從微電子器件到納電子器件

1、12. 從微電子器件到納電子器件從微電子器件到納電子器件從微電子器件到納電子器件從微電子器件到納電子器件工業(yè)革命以來(lái)已經(jīng)工業(yè)革命以來(lái)已經(jīng)歷了三次主導(dǎo)技術(shù)歷了三次主導(dǎo)技術(shù)，引發(fā)了三次工業(yè)，引發(fā)了三次工業(yè)革命革命什么是主導(dǎo)技術(shù)？什么是主導(dǎo)技術(shù)？ 科學(xué)革命科學(xué)革命技術(shù)革命技術(shù)革命產(chǎn)業(yè)革命產(chǎn)業(yè)革命第一次產(chǎn)業(yè)革命第一次產(chǎn)業(yè)革命(1734-1834(1734-1834） 主導(dǎo)技術(shù)：蒸汽機(jī)主導(dǎo)技術(shù)：蒸汽機(jī) 動(dòng)力變革，動(dòng)力變革， 熱能、機(jī)械能熱能、機(jī)械能 科學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)基礎(chǔ): : 牛頓力學(xué)、熱力學(xué)、牛頓力學(xué)、熱力學(xué)、 能量轉(zhuǎn)化原理能量轉(zhuǎn)化原理 第二次產(chǎn)業(yè)革命（第二次產(chǎn)業(yè)革命（1835-19141835-1914

2、） 科學(xué)基礎(chǔ)：電的發(fā)現(xiàn)、科學(xué)基礎(chǔ)：電的發(fā)現(xiàn)、 電磁理論電磁理論 主導(dǎo)技術(shù)：電氣化技術(shù)主導(dǎo)技術(shù)：電氣化技術(shù)( (發(fā)電機(jī)和電動(dòng)發(fā)電機(jī)和電動(dòng) 機(jī)、電力傳輸、無(wú)線電通訊機(jī)、電力傳輸、無(wú)線電通訊) )第三次產(chǎn)業(yè)革命（第三次產(chǎn)業(yè)革命（1945-20101945-2010？）？） 科學(xué)基礎(chǔ)：科學(xué)基礎(chǔ)： X X射線的發(fā)現(xiàn)射線的發(fā)現(xiàn) 放射線的發(fā)現(xiàn)放射線的發(fā)現(xiàn) 半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn) 主導(dǎo)技術(shù)：微米技術(shù)主導(dǎo)技術(shù)：微米技術(shù) 微電子技術(shù)微電子技術(shù) 三次產(chǎn)業(yè)革命的啟示三次產(chǎn)業(yè)革命的啟示: :1.1.每一次產(chǎn)業(yè)革命造就了一、二個(gè)先進(jìn)國(guó)家；每一次產(chǎn)業(yè)革命造就了一、二個(gè)先進(jìn)國(guó)家；2.2.主導(dǎo)技術(shù)經(jīng)歷了孕育期主導(dǎo)技術(shù)經(jīng)歷了孕

3、育期生長(zhǎng)期、高速發(fā)展生長(zhǎng)期、高速發(fā)展期、穩(wěn)定期，主導(dǎo)技術(shù)周期約期、穩(wěn)定期，主導(dǎo)技術(shù)周期約50-6050-60年；年；3.3.主導(dǎo)技術(shù)的穩(wěn)定期開(kāi)始蘊(yùn)釀下一個(gè)主導(dǎo)技術(shù)；主導(dǎo)技術(shù)的穩(wěn)定期開(kāi)始蘊(yùn)釀下一個(gè)主導(dǎo)技術(shù)；4.4.主導(dǎo)技術(shù)帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)革命，先從傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)開(kāi)始，主導(dǎo)技術(shù)帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)革命，先從傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)開(kāi)始，逐漸形成新的產(chǎn)業(yè)群。逐漸形成新的產(chǎn)業(yè)群。節(jié)省能源節(jié)省能源利用資源利用資源優(yōu)化環(huán)境優(yōu)化環(huán)境新工業(yè)革命新工業(yè)革命存儲(chǔ)密度：存儲(chǔ)密度： 106 1011 =10萬(wàn)個(gè)磁盤(pán)萬(wàn)個(gè)磁盤(pán) 讀寫(xiě)速度：讀寫(xiě)速度：1GB 20GB納米技術(shù)納米技術(shù)新工業(yè)革命的主導(dǎo)技術(shù)新工業(yè)革命的主導(dǎo)技術(shù)20世紀(jì)世紀(jì)高集成、高空間分辨率，高集成、高

