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纳米技术纳米电子学1 1无线电电子学1906年美国发明家德福雷斯特发明真空电子管19461946年年2 2月月1414日，日，第一台电脑第一台电脑ENIACENIAC在在美国宾夕法尼亚大学美国宾夕法尼亚大学诞生。诞生。电子管原理2 2微电子学1947年12月23日美国贝尔实验室的肖克莱、巴丁、布拉顿发明“点接晶体管放大器”晶体管原理贝尔实验室于1954年研制成功第一台使用晶体管的第二代计算机TRADIC3 3微电子学摩尔定律摩尔定律(Moores Law)(Moores Law)：n n集成电路基片上单位面积的晶体管数目在每一次技术改集成电路基片上单位面积的晶体管数目在每一次技术改进中（约进中（约1818个月）将翻一番个月）将翻一番n n19651965年提出年提出下一代微处理器的线宽只有35nm，晶体管有20亿只电子在电子在Si中的德布中的德布罗意波长罗意波长为为10nm4 4纳米电子学真空电子管、晶体管电子“数量”纳米电子学(Nanoelectronics)：提出于1990年纳电子学：信号处理时间纳秒（ns），信号功率纳焦（nW）单电子管电子的波动性、量子化5 5对象：对象：0.1-100nm0.1-100nm的纳米结构（量子点、单个量的纳米结构（量子点、单个量子或量子波）子或量子波）内容：探测、识别与控制其运动规律内容：探测、识别与控制其运动规律研究：研究：n n在量子点内，单个量子或量子波所表现出来的特征和在量子点内，单个量子或量子波所表现出来的特征和功能功能n n单个原子、分子人工组装和自组装技术单个原子、分子人工组装和自组装技术n n用于信息的产生、传递和交换的器件、电路与系统用于信息的产生、传递和交换的器件、电路与系统应用：信息科学技术、纳米生物学、纳米测量学、应用：信息科学技术、纳米生物学、纳米测量学、纳米机械学纳米机械学纳米电子学6 6纳米结构电子学效应纳米结构电子学效应库仑堵塞效应宏观量子隧道效应量子尺寸效应小尺寸效应表面效应纳米电子学7 7纳米结构中电子学效应表面效应表面效应纳米微粒尺寸纳米微粒尺寸d d（nmnm）包含总原子数包含总原子数表面原子所占比例表面原子所占比例（）（）10103103104 420204 44104103 340402 22.5102.5102 280801 130309999表面原子增多表面原子增多-原子配位不足，表面能升高原子配位不足，表面能升高-表面原子活性上升表面原子活性上升-纳米粒子表面原子输纳米粒子表面原子输运和构型变化，表面电子自旋和电子能谱运和构型变化，表面电子自旋和电子能谱变化变化8 8纳米结构中电子学效应小尺寸效应小尺寸效应n n小：与光波波长（百小：与光波波长（百nmnm）、德布罗意波长、玻尔半径）、德布罗意波长、玻尔半径（0.1nm0.1nm）、相干长度（几）、相干长度（几nmnm）、穿透深度相当）、穿透深度相当n n内部晶体周期性边界条件改变内部晶体周期性边界条件改变n n特征光谱、磁序改变，超导相破坏、非热力学结构相特征光谱、磁序改变，超导相破坏、非热力学结构相改变改变n n电、磁、声、光、热等物理性质变化电、磁、声、光、热等物理性质变化磁：颗粒变小磁：颗粒变小-磁畴由多畴变为单畴磁畴由多畴变为单畴-反转磁化反转磁化方式由畴壁位移变为磁畴转动方式由畴壁位移变为磁畴转动-矫顽力显著增长矫顽力显著增长-制备永磁粉体制备永磁粉体9 9纳米结构中电子学效应量子尺寸效应n n纳米结构某维度尺寸降到纳米量级纳米结构某维度尺寸降到纳米量级n n电子波动性处于分离的量子化能级中，电子能电子波动性处于分离的量子化能级中，电子能谱由准连续变为离散，表面结构和电子态急剧谱由准连续变为离散，表面结构和电子态急剧变化，能隙展宽变化，能隙展宽n n电导量子、电子的弹道输运、库仑阻塞电导量子、电子的弹道输运、库仑阻塞n n场致发光、光吸收带蓝移、导体绝缘化、顺磁体场致发光、光吸收带蓝移、导体绝缘化、顺磁体反磁化反磁化1010纳米结构中电子学效应库仑堵塞效应n n2020世纪世纪8080年代发现年代发现n n物理体系小至纳米量级时，其充、放电不连续物理体系小至纳米量级时，其充、放电不连续n