纳米电子学课件
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纳米电子学PPT课件
6
硅材料表面上纳米细线的刻蚀步骤
（a）在Si材料的表面上沉积有一层厚度为65 nm 的抗刻蚀聚合物材料； （b）受到电子束的激励后，抗刻蚀聚合物材料 发生聚合反应而形成一层特殊的抗刻蚀层； （c）将没有受到电子束激励的其余聚合物材料 移去并暴露出Si材料的表面； （d）直接在Si材料上刻蚀出特定的结构。这个 结构将和用电子束在聚合物材料上预先制作的结 构完全相同。
7
硅材料表面上纳米细线的刻蚀
8
光刻的工艺流程
1、清洁处理：清洁的表面才能与光刻 胶有良好的粘附；
2、涂胶：在待光刻的硅片表面均匀地 涂上一层光刻胶。要求粘附良好，均匀；
3、前烘：使光刻胶干燥，以增强胶膜 与硅片表面的粘附性和胶膜耐磨性，同 时使曝光时能进行充分的光化学反应；
9
4、曝光及显影：在曝过光的硅片表面的胶 膜上显影出与掩膜版相同（正性光刻胶）或相 反（负性光刻胶）的图形，显影后的硅片必须 严格检查，以保证光刻的质量；
28
微电子学技术除了在光刻加工技 术上存在着急待突破的技术限制 以外，它还受到了器件内电子行 为的限制和器件功耗过大的限制。
29
首先以芯片微处理器为例来讨论电子行 为对微电子学技术限制。
芯片微处理器是通过逻辑“门”的开或
关来工作的，而“门”的开或关的状态，取
决于有无电流流过。目前，微处理器中的逻
27
没 有 束 斑 直 径 和 平 行 度 要 求 的 STM 和 AFM纳米加工技术将来极有可能成为未来超 大规模集成电路加工的首选工具，扮演非常 重要的角色。在第二和第三章中，我们介绍 了使用STM和AFM人们可以加工出各种不同 尺度的纳米结构。从加工的精度来说STM和 AFM优于现行的任何光刻技术和电子束刻蚀 技术，因为STM和AFM可以加工小到单个原 子的结构（0.3nm）。但是，用STM和AFM 来加工未来的集成电路，同样必须解决加工 速度的问题。
硅材料表面上纳米细线的刻蚀步骤
（a）在Si材料的表面上沉积有一层厚度为65 nm 的抗刻蚀聚合物材料； （b）受到电子束的激励后，抗刻蚀聚合物材料 发生聚合反应而形成一层特殊的抗刻蚀层； （c）将没有受到电子束激励的其余聚合物材料 移去并暴露出Si材料的表面； （d）直接在Si材料上刻蚀出特定的结构。这个 结构将和用电子束在聚合物材料上预先制作的结 构完全相同。
7
硅材料表面上纳米细线的刻蚀
8
光刻的工艺流程
1、清洁处理：清洁的表面才能与光刻 胶有良好的粘附；
2、涂胶：在待光刻的硅片表面均匀地 涂上一层光刻胶。要求粘附良好，均匀；
3、前烘：使光刻胶干燥，以增强胶膜 与硅片表面的粘附性和胶膜耐磨性，同 时使曝光时能进行充分的光化学反应；
9
4、曝光及显影：在曝过光的硅片表面的胶 膜上显影出与掩膜版相同（正性光刻胶）或相 反（负性光刻胶）的图形，显影后的硅片必须 严格检查，以保证光刻的质量；
28
微电子学技术除了在光刻加工技 术上存在着急待突破的技术限制 以外，它还受到了器件内电子行 为的限制和器件功耗过大的限制。
29
首先以芯片微处理器为例来讨论电子行 为对微电子学技术限制。
芯片微处理器是通过逻辑“门”的开或
关来工作的，而“门”的开或关的状态，取
决于有无电流流过。目前，微处理器中的逻
27
没 有 束 斑 直 径 和 平 行 度 要 求 的 STM 和 AFM纳米加工技术将来极有可能成为未来超 大规模集成电路加工的首选工具，扮演非常 重要的角色。在第二和第三章中，我们介绍 了使用STM和AFM人们可以加工出各种不同 尺度的纳米结构。从加工的精度来说STM和 AFM优于现行的任何光刻技术和电子束刻蚀 技术，因为STM和AFM可以加工小到单个原 子的结构（0.3nm）。但是，用STM和AFM 来加工未来的集成电路，同样必须解决加工 速度的问题。
《纳米技术》PPT课件
纳米技术
h
1
纳米
“纳米”是长度单位，1nm=10-9m
即1纳米等于十亿分之一米，大约等于10个氢原子并排起 来的长度，相当于万分之一头发的粗细。纳米正好处于原 子、分子为代表的微观世界和以人类活动空间为代表的宏 观世界的中间地带，被称为介观世界。
