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1、纳米材料和纳米结构,Nanostructured materials,朱丽萍 曹光彪大楼329 电话：87951958,纳米半导体材料,2,1.纳米半导体材料基本概念,3,半导体材料,4,半导体材料的分类,5,纳米半导体材料也称之为半导体低维结构材料或量子工程材料 通常是指除三维块体材料外的二维（2D）半导体超晶格、量子阱材料，一维（1D）半导体量子线和零维（0D）半导体量子点材料,纳米半导体材料,6,载流子仅在与生长平面垂直的方向上的运动受到约束 在生长平面内的其它两个方向的运动自由,电子的运动在某个方向受到约束是指材料在该方向上的特征尺寸与电子的德布罗意波长或电子的平均自由程相比拟或更小时
2、，电子沿这个方向不能自由运动，它在这个方向运动的能量是量子化的,二维超晶格、量子阱材料,7,二维超晶格、量子阱材料,8,二维超晶格、量子阱材料,多量子阱能带图,超晶格能带图,量子阱 势垒层较厚，相邻势阱中的载流子波函数之间的耦合很弱,超晶格 势垒层较薄，相邻的势阱之间的耦合很强，原来在各量子阱中分立的能级将扩展成为能带,9,一维量子线材料,载流子仅在一个方向上可以自由运动 在另外两个方向上的运动受到约束,10,量子点材料的三个维度Lx，Ly 和Lz都等于或者小于d,零维量子点材料,载流子在三个方向的运动都受到约束 载流子在三个维度上运动的能量都是量子化的 这种电子在三个维度上都受限制的材料称为
3、量子点,11,控制量子点的尺寸可以调节其能隙的大小，使其成为当今“能带工程”的重要组成部分,量子点材料中的能带调控,12,2.纳米半导体材料的基本特性,13,纳米半导体材料中电子运动因受约束而出现量子能级分裂、带隙增大等效应 量子尺寸（约束）效应会导致材料的光、电、磁学等性质的显著改变 新一代量子器件： 半导体量子阱、量子点激光器 半导体光双稳器件,相对块体材料，量子点出现能级分裂、带隙增大现象,量子尺寸（约束）效应,14,在量子力学中，粒子具有的波动性，不仅能量大于势垒的粒子可越过势垒，能量小于势垒的粒子也有一定的概率穿透势垒运动到势垒的另一边 基于量子隧穿效应的共振隧穿二极管、三极管及其集
4、成在超高频振荡器和高速电路等方面有着重要的应用前景,量子遂穿效应,15,库仑阻塞(Coulomb blockade)效应 如果一个量子点与其所有相关电极的电容之和足够小，这时只要有一个电子进入这个量子点，引起系统增加的静电能就会远大于电子热运动能量kBT ，这个静电能将阻止随后第二个电子进入同一个量子点,库仑阻塞效应,控制量子点体系单个电子的进出,16,单电子晶体管的电导随栅压振荡,基于库仑阻塞效应可制造多种量子器件，如单电子器件和量子点旋转门等 单电子器件不仅在超大规模集成电路上有重要应用前景，而且还可用于研制超快、超高灵敏静电计，可用于检测小于万分之一电子电荷的电量,库仑阻塞效应,17,量
5、子干涉效应,利用量子干涉效应可制造多种量子器件，如量子干涉晶体管，具有高速和高增益的优越性能,量子干涉效应 如果样品的特征尺寸等于或小于相位相干长度，也就是小于电子非弹性散射平均自由程，那么电子通过样品时只发生弹性散射，储存在电子波函数里面的信息不会被破坏，而只是发生一定的相移,18,二维电子气 局限在三角势阱中的电子，在平行于界面的平面内的运动是自由的，而在垂直于界面方向的运动因受到约束而形成一系列分立的能级 基于二维电子气结构的材料具有高迁移率特性，已经研制出多种新型超高速、超高频微电子器件和电路,AlGaAs/GaAs二维电子气导带结构图,量子霍尔效应 随MOS器件栅压改变的霍尔电阻按h
6、/ne2 量子化，出现霍尔电阻平台,二维电子气和量子霍尔效应,19,3.纳米半导体材料的制备技术,20,分子束外延技术（MBE）,21,分子束外延技术（MBE）,常用配置 反射高能电子衍射仪（RHEED）：提供表面再构、显微结构信息和实现单原子层控制生长等 四极质谱仪（QMS）：对生长室残留气体成分检测和真空检漏 俄歇电子能谱仪（AES）：衬底表面化学成分分析 离子计：对原子和分子束流进行校准,MBE设备组成 超高真空生长系统 生长过程的控制系统和监测 分析仪器,22,金属有机化学气相沉积技术(MOCVD),MOCVD技术 用氢气将金属有机化合物蒸气和气态非金属氢化物经过开关网络送入反应室加热
