纳米科学技术概论.pdf

纳米科技的内涵和发展历程：彭练矛1.2005科学家关于纳米科技研究论文超过3万篇，标志着纳米时代的到来2.事物的尺度：蚂蚁5mm，灰尘10um，红细胞2.5um，DNA直径1nm，原子0.1nm3.纳米领域鼻祖：费曼（theres plenty of room at the bottom),自上而下的从原子尺度搭建机械4.什么事纳米科技：解释一：纳米科技对于不同的人有不同的含义，它必须能够让我们1.实现对每个原子的操控；2.从原子尺度构成任意不违背物理和化学规律的结构；3.造价不能严重超过所用的原材料和能量的代价。解释二：1.在纳米尺度上（1-100纳米），材料的物理，化学或生物性质与单原子和块体材料都有着显著不同；2.具有在原子尺度观测，操控物质的能力5.读写单个原子分辨：AFM，STM6.为什么纳米科技重要：1.随着微电子技术的进一步发展，通过自上而下实现器件即将走到尽头；2.借助于纳米技术，我们能够解决很多过去不能解决的生物化学问题微电子发展现状与趋势：彭练矛1.微电子成熟的FET和CMOS技术，原理2.提高传统CMOS性能的方法：1.新器件结构（FinFET和Tri-GATE），2.新材料（用厚高K材料氧化铪替代薄低K值SiO2做绝缘栅减小漏电流，兼容金属栅；提高电子迁移率用张力硅；III-V材料替代硅，生长？空穴迁移率？成本？）3.2020年硅基CMOS极限4.半导体路线图委员会：碳基纳米电子学：构成FET，高空穴迁移率，高开关速度，高频响应纳米材料I：一般介绍：彭练矛1.什么事纳米材料：1.没有通用的定义；2.特征尺寸咋1-100纳米；3.具有大表体面积比；4.有显著的量子限域效应2.块体材料，量子井，纳米线，量子点态密度3.量子限域效应：碳纳米管带隙受纳米管直径调控；减小纳米结构的大小会增加允许的能级之间的能量差，而大的能量差在电子由高能级向低能级跃迁时放出光子波长更短。颗粒增大时吸收峰红移（颜色变化决定于原来吸收峰范围）4.什么是量子点？任何直径与电子波长可比拟的固体颗粒材料，叫做量子点。什么是纳米线？任何直径小于100nm的线形固体材料，叫做纳米线。什么是纳米管？纳米管是一种中空的纳米线，一般管壁厚度在分子尺度。最小的纳米管事单壁碳管。为什么纳米材料引起广泛的兴趣？因为它具有许多具有应用前景的，块体材料所没有的性质：1.电子学和光学性质（对电子和光子传导的限域作用，无缺陷材料可以实现弹道输运，量子限域效应-可调光学性质）；2.机械性质（无缺陷材料-表现出理想强度，如碳管机械强度）；3.热学性质（可以设计成理想的热良/差导体）；化学性质（大表体面积比）5.纳米材料的应用:1.量子点作为荧光产生物；2.纳米管作为结构增强成分；3.一维材料作为传导通道；4.纳米线做laser与LED；5.高精度探测器6.纳米结构的合成：自上而下（10um吉他）；自下而上（催化，自组装）纳米材料II：碳纳米管：彭练矛1.碳元素和轨道杂化：1S2与2P2能量间隔较小，sp1一维；sp2二维；sp3三维2.碳纳米管性质：1.0.6-1.8nm，密度小，强度大，可大角度无损弯曲，最高承受电流大，导热性好，价格昂贵。3.单壁碳管分类：(2n+m)/3=I；即n，m除3余数相同，则为金属性。反之，为半导体性。Nano technology review2011年6月11日13:36 分区 新分区 1 的第 1 页 纳米材料的表征-电镜：陈清1.物质的性质取决于材料的组成和结构。对材料组成的分析手段包括化学分析（光谱分析，X射线能谱EDX，俄歇谱，XPS），纳米尺度化学分析（结合电镜的EDX，EELS）对材料结构的分析方法包括放大成像（人眼，光学显微镜，TEM，SEM），衍射（X射线、电子、中子衍射），表面结构分析（SPM）2.只有电子显微镜既可以成像又可以衍射，还可以做成分分析（EDX，EELS）3.衍射条纹间距总是反比于衍射物质间距，衍射图样是晶格的傅里叶变换（倒空间）。