《纳米科学和技术的二次浪潮-【物理学毕业论文开题报告】》由会员分享，可在线阅读，更多相关《纳米科学和技术的二次浪潮-【物理学毕业论文开题报告】（15页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、物理学论文-纳米科学和技术的二次浪潮摘要：在过去的十年里纳米科学的首次浪潮澎湃而过。在此期间，国际、国内 以及香港的学者已向世人证实他们可以采用“build-up”或“build-down”的办 法制造大量的纳米管、纳米线以及纳米团簇。这些努力已经表明，如果纳米结构 能够低廉地制造，那我们就会有更丰硕的收获。尺度小于20纳米的结构会展现 非经典的性质，这提供给我们一个用全新的想法来制造功能器件的基础。在半导 体工业，制造结构尺寸小于70纳米器件的能力允许器件的持续微型化。在下一 个10年中，纳米科学和技术的另次浪潮将可能来临。在这个新时期，科学家 和工程师需要展示人们对纳米结构的期待功能以及证
2、实他们的进一步的潜力，拥 有在纳米结构实际器件的尺寸、组份、有序和纯度上的良好控制能力将实现人们 期望的功能。在本文中，我们将讨论纳米科学和技术在新时期里发展所面对的困 难和挑战。一系列新的方法将被讨论。我们还将讨论倘若这些困难能够被克服我 们可能会有的收获。关键词：纳米科学纳米技术纳米管纳米线纳米团簇半导体Nanoscience and Nanotechnology - the Second RevolutionAbstract:The first revolution of nanoscience took place in the past 10 years. In this perio
3、d, researchers in China, Hong Kong and w orldwide have demonstrated the ability to fabricate large quantities of nanotubes, nanowires and nanoclusters of different materials, usin g either the build.up or build.down approach. These efforts h ave shown that if nanostructures can be fabricated inexpen
4、sively, the re are many rewards to be reaped. Structures smaller than 20nm exhibi t non-classical properties and they offer the basis for entirely diff erent thinking in making devices and how devices function. The abi1it y to fabricate structures with dimension less than 70nm allow the con tinuatio
5、n of miniaturization of devices in the semiconductor industry .The second nanoscience and nantechnology revolution wi11 1ikely tak e place in the next 10 years. In this new period, scientists and engi neers wi11 need to show that the potential and promise of nanostructu res can be realized. The real
6、ization is the fabrication of practical devices with good control in size, composition, order and purity so t hat such devices wi11 deliver the promised functions. We shal1 discus s some difficulties and challenges faced in this new period. A numberof alternative approaches wi11 be discussed. We sha
7、l1 also discuss s ome of the rewards if these difficulties can be overcome.Key words: Nanoscience, Nanotechnology, Nanotubes, Nanowires, Nanoclu sters, “build-up , “build-down , SemiconductorI. 引言纳米科学和技术所涉及的是具有尺寸在1-100纳米范围的结构的制备和表 征。在这个领域的研究举世瞩目。例如，美国政府2001财政年度在纳米尺度科 学上的投入要比2000财政年增长83%，达到5亿美金。有两个主要
8、的理由导致 人们对纳米尺度结构和器件的兴趣的增加。第一个理由是，纳米结构（尺度小于 20纳米）足够小以至于量子力学效应占主导地位，这导致非经典的行为，譬如， 量子限制效应和分立化的能态、库仑阻塞以及单电子邃穿等。这些现象除引起人 们对基础物理的兴趣外，亦给我们带来全新的器件制备和功能实现的想法和观 念，例如，单电子输运器件和量子点激光器等。第二个理由是，在半导体工业 有器件持续微型化的趋势。根据“国际半导体技术路向（2001 ） “杂志，2005 年前动态随机存取存储器（DRAM）和微处理器（MPU）的特征尺寸预期降到80 纳米，而MPU中器件的栅长更是预期降到45纳米。然而，到2003年在M
