纳米材料与器件

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1、纳米材料与器件东南大学电子科学与工程学院第一章 绪论 1第一节 纳米的概念 1第二节 纳米科学的发展 1第三节 纳米技术的应用 2一、信息技术 2二、生物医药技术 2三、新材料技术 2第二章 纳米电子器件的基本理论 4第一节 纳米电子结构及其电子态 4第二节 隧道理论 6第三节 L ANDAUER 公式 7第四节 量子电导 7第五节 单电子现象与器件 8第三章 碳纳米管 11第一节 碳纳米管的概述 11一、碳纳米管的简介 11第二节 碳纳米管的结构 11一、碳纳米管的基本结构 11二、碳纳米管的电子扫描照片 12第三节 碳纳米管的合成方法及生长机理 14一、碳纳米管的合成方法 14二、碳纳米管

2、的生长机理 14三、定向生长碳纳米管 15第四节 碳纳米管的特性及应用 17一、碳纳米管的特性 17二、碳纳米管的应用前景 18第五节 碳纳米管的场致发射性能及应用 19一、场致发射的基本原理 19二、碳纳米管的场致发射性能 21三、场发射平板显示器 22四、碳纳米管场致发射性能其他可能的应用 23第四章 半导体量子阱 24第一节 半导体超晶格量子阱概述 24一、半导体超晶格材料的产生 24二、半导体超晶格材料的制备 25三、几种典型的超晶格、量子阱材料体系及其应用 27四、半导体超晶格结构的光学性质 31五、一维量子线，零维量子点半导体微结构材料 32第五章 半导体量子点 36第一节 引言

3、36第二节 量子点的制备方法 36第三节 量子点的性质及应用 37一、 量子点的能带结构 37二、量子尺寸效应 38三、量子点的应用 38第六章 纳米 CMOS 技术 41第一节纳米CMO需件面临的问题 41一、电源电压与阈值电压 41二、栅氧化层 42三、高场效应 42四、杂质随机分布效应 44五、互连线延迟 46第二节纳米CMOS勺新器件结构 46一、SOI CMOS 47二、SiGe CMOS 50三、低温 CMOS52四、双栅 CMOS52五、环栅 CMOS55六、动态阈值 CMOS56#第一章 绪论第一节 纳米的概念纳米是一个长度的单位，1纳米是1米的十亿分之一，即 1nm=10-9

4、 m。这个长度是我们肉眼无法分辨的，必须借助于先进的仪器来观察。我们原来学过的许多关于自然界的知识，如牛顿定 律、物质的化学与物理性质、电子器件的工作原理等都是基于所研究对象的尺寸在微米或以上范 围的。而纳米科学研究的对象是在纳米尺度内，当材料与器件的尺寸缩减到纳米量级，就会出现 许多以前未曾见过的现象，比如当半导体材料的尺寸在几个纳米时，其导带中电子的能级与价带 中空穴的能级不再是连续的，出现了量子化；再比如，在宏观尺度内，绝缘体是不导电的，电子 不能从绝缘体中通过，而当绝缘材料的厚度减小到几个纳米时，电子就可以穿过绝缘体而形成电 流。像这样纳米结构中独有而宏观尺度中没有的现象还有很多。在本

5、课中，我们将给大家介绍一 些比较典型的纳米结构及其性能，同时还要给大家介绍一些利用纳米结构来制作的电子器件。第二节 纳米科学的发展现在我们简单介绍一下纳米科学发展过程中的几个重要事件。 虽然实际上关于纳米的研究很早就有了，比如量子力学中关于基本粒子运动的内容其实就可 以看成是关于纳米的研究，被广泛地应用到现在的纳米科学研究中，只不过当时科学家们没有特 别地指出。真正的纳米科学研究被普遍认为开始于二十世纪五十年代末。标志性事件是1959 年12月29日美国著名物理学家诺贝尔奖获得者费曼(Richard P. Feynman)在加州理工学院所作的一个演讲“ There is a plenty of

