纳米电子学电子科大汇编

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1、纳米电子学与 自旋电子学 陈勇 文歧业 电子科技大学,主要内容(纳米电子学部分),一、绪论 二、纳米结构制作技术 三、纳米电子学基础 四、纳米电子器件,第一章 绪论,21世纪改变人类的科学技术 科学 物质科学 生命科学 技术 纳米技术 信息技术 生物技术 能源技术,纳米技术将引发新的产业革命 第四次产业革命,纳米科学的内涵,制高点,基 础,基 础,纳米技术,纳米技术对关键问题的影响,环 境,纳米技术能消除水中小于200nm和空气中小于20nm的污染物。,环境探测器,纳米结构反应器,能 源,提高能量 转化效率,太阳能 30% 电能,氢能源利用,海底天然气利用,热能 提高10% 电能,化学能 长寿

2、高效 电能,生物、医药,纳米的靶向药物,高效缓释药物,细胞内传感器,生物芯片,纳米生物探测技术,新材料,轻质、高强,多功能，智能，自清洁,高聚物和纳米复合物,高表面积多孔材料 净化、分离、催化,生物相容、自我调整 药物分配器,H2原子和C纳米管,多层C纳米管,C纳米索线,纳米多层管,C脚手架,C60晶体管,纳米变阻箱,MgH2 块体,鲱骨状,轨道状,层状,Cu分形状,多孔状,Au-足球状,洋葱状,Quantum Dots (量子点),碳纳米管是由多个碳原子六方点阵的同轴圆柱面套构而成的空心小管，其中石墨层可以因卷曲方式不同而具有手性。碳纳米管的直径一般为几纳米至几十纳米，长度为几至几十微米。

3、碳纳米管可以因直径或手性的不同而呈现很好的金属导电性或半导体性。,具有极好的可弯折性,具有极好的可扭曲性,。,碳纳米管的强度比钢高100多倍，杨氏模量估计可高达5 TPa， 这是目前可制备出的具有最高比强度的材料，而比重却只有钢的1/6；同时碳纳米管还具有极高的韧性，十分柔软。它被认为是未来的 “超级纤维”，是复合材料中极好的加强材料。,纳米技术,1990年在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科学技术会议，并正式创办了纳米技术杂志，标志着纳米科学的诞生。 就其学科方向而言，它既不是化学，也不是物理学和生物学，而是一门多学科交叉渗透和综合的高新技术学科； 就其应用而言，它包括纳米生物学、纳米电子学

4、、纳米化学、纳米材料学和纳米机械学等新兴学科； 就其研究领域而言，是人类过去很少涉及的非宏观、非微观的中间领域，即从宏观世界到微观世界的过渡区纳米世界。,客观世界,纳米尺度,纳米是10-9米，介于“宏观”与“微观”之间，这一领域的许多物理学特性尚未研究清楚。 1nm=10-9m，即1毫微米，十亿分之一米，纳米微粒的尺度一般定义为10-710-10m内（0.1100nm）； 相当于人发直径的1/10万。 具有奇异的力学、光学、磁学、热学和化学等特性。当材料晶粒的尺寸小于1 nm时，材料的性质就会出现意想不到的变化。譬如：色、熔点、着火点 它很可能成为本世纪前20年的主导技术。美国科学技术委员会则

5、把启动纳米技术的计划看作是下一次的工业革命的核心。,纳米材料的奇异特性,1. 表面效应 大于0.1微米的颗粒的表面效应可忽略不计,小于0.1微米的1克超微颗粒的表面积可高达100平方米; 2. 小尺寸效应 1) 特殊的光学性质: 金属超微颗粒对光的反射率很低(低于1%)，利用这一性质,可作高效率光热、光电转换材料，制作太阳能电池、红外敏感、隐身元件； 2) 特殊的热学性质: 超微颗粒的熔点将显著降低，如金的常规熔点为1064C，而到纳米尺寸时仅为327C；银的常规熔点为670C，而超微银颗粒的熔点可低于100C； 3）特殊的磁学性质: 超微磁颗粒的矫顽力可增加1千倍，利用此性质可做成高贮存密度