4.布拉格衍射条件2dsin(theta)=n*lamada5.相比XRD、中子衍射，电子衍射优势：1.和物质相互作用强；2.容易得到强射线源；3.小散射角度对电子态非常敏锐；4.大散射角对原子核敏锐；5.探测范围小6.电子显微镜相对于光学显微镜优势：1.高分辨率（TEM:0.1nm&SEM:1nm v.s 0.61*lamada/N.A.）；2.更大焦深7.工作原理对比：传统光学显微镜利用一系列透镜弯曲光线来获得放大的像；TEM通过一系列磁透镜来弯曲电子束来获得放大的像；SPM利用探针（电子束，微悬臂等）扫描样品，逐点拼接图像，分辨率决定于探针大小（电子束作用范围）8.电子物质相互作用：9.TEM局限性：探测面积小，对TEM像的解释，电子束对样品的损坏，安全性，样品制备10.电子源：热发射电子源，场发射电子源，肖特基发射电子源11.SEM中SE成像其他因素的影响：1.加速电压（大加速电压形成小电子束，增大分辨率。但对样品破坏，边缘效应明显，穿透深度加大，表面信息丢失，充电现象）；2.工作距离（工作距离增加，场深加大，分辨率减小）；3.孔径大小（小孔径对应小电子束，场深增大，分辨率提高）12.SEM中BSE成像：与原子序数有关13.TEM成像与电子衍射装置原理，TEM其他内容：1.明场像和暗场像获得；2.衬质厚度的倒置；3.EDX原理 4.EELS原理与装置纳米材料的表征-原位测量：许胜勇1.什么是原位测量？运用无损（或致微小损伤）的技术手段，获取有关样品的各类参数。原位生长、修饰、调制（分子束外延薄膜原位测量与生长原理，RHEED）2.纳米材料原位测量方法：1.环境扫描电子显微镜；2.原位操纵下材料电学、力学性质测量；3.原位热偶阵列测量系统纳米材料的表征扫描探针显微镜：申自勇1.什么是扫描探针显微？扫描探针显微镜是以STM与AFM为代表的采用扫描探针技术的表面分析设备的总 称。特征X射线，电致荧光，二次电子，俄歇电子，背散射电子，吸收，弹性散射，非弹性散射，直穿电子2.成像原理：加偏压下的隧穿效应，隧穿电流正比于 在小偏压下，隧穿电流正比于费米面附近的电子态密度 分区 新分区 1 的第 2 页 3.SPM特点：高分辨率（横向1A，纵向0.1A），可工作在多种环境下，局域探测，原子纳米级操控等4.SPM应用举例：Si的7*7顶戴曾错重构模型；Ag吸附的Si的3*3重构；IBM单原子操纵；纳米平板印刷；能量分辨成像。5.SPM基本结构：探针（SPM针尖：金属针尖，与针尖表面电子态有关，针尖形貌影响不大；AFM探针（微悬臂+光学控制系统）、机械控制部分（压电扫描器，粗调定位装置：惯性步进机，振动隔离）、电子学控制部分6.利用STM研究表面微观局域电子态变化，利用偏压实现对成像电子态的控制（占据态、非占据态）7.AFM对针尖和样品的之间的电磁相互作用进行成像，包括范氏力，毛细力，粘滞力，静电力，磁力等8.AFM成像模式：1.接触模式（库伦斥力，稳定性好，分辨率高，污染损伤样品和探针）；2.非接触模式（长程范氏力，不稳定，分辨率低）；3半接触模式9.其他：LFM、CFM、PDM、FMM、SCM、EFM、MFM纳米材料的光学性能与测量：王胜1.波长能量换算：lamada（nm）1240/E(eV)2.散射分类：瑞利散射（解释），拉曼散射（原理）3.半导体，绝缘体，导体能带结构及解释4.能带结构和颜色3eV（红色），1.7eV（蓝色）5.什么是激子？电子由价带激发到导带后在，价带形成一个空穴，电子和空穴之间通过库伦相互作用束缚在一起而形成的的复合体。激子作用：激子具有自身的能级结构（分立类氢结构），自由激子容易与杂质结合形成发光中心，特别在量子化低维结构中，激子束缚能加强，激子效应增强。激子束缚能正比于纳米线直径的倒数。6.KT=25.9meV7.荧光过程：本征跃迁，带内跃迁，有杂质能级参与的跃迁，激子复合，双电子跃迁8.为什么要用光学测量？1.