4、空間分辨率，存儲(chǔ)密度：存儲(chǔ)密度：1000GB 1000GB 計(jì)算速度提高計(jì)算速度提高1001000倍、功率增加倍、功率增加1000倍，能倍，能耗降低耗降低一百萬(wàn)倍一百萬(wàn)倍，芯片尺，芯片尺寸降低寸降低1001000倍倍納米技術(shù)納米技術(shù)2121世紀(jì)世紀(jì)納米技術(shù)是納米技術(shù)是21世紀(jì)科技世紀(jì)科技發(fā)展的制高點(diǎn)發(fā)展的制高點(diǎn), 是新工是新工業(yè)革命的主導(dǎo)技術(shù)。業(yè)革命的主導(dǎo)技術(shù)。納米技術(shù)納米技術(shù)醫(yī)療藥物醫(yī)療藥物環(huán)境能源環(huán)境能源宇航交通宇航交通生物農(nóng)業(yè)生物農(nóng)業(yè)電子器件電子器件計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)國(guó)家安全國(guó)家安全新材料新材料制制 造造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè) 推動(dòng)推動(dòng)GDP快速增長(zhǎng)快速增長(zhǎng) 對(duì)關(guān)鍵問(wèn)題的影響力對(duì)關(guān)鍵問(wèn)題的影響力 信

5、息技術(shù)信息技術(shù)知識(shí)知識(shí)爆炸爆炸時(shí)代時(shí)代 納米科技納米科技技術(shù)技術(shù)爆炸爆炸時(shí)代時(shí)代納米科學(xué)的內(nèi)涵納米科學(xué)的內(nèi)涵基基 礎(chǔ)礎(chǔ)納米材料納米材料制高點(diǎn)制高點(diǎn)納米電子學(xué)納米電子學(xué)納米加工納米加工納米生物納米生物基基 礎(chǔ)礎(chǔ)納米物理納米物理納米化學(xué)納米化學(xué)納米力學(xué)納米力學(xué)在納米科技中，在納米科技中，納米電子學(xué)納米電子學(xué)處于特殊重要的地位，處于特殊重要的地位，因?yàn)榧{米電子學(xué)是微電子學(xué)發(fā)展的下一代。因?yàn)榧{米電子學(xué)是微電子學(xué)發(fā)展的下一代。電子器件的發(fā)展與三代電子器件電子器件的發(fā)展與三代電子器件18971897年年ThomsonThomson發(fā)現(xiàn)電子后，在物理學(xué)上做了兩件重要的發(fā)現(xiàn)電子后，在物理學(xué)上做了兩件重要的事：

6、事：控制電子在真空中和固體中控制電子在真空中和固體中（固體中電子達(dá)（固體中電子達(dá)10102222/cm/cm）的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，產(chǎn)生了，產(chǎn)生了電子器件電子器件。電子器件的發(fā)展已經(jīng)歷了兩個(gè)。電子器件的發(fā)展已經(jīng)歷了兩個(gè)時(shí)期，時(shí)期，真空電子管真空電子管和和固體晶體管固體晶體管。 電子器件主要用于電子器件主要用于處理光、電信號(hào)處理光、電信號(hào) 光、電信號(hào)的主要參量是光、電信號(hào)的主要參量是振幅、頻率和相位振幅、頻率和相位信號(hào)加工就是按信號(hào)的內(nèi)容來(lái)改變這些參量信號(hào)加工就是按信號(hào)的內(nèi)容來(lái)改變這些參量，包括信號(hào)，包括信號(hào)的放大、變頻、疊加、數(shù)學(xué)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算和存儲(chǔ)等的放大、變頻、疊加、數(shù)學(xué)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算和存