6、的磁记录磁粉，大量用于磁带、磁盘、磁卡；,4）特殊的力学性质：纳米陶瓷材料具有良好的韧性，纳米晶粒的金属要比原粗晶粒的金属硬3-5倍； 5）其它特殊的性质：超微颗粒还有其它的超导电性、介电性能、声学性能及化学性能； 3. 宏观量子隧道效应 1) 量子尺寸效应:介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒会呈现出反常的特性，称之为量子尺寸效应，如导电金属超微颗粒可以变成绝缘体，光谱线会产生向短波长方向移动； 2）宏观量子隧道效应：超微颗粒的一些物理量会显示出隧道效应，称为宏观量子隧道效应，如电路尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法工作。,什么是纳米科技？,纳米科技是指在纳米尺度

7、（1nm到100n）上研究物质（包括原子、分子的操纵）的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。 纳米科技的最终目标是直接以原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理、 化学和生物学特性制造出具有特定功能的产品。 如今人们正试图操纵一个个纳米颗粒，任意组合成各种类型的大分子，装配成功能各异的新产品，为人类创造更多的物质文明。纳米技术的诞生，使人们对非生物体，以及生物体的微观世界运动规律进行研究应用，极大地提高了人类改造世界的能力。,“在针尖我们还有很大的空地”,以上是诺贝尔物理学奖获得者理查德.费曼（Richard Feynman）在1960年给新生一堂课的主题。 过去

8、，人类用宏观的机器来制造体积较大的机器，再用这个较大的机器制造更小的机器，这样一步步达到分子的限度。 “为什么我们不可以从另一个方向出发以达到我们的要求呢？物理学的规律不排除一个原子、一个分子地制造物质的可能性。”,纳米科技正是充分运用排列组合之妙的高新技术。就是在微观环境下，操纵原子、分子或原子团、分子团进行重新排列组合，使其形成人们所需要的功能各异的新物质的一种新技术。 当年，费曼曾幻想在原子和分子水平上操纵和控制物质。而纳米科技的诞生使费曼的幻想正在变为现实。 分子不变，分子的排列组合方式发生变化就会产生新的物质。同是碳分子C，因排列组合不同可以是硬度最高的金刚石（立方晶体），也可以构成

9、很软的工业原料石墨（六方片状晶体）。在高温高压下让石墨的原子排列改变成立方晶体时，石墨就会发生质变成为金刚石。,原子确实是用肉眼无法看见的。这就需要借助仪器来开拓我们的视野。就在80年代初期，IBM公司在世界上第一次研制成功表面分析仪器扫描隧道显微镜（STM），使人类第一次能够观察到单个原子或分子的排列状态。它给我们提供了对纳米结构进行测量和处理的“眼睛”。 那么用什么来操纵原子呢？也得借助仪器来延伸我们的双手，这就是扫描探针。1990年，当IBM公司的科学家成功地用“扫描探针”把35个氙原子移动位置，按照人的意志组成了IBM三个字母的时候，人类终于可以搬动原子了。,纳米科技的重要意义,1.纳

10、米科技将促使人类认知的革命 1)在纳米尺度上有许多新现象、新规律有待发现； 2)纳米科技是对人类认知领域的新开拓。 2.纳米科技将引发一场新的工业革命 1)纳米科技是21世纪经济增长的发动机； 2)纳米科技将促使传统产业“旧貌换新颜”； 3)纳米科技推动产品的微型化、高性能化与环境友好化,这将极大节约资源和能源，促进生态环境改善,为可持续发展提供技术保证。 3.纳米科技将推动各门科学和技术的发展,21世纪的微电子技术,微电子芯片科技前沿,1.芯片线宽极限: 0.035 (35纳米) 1）市售奔4芯片,用的是0.09 技术, 紫外线波长0.193, 2）目前上海中芯公司(与台湾合作)即为0.25

11、 水平。 . 3）英特尔公司1971年生产的第一个芯片只有2300个晶体管，2000年底推出的奔腾4芯片则集成了4200万个晶体管。 4）IBM公司称2001年8月已用单分子碳纳米管制成了世界上最小的逻辑电路。 2.摩尔规律:还可继续10-15年,到2014-2017年达到饱和。 3.生物芯片:有两种： 1）一种是生物分子逻辑元件(如人的视网膜分子)的芯片，这种生物芯片的速度比半导体芯片还可提高100倍； 2）另一种是医疗检测用的生物芯片。它可与人的神经相连。,未来的芯片,集成度决定于微芯片上的刻线宽度。当刻线宽度小于30纳米时，就会发生量子效应：电子可以越过导线和绝缘层，从一个地方跳到另一个