n若一个电子隧穿进入库仑岛，它会阻止第二个若一个电子隧穿进入库仑岛，它会阻止第二个电子再次进入，以保持系统能量稳定电子再次进入，以保持系统能量稳定n n电荷隧穿经过隧道结就像水龙头滴水电荷隧穿经过隧道结就像水龙头滴水纳米级器件中的电子流动不再是连续的，欧姆定律不适用纳米级器件中的电子流动不再是连续的，欧姆定律不适用库仑堵塞能n n充入一个电子所需的能量，电子进入或离开充入一个电子所需的能量，电子进入或离开体系中时前一个电子对后一个的库仑排斥能体系中时前一个电子对后一个的库仑排斥能1111纳米结构中电子学效应宏观量子隧道效应n n即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒子仍能穿越这一势垒 n n也指波的隧穿也指波的隧穿n n量子共振隧穿晶体管、扫描隧道显微镜量子共振隧穿晶体管、扫描隧道显微镜n n在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作使器件无法正常工作 1212纳米电子学研究方法纳米电子学研究方法扫描探针显微镜SPM扫描隧道显微镜STM原子力显微镜ATM纳米电子学偏振差分反射光谱RDS高分辨率透射电镜HRTEM高空间分辨阴极荧光EL1313纳米电子学研究方法扫描探针显微镜（扫描探针显微镜（Scanning Probe MicroscopeScanning Probe Microscope，SPMSPM）n n利用探针针尖与表面原子间的不同种类的局域作用来测利用探针针尖与表面原子间的不同种类的局域作用来测量表面原子结构和电子结构量表面原子结构和电子结构大家族大家族n n扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（Scanning Tunnel MicroscopeScanning Tunnel Microscope，STMSTM）n n原子力显微镜（原子力显微镜（Atomic Force Microscope,AFMAtomic Force Microscope,AFM）n n磁力显微镜（磁力显微镜（MFMMFM）n n近场扫描显微镜（近场扫描显微镜（SNOMSNOM）等）等1414纳米电子学研究方法扫描隧道显微镜原理扫描隧道显微镜原理n n测量表面原子结构和电子结构测量表面原子结构和电子结构电流电流I I与距离与距离S S作指数反比关系：作指数反比关系：I I e e-S-Sn n原子级分辨率原子级分辨率针尖尖端小到原子尺度针尖尖端小到原子尺度电流集中在中心区电流集中在中心区n n量子隧穿效应量子隧穿效应样品：金属或半导体样品：金属或半导体针尖：金属针尖：金属WW、Pt-IrPt-Ir与样品间偏置电压（与样品间偏置电压（1V1V）针尖与样品间距小于针尖与样品间距小于1nm1nm电子在针尖与样品间产生隧道电流电子在针尖与样品间产生隧道电流1515纳米电子学研究方法扫描隧道显微镜测试方法扫描隧道显微镜测试方法n n工作模式工作模式模式模式维持条件维持条件测量测量 结果结果使用电压使用电压恒流法恒流法 电流电流I IHH从从 H H算出算出 h h，得到形貌图，得到形貌图 0.010.010.1V0.1V恒高法恒高法 总高恒定总高恒定I I从从logIlogI得到形貌图得到形貌图0.010.010.1V0.1Vn n结果表示结果表示线扫描像灰度像计算机模拟三维图像1616纳米电子学研究方法扫描隧道显微镜纳米级加工扫描隧道显微镜纳米级加工n n单原子操纵单原子操纵高真空下，平行式、垂直式高真空下，平行式、垂直式针尖和样品表面之间施加电压脉冲（数伏电压、数十毫秒针尖和样品表面之间施加电压脉冲（数伏电压、数十毫秒 ）吸附原子将会在强电场吸附原子将会在强电场10109 910101010V/mV/m的蒸发下被移动或提取的蒸发下被移动或提取STMSTM针尖上原子在强电场下蒸发、沉积到样品表面针尖上原子在强电场下蒸发、沉积到样品表面n n阳极氧化法阳极氧化法电化学反应：针尖为阴极，试件表面为阳极电化学反应：针尖为阴极，试件表面为阳极吸附在试件表面的水分子起电解液作用吸附在试件表面的水分子起电解液作用1717纳米电子学研究方法扫描隧道显微镜工作条件扫描隧道显微镜工作条件n