7、儲(chǔ)等信號(hào)加工中信號(hào)加工中最基本的是放大最基本的是放大，即用小信號(hào)控制生成對(duì)應(yīng)，即用小信號(hào)控制生成對(duì)應(yīng)的大信號(hào)，的大信號(hào)，最關(guān)鍵的元件是放大三極管最關(guān)鍵的元件是放大三極管 1. 1. 真空電子管真空電子管：1906年發(fā)明，它是將年發(fā)明，它是將電子引入真空環(huán)境電子引入真空環(huán)境中，中，用加在珊極上的電壓改變發(fā)射電子陰極表面附近的電場(chǎng)，用加在珊極上的電壓改變發(fā)射電子陰極表面附近的電場(chǎng)，來(lái)控制達(dá)到陽(yáng)極電流的大小，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大作用。有來(lái)控制達(dá)到陽(yáng)極電流的大小，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大作用。有真空二極管和真空三極管真空二極管和真空三極管，其尺寸在幾厘米到幾百厘米。，其尺寸在幾厘米到幾百厘米。2. 2. 晶體管晶

8、體管：1947年誕生，電子器件發(fā)展經(jīng)歷了第一次變革。晶體管基本單元為 p-n（整流特性）結(jié)和 p-n-p 結(jié)(信號(hào)放大），相應(yīng)的有晶體二極管和晶體三極管。晶體管的體積?。ㄓ衫迕捉档轿⒚祝?，功耗?。◤暮涟步档轿玻?，制成大（超大）規(guī)模集成電路，稱為微電子器件。4004808080868008Pentium486 DX386 Processor286Pentium IIPentium IIIItaniumGoal: Over 1 billion transistors by 2005Pentium 4Itanium 2微電子器件發(fā)展的微電子器件發(fā)展的摩爾摩爾( (moore) )定律定律-芯片上晶

9、體管數(shù)芯片上晶體管數(shù)量每隔量每隔18個(gè)月將會(huì)個(gè)月將會(huì)增加一倍增加一倍。摩爾定律指導(dǎo)下的不斷細(xì)微化過(guò)程摩爾定律指導(dǎo)下的不斷細(xì)微化過(guò)程 印制電路板印制電路板cm量級(jí)量級(jí)集成電路芯片集成電路芯片mm量級(jí)量級(jí)集成電路中的晶體管集成電路中的晶體管m量級(jí)量級(jí)納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管nm量級(jí)量級(jí)納米操縱納米操縱原子量級(jí)（原子量級(jí)（）微光刻與微納技術(shù)歷程和發(fā)展趨勢(shì)微光刻與微納技術(shù)歷程和發(fā)展趨勢(shì)1968 1971 1974 1977 1980 1983 1986 1989 1992 1995 1998 2001 2004 2007 2010 2013 201616K1M16M1G16G光刻工藝特征尺

10、寸芯片集成度8.0 um5.0 um3.0 um2.0 um1.3 um0.8 um0.5 um0.35um0.25um0.18um0.13um 90 nm 65 nm 45 nm 32 nm 22 nm1986年最細(xì)線寬0.5um1995年最細(xì)線寬0.18um2004年最細(xì)線寬 2250nm1980年最細(xì)線寬1.0um346128438一臺(tái)JBX 3040電子束光掩模制造系統(tǒng)2000萬(wàn)美圓相當(dāng)一架波音737建設(shè)一家45nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)、12英寸集成電路制造廠30-35億美圓一套180nm工藝節(jié)點(diǎn)掩模版25萬(wàn)美圓一套130nm工藝節(jié)點(diǎn)掩模版85萬(wàn)美圓一套90nm工藝節(jié)點(diǎn)掩模版150萬(wàn)美圓一套65n

11、m工藝節(jié)點(diǎn)掩模版300萬(wàn)美圓一套45nm工藝節(jié)點(diǎn)掩模版500萬(wàn)美圓一套22nm工藝節(jié)點(diǎn)掩模版1500萬(wàn)美圓CMOS器件的若干挑戰(zhàn)性問(wèn)題器件的若干挑戰(zhàn)性問(wèn)題Si-MOSFETSi-MOSFET極限極限Gate Length 10nm電子隧穿引起誤差電子隧穿引起誤差線路電容的延遲線路電容的延遲熱積累引起性能惡化熱積累引起性能惡化熱和量子漲落誤差熱和量子漲落誤差 納米器件的集成和納米器件的集成和與微電子系統(tǒng)的聯(lián)結(jié)與微電子系統(tǒng)的聯(lián)結(jié)介質(zhì)層中高電場(chǎng)介質(zhì)層中高電場(chǎng)強(qiáng)度，可靠性問(wèn)題強(qiáng)度，可靠性問(wèn)題 按摩爾定律，以硅材料為主的微電子到按摩爾定律，以硅材料為主的微電子到2011年的最小尺年的最小尺寸，將達(dá)到物理

