纳米电子学课件
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扫描隧道显微镜－－工作条件
? 振动隔离
STM单元尽可能坚固 减少环境振动对STM单元的传递
? 工作环境
大气、惰性气体、超高真空或液体
? 精度
针尖到样品的位置控制优于分辨率
? ?z＝0.01nm，?x、?y＝0.1nm
扫描范围
? Z方向0.1-1μm，X、Y方向0.1-1μm
18
纳米电子学研究方法
原子力显微镜－－原理
15
纳米电子学研究方法
扫描隧道显微镜－－测试方法
? 工作模式
模式 维持条件 测量 结果
使用电压
恒流法 电流I
?H 从?H算出?h，得到形貌图 0.01～0.1V
恒高法 总高恒定 I 从logI得到形貌图
0.01～0.1V
? 结果表示
灰度像
线扫描像
计算机模拟三维图像
16
纳米电子学研究方法
扫描隧道显微镜－－纳米级加工
8
纳米结构中电子学效应
小尺寸效应
? 小：与光波波长（百nm）、德布罗意波长、玻尔半径 （0.1nm）、相干长度（几nm）、穿透深度相当
? 内部晶体周期性边界条件改变 ? 特征光谱、磁序改变，超导相破坏、非热力学结构相
改变 ? 电、磁、声、光、热等物理性质变化
磁：颗粒变小 ->磁畴由多畴变为单畴 ->反转磁化 方式由畴壁位移变为磁畴转动 ->矫顽力显著增长 -> 制备永磁粉体
9
纳米结构中电子学效应
量子尺寸效应
? 纳米结构某维度尺寸降到纳米量级 ? 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 变化，能隙展宽
? 电导量子、电子的弹道输运、库仑阻塞 ? 场致发光、光吸收带蓝移、导体绝缘化、顺磁体
反磁化
10
纳米结构中电子学效应
纳米级器件中的电子流动不再是连续的，欧姆定律不适用
3
微电子学
摩尔定律(Moore's Law) ：
? 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18个月）将翻一番
? 1965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Si 中的德布 罗意波长 为10nm
4
纳米电子学
真空电子管、晶体管－－电子“数量” 单电子管－－电子的波动性、量子化 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）
? 单原子操纵
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 ） 吸附原子将会在强电场109～1010V/m的蒸发下被移动或提取 STM针尖上原子在强电场下蒸发、沉积到样品表面
? 阳极氧化法
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
17
纳米电子学研究方法
纳米技术－纳米电子学
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 电子管原理
1946年2月14日， 第一台电脑 ENIAC在 美国宾夕法尼亚大学 诞生。
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TRADIC
库仑堵塞效应
? 20世纪80年代发现 ? 物理体系小至纳米量级时，其充、放电不连续 ? 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 ? 电荷隧穿经过隧道结就像水龙头滴水
库仑堵塞能
? 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
11
纳米结构中电子学效应Biblioteka Baidu
? 原子之间在不同距离时有斥力或引力作用 ? 针尖(Si3N4)原子与样品原子作用使得易弯曲悬臂起伏 ? 微小偏转由激光检测并放大 ? 工作方式：恒力法、恒高法
原子力显微镜－－纳米级加工
? 直接雕刻加工 ? 电子束光刻加工
导电探针
19
纳米电子学研究方法
高分辨透射电镜(HRTEM)
? 通过材料内部对电子的散射和干涉作用成象 ? 分辨率可达到0.1nm以下 ? 在原子尺度直观的观察材料的微缺陷和结构
5
纳米电子学
对象：0.1-100nm 的纳米结构（量子点、单个量 子或量子波） 内容：探测、识别与控制其运动规律 研究：
? 在量子点内，单个量子或量子波所表现出来的特征和 功能
? 单个原子、分子人工组装和自组装技术 ? 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、 纳米机械学
原子力显微镜ATM
高分辨率透射电镜HRTEM
偏振差分反射光谱RDS
高空间分辨阴极荧光EL
13
纳米电子学研究方法
扫描探针显微镜（ Scanning Probe Microscope ， SPM）
? 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
大家族
? 扫描隧道显微镜（Scanning Tunnel Microscope，STM） ? 原子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM） ? 磁力显微镜（MFM） ? 近场扫描显微镜（SNOM）等
6
纳米电子学
纳米结构电子学效应
小尺寸效应
表面效应
量子尺寸效应
库仑堵塞效应
宏观量子隧道效应
7
纳米结构中电子学效应
表面效应
纳米微粒尺寸 d（nm） 10 4 2 1
包含总原子数
3×104 4×103 2.5×102
30
表面原子所占比例 （％） 20 40 80 99
表面原子增多 ->原子配位不足，表面能升高 ->表面原子活性上升 ->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 变化
宏观量子隧道效应
? 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
? 也指波的隧穿
? 量子共振隧穿晶体管、扫描隧道显微镜 ? 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， 使器件无法正常工作
12
纳米电子学
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
14
纳米电子学研究方法
扫描隧道显微镜－－原理
? 量子隧穿效应
样品：金属或半导体 针尖：金属W、Pt-Ir 与样品间偏置电压（1V） 针尖与样品间距小于1nm 电子在针尖与样品间产生隧道电流
? 测量表面原子结构和电子结构 电流I与距离S作指数反比关系： I∝e-S
? 原子级分辨率