7、的衬底上，通过热分解反应而最终在其上生长出外延层的技术 是化学气相沉积(CVD)的一个分支，与一般CVD的主要区别在于：它采用一种或多种金属有机物(MO)作为反应原料,MO源应满足： 易于合成与提成 适当的蒸汽压 室温下最好是液体，较稳定且易于处理 较低的热分解温度 毒性低 反应生成的副产物应不妨碍晶体生长，不污染生长层,23,MOCVD设备组成 气体供应系统 MOCVD 生长室 尾气抽排系统和尾气处理系统,实验所采用的MOCVD生长系统,金属有机化学气相沉积技术(MOCVD),24,可实现多源共掺，N、P型实时掺杂 可生长多层结构、量子阱和超晶格,金属有机化学气相沉积技术(MOCVD),氧化
8、锌MOCVD生长系统,25,金属有机化学气相沉积技术(MOCVD),氮化镓MOCVD生长系统,26,金属有机化学气相沉积技术(MOCVD),优点,可获得任意组分比的人工合成材料，对薄膜厚度的控制可精确到原子数量级，可制得各种薄膜结构型材料 有机化合物可在低温下气化并迅速混合均匀，反应产物除合成材料外均为挥发性气体 可制成大面积均匀薄膜，实现产业化 纯净，无污染 气体源路控制灵活 低气压外延生长是MOCVD技术中很有特色的技术 生长周期短，成本低,27,其它技术,脉冲激光沉积技术(PLD) 基于溶液的生长技术 应变自组装生长技术 半导体微结构材料生长和精细加工相结合的技术,28,4.纳米半导体材
9、料的研究新进展,29,量子阱材料的室温光致发光,30,利用脉冲激光沉积法在Si(111)衬底上生长的10周期ZnO/ZnMgO多量子阱结构,量子阱材料的室温光致发光,（a）,31,量子阱材料的室温光致发光,（a）ZnO/ZnMgO多量子阱（阱宽为2.5nm）在80K下的PL光谱,（b）PL峰位随温度的变化,32,随阱层厚度减小，室温PL谱发生蓝移，量子限域效应随势阱变窄而增强,室温PL谱随阱层厚度的变化,ZnO/Zn0.85Mg0.15O的室温激子能量： 计算值与实验值的比较,量子阱材料的室温光致发光,33,Nano Lett., 2008, 8 (7), pp 18841889,2008年，
10、Sun课题组制备了以ZnO有序纳米线阵列为电极的电致变色器件，得益于ZnO纳米线的大比表面积、高结晶性和优异的电子传输性能，该器件具有高转换速度、高变色效率、高稳定性等特点。,ZnO纳米线,34,2012年，F. Gonzlez-Posada课题组制备了基于单根GaN纳米线的光电探测器，具有光电流增益大，抗干扰性好，响应快等特点,Nano Lett., 2012, 12 (1), pp 172176,GaN纳米线光电探测器,35,2008年，Fang Qian课题组制备了具有多量子阱核壳结构的(InGaN/GaN)n纳米线激光器,Nature Materials 7, 701 - 706 (2
11、008),多量子阱结构的纳米线激光器,36,2009年，Kang课题组通过控制H-Si量子点的氧化得到不同尺寸的Si量子点，实现Si量子点的PL波长可调,Fig. 6 (a) TEM images of 3 nm H-SiQDs. (bd) TEM images of SiQDs after oxidation of 0.5, 3.5, and 24 h, respectively. (e) Photograph (under UV light) of H-SiQDs (left, red emission) and water-soluble SiQDs (yielding seven di
12、stinct emission colors). (f) PL spectra of H-SiQDs (curve 1) and SiQDs (curves 2 to 8) after 0.5, 1.5, 3.5, 6, 9, 14, and 24 h oxidation, respectively (excitation wavelength: 360 nm).,Nanoscale, 2011, 3, 777-791,量子点的能带调控,37,2007年，Kang课题组发现，不同尺寸的Si纳米点具有催化选择性 1-2nm的Si量子点能催化CO2的光降解和甲基红的分解 但3-4nm的Si量子点没有这种催化性能 这是因为1-2nm的Si量子点的电子-空穴对能量比3-4nm的大,Nanoscale, 2011, 3, 777-791,Si量子点的催化选择性,38,