6、 rooms at the bottom ”。在这个演讲里，费曼预测了许多纳米技术， 比如未来电子器件的尺寸将大大缩小，在一个很小的卡片上可以保存一个大规模图书馆里所有的 资料信息，人们将可以观测到一个原子的情况等等。这些预言中的许多纳米技术今天已经实现， 还有一些正处在研究中。纳米科学的突破性进展起始于 1982年，在 IBM 公司苏黎世实验室工作的科学家 Gerd Bennig 与 Heinrich Rohrer 发明了扫描电子显微镜 (Scanning Tunneling Microscope, STM) ，使得人们可 以直接观察物质表面原子的排列状态。这项发明为观察纳米材料、纳米器件提

7、供了有利的工具， 使得以前人们无法观测到的微观现象呈现在眼前，极大地促进了纳米技术的发展。Gerd Bennig与 Heinrich Rohrer 也因此获得了 1986 年的诺贝尔物理学奖。1985年，美国 Rice 大学的教授 Smalley RE 与 Carl RF 以及英国 Sussex 大学的教授 Kroto HW 在研究空间放电现象时发现了碳 60( C60) 。这是一个有 60 个碳原子组成的一个呈球状的大 分子，有60个顶角和32个面多边形(12个正五边形，20个正六边形)，直径约为0.7nm。这一 发现引发了研究纳米的热潮，并在 1996年获得了诺贝尔化学奖。1991 日本

8、NEC 公司的饭岛澄男( Sumio Iijima )发现了碳纳米管。他在显微镜下面观察到在 他制备的碳物质中有一些管状的东西，这是以前未曾有过的现象，由此开启了碳纳米管的研究热 潮。直到现在，碳纳米管仍然是纳米领域里一个非常活跃的研究热点。另外，在纳米科学发展的过程中还有许多重要的事件，如超晶格量子阱结构、量子点、纳米 微电子等的出现，都对纳米科学的发展产生了重大影响，在此就不一一详述了。第三节 纳米技术的应用一、信息技术信息技术的基础是半导体集成电路技术， 即微电子技术。 它的创新历程一直遵循着摩尔定律。 这个定律是 1965 年由戈登摩尔( Gorden Moore )提出来的。他指出，

9、集成电路里晶体管的数量每 18 个月(或两年)翻一番。至今，集成电路的实际发展与摩尔定律符合得很好。科学界普遍认为0.05卩m(50nm)是现代半导体工艺的极限。现在最新的工艺已经达到这个水平。要想进一步提高就需要寻找新的方法、新的思想。纳米技术就是解决这个问题的一个有效方法。 1998年， IBM 公司与日本 NEC 公司合作，在 实验室里用一根半导体性的碳纳米管制成了场效应管。2001年8月，IBM又宣布使用碳纳米管制成了输入为 0时，输入为 1的非门逻辑器件。信息产业的另一个重要组成部分存储器件在利用纳米技术方面也取得了很大进展。1998年美国明尼苏达大学成功制造了量子磁盘，核心部分是纳

10、米钴棒组成的微阵列，每平方英寸包含 了 1011 1012根钴棒，存储密度达到了 465X 109bit/in2,存储效率是现有磁盘的 10万倍。美国还 先后研制成功了接近 1000G (1G=109bit/in2)的高密度磁盘。二、生物医药技术纳米生物学是 20 世纪 90 年代开始的，已经呈现出非常广阔的前景。我们知道构成生命的物 质主要是由碳、氧、氢、氮、钙、磷、硅等主要元素再加上一些其他微量元素组成的，其多样性 与复杂性不取决于组成的原子与分子，而是由这些原子和分子在纳米尺度上的结构以及纳米尺度 上的生命运动规律来决定的。比如，我们都知道莲花荷叶出污泥而不染，但原因是什么呢？经过 两位