针尖尖端小到原子尺度 电流集中在中心区
? 振动隔离
STM单元尽可能坚固 减少环境振动对STM单元的传递
? 工作环境
大气、惰性气体、超高真空或液体
? 精度
针尖到样品的位置控制优于分辨率
? ?z＝0.01nm，?x、?y＝0.1nm
扫描范围
? Z方向0.1-1μm，X、Y方向0.1-1μm
18
纳米电子学研究方法
原子力显微镜－－原理
15
纳米电子学研究方法
扫描隧道显微镜－－测试方法
? 工作模式
模式 维持条件 测量 结果
使用电压
恒流法 电流I
?H 从?H算出?h，得到形貌图 0.01～0.1V
恒高法 总高恒定 I 从logI得到形貌图
0.01～0.1V
? 结果表示
灰度像
线扫描像
计算机模拟三维图像
16
纳米电子学研究方法
扫描隧道显微镜－－纳米级加工
8
纳米结构中电子学效应
小尺寸效应
? 小：与光波波长（百nm）、德布罗意波长、玻尔半径 （0.1nm）、相干长度（几nm）、穿透深度相当
? 内部晶体周期性边界条件改变 ? 特征光谱、磁序改变，超导相破坏、非热力学结构相
改变 ? 电、磁、声、光、热等物理性质变化
磁：颗粒变小 ->磁畴由多畴变为单畴 ->反转磁化 方式由畴壁位移变为磁畴转动 ->矫顽力显著增长 -> 制备永磁粉体
9
纳米结构中电子学效应
量子尺寸效应
? 纳米结构某维度尺寸降到纳米量级 ? 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 变化，能隙展宽
? 电导量子、电子的弹道输运、库仑阻塞 ? 场致发光、光吸收带蓝移、导体绝缘化、顺磁体
反磁化
10
纳米结构中电子学效应
纳米级器件中的电子流动不再是连续的，欧姆定律不适用
3
微电子学
摩尔定律(Moore's Law) ：
? 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18个月）将翻一番
? 1965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Si 中的德布 罗意波长 为10nm
4
纳米电子学
真空电子管、晶体管－－电子“数量” 单电子管－－电子的波动性、量子化 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）
? 单原子操纵
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 ） 吸附原子将会在强电场109～1010V/m的蒸发下被移动或提取 STM针尖上原子在强电场下蒸发、沉积到样品表面
? 阳极氧化法
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
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纳米电子学研究方法
纳米技术－纳米电子学
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 电子管原理
1946年2月14日， 第一台电脑 ENIAC在 美国宾夕法尼亚大学 诞生。
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TRADIC
库仑堵塞效应
? 20世纪80年代发现 ? 物理体系小至纳米量级时，其充、放电不连续 ? 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 ? 电荷隧穿经过隧道结就像水龙头滴水
库仑堵塞能
? 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
11
纳米结构中电子学效应Biblioteka Baidu
? 原子之间在不同距离时有斥力或引力作用 ? 针尖(Si3N4)原子与样品原子作用使得易弯曲悬臂起伏 ? 微小偏转由激光检测并放大 ? 工作方式：恒力法、恒高法
原子力显微镜－－纳米级加工
? 直接雕刻加工 ? 电子束光刻加工
导电探针
19
纳米电子学研究方法
高分辨透射电镜(HRTEM)
? 通过材料内部对电子的散射和干涉作用成象 ? 分辨率可达到0.1nm以下 ? 在原子尺度直观的观察材料的微缺陷和结构
5
纳米电子学
对象：0.1-100nm 的纳米结构（量子点、单个量 子或量子波） 内容：探测、识别与控制其运动规律 研究：
? 在量子点内，单个量子或量子波所表现出来的特征和 功能
? 单个原子、分子人工组装和自组装技术 ? 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、 纳米机械学
原子力显微镜ATM
高分辨率透射电镜HRTEM
偏振差分反射光谱RDS
高空间分辨阴极荧光EL
13
纳米电子学研究方法
扫描探针显微镜（ Scanning Probe Microscope ， SPM）
? 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
大家族
? 扫描隧道显微镜（Scanning Tunnel Microscope，STM） ? 原子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM） ? 磁力显微镜（MFM） ? 近场扫描显微镜（SNOM）等
6
纳米电子学
纳米结构电子学效应
小尺寸效应
表面效应
量子尺寸效应
库仑堵塞效应
宏观量子隧道效应
7
纳米结构中电子学效应
表面效应
纳米微粒尺寸 d（nm） 10 4 2 1
包含总原子数
3×104 4×103 2.5×102
30
表面原子所占比例 （％） 20 40 80 99
表面原子增多 ->原子配位不足，表面能升高 ->表面原子活性上升 ->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 变化
宏观量子隧道效应
? 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
? 也指波的隧穿
? 量子共振隧穿晶体管、扫描隧道显微镜 ? 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， 使器件无法正常工作
12
纳米电子学
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
14
纳米电子学研究方法
扫描隧道显微镜－－原理
? 量子隧穿效应
样品：金属或半导体 针尖：金属W、Pt-Ir 与样品间偏置电压（1V） 针尖与样品间距小于1nm 电子在针尖与样品间产生隧道电流
? 测量表面原子结构和电子结构 电流I与距离S作指数反比关系： I∝e-S
? 原子级分辨率
针尖尖端小到原子尺度 电流集中在中心区