h
2
纳米技术
纳米科学技术是研究在千万分之一米(10-8m)到亿分之一米 (10-9m)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学 问；同时在这一尺度范围内对原子、分子或原子团、分子 团进行操纵和加工使其形成所需要的物质称为纳米技术。
费曼对纳米技术的最早梦想，成为一个光 辉的起点，人类开始了对纳米世界的探求。
h
6
科学家发现，在纳米的世界里，物质发生了质的飞 跃。比如硅晶体是不发光的，但纳米硅却会发光；陶瓷 在通常情况下是很硬、很脆的，如果采用纳米粉体制成 纳米陶瓷，它也可以具有韧性；纳米材料还具有超塑性， 室温下的纳米铜丝经过轧制，其长度可以从1cm延伸到 100cm，其厚度可以从1mm减小到0.01mm。
h
14
虽然纳米陶瓷还有许多关键技术需要解决，但其
优良的室温和高温力学性能、抗弯强度、断裂韧
性，使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等
诸多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强
腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作
用，具有广阔的应用前景。
返回
h
15
纳米级微电子元件
日本日立中心实验室利用半导体材料砷化镍， 率先开发新一代微电子元件。这些电子元件呈细长 的鬃状结晶形，粗仅20纳米，可使计算机的计算速 度、通讯用发光元件的效率数十、数百倍地提高。
h
16
超微型计算机
随着微电子技术的不断发展，集成度越来越 高，计算机信息存储芯片越来越小，而存储量却 越来越大，信息容量比现有光盘高100万倍，整个 美国国会图书馆的图书都能存储在一个糖块大小 的芯片中。
h
1
纳米
“纳米”是长度单位，1nm=10-9m
即1纳米等于十亿分之一米，大约等于10个氢原子并排起 来的长度，相当于万分之一头发的粗细。纳米正好处于原 子、分子为代表的微观世界和以人类活动空间为代表的宏 观世界的中间地带，被称为介观世界。
h
2
纳米技术
纳米科学技术是研究在千万分之一米(10-8m)到亿分之一米 (10-9m)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学 问；同时在这一尺度范围内对原子、分子或原子团、分子 团进行操纵和加工使其形成所需要的物质称为纳米技术。
费曼对纳米技术的最早梦想，成为一个光 辉的起点，人类开始了对纳米世界的探求。
h
6
科学家发现，在纳米的世界里，物质发生了质的飞 跃。比如硅晶体是不发光的，但纳米硅却会发光；陶瓷 在通常情况下是很硬、很脆的，如果采用纳米粉体制成 纳米陶瓷，它也可以具有韧性；纳米材料还具有超塑性， 室温下的纳米铜丝经过轧制，其长度可以从1cm延伸到 100cm，其厚度可以从1mm减小到0.01mm。
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14
虽然纳米陶瓷还有许多关键技术需要解决，但其
优良的室温和高温力学性能、抗弯强度、断裂韧
性，使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等
诸多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强
腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作
用，具有广阔的应用前景。
返回
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15
纳米级微电子元件
日本日立中心实验室利用半导体材料砷化镍， 率先开发新一代微电子元件。这些电子元件呈细长 的鬃状结晶形，粗仅20纳米，可使计算机的计算速 度、通讯用发光元件的效率数十、数百倍地提高。