n振动隔离振动隔离STMSTM单元尽可能坚固单元尽可能坚固减少环境振动对减少环境振动对STMSTM单元的传递单元的传递n n工作环境工作环境大气、惰性气体、超高真空或液体大气、惰性气体、超高真空或液体n n精度精度针尖到样品的位置控制优于分辨率针尖到样品的位置控制优于分辨率n n z z0.01nm0.01nm，x x、y y0.1nm0.1nm扫扫描范描范围围n nZ Z方向方向0.1-10.1-1mm，X X、Y Y方向方向0.1-1m0.1-1m1818纳米电子学研究方法原子力显微镜原理原子力显微镜原理n n原子之间在不同距离时有斥力或引力作用原子之间在不同距离时有斥力或引力作用n n针尖针尖(Si(Si3 3N N4 4)原子与样品原子作用使得易弯曲悬臂起伏原子与样品原子作用使得易弯曲悬臂起伏n n微小偏转由激光检测并放大微小偏转由激光检测并放大n n工作方式：恒力法、恒高法工作方式：恒力法、恒高法原子力显微镜纳米级加工原子力显微镜纳米级加工n n直接雕刻加工直接雕刻加工n n电子束光刻加工电子束光刻加工导电探针导电探针1919纳米电子学研究方法高分辨透射电镜高分辨透射电镜(HRTEM)(HRTEM)n n通过材料内部对电子的散射和干涉作用成象通过材料内部对电子的散射和干涉作用成象n n分辨率可达到分辨率可达到0.1nm0.1nm以下以下n n在原子尺度直观的观察材料的微缺陷和结构在原子尺度直观的观察材料的微缺陷和结构偏振差分反射光谱（偏振差分反射光谱（Reflectance-difference Reflectance-difference spectroscopy,RDS)spectroscopy,RDS)n n被测样品的平面光学各向异性讯号被测样品的平面光学各向异性讯号n n检测导体的表面和异质界面结构检测导体的表面和异质界面结构n n获得界面原子互混、原子分凝、界面获得界面原子互混、原子分凝、界面粗糙度粗糙度和表面行为等信息和表面行为等信息 高空间分辨阴极荧光高空间分辨阴极荧光(EL)(EL)n n在低温和高真空条件下，利用的聚焦电子束作激发源，对在低温和高真空条件下，利用的聚焦电子束作激发源，对单个或几个量子点的发光行为进行实验研究单个或几个量子点的发光行为进行实验研究 2020纳米导电材料低维半导体材料纳米磁性材料纳米电子陶瓷单电子学与单电子器件纳米体系中的电子波和电子波器件纳米光电材料纳米电子学材料与器件制备2121纳米电子学材料与器件制备纳米导电材料n n制备：惰性气体蒸发、原位加压法，高能球磨制备：惰性气体蒸发、原位加压法，高能球磨法，非晶晶化法，直接淬火法、形变诱导纳米法，非晶晶化法，直接淬火法、形变诱导纳米晶形成（块体）晶形成（块体）n n应用：应用：高强金属导线高强金属导线导电浆料导电浆料低温焊料低温焊料2222纳米电子学材料与器件制备纳米电子陶瓷n n制备：制备：粉体：热解法、沉淀法、溶胶凝胶法、水热合成粉体：热解法、沉淀法、溶胶凝胶法、水热合成法、喷雾法、微乳液、机械粉碎法法、喷雾法、微乳液、机械粉碎法成型：常温单向压制、冷等静压、离心法成型：常温单向压制、冷等静压、离心法烧结：常压烧结、热压烧结、热等静压烧结、微波烧结：常压烧结、热压烧结、热等静压烧结、微波烧结、等离子体烧结烧结、等离子体烧结n n应用：绝缘、介电、铁电、压电、热敏、气敏、应用：绝缘、介电、铁电、压电、热敏、气敏、压敏、湿敏、导电、磁性压敏、湿敏、导电、磁性2323纳米电子学材料与器件制备纳米磁性材料巨磁电阻效应(Giant Magneto Resistence MGR)n n在一定的磁场下电阻急剧变化，幅度比通常磁在一定的磁场下电阻急剧变化，幅度比通常磁性金属、合金材料磁电阻高性金属、合金材料磁电阻高1010余倍余倍n n应用：应用：GMRGMR磁头（读出），铁磁磁头（读出），铁磁/非磁非磁/铁磁三铁磁三层，层，1.8nm1.8nm磁性液体n n用表面活性剂处理过的超细（用表面活性剂处理过的超细（10nm10nm以下）磁以下）磁性微粒高度分散在基液中形成的磁性胶体性微粒高度分散在基液中形成的磁性胶体n n微粒单畴近单畴，液体超顺磁性微粒单畴近单畴，液体超顺磁性n n应用：旋转轴动态密封、增进扬声器功率、比应用：旋转轴动态密封、增进扬声器功率、比重分离重分离2424纳米电子学材料与器件制备低维半导体材料超晶格低维半导体材料超晶格n