12、地方，甚至发生短路。 在纳米尺度下，由于有量子效应，硅微电子芯片便不能工作。其原因是这种芯片的工作，依据的是固体材料的整体特性，即大量电子参与工作时所呈现的统计平均规律。如果在纳米尺度下，利用有限电子运动所表现出来的量子效应，可能就能克服上述困难。 可以用不同的原理实现纳米级芯片，目前已提出了四种工作机制：1）电子式纳米芯片技术；2）基于生物化学物质与DNA的纳米计算机；3）机械式纳米计算机；4）量子波相干计算。它们有可能发展成为未来纳米芯片技术的基础。,纳米科技的进展,1.分子电子学获重大进展 1)2001年8月美国IBM公司宣布,该公司用单分子碳纳米管成功地制成世界上最小的逻辑电路。 2)

13、2001年美国朗讯贝尔实验室用一个单一的有机分子制造出了世界上最小的晶体管，称为“纳米晶体管”,大小接近1纳米，在针尖大小的尺寸上可以容纳1000万个这种晶体管。它以碳为基础，包含氢和硫的有机半导体分子为晶体管材料，以金原子层为电极。 2. 2000年Intel和AMD分别成功研制出栅长为30纳米和40纳米CMOS器件，20012002年又先后研制出栅长为15纳米的CMOS器件。,神奇的 “摩尔定律”,1964年，著名的电子学(Electronics) 开辟了一个“专家展望未来”(The Experts Look Ahead)专栏，约请时任仙童公司研发实验室主任的摩尔应邀写了一篇文章，题为“在

14、集成电路中塞进更多的元件”(Cramming more components onto integrated circuits)。正是在这篇文章中，摩尔提出了他的著名的定律。摩尔认为，集成电路芯片上晶体管的数日(也就是集成度)将逐年翻番。具体而言，集成度可以表示为以2为底、幂为自然数的指数形式。,附图就是摩尔文章中所给出的预测图形，据此，摩尔明确预测， 1975年时集成电路上 的元件数将达到65 000。 果不其然，1975年64K RAM芯片问世，而所谓 64K的精确值正是65536， 即216。这使摩尔预言名 噪一时，并从此把它称为 摩尔定律。,Intel公司严格遵循的摩尔定律,摩尔定律指

15、导下的不断细微化过程,遵循摩尔定律”的基本角色,它的基本工作原理就是在S与D两个电极之间可以加上电压，从而产生电流，同时门极上也可以加上电压，使得这个电流受到门电压的控制。这样这个晶体管的基本工作状态就是两个：当门电压高时，电极S与D之间可以产生电流；当门电压低时，则电极S与D之间的电流被截止。,MOSFET的结构模式图,碳纳米管,碳纳米管，就是以几十个碳原子为圆周的单壁或多重壁的管子，它具有非常适合制作电子器件的各种奇妙物理化学性质，非常有可能成为下一代电子器件的主要原料。 碳纳米管的质量是相同体积的钢的六分之一，而强度却是钢的10倍，抗拉强度和韧性也是目前材料中最强的。 纳米碳管中空的结构

16、可以存储高密度的氢气，约2/3的氢气能够在常温常压下从碳纳米管中释放出来为未来环保汽车提供源源不断的清洁能源。,奇特的物理性质 独特的半导体特性 极高的机械强度 极大的比表面 优异的吸附能力,主要应用领域 纳米电子器件 加强型纤维 生物/化学传感器 纳米探针 储氢、储能材料 催化剂载体,横置于4根金电极上面的多重壁碳纳米管,一个正常金属与超导体混合构成的器件，中间的窄桥为几百纳米宽的金线,一个由纳米线，量子点，以及典型的半导体砷化镓做基底的纳米器件。所谓量子点就是人工制造的由几十几百个原子构成的小块物质。,右上图给出了一个单壁碳纳米管和三个Pt电极相连的AFM图像。半导体的Si衬底上用热方法生长了一层厚度为300nm的SiO2,Si衬底作为一个背面的栅极,如右下图所示。,左图中给出了上图所示的样品I-Vbias特性曲线。在图中,给出了Vbias=0时该器件的电导关于栅极偏压Vgate的曲线。这就说明了电导可以在很大范围内被调制,Vgate改变10V可以带来电导六个数量级的变化。,科学家利用分子的