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16
超微型计算机
随着微电子技术的不断发展，集成度越来越 高，计算机信息存储芯片越来越小，而存储量却 越来越大，信息容量比现有光盘高100万倍，整个 美国国会图书馆的图书都能存储在一个糖块大小 的芯片中。
纳米材料及其应用PPT课件
2000s
纳米材料在各个领域得到广泛应用，成为研 究热点。
1990s
纳米技术迅速发展，出现多种制备方法。
2010s至今
纳米技术不断创新，应用领域不断拓展。
02
纳米材料的制备方法
物理法
真空蒸发冷凝法
01
在真空条件下，通过加热蒸发物质，并在冷凝过程中形成纳米
粒子。
激光诱导法
02
利用高能激光束照射物质表面，通过激光能量使物质蒸发并冷
生物法
微生物合成法
利用微生物作为模板或催化剂，通过生物反应合成具有特定结构 和性质的纳米材料。
植物提取法
利用植物中的天然成分作为原料，通过提取和纯化得到纳米材料。
酶催化法
利用酶的催化作用合成具有特定结构和性质的纳米材料。
03
纳米材料的应用领域
能源领域
01
02
03
燃料电池
纳米材料可以提高燃料电 池的效率和稳定性，降低 成本。
纳米材料及其应用 ppt课件
目录
• 纳米材料简介 • 纳米材料的制备方法 • 纳米材料的应用领域 • 纳米材料面临的挑战与前景 • 纳米材料的应用案例分析
01
纳米材料简介
纳米材料的定义与特性
定义
纳米材料是指在三维空间中至少有一 维处于纳米尺度范围（1-100nm）或 由它们作为基本单元构成的材料。
凝形成纳米粒子。
机械研磨法
03
通过机械研磨将大块物质破碎成纳米级粒子，常见于金属、陶
瓷等硬质材料的制备。
化学法
化学气相沉积法
利用化学反应在加热条件下生成纳米粒子，通常需要使用气态反 应剂和催化剂。
溶胶-凝胶法
通过将原料溶液进行溶胶和凝胶化处理，再经过热处理得到纳米 粒子。
纳米材料在各个领域得到广泛应用，成为研 究热点。
1990s
纳米技术迅速发展，出现多种制备方法。
2010s至今
纳米技术不断创新，应用领域不断拓展。
02
纳米材料的制备方法
物理法
真空蒸发冷凝法
01
在真空条件下，通过加热蒸发物质，并在冷凝过程中形成纳米
粒子。
激光诱导法
02
利用高能激光束照射物质表面，通过激光能量使物质蒸发并冷
生物法
微生物合成法
利用微生物作为模板或催化剂，通过生物反应合成具有特定结构 和性质的纳米材料。
植物提取法
利用植物中的天然成分作为原料，通过提取和纯化得到纳米材料。
酶催化法
利用酶的催化作用合成具有特定结构和性质的纳米材料。
03
纳米材料的应用领域
能源领域
01
02
03
燃料电池
纳米材料可以提高燃料电 池的效率和稳定性，降低 成本。
纳米材料及其应用 ppt课件
目录
• 纳米材料简介 • 纳米材料的制备方法 • 纳米材料的应用领域 • 纳米材料面临的挑战与前景 • 纳米材料的应用案例分析
01
纳米材料简介
纳米材料的定义与特性
定义
纳米材料是指在三维空间中至少有一 维处于纳米尺度范围（1-100nm）或 由它们作为基本单元构成的材料。
凝形成纳米粒子。
机械研磨法
03
通过机械研磨将大块物质破碎成纳米级粒子，常见于金属、陶
瓷等硬质材料的制备。
化学法
化学气相沉积法
利用化学反应在加热条件下生成纳米粒子，通常需要使用气态反 应剂和催化剂。
溶胶-凝胶法
通过将原料溶液进行溶胶和凝胶化处理，再经过热处理得到纳米 粒子。
纳米材料及纳米技术应用PPT课件
02
03
生物检测
纳米材料可以作为药物的载体， 实现药物的精准传输和定向释放， 提高治疗效果并降低副作用。
纳米材料可以增强医学成像的效 果，提高诊断的准确性和可靠性。
纳米材料可以用于检测生物标志 物和病原体，快速、准确地诊断 疾病。
环境领域
空气净化
纳米材料可以用于空气过滤和净化，去除空气中的有 害物质和异味。
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03 纳米技术的应用领域
能源领域
高效电池
01
纳米技术可以改善电池的能量密度和充电速度，提高电池的效
率和寿命。
太阳能利用