11、德国科学家的长期观察研究，发现在荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微 结构。在超高分辨率显微镜下可以清晰看到，在荷叶叶面上布满着一个挨一个隆起的“小山包”，它上面长满绒毛，在“山包”顶又长出一个馒头状的“碉堡”凸顶。因此，在“山包”间的凹陷 部分充满着空气，这样就在紧贴叶面上形成一层极薄、只有纳米级的空气。这就使得在尺寸上远 大于这种结构的灰尘、雨水等降落在叶面上后，隔着一层极薄的空气，只能同叶面上“山包”的 凸顶形成几个点接触。雨点在自身的表面张力作用下形成球状，水球在滚动中吸附灰尘，并滚出 叶面，这就是“荷叶自洁效应”的奥妙所在。上面的例子只是纳米结构在生物中发挥作用众多的例子

12、中的一个，其他如在细胞质、DNA 、基因片段、蛋白质等方面均需要纳米技术的参与，另外象纳米机器人等纳米器件可以用来治疗人 类的疾病。总之，纳米技术在生命、医疗领域有着广阔的应用前景。三、新材料技术纳米材料的小尺寸、表面效应、量子尺寸效应赋予纳米材料一些特殊的性质，将带动传统材 料产业发生革命。比如，一般的陶瓷虽然硬度很高，但韧性较差，容易发生脆裂，而纳米陶瓷则 可以大大改善陶瓷的韧性。德国科学家已经研制成功了180 C弯曲不产生裂纹的纳米氟化钙和二氧化钛。纳米材料还可以使一些化工材料的性能升级，如自清洁、防老化、抗辐射的新型涂料和 智能涂料，还可以用来制造一些新型的纺织材料，如抗菌、卫生加工、

13、防静电、自清洁等功能纤 维。这里仅仅给大家简单介绍了一下纳米技术在信息、生物及材料领域里的应用例子，其实纳米 技术可以说在任何领域都可以找到应用。就象人类历史上的任何一件重大发明一样，它必将改变 我们生活的这个世界以及我们的生活方式。#第二章纳米电子器件的基本理论有关纳米电子器件的理论有很多，而且还在迅速地发展丰富当中。在本章中，我们将简要地 学习在纳米电子器件中经常用到的几个基本的理论，包括纳米电子结构及其电子态、输运理论及 单电子现象等。感兴趣的读者如结果希望了解更详细的知识，可以参考其他有关纳米电子器件方 面的中外文书籍。第一节 纳米电子结构及其电子态首先介绍一下何为电子结构与电子态？简

14、单地说，所谓电子结构与电子态就是电子的能级及 电子的能级分布。对于通常的半导体，其电子结构如图2.1所示，包括导带、价带与禁带。电子受到外界能量的激发，从价带跃迁到导带，空穴存在于价带中。在导带与价带中间是禁带，没有 载流子存在。导带中的电子能级从导带底开始往上是连续的，价带中的空穴能级也是连续的。conduction band*conduction bandforbidden bandforbi dden bandvalence band2.1传统半导体的能带图Qvalence band图22量子点的能带结构#而纳米结构半导体中的电子能级则有很大不同。目前国内外研究比较多的纳米电子结构可以

15、分为二维、一维与零维电子结构，分别表示电子可以在二维、一维与零维空间作自由运动。量子点是尺寸在十几个纳米以下的半导体晶粒，其外围包着一层禁带宽度较大的半导体材料。因此其内部电子的运动在空间的三个方向上都受到限制，是零维纳米结构。量子点的电子能级如 图1.2所示。在图2.2中，量子点的能带结构与传统半导体相比，发生了较大的变化。由于量子限制效应， 量子点中的电子能级发生了分裂。导带与价带中的能级变成了一个个分离的子能级，电子或空穴 只能存在于这些子能级上，而不能存在于子能级之间。根据量子力学，可以推出一个简单的计算 量子点中能级的公式E| ,m,n| 2 2 22 2 2 m2 2 2 n2m* LX2m* L2m* L；(2.2)式中，I、m、n是自然数,h 2, h为普朗克常数6.62X 10-27尔格秒。m*为电子有效质量。Lx、Ly、Lz分别是 X、y、z方向的尺度。从式（1.1）中可以看