12、極限，進(jìn)入納電子器件時(shí)期，面臨電子器件寸，將達(dá)到物理極限，進(jìn)入納電子器件時(shí)期，面臨電子器件發(fā)展的第二次變革。發(fā)展的第二次變革。2020年年 NANOELECTRONICS at the centre of change納米電子學(xué)，又叫納電子學(xué)納米電子學(xué)，又叫納電子學(xué) ( (nanoelectronics) )研究對(duì)象是研究對(duì)象是納米尺度納米尺度信號(hào)處理時(shí)間是信號(hào)處理時(shí)間是納秒納秒信信 號(hào)號(hào) 功功 率率 是是 納納 焦焦納納 電電 子子 器器 件件真空電子器件和微電子器件真空電子器件和微電子器件的共同點(diǎn)都是強(qiáng)調(diào)的共同點(diǎn)都是強(qiáng)調(diào)電電子的粒子性子的粒子性，即都是通過(guò)控制數(shù)以千計(jì)的成群電，即都是通過(guò)控

13、制數(shù)以千計(jì)的成群電子的集體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的，來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的功能。子的集體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的，來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的功能。當(dāng)電路的集成度達(dá)到當(dāng)電路的集成度達(dá)到1012bit/cm2 時(shí)，每個(gè)元件時(shí)，每個(gè)元件的尺寸的尺寸小于小于10nm，會(huì)受到兩個(gè)主要限制：，會(huì)受到兩個(gè)主要限制：量子量子效應(yīng)效應(yīng)和和波動(dòng)性波動(dòng)性 電子的自由程電子的自由程與物理長(zhǎng)度相比擬。與物理長(zhǎng)度相比擬。當(dāng)電子作為信號(hào)在器件當(dāng)電子作為信號(hào)在器件中傳輸時(shí)，不僅具有振幅信息，還保留相位信息中傳輸時(shí)，不僅具有振幅信息，還保留相位信息電子自由程與器件的物理長(zhǎng)度相比擬電子自由程與器件的物理長(zhǎng)度相比擬電子 s d g01電子電子開(kāi)關(guān)一次只要幾個(gè)電子開(kāi)關(guān)一次只要幾個(gè)電子

14、 功耗功耗：若功耗小于若功耗小于3W/in3W/in2 2，每開(kāi)關(guān)一次的電子數(shù)必須少于，每開(kāi)關(guān)一次的電子數(shù)必須少于1010個(gè)，逼近了單電子行為，具有更顯著的個(gè)，逼近了單電子行為，具有更顯著的量子效應(yīng)量子效應(yīng) 疊加性疊加性 (superposition) 相干性相干性 (interference) 牽連性牽連性 (entanglement)：一個(gè)系統(tǒng)的某個(gè)定義態(tài)與它的部分一個(gè)系統(tǒng)的某個(gè)定義態(tài)與它的部分態(tài)的牽扯態(tài)的牽扯 不確定性不確定性 (uncertainty): 即使沒(méi)有干擾，也不能準(zhǔn)確知道一即使沒(méi)有干擾，也不能準(zhǔn)確知道一個(gè)量子態(tài)是否被占據(jù)個(gè)量子態(tài)是否被占據(jù)納電子器件的元件尺寸的與物理長(zhǎng)度相比

15、擬，失去了統(tǒng)計(jì)平均性，以量子效應(yīng)和統(tǒng)計(jì)漲落為主要特性，與信息加工有關(guān)的量子系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)基本特性：納電子器件的主要特征納電子器件的主要特征納電子器件中的四個(gè)基本現(xiàn)象納電子器件中的四個(gè)基本現(xiàn)象 電導(dǎo)量子化電導(dǎo)量子化：即電導(dǎo)或電阻是：即電導(dǎo)或電阻是量子化的，不再遵循歐姆定律量子化的，不再遵循歐姆定律VG電導(dǎo)量子化電導(dǎo)量子化 庫(kù)侖堵塞現(xiàn)象庫(kù)侖堵塞現(xiàn)象：導(dǎo)體中納米隙小于電子自由程時(shí)，會(huì)發(fā)生電：導(dǎo)體中納米隙小于電子自由程時(shí)，會(huì)發(fā)生電子隧穿，而隧穿前后隙兩側(cè)的電位發(fā)生變化。子隧穿，而隧穿前后隙兩側(cè)的電位發(fā)生變化。 U I庫(kù)侖堵塞庫(kù)侖堵塞 普適電導(dǎo)漲落普適電導(dǎo)漲落：在電導(dǎo)與電壓關(guān)系測(cè)量中，發(fā)現(xiàn)存在與時(shí)：

