶瓷粉體到達(dá)納米級(jí)別；其次要求納米粉體純度高及表面的清潔度高、尺寸分布狹窄、幾何形狀歸一(接近球形)、晶相穩(wěn)定；另外一個(gè)重要的要求就是無團(tuán)聚或團(tuán)聚低。優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)氣相法氣相法純度高

14、、團(tuán)聚較少、純度高、團(tuán)聚較少、燒結(jié)性較好燒結(jié)性較好設(shè)備昂貴，產(chǎn)量較低設(shè)備昂貴，產(chǎn)量較低，不易普及，不易普及液相法設(shè)備簡單、無需高真設(shè)備簡單、無需高真空等苛刻的物理?xiàng)l件空等苛刻的物理?xiàng)l件、易放大、純凈、團(tuán)、易放大、純凈、團(tuán)聚小，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)聚小，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)化生產(chǎn)暫無固相法設(shè)備簡單、操作方便設(shè)備簡單、操作方便 純度不高、粒度分布純度不高、粒度分布較大較大從表中可以看出，液相法優(yōu)勢(shì)明顯納米粉體的制備方法及其對(duì)比納米陶瓷的制作流程從納米粉制成塊狀納米陶瓷材料，就是通過某種工藝過程，除去孔隙，以形成致密的塊材，而在致密化的過程中，又保持了納米晶的特性。納米陶瓷粉體的制備成型燒結(jié)納米陶瓷的應(yīng)用及其

15、前景1.良好的保溫材料通過溶膠-凝膠法制成的陶瓷具有多孔，且特別的輕，能承受自重100倍以上的力，它可以廣泛用于隔熱，承載節(jié)能又環(huán)保。2.更堅(jiān)硬的切割工具采用高科技精密加工制造而成，具有金屬刀具所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，具有高密度、無孔隙、無磁性、高硬度、耐腐蝕性強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性好、高耐磨性等特點(diǎn)，使用時(shí)不粘污，易于清潔且抑菌，刃口鋒利無比，是真正意義上的永不磨損、永不腐蝕的“貴族刀”。3.消除環(huán)境污染納米材料具有特別大的晶界表面，其物理，化學(xué)，機(jī)械性能特別活躍，因此可以用作有毒氣體如一氧化碳，氮氧化物的催化劑，用于汽車或能源裝置中，可以消除污染。納米加工的實(shí)質(zhì)就是要切斷原子間的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)原子或分子的去

16、除，切斷原子間結(jié)合所需要的能量，必然要求超過該物質(zhì)的原子間結(jié)合能。用傳統(tǒng)的切削、磨削加工方法進(jìn)行納米級(jí)加工就相當(dāng)困難了。幾種新興的納米加工技術(shù)利用掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡的納米加工技術(shù) 化學(xué)合成方法 化學(xué)合成方法是制備納米尺度電子學(xué)器件的另一 種途徑用化學(xué)過程“自下而上”地把微觀體系的物 質(zhì)單元組裝成納米器件。由于用納米探針進(jìn)行機(jī)械合 成很難同時(shí)組裝數(shù)目巨大的納米結(jié)構(gòu)和器件，所以研 究化學(xué)合成方法非常重要。 世界上最小的廣告石墨三維圖像 通過掃描隧道顯微鏡操縱氙原子用35個(gè)原子排出的“IBM”字樣 聚焦離子束技術(shù) 聚焦離子束(FIB)技術(shù)是在電場和磁場的作下，將離子束聚焦到亞微米甚至納米量

17、級(jí)，通過偏轉(zhuǎn)系統(tǒng) 及加速系統(tǒng)控制離子束，實(shí)現(xiàn)微細(xì)圖形的檢測(cè)分析和 納米結(jié)構(gòu)的無掩模加工。準(zhǔn)分子激光直寫納米加工技術(shù) 準(zhǔn)分子激光(excimer laser)以其高分辨率、光子能 量大、冷加工、“直寫”特點(diǎn)、無環(huán)境污染以及對(duì)加工材 料廣泛的適應(yīng)性，使其成為一種重要的MEMS和納米 加工技術(shù)。 NEMS被形容為MEMS與納米技術(shù)的結(jié)晶；在美國國防部高等研究計(jì)劃署(Drapa)掌管NEMS研究的DennisPolla表示：“如果某系統(tǒng)有一個(gè)關(guān)鍵機(jī)械零件或架構(gòu)的尺寸小于1微米(micrometer)，并且能整合其它不同的零件，那就是NEMS?！彼赋?，該單位認(rèn)為NEMS技術(shù)就是“下一場微型化革命”。D