02
纳米结构可以增强太阳能电池的光吸收和光电转换效率，降低
成本并提高发电量。
燃料电池
03
纳米材料可以提高燃料电池的效率和稳定性，降低燃料电池的
重量和体积。
医疗领域
01
药物传输
医学成像
水处理
纳米技术可以用于水处理，去除水中的有害物质和杂 质，提高水质和安全性。
土壤修复
纳米材料可以用于土壤修复，去除土壤中的重金属和 有害物质，降低土壤污染的风险。
04 纳米材料的安全与伦理问 题
纳米材料对环境和生态系统的影响
纳米材料在环境中的迁移 和转化
纳米材料在土壤、水体和大气中的分布、转 化和归趋，可能对生态系统产生影响。
2000年代以后，随着技术的不 断进步和应用领域的扩大，纳 米科技逐渐成为全球科技领域 的研究热点。
02 纳米材料的基本特性
小尺寸效应
总结词
随着纳米材料尺寸的减小，其物理、化学和机械性能发生变化的现象。
详细描述
当物质尺寸减小到纳米量级时，由于量子尺寸效应和表面效应的影响，纳米材 料的物理、化学和机械性能会发生显著变化，表现出不同于常规材料的特性。
纳米技术ppt课件
在第四个阶段中纳米计算机将得以实现。这个阶段的市场规模将 达到2000亿至1万亿美元。
在第五阶段里，科学家们将研制出能够制造动力源与程序自律化 的元件和装置，市场规模将高达6万亿美元。
.
5. 纳米技术的主要研究项目
主要有超细薄膜、碳纳米管、纳米陶瓷、金属纳米晶体和 量子点线等。
1) 超细薄膜
超细薄膜的厚度通常只有1纳米-5纳米，甚至会做成1个分 子或1个原子的厚度。超细薄膜可以是有机物也可以是无机物， 具有广泛的用途。如沉淀在半导体上的纳米单层，可用来制 造太阳能电池，对开发新型清洁能源有重要意义；将几层薄 膜沉淀在不同材料上，可形成具有特殊磁特性的多层薄膜， 是制造高密度磁盘的基本材料。
.
3) 陶瓷材料 陶瓷材料在通常情况下具有坚硬、易碎的特点，但
由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的 韧性，有的可大幅度弯曲而不断裂，表现出金属般的 柔韧性和可加工性。
.
纳米技术的内容
纳米技术包含下列四个主要方面： 1、纳米材料：
当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1—100纳米这个范围空间，物质的性 能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子， 也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺 度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。
.
2) 碳纳米管
碳纳米管是由碳60分子经加工形成的一种直径只有几纳米 的微型管，是纳米材料研究的重点之一。与其它材料相比， 碳纳米管具有特殊的机械、电子和化学性能，可制成具有导 体、半导体或绝缘体特性的高强度纤维，在传感器、锂离子 电池、场发射显示、增强复合材料等领域有广泛应用前景， 因而受到工业界的普遍重视。目前，碳纳米管虽仍处于研究 阶段，但许多研究成果已显示出良好的应用前景。
在第五阶段里，科学家们将研制出能够制造动力源与程序自律化 的元件和装置，市场规模将高达6万亿美元。
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5. 纳米技术的主要研究项目
主要有超细薄膜、碳纳米管、纳米陶瓷、金属纳米晶体和 量子点线等。
1) 超细薄膜
超细薄膜的厚度通常只有1纳米-5纳米，甚至会做成1个分 子或1个原子的厚度。超细薄膜可以是有机物也可以是无机物， 具有广泛的用途。如沉淀在半导体上的纳米单层，可用来制 造太阳能电池，对开发新型清洁能源有重要意义；将几层薄 膜沉淀在不同材料上，可形成具有特殊磁特性的多层薄膜， 是制造高密度磁盘的基本材料。
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3) 陶瓷材料 陶瓷材料在通常情况下具有坚硬、易碎的特点，但
