第五章-纳米材料在电子信息领域的应用(课堂PPT).ppt

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第五章,纳米材料在电子信息领域的应用,1,信息技术和产品发展的粮食,什么是,IT,？,请描述一个用带照相功能的手机传输图象的过程,。,2,手机拍照,图象复印,存储器,图象转换为电信号,发送,压缩,电信号被读取,手机通讯,基地局,公共或基,干网络,目的地,基地局,接收人,手机,服务器,因特网,个人电脑,磁存储或半导体存储,显示,3,信息技术的研究内容及其支柱材料,获取信息的装置,（传感器）,存储信息的装置,（磁存储、磁光存储、光存储）,加工和处理信息的装置,（硅材料）,传递和分配信息的装置,（高性能光纤）,接收和显示信息的装置,（液晶显示、平面显像）,构筑这样一个系统，需要：,4,超导材料,发电机、马达、磁悬浮列车等,光电材料,光通讯、光计测、计算机终端等,导电材料,电线、印刷电路配线、接头,半导体材料,半导体管、二极管、可控硅、集成电路等,绝缘材料,绝缘子、电容器、变压器、断路开关,电阻材料,电阻、电位差计、电炉、电热器,软磁材料,变压器、马达、发电机、继电器,永磁材料,磁头、扬声器、微电机,测温材料,热电偶、温度调节、测温,焊接材料,电线结合,电子管材料,真空管、放电管、阴极射线管、,X-,线管,熔丝材料,保险丝,接点材料,开关、插座、继电器,5,以一个简单的半导体电子组件为例，看电子材料的应用：,6,5.1,材料的电学性能与纳米电子材料,5.2,材料的磁学性能与纳米磁性材料,5.3,材料的光学性能与纳米光子材料,第五章 纳米材料在电子信息领域的应用,7,导电性能；,介电性能；,铁电与压电性；,静电；,超导。,5.1,材料的电学性能与纳米电子材料,指材料在外加电场或电压作用下的行为及其表现出来的各种物理现象。,什么是材料的电学性能？,8,基本概念：,1,）,电导率和电阻率,电导,:,真实电荷在电场作用下在介质中的迁移。,电导率,:,衡量材料电导能力的表观物理量。,电阻率,是电导率,的倒数。,在直流电场中，对于一定的材料，电阻,R,随试样尺寸变化：,与试件长度,L,成正比，与试样面积,S,成反比，其比例常数即电阻率,，单位为,m,或,cm,）,9,决定,电导率,的两个基本参数,载流子密度。,载流子：带电荷的自由粒子。,电流是电荷在空间的定向运动。任何一种物质，只要存在带电荷的载流子（电子、空穴，也可以是正、负离子），就可以在电场作用下产生导电电流。研究材料的电导性就是弄清载流子品种、来源及浓度，它们在材料本体中的迁移方式及迁移率的大小。,迁移率,：载流子在单位电场中的迁移速度。,影响电导率的因素,:,A,影响离子电导率的因素：温度，晶体结构，晶格缺陷,B,影响电子电导率的因素：温度，杂质及缺陷的影响,载流子迁移率。,10,11,能级（,Energy Level,）：,在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳层上的电子具有分立的能量值，即电子按能级分布。在电子能级图上，用一条条高低不同的水平线表示。,材料的电子结构与导电性理论基础,-,能带论,12,电子的共有化：,晶体中大量的原子集合在一起且距离很近，致使离原子核较远的壳层发生交叠，使电子不再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去。这样使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对应的,能级扩展为能带,。,能带（,Enegy Band,）是如何形成的？,以典型金属钠为例，,13,允许带：,允许被电子占据的能带。