16、在電導(dǎo)與電壓關(guān)系測(cè)量中，發(fā)現(xiàn)存在與時(shí)間無(wú)關(guān)的非周期漲落，但它不是熱噪聲引起的，而是樣品間無(wú)關(guān)的非周期漲落，但它不是熱噪聲引起的，而是樣品固有的，每一特定的用品有自身特有的漲落圖。固有的，每一特定的用品有自身特有的漲落圖。 量子相干效應(yīng)量子相干效應(yīng)（quantum interference effect）：由于在納米尺寸中，載流子不僅具有振幅信息，而且還保持信號(hào)相位，所以具有相干性。如A-B效應(yīng)，即彈性散射不破壞電子相干性；量子霍爾效應(yīng)；海森堡不確定效應(yīng)等。材料材料工藝工藝?yán)碚摾碚撐㈦娮悠骷㈦娮悠骷呒児?、鍺、高純硅、鍺、砷化鎵砷化鎵光刻、摻雜、外光刻、摻雜、外延技術(shù)延技術(shù)半導(dǎo)體半導(dǎo)體物理物理

17、納電子器件納電子器件無(wú)機(jī)無(wú)機(jī)/有機(jī)復(fù)有機(jī)復(fù)合材料合材料？分子尺度上的自分子尺度上的自組裝和剪裁技術(shù)組裝和剪裁技術(shù)納米納米電子學(xué)電子學(xué)微電子和納米電子器件的比較微電子和納米電子器件的比較pnpecbmsgdnm微電子和納電子三級(jí)管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)微電子和納電子三級(jí)管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)未未 來(lái)來(lái) 的的 三三 種種 計(jì)計(jì) 算算 機(jī)機(jī)19461946年摩爾電子年摩爾電子工程學(xué)院制造的工程學(xué)院制造的第一臺(tái)計(jì)算機(jī)第一臺(tái)計(jì)算機(jī)19471947年美國(guó)制造的實(shí)用計(jì)算機(jī)：年美國(guó)制造的實(shí)用計(jì)算機(jī)：30t ,174kW30t ,174kW，170m170m2 2計(jì)算機(jī)小型化計(jì)算機(jī)小型化1. 量量 子子 計(jì)計(jì) 算算

18、機(jī)機(jī)經(jīng)典計(jì)算機(jī)：經(jīng)典計(jì)算機(jī)： 二進(jìn)制位存儲(chǔ)：二進(jìn)制位存儲(chǔ)： 非非0即即1開(kāi)或關(guān)開(kāi)或關(guān)串行處理量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)：實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的裝置，它是建立在實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的裝置，它是建立在量量子力學(xué)的原理上子力學(xué)的原理上工作的。工作的。利用量子位（qubits）存儲(chǔ)信息, 用量子態(tài)表示0和1（自旋向上或向下）。量子存儲(chǔ)器可量子存儲(chǔ)器可以以不同的概率同時(shí)存儲(chǔ)不同的概率同時(shí)存儲(chǔ)0 0或或1 1，量子位可以是0和1的疊加。量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn): :(1) (1) 計(jì)算速度快計(jì)算速度快：計(jì)算速度可提高：計(jì)算速度可提高1010億倍億倍,1,1個(gè)個(gè)400400位長(zhǎng)的數(shù)分位長(zhǎng)的數(shù)分解成質(zhì)數(shù)乘積解成質(zhì)數(shù)乘積,