n19701970年美国年美国IBMIBM实验室的江崎和朱兆祥提出实验室的江崎和朱兆祥提出n n特定形式的层状精细特定形式的层状精细复合材料：两种不同复合材料：两种不同组元以小于组元以小于100nm100nm的的薄层交替生长、保持薄层交替生长、保持严格周期性严格周期性n n制备：分子束外延、制备：分子束外延、CVDCVD、LBLB膜、自组装膜、自组装n n应用：量子阱激光器、应用：量子阱激光器、超快光开关、光调制超快光开关、光调制器器2525纳米电子学材料与器件制备低维半导体材料半导体量子线n n制备：外延生长、模板法（基底法、自组装法、制备：外延生长、模板法（基底法、自组装法、空间限制模板法）、非模板法（空间限制模板法）、非模板法（VLSVLS、SLS)SLS)n n性能：电导量子化、超导现象、超快光学非线性能：电导量子化、超导现象、超快光学非线性反应、室温光致发光性反应、室温光致发光n n应用：磁光、磁性测量，单电子器件，场效应应用：磁光、磁性测量，单电子器件，场效应晶体管晶体管2626纳米电子学材料与器件制备低维半导体材料量子点n n制备：应变自组装技术、微结构生长和微细加制备：应变自组装技术、微结构生长和微细加工相结合、表面活性剂法、工相结合、表面活性剂法、VLSVLS生长法、离子生长法、离子注入、模板法注入、模板法n n性能：瓶颈效应、粒子反转率、直接能带到间性能：瓶颈效应、粒子反转率、直接能带到间隙能带的转变隙能带的转变n n应用：半导体量子点激光器、量子点红外探测应用：半导体量子点激光器、量子点红外探测器、单电子器件器、单电子器件2727纳米电子学材料与器件制备低维半导体材料准一维纳米材料n n碳纳米管：中空、有一定厚度、单层或多层碳纳米管：中空、有一定厚度、单层或多层制备：碳棒电弧放电热分解、激光剥离技术、制备：碳棒电弧放电热分解、激光剥离技术、CVDCVD性能：金属性、半导体性性能：金属性、半导体性应用：碳纳米管场发射器件、应用：碳纳米管场发射器件、AFMAFM针尖、微电子互针尖、微电子互连、碳纳米管场效应晶体管连、碳纳米管场效应晶体管n n非碳纳米管：选择性腐蚀基底卷曲制备，模板非碳纳米管：选择性腐蚀基底卷曲制备，模板法制备、高温固体气相法制备、高温固体气相2828纳米电子学材料与器件制备纳米光电材料纳米发光材料n n性质：光谱蓝移或红移、宽频带强吸收发光、高发光效率、高分辨率n n形态：粒状、膜状、块状n n组成：半导体、复合、稀土2929纳米电子学材料与器件制备纳米光电材料纳米光电转换材料n n普通太阳能电池普通太阳能电池原理：利用光电材料吸收光能后发生的光生载流子原理：利用光电材料吸收光能后发生的光生载流子n n纳米晶光电化学电池纳米晶光电化学电池NPCNPC原理：氧化还原反应实现电子空穴分离原理：氧化还原反应实现电子空穴分离优点：工艺简单、对电极中缺陷不敏感优点：工艺简单、对电极中缺陷不敏感组成：导电玻璃、多孔纳米组成：导电玻璃、多孔纳米TiOTiO2 2膜、染料光敏化剂、膜、染料光敏化剂、电解质膜、电极电解质膜、电极3030纳米电子学材料与器件制备单电子学和单电子器件Single-Electron Transistor(SET)n n19871987年贝尔实验室年贝尔实验室T.A.FultonT.A.Fulton和和G.J.DolanG.J.Dolan制成制成第一只单电子晶体管第一只单电子晶体管n n组成：金属组成：金属SETSET、有机或生物、有机或生物SETSET、半导体、半导体SETSETn n半导体半导体SETSET：表面栅极：表面栅极SETSET、波导型、波导型SETSET、点、点接触平面栅极型接触平面栅极型SETSET3131纳米电子学材料与器件制备纳米体系中的电子波和电子波器件n n量子干涉量子干涉n n电子波器件电子波器件电子波干涉计电子波干涉计n nMach-ZenderMach-Zender型干涉计型干涉计n n短线波导型干涉计短线波导型干涉计电子波导型器件电子波导型器件n n电子波定向耦合器电子波定向耦合器n n电子波导电子波导A/DA/D转换器转换器3232此课件下载可自行编辑修改，供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！33