,禁带：,允许带之间的不允许电子占据的范围。,原子壳层中的内层允许带总是被电子先占满，然后再占据能量更高的外面一层的允许带。,导体或半导体的导电作用是通过载流子的运动来实现：导体中的载流子,-,自由电子，半导体中的载流子,-,电子和空穴。,不同的材料，禁带宽度不同，导带中电子的数目也不同，从而有不同的导电性。,满带：,被电子占满的允许带。,空带,：每一个能级上都没有电子的能带。,价带,：,原子中最外层的电子称为价电子，与价电子能级相对应的能带称为价带。,导带,：,价带以上能量最低的允许带称为导带。,14,固体理论提出：,（,1,）无外场作用时，无论绝缘体、半导体或导,体都无电流；,（,2,）在外场作用下，不满带导电而满带不导电。,15,半导体材料：,电阻率介于典型的金属和典型的绝缘体之间的材料,。在一般的条件下就具有一定的导电能力，在外场作用下更显示出千变万化的传导特性，因而广泛应用于晶体管、二极管、整流器和太阳能电池等方面。,区分导体和绝缘体的原则：,固体中虽有很多电子，但如果一个固体中的电子恰好充满某一能带及其以下一系列能带，并在此之上相隔一个较宽禁带的其他能带都是空的，则为绝缘体；反之，如果电子未能填满最高的能带，或能带之间有重叠，就形成导体。,16,电子,施主能级,E,g,E,i,E,导带,满带,n,型半导体,受主能级,E,g,E,i,E,导带,满带,P,型半导体,空穴,17,18,以硅集成电路而言，纳米粒子的宏观隧道效应确立了微电子器件微型化的极限。目前国际上最窄线宽已为,130nm,，在十年以内将达到极限,(,小于,100nm),。如果将硅器件做的更小，电子会隧穿通过绝缘层，造成电路短路。,19,20,（,1,）“从上到下”的光刻法：,纳米技术在电子信息领域中的应用实例,在光刻法制作的集成电路中利用双光子光束技术，有可能将器件的极限缩小至,25nm,。,21,“,从上到下”的扫描探针法或,SPM,针尖法,纳米技术在电子信息领域中的应用实例,扫描探针法,制造纳米导线原理：,通过对基板上有机分子膜或硅施加电压脉冲，利用分子的连锁聚合来制造纳米导线。,22,（,2,）,“,从下到上,”,法,：将分子或原子组装成纳米结构。,典型应用：,a.,新一代的纳米器件：,蛋白质二极管、单电子晶体管等，替代硅材料。,“,后硅元件时代,”,。,b.,纳米银导线,（,一种类似于,“,蜘蛛吐丝,”,的方法制造。关键问题：导线的位置和长度控制问题。）,c.,碳纳米管导线（,通过催化生长的工艺可制作出长的纳米碳管。关键问题：有意识地分别制造具有半导体和金属性质的,CNT,。）,纳米技术在电子信息领域中的应用实例,23,纳米尺度单电子,管的一个实例,“,从下到上,”,的量子点法：,24,“,从下到上,”,法的纳米碳管,-,场效应晶体管（利用,CNT,的半导体性质）,25,芯片的发展与计算机科学的进步：,没人知道今后最先进的电子计算机会是什么模样，它们是如何组装的？有两点可以明确：相比今天的计算机，它们更小、更快、威力更大；是用化学方法组装的。这是一种趋势。,26,纳米金属与合金在电学性能上的新性能：,纳米晶,Pd,的电阻温度系数与晶粒尺寸的关系,纳米金属和合金材料的电阻高于,常规材料；,电阻温度系数强烈依赖于晶粒尺寸；随颗粒尺寸减小,电阻温度系数下降。,27,当颗粒小于某一临界尺寸,(,电子平均自由程,),时,电阻温度系数可能由正变负。例如：,28,纳米,Pd,块体的比电阻随粒径的减小而增加；,纳米晶,Pd,试样比电阻比常规材料的高；,比电阻随温度的上升而上升。,纳米金属与合金在电学性能上的新性能：,29,30,2,）材料的介电性,（交变电场作用下的电学性能）,电容与介电常数,-,表征电介质储存电能能力的大小。