19、,采用巨型機(jī)需采用巨型機(jī)需1010億億年年, ,用量子計(jì)算機(jī)只要用量子計(jì)算機(jī)只要一年一年；(2) (2) 量子位儲(chǔ)存能力大大提高量子位儲(chǔ)存能力大大提高；(3) (3) 可完成一些傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法完成的計(jì)算可完成一些傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法完成的計(jì)算。高效率模擬、。高效率模擬、模擬量子系統(tǒng)，模擬量子系統(tǒng)， 4040個(gè)自旋個(gè)自旋1/21/2粒子體系；粒子體系；(4) (4) 低能耗低能耗：量子計(jì)算機(jī)計(jì)算是么正變換，是可逆的。：量子計(jì)算機(jī)計(jì)算是么正變換，是可逆的。 量子計(jì)算機(jī)存在的問(wèn)題量子計(jì)算機(jī)存在的問(wèn)題(1)受環(huán)境影響大，糾錯(cuò)復(fù)雜受環(huán)境影響大，糾錯(cuò)復(fù)雜(2) 消相干效應(yīng)消相干效應(yīng)：量子信號(hào)與外部環(huán)境發(fā)生相：量

20、子信號(hào)與外部環(huán)境發(fā)生相互作用，導(dǎo)致量子相關(guān)性的衰減，使相干性互作用，導(dǎo)致量子相關(guān)性的衰減，使相干性很難維持。很難維持。(3) 克服消相干效應(yīng)是量子計(jì)算機(jī)要克服的主克服消相干效應(yīng)是量子計(jì)算機(jī)要克服的主要困難。要困難。(4) 消相干還會(huì)導(dǎo)致運(yùn)算結(jié)果出錯(cuò)，如何進(jìn)行消相干還會(huì)導(dǎo)致運(yùn)算結(jié)果出錯(cuò)，如何進(jìn)行量子糾錯(cuò)是量子計(jì)算機(jī)要克服的另一困難。量子糾錯(cuò)是量子計(jì)算機(jī)要克服的另一困難。2. DNA 2. DNA 生物計(jì)算機(jī)生物計(jì)算機(jī)： DNA分子上包含大量的分子上包含大量的遺傳密碼遺傳密碼，它能，它能通過(guò)生化反應(yīng)來(lái)傳遞信息，這些密碼可以被看成是數(shù)據(jù)。通過(guò)生化反應(yīng)來(lái)傳遞信息，這些密碼可以被看成是數(shù)據(jù)。 DNA計(jì)算

21、機(jī)是通過(guò)控制計(jì)算機(jī)是通過(guò)控制DNA分子之間的生化反應(yīng)來(lái)完成計(jì)算分子之間的生化反應(yīng)來(lái)完成計(jì)算，反應(yīng)，反應(yīng)前的基因代碼可作為前的基因代碼可作為輸入數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)，反應(yīng)后的基因代碼可作為，反應(yīng)后的基因代碼可作為運(yùn)算運(yùn)算結(jié)果結(jié)果，反應(yīng)在瞬間完成，也意味著計(jì)算可以在瞬間完成。，反應(yīng)在瞬間完成，也意味著計(jì)算可以在瞬間完成。3. 3. 光子計(jì)算機(jī)光子計(jì)算機(jī)：傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)是利用電流來(lái)進(jìn)行計(jì)：傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)是利用電流來(lái)進(jìn)行計(jì)算，而算，而光子計(jì)算機(jī)是用光子計(jì)算機(jī)是用光束光束來(lái)進(jìn)行來(lái)進(jìn)行計(jì)算和存儲(chǔ)計(jì)算和存儲(chǔ)，不不同波長(zhǎng)的光同波長(zhǎng)的光就代表就代表不同的數(shù)據(jù)不同的數(shù)據(jù)。其優(yōu)點(diǎn)是信息處理。其優(yōu)點(diǎn)是信息處理速度快，光子不需要在

22、導(dǎo)線中傳播，只要不滿足干速度快，光子不需要在導(dǎo)線中傳播，只要不滿足干涉條件，即使光線相交，也不會(huì)相互影響，因此能涉條件，即使光線相交，也不會(huì)相互影響，因此能夠大大縮小信息通道的空間。夠大大縮小信息通道的空間。迎迎 接接 碳碳 時(shí)時(shí) 代代名稱時(shí)期時(shí)期/年年石器時(shí)代30000銅器時(shí)代3200鐵器時(shí)代1700硅時(shí)代40碳時(shí)代？作為微電子的下一代，納電子器件有自己的理論、技術(shù)和材作為微電子的下一代，納電子器件有自己的理論、技術(shù)和材料。微電子的主要材料是硅，下一代電子器件的材料是什么？料。微電子的主要材料是硅，下一代電子器件的材料是什么？碳可能是碳可能是2121世紀(jì)的時(shí)代材料。世紀(jì)的時(shí)代材料。石墨烯石墨