由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的 韧性，有的可大幅度弯曲而不断裂，表现出金属般的 柔韧性和可加工性。
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纳米技术的内容
纳米技术包含下列四个主要方面： 1、纳米材料：
当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1—100纳米这个范围空间，物质的性 能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子， 也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺 度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。
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2) 碳纳米管
碳纳米管是由碳60分子经加工形成的一种直径只有几纳米 的微型管，是纳米材料研究的重点之一。与其它材料相比， 碳纳米管具有特殊的机械、电子和化学性能，可制成具有导 体、半导体或绝缘体特性的高强度纤维，在传感器、锂离子 电池、场发射显示、增强复合材料等领域有广泛应用前景， 因而受到工业界的普遍重视。目前，碳纳米管虽仍处于研究 阶段，但许多研究成果已显示出良好的应用前景。
3.-纳米功能材料理论基础PPT课件
局限性在于能够处理的系统的大小有限，计算所需要的CPU时间 和存储器容量随着系统中电子数的增加而急剧增加，能够处理的 原子数量一般在1000个原子以内。
只能研究尺寸较小的纳米结构，或得到局部性质，如表面/界面等。
7
-
泛函密度理论的框架
物质的电子结构由多粒子体系哈密顿函数和薛定格方程 描述
通过Born-Oppenheimer 近似，实现离子和电子自由度的 分离
ZnO纳米线激子束缚能与半径的关系(a) L=0轻空穴 (b) L=±1重空穴。
1s，2s和3s分别对应于基态，第一激发态和第二激发态的结合能。
32
-
Z方向波函数的平方在Z方向的分布
33
-
• 沿Z方向的波函数的平方 在Z方向的分布，其中的 实线代表考虑了介电失 配的结果，而虚线代表 没有考虑介电失配的结 果。
26
-
缺陷对ZnO纳米线能带结构的影响
存在VZn, Pi, Oi, PZn-2VZn, VO和 Zni缺陷时ZnO纳米线的 27 - 电子能带结构图。费米能级设定为零。
掺杂对电子结构的影响（费米面处态密度分布）
用SIESTA软件计算的Na、Ga和N掺杂ZnO纳米线在费米面附近的态 密度分布的等高面
带隙与表面原子比
近似线性关系表明带隙随纳米线直径的变化是由表面原子引 21 - 起的。Eg～d的关系可以用来调控发光波长。
Eg与纳米带度/厚度的关系
ZnO纳米带的LDA带隙宽度（EgLDA）随纳米带截面积的尺寸相关变化。 (a)点线连接具有相同宽度不同厚度的纳米带 ，A、B、C代表具有相近
截面积，但不同禁带宽度的情况
(b) 点线连接具有相同厚度不同宽度的纳米带
22
-
只能研究尺寸较小的纳米结构，或得到局部性质，如表面/界面等。
7
-
泛函密度理论的框架
物质的电子结构由多粒子体系哈密顿函数和薛定格方程 描述
通过Born-Oppenheimer 近似，实现离子和电子自由度的 分离
ZnO纳米线激子束缚能与半径的关系(a) L=0轻空穴 (b) L=±1重空穴。
1s，2s和3s分别对应于基态，第一激发态和第二激发态的结合能。
32
-
Z方向波函数的平方在Z方向的分布
33
-
• 沿Z方向的波函数的平方 在Z方向的分布，其中的 实线代表考虑了介电失 配的结果，而虚线代表 没有考虑介电失配的结 果。
26
-
缺陷对ZnO纳米线能带结构的影响
存在VZn, Pi, Oi, PZn-2VZn, VO和 Zni缺陷时ZnO纳米线的 27 - 电子能带结构图。费米能级设定为零。
掺杂对电子结构的影响（费米面处态密度分布）