18、arpa I-E在研究將NEMS技術(shù)與傳感器、致動(dòng)器(actuators)、電子組件與光學(xué)組件、甚至微流體組件整合的方法。NEMS優(yōu)點(diǎn)高速度(gigahertz)低漏電與現(xiàn)有CMOS制造設(shè)備兼容以及可進(jìn)軍傳統(tǒng)芯片無法運(yùn)作之嚴(yán)苛環(huán)境（包括汽車、工業(yè)領(lǐng)域的儲(chǔ)存設(shè)備，或是RF與生物醫(yī)療應(yīng)用）開創(chuàng)一系列特殊應(yīng)用超微型電動(dòng)機(jī) 1994年世界最小的電動(dòng)機(jī)在美國6家科研單位的通力協(xié)作下完成，這架電動(dòng)機(jī)主軸的直徑僅有2103nm，體積只有一個(gè)紅血球那么大。納米齒輪科學(xué)工作者將納米技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域，就產(chǎn)生了納米醫(yī)藥學(xué)這門新學(xué)科。優(yōu)勢(shì)：優(yōu)勢(shì)：小納米微粒比血紅細(xì)胞還小許多，可以在血液中自由運(yùn)行。奇異納米粒子呈現(xiàn)

19、許多奇異的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)，出現(xiàn)一些“反?，F(xiàn)象”。精細(xì)能直接利用原子、分子的排列制造具有特定功能的藥品、器械。應(yīng)用：應(yīng)用：1.在診斷方面的應(yīng)用遺傳病診斷納米技術(shù)有助于診斷胎兒是否有遺傳缺陷。婦女懷孕8個(gè)星期時(shí)，血液中開始出現(xiàn)少量胎兒細(xì)胞。利用具有納米級(jí)大小孔洞的半透膜或特殊的合成納米管等，可把胎兒細(xì)胞分離出來進(jìn)行診斷。不需要進(jìn)行羊水穿刺。目前美國已經(jīng)將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于臨床診斷中。影像學(xué)診斷一種新型的納米影像學(xué)診斷工具“光學(xué)干層析術(shù)（OCT）”已由清華大學(xué)研制成功。每秒鐘能完成生物體內(nèi)活細(xì)胞的動(dòng)態(tài)成像2000次，以此來觀察活細(xì)胞的動(dòng)態(tài)。OCT的分辨率達(dá)到微米級(jí)，可以發(fā)現(xiàn)直徑是毫米級(jí)的腫瘤。不會(huì)像X線、CT、MRI那樣殺死活細(xì)胞。病理學(xué)診斷腫瘤診斷最可靠的手段是建立在組織細(xì)胞水平上的病理學(xué)方法，但存在著良惡性及細(xì)胞來源判斷不準(zhǔn)確的問題。利用原子力顯微鏡可以在納米水平上揭示腫瘤細(xì)胞的形態(tài)特點(diǎn)。通過尋找特異性的異病納米級(jí)結(jié)構(gòu)改變，以解決腫瘤診斷的難題。原子力顯微鏡2.在治療方面的應(yīng)用納米粒徑化增加藥物吸收度增大藥物的表面積促進(jìn)溶解。藥物大分子就能穿透組織間隙，也可以通過人體最小的毛細(xì)血管。而且分布面極廣。應(yīng)用于中藥制劑。藥物的物理的物理活性、靶向性比普通中藥大大提高。納米醫(yī)用材料目前廣泛使用的人工心臟瓣膜，是由鈦金屬與不銹鋼合金所構(gòu)成，但在移植入人體后仍有損壞