23、烯石墨烯是石墨烯是20042004年由曼徹斯特大學(xué)的科斯提年由曼徹斯特大學(xué)的科斯提亞亞諾沃謝夫和安德烈諾沃謝夫和安德烈蓋姆小組首先發(fā)現(xiàn)蓋姆小組首先發(fā)現(xiàn)的。它是一種從石墨材料中剝離出的單層的。它是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子面材料，是碳的二維結(jié)構(gòu)。它的厚碳原子面材料，是碳的二維結(jié)構(gòu)。它的厚度只有度只有0.335nm0.335nm，把，把2020萬(wàn)片薄膜疊加到一萬(wàn)片薄膜疊加到一起，也只有一根頭發(fā)絲厚。起，也只有一根頭發(fā)絲厚。 碳納米管是由多個(gè)碳納米管是由多個(gè)碳原子六方點(diǎn)陣的同軸碳原子六方點(diǎn)陣的同軸圓柱面套構(gòu)而成的空心圓柱面套構(gòu)而成的空心小管，其中石墨層可以小管，其中石墨層可以因卷曲方式不同而

24、具有因卷曲方式不同而具有手性。碳納米管的直徑手性。碳納米管的直徑一般為幾納米至幾十納一般為幾納米至幾十納米，長(zhǎng)度為幾至幾十微米，長(zhǎng)度為幾至幾十微米。米。 碳納米管可以因直徑碳納米管可以因直徑或手性的不同而呈現(xiàn)很或手性的不同而呈現(xiàn)很好的金屬導(dǎo)電性或半導(dǎo)好的金屬導(dǎo)電性或半導(dǎo)體性。體性。 碳納米管碳納米管 碳納米管具有非常適合制作電子器件的各種奇妙物理化學(xué)碳納米管具有非常適合制作電子器件的各種奇妙物理化學(xué)性質(zhì)，非常有可能成為下一代電子器件的主要原料。性質(zhì)，非常有可能成為下一代電子器件的主要原料。 碳納米管的質(zhì)量是相同體積的鋼的六分之一，而強(qiáng)度卻是碳納米管的質(zhì)量是相同體積的鋼的六分之一，而強(qiáng)度卻是鋼的

25、鋼的1010倍，抗拉強(qiáng)度和韌性也是目前材料中最強(qiáng)的。倍，抗拉強(qiáng)度和韌性也是目前材料中最強(qiáng)的。 納米碳管中空的結(jié)構(gòu)可以存儲(chǔ)高密度的氫氣，納米碳管中空的結(jié)構(gòu)可以存儲(chǔ)高密度的氫氣，約約2/32/3的氫氣的氫氣能夠在常溫常壓下從碳納米管中釋放出來(lái)為未來(lái)環(huán)保汽車(chē)能夠在常溫常壓下從碳納米管中釋放出來(lái)為未來(lái)環(huán)保汽車(chē)提供源源不斷的清潔能源。提供源源不斷的清潔能源。 奇特的物理性質(zhì)奇特的物理性質(zhì)v獨(dú)特的半導(dǎo)體特性獨(dú)特的半導(dǎo)體特性v極高的機(jī)械強(qiáng)度極高的機(jī)械強(qiáng)度v極大的比表面極大的比表面v優(yōu)異的吸附能力優(yōu)異的吸附能力 主要應(yīng)用領(lǐng)域主要應(yīng)用領(lǐng)域納米電子器件納米電子器件加強(qiáng)型纖維加強(qiáng)型纖維生物生物/ /化學(xué)傳感器化學(xué)傳