9、PU制 造中一些不知其解的问题预期就会出现。到2005年类似的问题将预期出现在 DRAM的制造过程中。半导体器件特征尺寸的深度缩小不仅要求新型光刻技术保 证能使尺度刻的更小，而且要求全新的器件设计和制造方案，因为当MOS器件的 尺寸缩小到一定程度时基础物理极限就会达到。随着传统器件尺寸的进一步缩 小，量子效应比如载流子邃穿会造成器件漏电流的增加，这是我们不想要的但 却是不可避免的。因此，解决方案将会是制造基于量子效应操作机制的新型器件， 以便小物理尺寸对器件功能是有益且必要的而不是有害的。如果我们能够制造纳 米尺度的器件，我们肯定会获益良多。譬如，在电子学上，单电子输运器件如 单电子晶体管、旋
10、转栅门管以及电子泵给我们带来诸多的微尺度好处，他们仅仅 通过数个而非以往的成千上万的电子来运作，这导致超低的能量消耗，在功率耗 散上也显著减弱，以及带来快得多的开关速度。在光电子学上，量子点激光器展 现出低阈值电流密度、弱阈值电流温度依赖以及大的微分增益等优点，其中大微 分增益可以产生大的调制带宽。在传感器件应用上，纳米传感器和纳米探测器能 够测量极其微量的化学和生物分子，而且开启了细胞内探测的可能性，这将导致 生物医学上迷你型的侵入诊断技术出现。纳米尺度量子点的其他器件应用，比如， 铁磁量子点磁记忆器件、量子点自旋过滤器及自旋记忆器等，也已经被提出，可 以肯定这些应用会给我们带来许多潜在的好
11、处。总而言之，无论是从基础研究（探 索基于非经典效应的新物理现象）的观念出发，还是从应用（受因结构减少空 间维度而带来的优点以及因应半导体器件特征尺寸持续减小而需要这两个方面 的因素驱使）的角度来看，纳米结构都是令人极其感兴趣的。II. 纳米结构的制备首次浪潮有两种制备纳米结构的基本方法：bui ld-up和bui Id-down 所谓bui ld-up方 法就是将已预制好的纳米部件（纳米团簇、纳米线以及纳米管）组装起来；而 build-down方法就是将纳米结构直接地淀积在衬底上。前一种方法包含有三个 基本步骤：1）纳米部件的制备；2）纳米部件的整理和筛选；3）纳米部件组装 成器件（这可以包
12、括不同的步骤如固定在衬底及电接触的淀积等等）。“bui ld-up “的优点是个体纳米部件的制备成本低以及工艺简单快捷。有多种方法如气相合 成以及胶体化学合成可以用来制备纳米元件。目前，在国内、在香港以及在世界 上许多的实验室里这些方法正在被用来合成不同材料的纳米线、纳米管以及纳 米团簇。这些努力已经证明了这些方法的有效性。这些合成方法的主要缺点是材 料纯洁度较差、材料成份难以控制以及相当大的尺寸和形状的分布。此外，这些 纳米结构的合成后工艺再加工相当困难。特别是，如何整理和筛选有着窄尺寸分 布的纳米元件是一个至关重要的问题，这一问题迄今仍未有解决。尽管存在如上 的困难和问题，“build-u
13、p 依然是一种能合成大量纳米团簇以及纳米线、纳米 管的有效且简单的方法。可是这些合成的纳米结构直到目前为止仍然难以有什么 实际应用，这是因为它们缺乏实用所苛求的尺寸、组份以及材料纯度方面的要 求。而且，因为同样的原因用这种方法合成的纳米结构的功能性质相当差。不过 上述方法似乎适宜用来制造传感器件以及生物和化学探测器，原因是垂直于衬底 生长的纳米结构适合此类的应用要求。“Build-down”方法提供了杰出的材料纯度控制，而且它的制造机理与现代 工业装置相匹配，换句话说，它是利用广泛已知的各种外延技术如分子束外延 (MBE)、化学气相淀积(M0VCD)等来进行器件制造的传统方法。“Build-d
14、own” 方法的缺点是较高的成本。在“build-down”方法中有几条不同的技术路径来制 造纳米结构。最简单的一种，也是最早使用的一种是直接在衬底上刻蚀结构来得 到量子点或者量子线。另外一种是包括用离子注入来形成纳米结构。这两种技术 都要求使用开有小尺寸窗口的光刻版。第三种技术是通过自组装机制来制造量子 点结构。自组装方法是在晶格失配的材料中自然生长纳米尺度的岛。在 Stranski-Krastanov生长模式中，当材料生长到一定厚度后 , 二维的逐层生长 将转换成三维的岛状生长，这时量子点就会生成。业已证明基于自组装量子点的 激光器件具有比量子阱激光器更好的性能。量子点器件的饱和材料增益要
15、比相应 的量子阱器件大50倍微分增益也要高3个量级。阈值电流密度低于100 A/cm2、 室温输出功率在瓦特量级（典型的量子阱基激光器的输出功率是5-50 mW）的连 续波量子点激光器也已经报道。无论是何种材料系统，量子点激光器件都预期具 有低阈值电流密度，这预示目前还要求在大阈值电流条件下才能激射的宽带系材 料如III组氮化物基激光器还有很大的显著改善其性能的空间。目前这类器件的 性能已经接近或达到商业化器件所要求的指标，预期量子点基的此类材料激光器 将很快在市场上出现。量子点基光电子器件的进一步改善主要取决于量子点几何 结构的优化。虽然在生长条件上如衬底温度、生长元素的分气压等的变化能够在
16、 一定程度上控制点的尺寸和密度，自组装量子点还是典型底表现出在大小、密度 及位置上的随机变化，其中仅仅是密度可以粗糙地控制。自组装量子点在尺寸上 的涨落导致它们的光发射的非均匀展宽，因此减弱了使用零维体系制作器件所期 望的优点。由于量子点尺寸的统计涨落和位置的随机变化，一层含有自组装量子 点材料的光致发光谱典型地很宽。在竖直叠立的多层量子点结构中这种谱展宽效 应可以被减弱。如果隔离层足够薄，竖直叠立的多层量子点可典型地展现出竖直 对准排列，这可以有效地改善量子点的均匀性。然而，当隔离层薄的时候，在一 列量子点中存在载流子的耦合，这将失去因使用零维系统而带来的优点。怎样优 化量子点的尺寸和隔离层的厚度以便既能获得好均匀性的量子点又同时保持载 流子能够限制在量子点的个体中对于获得器件的良好性能是至关重要的。很清楚纳米科学的首次浪潮发生在过去的十年中。在这段时期，研究者已经 证明了纳米结构的许多崭新的性质。学者们更进一步征明可以用“build-down” 或者“build-up”方法来进行纳米结构制造。这些成果向