用SIESTA软件计算的Na、Ga和N掺杂ZnO纳米线在费米面附近的态 密度分布的等高面
带隙与表面原子比
近似线性关系表明带隙随纳米线直径的变化是由表面原子引 21 - 起的。Eg～d的关系可以用来调控发光波长。
Eg与纳米带度/厚度的关系
ZnO纳米带的LDA带隙宽度（EgLDA）随纳米带截面积的尺寸相关变化。 (a)点线连接具有相同宽度不同厚度的纳米带 ，A、B、C代表具有相近
截面积，但不同禁带宽度的情况
(b) 点线连接具有相同厚度不同宽度的纳米带
22
-
《纳米技术》课件
上形成薄膜或结构。
化学气相沉积
利用化学反应，将衬底上的材 料通过化学反应转化为固态薄
膜或结构。
纳米制造技术的应用
微电子器件制造
利用纳米制造技术可以制造出 更小、更快、更低功耗的微电
子器件。
生物医学应用
纳米制造技术可以用于药物输 送、组织工程和诊断试剂的制 备。
环境监测与治理
纳米制造技术可以用于环境监 测和治理领域，例如空气和水 的净化等。
纳米技术的研发和应用需要克服许多技术难 题，如纳米尺度下的控制和测量等。
02
01
成本问题
纳米技术的研发和应用需要大量的资金和资 源投入，成本较高。
04
03
如何应对纳米技术的挑战
加强监管
建立完善的监管体系， 对纳米技术的安全性和 伦理问题进行评估和管 理。
促进合作
加强国际合作和交流， 共同推进纳米技术的研 发和应用。
医疗领域
用于药物输送、肿瘤诊 断和治疗、生物成像等 。
环境领域
用于水处理、空气净化 、土壤修复等。
电子信息领域
用于制造高灵敏度传感 器、超高速集成电路、 高精度光学器件等。
03 纳米制造技术
纳米制造技术的定义与分类
定义
纳米制造技术是指通过控制原子、分 子等微观粒子，在纳米尺度上制造物 质和器件的工艺和技术。
利用纳米技术提高太阳能电池、燃料电池和 储能设备的效率和性能。
环境
利用纳米技术检测和治理环境污染，如水处 理和空气净化。
D
纳米技术的发展历程
1986年，扫描隧道显微镜的 发明，使科学家能够直接观 察到原子和分子的排列。
1989年，碳纳米管的发现， 为纳米材料的研究和应用开 辟了新的领域。
化学气相沉积
利用化学反应，将衬底上的材 料通过化学反应转化为固态薄
膜或结构。
纳米制造技术的应用
微电子器件制造
利用纳米制造技术可以制造出 更小、更快、更低功耗的微电
子器件。
生物医学应用
纳米制造技术可以用于药物输 送、组织工程和诊断试剂的制 备。
环境监测与治理
纳米制造技术可以用于环境监 测和治理领域，例如空气和水 的净化等。
纳米技术的研发和应用需要克服许多技术难 题，如纳米尺度下的控制和测量等。
02
01
成本问题
纳米技术的研发和应用需要大量的资金和资 源投入，成本较高。
04
03
如何应对纳米技术的挑战
加强监管
建立完善的监管体系， 对纳米技术的安全性和 伦理问题进行评估和管 理。
促进合作
加强国际合作和交流， 共同推进纳米技术的研 发和应用。
医疗领域
用于药物输送、肿瘤诊 断和治疗、生物成像等 。
环境领域
用于水处理、空气净化 、土壤修复等。
电子信息领域
用于制造高灵敏度传感 器、超高速集成电路、 高精度光学器件等。
03 纳米制造技术
纳米制造技术的定义与分类
定义
纳米制造技术是指通过控制原子、分 子等微观粒子，在纳米尺度上制造物 质和器件的工艺和技术。
利用纳米技术提高太阳能电池、燃料电池和 储能设备的效率和性能。
环境
利用纳米技术检测和治理环境污染，如水处 理和空气净化。
D
纳米技术的发展历程
1986年，扫描隧道显微镜的 发明，使科学家能够直接观 察到原子和分子的排列。
1989年，碳纳米管的发现， 为纳米材料的研究和应用开 辟了新的领域。
神奇的纳米材料PPT课件
科学新视野
19
5/23/2020
• 2001年 当时美国总统Clinton建立了 National Nanotechnology Initiative ( NNI) ，以推动和协调美国的纳米研究。
The covers of the reports from the National
Nanotechnology Advisory Panel to US President.