26、感器納米探針納米探針儲(chǔ)氫、儲(chǔ)能材料儲(chǔ)氫、儲(chǔ)能材料催化劑載體催化劑載體 橫置于橫置于4根金電極上根金電極上面的多重壁碳納米管面的多重壁碳納米管 一個(gè)正常金屬與超導(dǎo)體混一個(gè)正常金屬與超導(dǎo)體混合構(gòu)成的器件，中間的窄合構(gòu)成的器件，中間的窄橋?yàn)閹装偌{米寬的金線橋?yàn)閹装偌{米寬的金線 科學(xué)家利用分子的組成部份建造出世界上最小的科學(xué)家利用分子的組成部份建造出世界上最小的汽車(chē)汽車(chē).它有一個(gè)底、車(chē)軸和樞軸支承車(chē)輪是巴基它有一個(gè)底、車(chē)軸和樞軸支承車(chē)輪是巴基球，即球，即60個(gè)碳原子組成的球狀結(jié)構(gòu)。個(gè)碳原子組成的球狀結(jié)構(gòu)。C腳手架腳手架C60晶體管晶體管納納米米變變阻阻箱箱具有極好的可彎折性具有極好的可彎折性具有極好的

27、可扭曲性具有極好的可扭曲性。 碳納米管的強(qiáng)度比鋼高碳納米管的強(qiáng)度比鋼高100多倍，楊氏模量估計(jì)多倍，楊氏模量估計(jì)可高達(dá)可高達(dá)5 TPa， 這是目前可制備出的具有最高比強(qiáng)度這是目前可制備出的具有最高比強(qiáng)度的材料，而比重卻只有鋼的的材料，而比重卻只有鋼的1/6；同時(shí)碳納米管還具；同時(shí)碳納米管還具有極高的韌性，十分柔軟。它被認(rèn)為是未來(lái)的有極高的韌性，十分柔軟。它被認(rèn)為是未來(lái)的 “超超級(jí)纖維級(jí)纖維”，是復(fù)合材料中極好的加強(qiáng)材料。，是復(fù)合材料中極好的加強(qiáng)材料。（4，0）碳管垂直生長(zhǎng)在（）碳管垂直生長(zhǎng)在（11，11）碳管上組成的納電子三極管）碳管上組成的納電子三極管f = 0.33 nmf = 1 nm門(mén)

28、電極門(mén)電極源源極極漏漏極極 2001年年7月月6日出版的美國(guó)日出版的美國(guó)科學(xué)科學(xué)周刊報(bào)道，荷周刊報(bào)道，荷蘭研究人員制造出的這種晶體管是首個(gè)能在室溫下蘭研究人員制造出的這種晶體管是首個(gè)能在室溫下有效工作的單電子納米碳管晶體管。他們使用一個(gè)有效工作的單電子納米碳管晶體管。他們使用一個(gè)單獨(dú)的納米碳管為原材料，利用原子作用力顯微鏡單獨(dú)的納米碳管為原材料，利用原子作用力顯微鏡的尖端在碳管里制造帶扣狀的銳利彎曲，這些帶扣的尖端在碳管里制造帶扣狀的銳利彎曲，這些帶扣的作用如同屏障，它只允許單獨(dú)的電子在一定電壓的作用如同屏障，它只允許單獨(dú)的電子在一定電壓下通過(guò)。下通過(guò)。 用此方法制造的納米碳管單電子晶體管只有

29、用此方法制造的納米碳管單電子晶體管只有1納納米寬、米寬、20納米長(zhǎng)，整體不足人的頭發(fā)絲直徑的納米長(zhǎng)，整體不足人的頭發(fā)絲直徑的500分分一。一。 納米碳管晶體管納米碳管晶體管只需一個(gè)電子就可實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)狀態(tài)只需一個(gè)電子就可實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)狀態(tài) Nanotransistors from CNTs 納米碳管的細(xì)尖極易發(fā)射電子，用于做電子槍和顯示器納米碳管的細(xì)尖極易發(fā)射電子，用于做電子槍和顯示器單個(gè)碳納米管的場(chǎng)發(fā)射單個(gè)碳納米管的場(chǎng)發(fā)射碳納米管碳納米管FETFET顯示顯示Field-effect transistor based on a single 1.6 nm diameter carbon nanotubeCarbon NanotubeEmission Emitters generate electrons when a small voltage is applied to both row (base layer) and column (top layer). 用納米碳管制成的的場(chǎng)發(fā)射顯示面板用納米碳管制成的的場(chǎng)發(fā)射顯示面板A display panel only 2.4 nm thick單根納米線電驅(qū)動(dòng)激光器單根納米