,电容,C,0,=Q,0,/V=,0,A,/l,r,=C/C,0,=/,0,0,称真空介电常数，,r,称相对介电常数,31,介电常数可看成介质中电介质极化强度的宏观量度。,32,层压电容器,电容器：,手机、个人电脑、汽车等几乎所有内藏电路的日常生活用品使用的重要电路元件。,纳米技术使得进一步增大单位体积电容器的静电容量成为可能，满足了电子产品小型化、高容量化的需求。,纳米技术在电子信息领域中的应用实例,33,纳米半导体材料的介电常数随测量频率的减小呈明显上升趋势。,在低频范围中,纳米半导体材料的介电常数呈现尺寸效应。,介电常数温度谱及介电常数损耗谱特征的不同。,压电特性的不同。,纳米金属与合金在电学性能上的新特性：,纳米技术在电子信息领域中的应用实例,34,同样的趋势表现于纳米,TiO2,和,SiO2,等材料。,在介电性上的新性能：,35,介电常数温度谱及介电损耗频率谱具有特殊特征,：,纳米,TiO,2,的介电损耗频率谱与介电常数温度谱,纳米,TiO,2,半导体的介电常数温度谱上存在一个峰,而在其相应的介电常数损耗谱上呈现一损耗峰。一般认为前者是由于离子转向极化造成的,而后者是由于离子弛豫极化造成的。,36,纳米材料由于表面电荷分布变化造成的局域电偶极矩引起的压电特性,由于纳米半导体界面存在大量的悬键,导致其界面电荷分布发生变化,形成局域电偶极矩。若受外加压力使偶极矩取向分布等发生变化,在宏观上产生电荷积累,会产生强的压电效应,而相应的粗晶半导体材料粒径可达微米数量级,界面急剧减小,没有压电效应。,37,某些物质当冷却到临界温度以下时，同时产生零电阻和排斥磁场的能力，被称为超导电性，这类材料称为超导材料。,什么是,超导材料,/,超导体,？,3,）超导电性,超导态的两个独立的基本属性：,零电阻效应和完全抗磁性。,38,1911,年，荷兰科学家昂内斯用液氦冷却水银，当温度下降到,.,K,时发现水银的电阻完全消失，这种现象称为超导电性。,超导体是如何被发现的？,普通金属（,Cu,）与超导金属（,Hg,）,39,超导材料的分类：,有哪些超导材料？,常规超导体：,超导元素,Ti,、,V,、,Nb,、,Ta,等；,超导合金,Nb-Ti,、,Nb-Zr,等；,超导化合物,Nb,3,Sn,、,V,3,Ga,等,高温常规超导体：,一些复杂的氧化物陶瓷,如钇系、铋系和铊系氧化物,其它类型超导体,：,非晶态超导体、复合超导体、,有机超导体和碱金属掺杂的,C,60,超导体。,很多，上千种。,关于超导的第一个误解。,关于超导的第一个误解。,40,超导体的发现历程：,六十年代：低温超导材料及低温技术（铌钛、铌锡、钒镓、铌锗合金）；八十年代中期始：高临界温度超导材料材料（钇系、铋系的带材、块材和薄膜的研究）,41,1987,年,2,月，美国华裔科学家,朱经武,和中国科学家,赵忠贤,相继在钇钡铜氧系材料上把临界超导温度提高到,90K,以上，突破了液氮的禁区（,77K,）。,1987,年底，铊钡钙铜氧系材料的临界超导温度的记录提高到,125K,。短短一年多的时间里，临界超导温度提高了,100K,以上，相比首次发现的超导合金,铌锗合金，其临界超导温度为,23.2K,，该记录保持了,13,年。,中国人的贡献：,各种各样的超导材料,42,BCS,超导电性量子理论（,BCS,超导微观理论）,超导电体的基本物理性质：,-,零电阻效应,在超低温下，超导体是如何失去电阻的呢,？,在超导体中，传导电流的电子不同与通常的电子导电的单个电子，是高度有序的。即：,两个具有相反旋转动量的电子结成,“库柏对”,互相牵制，不容易受到晶格的阻碍。这种有规律运动的电子可以毫无阻力地流过导体。