科学新视野
20
5/23/2020
3. 观察纳米世界的主要工具
• 扫描隧道显微镜（STM） • 原子力显微镜（AFM） • 扫描电子显微镜（SEM） • 透射电子显微镜（TEM）
科学新视野
21
5/23/2020
3.1 扫描隧道显微镜(STM)
扫描隧道显微镜的照片
刻蚀的钨针尖
科学新视野 5/23/2020
科学新视野
49
5/23/2020
• 1990年 首届国际纳米技术科技会议在美国 巴尔的摩（Baltimore）举办
科学新视野
50
5/23/2020
科学新视野 5/23/2020
一道习题
Klever = 2 nN/nm Ksilicon = ∞ KZnO = ? 如果纳米线长1um，直 径100nm，请计算纳米 线的弹性模量E。
碳纳米管， 各种纳米线
薄膜
科学新视野
13
5/23/2020
科学新视野
14
5/23/2020
2. 纳米的起源和发展Fra bibliotek• 1959年 美国物理学家费曼（Richard Feynman）首先提出，组装原子或分子是 可能的。
科学新视野
纳米材料的电学性能ppt课件
✓ 纳米晶金属块体材料的电导随着晶粒度的减小而减小。 ✓ 电阻的温度系数亦随着晶粒的减小而减小，甚至出现负的电阻温度系数。 ✓ 金属纳米丝的电导被量子化，并随着纳米丝直径的减小出现电导台阶、 非线性的 I-V 曲线及电导振荡等粗晶材料所不具有的电导特性。
可编辑课件
5
纳米金属块体材料的电导
纳米金属块体材料的电导随着晶粒尺 寸的减小而减小而且具 有负的电阻温度系数，已被实验所证 实。
如图所示。
金丝纳米收缩区的原始尺寸及受脉冲激光
照射时收缩区直径的变化
可编辑课件
22
电导振荡周期：电
导由初始值上升至 最高值再回到初始 值的时间为电导的 振荡周期。
图中实线表示电 导的变化曲线， 方框虚线表示脉 冲激光的照射时 间和间隙。
弛豫时间：激光熄灭后电 导从最高值衰减到初始值 的时间称做驰豫时间。驰 豫时间越短，电导对脉冲 激光的响应越快，振幅越 大，巨电导效应越明显。
真空中用STM针尖压入干净金表面所测得的电导台阶分布
图(a)中3000条曲线和12000条曲线的统计分布结果基本上没有差别，分布在1G0处的
电导几乎是2G0处的2倍，且分布在3G0和4G0的电导亦占一定的比例。图(b)中X5表示放
大了5倍的分布曲线。电导峰都比较精确地分布在1G0、2G0和3G0的位置，且分布在 1G0
可编辑课件
18
不同量子通道Au纳米丝的I-V关系
当在电接触处形成直径为几个纳米的金属丝 能稳定相当的时间时，就可以测定该纳米丝的 I-V 曲线。许多研究者发现，室温下金在0.1～1V 的电压范围内时，I-V 曲线具有非线性分量。 N=6时，曲线也是非线性的，因此非线性分量和 纳米接触点接触电导无关
2、电阻急剧增大
可编辑课件
5
纳米金属块体材料的电导
纳米金属块体材料的电导随着晶粒尺 寸的减小而减小而且具 有负的电阻温度系数，已被实验所证 实。
如图所示。
金丝纳米收缩区的原始尺寸及受脉冲激光
照射时收缩区直径的变化
可编辑课件
22
电导振荡周期：电
导由初始值上升至 最高值再回到初始 值的时间为电导的 振荡周期。
图中实线表示电 导的变化曲线， 方框虚线表示脉 冲激光的照射时 间和间隙。
弛豫时间：激光熄灭后电 导从最高值衰减到初始值 的时间称做驰豫时间。驰 豫时间越短，电导对脉冲 激光的响应越快，振幅越 大，巨电导效应越明显。
真空中用STM针尖压入干净金表面所测得的电导台阶分布
图(a)中3000条曲线和12000条曲线的统计分布结果基本上没有差别，分布在1G0处的
电导几乎是2G0处的2倍，且分布在3G0和4G0的电导亦占一定的比例。图(b)中X5表示放
大了5倍的分布曲线。电导峰都比较精确地分布在1G0、2G0和3G0的位置，且分布在 1G0
可编辑课件
18
不同量子通道Au纳米丝的I-V关系
当在电接触处形成直径为几个纳米的金属丝 能稳定相当的时间时，就可以测定该纳米丝的 I-V 曲线。许多研究者发现，室温下金在0.1～1V 的电压范围内时，I-V 曲线具有非线性分量。 N=6时，曲线也是非线性的，因此非线性分量和 纳米接触点接触电导无关