光学方法是检测和标定半导体材料物性（能带结构，声子结构，束缚）最基本、重要手段；2.无接触，无损伤，灵敏度高，不同波长间无干扰。9.单个纳米影响结构测量：近场光学，远场共聚焦，Raman，PL10.表面对发光的(待查）11.光探测其原理：1.量子效率：在光电效应中在某特定波长的每秒钟产生的电子空穴对和入射光子数之比；2.响应度：在某一波长下，光电流功率/入射光强纳米材料的电学性能与测量：廖建辉1.介观物理示例：1.金团簇中的电子束缚态（团簇是少数原子团聚成的聚集体，团簇类似大分子，其中的自由电子轨道扩展到整个团簇范围，本征态取决于体系的形状）；2.团簇中的壳层结构和幻数；3.固体环中的电子干涉；4.金属岛中的单电子充电2.导电体系的基本性质：费米波长，平均自由程（弹性：静态散射中心，如位错，杂质，界面和非弹性（相位相干长度）：非静态和依时散射中心，如声子，电子），能级（能级间隔正比于1/L2)，态密度（单位能量内量子态数目），输运区域划分（经典或量子：Llamada_i|lamada_iL，扩散或弹道:Llamada_e|lamada_eL）3.科研介绍：纳米颗粒阵列中电子输运（临界现象，阈值电压），图案化纳米颗粒阵列纳米材料的模拟计算：叶林晖1.“电子结构”是做什么的？材料的物性原则上可以通过量子力学规律求解多原子系统的量子力学状态，以及其状态随外界条件影响下的变化来得到。而多原子系统的响应主要体现在电子状态随外界条件影响而改变，从而归结到多电子系统量子力学状态问题的求解，并根据其状态随外界条件的演变，解释或预言材料物性，即“电子结构”领域的基本任务。2.“电子结构”是怎么做的？1.多原子体系本征方程-波恩-奥本海默近似（量子电子,经典核）-多电子体系本征方程（不存在可调参数，“第一性原理”电子结构计算）-单电子近似（每个电子在其他电子构成的平均势场中运动）：Hartree近似（波函数直乘，独立可分辨粒子模型）、Hartree-Fock近似（独立全同粒子模型：交换作用）2.电子结构严格解：CI方法：选用M个单电子本征态作为本征基，从中选取N个基构建N*N的slater行列恒高度模式与恒电流模式 分区 新分区 1 的第 3 页 式，将所有可能的行列式作为最终电子态的基，线性叠加得到最终电子态。-多行列式效应（电子关联效应）困难：行列式数岁原子数增多极具增大；随原子数增多，所需存储容量无法满足；累积误差大。3.电子之间相互作用：经典库伦相互作用、交换作用、关联作用。3.现行电子结构方法密度泛函方法：1.依据：N电子系统所有物理量都是基态电子密度函数的泛函；2.N电子系统基态电荷密度函数，可通过求其基态能量泛函极小来求解；3.求解过程：物理量泛函形式，求解电子密度函数，求解物理量。4.难点：能量泛函未知-近似能量泛函（动能项，库伦势能，交换关联能项？）LDA/GGA4.评论：近似交换关联能项-单粒子平均场近似理论.主要问题：描述激发态问题存在严重问题（能隙过小），不能处理强关联问题。纳米电子器件-碳管、石墨烯器件：张志勇1.碳管晶体管的极性是由注入载流子的类型来决定的2.纳米碳管电子器件的主要优势：高速（迁移率电子空穴10w；高截止频率)、小尺度（直径1-3nm）、对称CMOS（对称CNT能带结构）、弹道输运（CNT平均自由程1um）、柔韧性（柔性电子学）、稳定性（温度）等3.CNT电子学发展的主要障碍：得到纯半导体碳管（目前最常用方法：电学烧断）4.石墨烯作为电子材料的特点：超高迁移率（20w），超高热导率，高费米速度，低电噪声，宽度连续可调，零禁带宽度（开关比小，不适合构建数字电路，高频模拟电路潜质）5.打开石墨烯BG：1.尺寸限制（纳米条带，迁移率下降）；2.双层石墨烯（栅压控制）6.石墨烯高频器件存在问题：1.输出电阻大；2.无法通过调节器件宽度来增加电流；3.单管器件寄生电容大，多管器件性能起伏大。纳米光电器件：王胜1.