,43,放大,500,倍的超导体的微结构,44,超导体的完全抗磁性：迈斯纳效应,45,1933,年，迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现，如果把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁感应线将从超导体中排出，不能通过超导体，这种现象称为抗磁性。,什么是超导体的完全抗磁性（迈斯纳效应）？,46,超导体的三个参数：,临界温度,Tc,无外磁场作用下，超导体由正常态到超导态的转变温度。,临界磁场,Hc,使超导态破坏而转变到正常态所需的磁场。,临界电流,Ic,通过超导体的电流达到一定数值时，可使超导体破坏而转变为超导态，此时的电流为临界电流。,47,1991,年,4,月,，（美国贝尔实验室），,C,60,掺入少量钾原子，,Ts,为,18K,；,7,月,，（日本,NEC,电子公司），,C,60,掺铯、铷，,33K,呈现零电阻；,11,月,，（北京大学），,C,60,掺锡，,Ts,为,37K,。,固态,C,60,。,是一种类似于,G,a,-A,s,的半导体。在,C,60,中掺有碱金属（,K,、,Rb,或,Cs,），它将转变成超导体,:,纳米超导体：,固态,C,60,48,有科学家预言，如能制成,C,540,，它将可能成为室温超导体。由于碳很容易被加工成细纤维，所以碳系超导体的加工性能比陶瓷系超导体要好得多。,纳米超导体：,C,540,49,高温超导体的主要应用：,大电流应用（强电应用）,发电；输电；储能。,电子学应用（弱电应用）,超导计算机、超导天线、超导微波器件。,抗磁性应用,磁悬浮列车和热核聚变反应堆等,.,50,发电,由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得,10,万高斯以上的稳态强磁场。而用常规导体做磁体，要产生这么大的磁场，需要消耗,3.5,兆瓦的电能及大量的冷却水，投资巨大。应用：,超导发电机、磁流体发电机,输电,用超导材料制作超导电线和超导变压器，可以把电力几乎无损耗地输送给用户。据统计，目前的铜或铝导线输电，约有,15%,的电能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力损失即达,1000,多亿度。若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。,51,核聚变反应堆“磁封闭体”,核聚变反应时，内部温度高达,1,亿,2,亿，没有任何常规材料可以包容这些物质。而超导体产生的强磁场可以作为“磁封闭体”，将热核反应堆中的超高温等离子体包围、约束起来，然后慢慢释放，从而使受控核聚变能源成为前景广阔的新能源。,超导计算机,-,约瑟夫逊器件,散热是超大规模集成电路面临的难题。超导计算机中的超大规模集成电路中元件间的互连线用超导器件,-,来制作，接近零电阻和超微发热，不存在散热问题，同时使计算机的运算速度大大提高。,52,。,超导磁悬浮列车,利用超导材料的抗磁性，将超导材料放在一块永久磁体的上方，由于磁体的磁力线不能穿过超导体，磁体和超导体之间会产生排斥力，使超导体悬浮在磁体上方。利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车,53,54,所谓约瑟夫逊效应是把两个超导体材料靠得非常紧、离得非常近时，即使它们之间的物质是绝缘的也会有电流通过。运用这个效应的器件就是约瑟夫逊元件。,约瑟夫逊元件通过调节两块超导体之间的绝缘层的厚薄，可以使其电压比某一特定值大时才有电流通过，小时则没有。,纳米技术在电子信息领域中的应用实例,55,本节重点,电子材料与信息技术的关系；,纳米电子材料的特性；,纳米超导材料及其应用。,56,