光探测器：PN结PD，PIN结PD，异质结光电二极管，雪崩光电二极管，纳米线雪崩光电二极管，CNTpnjunction光电二极管，Si-SWCNT异质结，MGM光探测器2.光调制器：石墨烯光调制器3.LED：电致发光机制（强电场导致离子化，加速电子或空穴碰撞激发离化发光中心或晶格，载流子注入）交叉纳米线LED、轴纳米线异质结、多层包裹纳米线异质结、移动双极性纳米管红外发射器4.CNT-FET发光：（1）E,H注入双极型FET，需要大偏压和栅压，确保载流子隧穿注入；（2）碰撞激发，需大偏压激发，发光谱较宽；（3）其他，静电掺杂，激子发光纳米能源器件：孙文涛1.太阳光辐照：AM0-大气层以外的太阳辐照140mw/cm2；AM1-太阳在正上方水平面处的辐照，约100mw/cm2；AM1.5-太阳能电池标准条件，天顶角48.2度，辐照通量96.3mw/cm2；AM2-天顶角60.1度，辐照通量75mw/cm22.太阳能电池评价参数：短路光电流Isc，开路光电压Voc，填充因子FF，光电转换效率eta（最大输出功率/入射光强），入射光子转换成电子效率IPCE4.薄膜太阳能电池：（1）优点：薄膜低厚度，可降低消耗，现代工艺可快速大面积沉积。纳米薄膜增大界面面积，提高光子吸收率。吸收层厚，膜间距小，有效提高电荷传导效率（2）分类：晶体硅薄膜太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池（氢化无定形硅材料，光致衰退效应：改进方法-叠层电池技术、a-Si/c-Si异质结）、多元化合物薄膜太阳能电池（CdTe10%，CIGS13%,GaAs：叠层41%，最高，可应用做聚光太阳能电池CPV)3.传统太阳能电池：（1）原理：光电效应；（2）结构：（3）标准PN结太阳能电池损耗：晶格振动、结损失、接触损失、复合损失；（4）提高效率：堆叠太阳能电池、热载流子电池、多载流子激发、多能带电池、热光伏技术 分区 新分区 1 的第 4 页 5.染料敏化太阳能电池：（1）基本原理：（2）优缺点：优点-成本低，工艺简单；缺点：效率低（13%），封装困难，使用寿命低；（3）提高光电效率：染料、封装、氧化物分子电子学简介：侯士敏1.功能分子器件基本问题：如何构建、测量和理解单分子电导，如何利用栅电极控制电子传输通过单分子，从而构成分子晶体管。2.什么是分子电子学？分子电子学研究的是分子水平上的电子学，其目标是用单分子、超分子或分子簇代替硅基半导体晶体管等固体电子器件组装逻辑电路，乃至组装完整的分子计算机。分子电子器件：廖建辉1.电接触分子不同方法：接触分子聚集体的方法（纳米孔方法，交叉线方法，阴影掩膜法，导电聚合物电极法，微转移印刷法，纳米颗粒阵列法，AFM法，汞滴法）；接触单个分子的方法（机械可控断裂结法，STM断裂结法，电致迁移断裂结法，金纳米颗粒法）2.表征分子器件的方法：I-V曲线，一阶微分电导，光学方法，二阶微分电导（调制和锁相放大技术，调制展宽和温度展宽）3.功能分子器件：分子导线，分子开关，分子二极管，分子晶体管纳米显示器件：张耿民1.热发射电流密度：j=AT2exp(-Wf/kT)2.场发射电流密度：j=AF2/Wf*exp(-B*power(Wf,3/2)/F)3.spindt emitter缺点：工艺复杂（成本高），均匀性差（电场过高-部分烧坏，电场过低部分不发射），对吸收很敏感（要求高真空）4.液晶显示原理：介于固体和液体之间一种物态，在液晶显示中靠近上极板的分子极性的取向与靠近下极板的分子极性的取向正交，分子极性取向在空间由上至下成扭转分布。当偏振入射时，偏振方向会沿着液晶分子极性取向的扭转而转动，再通过下端的检偏器。若在两极板间加上偏压，液晶分子会沿垂直于极板方向偏转，使得入射偏振光的随分子极性取向的转动程度发生变化，这个变化通过下方的检偏器反应到光强上。纳米生物及相关器件：许胜勇1.基于FET的纳米探测器，纳米微悬臂生物探测器。分区 新分区 1 的第 5 页