2、电阻急剧增大
《纳米技术就在我们身边》ppt课件
2.看看关于纳米技术的动漫，拓展 自己的想象力。
THNAK YOU
① 21世纪必将是纳米的世纪。
纳米技术的重要性
② 什么是纳米技术呢？这得从纳米说起。 纳米技术的含义
③ 纳米技术就在我们身边。 ④ 纳米技术可以让人们更加健康。
纳米技术的运用
⑤ 纳米技术将给人类的生活带来深刻的变化。 纳米技术的未来
段落层次
课文共五个自然段，概括每段的大意。
第一部分(1)：纳米技术是高新技术。 第二部分(2)：什么是纳米技术。 第三部分(3)：纳米技术就在我们身边。 第四部分(4)：纳米技术可以让人类更健康。 第五部分(5)：纳米技术将给人类带来深刻的变化。
学科学的精神。
字词阅读
词语学习
纳米ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
拥有
冰箱
除臭
功能
蔬菜
材料
钢铁
隐形
健康
字词阅读
细胞
疾病
预防
病灶
需要
深刻
无能为力
认生字
pīnɡ pānɡ yōnɡ shā jūn chòu
乒乓拥杀菌臭
shū tàn ái zhènɡ lǜ jí
蔬碳癌症率疾 灶
写生字
nà
yōnɡ xiānɡ chòu shū
纳拥箱臭蔬
纳米技术就在我们身边。
拓展延伸
如果让你利用纳米技术， 你希望把它运用到生活的哪些 地方？发挥你的想象说一说。
纳米技术将会使人们的生活更加美好。
纳米抗菌衬衫和领带
纳米塑料啤酒瓶
纳米牙刷
纳米技术就在我们身边。
拓展延伸
纳米技术的新产品：
自洁玻璃在玻璃表 面上涂抹一层特殊的纳 米涂料后，使得含水、 甚至含油的液体难以附 着在玻璃的表面。
THNAK YOU
① 21世纪必将是纳米的世纪。
纳米技术的重要性
② 什么是纳米技术呢？这得从纳米说起。 纳米技术的含义
③ 纳米技术就在我们身边。 ④ 纳米技术可以让人们更加健康。
纳米技术的运用
⑤ 纳米技术将给人类的生活带来深刻的变化。 纳米技术的未来
段落层次
课文共五个自然段，概括每段的大意。
第一部分(1)：纳米技术是高新技术。 第二部分(2)：什么是纳米技术。 第三部分(3)：纳米技术就在我们身边。 第四部分(4)：纳米技术可以让人类更健康。 第五部分(5)：纳米技术将给人类带来深刻的变化。
学科学的精神。
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纳米ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
拥有
冰箱
除臭
功能
蔬菜
材料
钢铁
隐形
健康
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细胞
疾病
预防
病灶
需要
深刻
无能为力
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pīnɡ pānɡ yōnɡ shā jūn chòu
乒乓拥杀菌臭
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蔬碳癌症率疾 灶
写生字
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yōnɡ xiānɡ chòu shū
纳拥箱臭蔬
纳米技术就在我们身边。
拓展延伸
如果让你利用纳米技术， 你希望把它运用到生活的哪些 地方？发挥你的想象说一说。
纳米技术将会使人们的生活更加美好。
纳米抗菌衬衫和领带
纳米塑料啤酒瓶
纳米牙刷
纳米技术就在我们身边。
拓展延伸
纳米技术的新产品：
自洁玻璃在玻璃表 面上涂抹一层特殊的纳 米涂料后，使得含水、 甚至含油的液体难以附 着在玻璃的表面。
纳米材料基本概念和分类PPT课件
纳米材料基本概念和分类ppt 课件
• 纳米材料简介 • 纳米材料分类 • 纳米材料制备方法 • 纳米材料应用前景
01
纳米材料简介
纳米材料定义
01
纳米材料是指在三维空间中至少有 一维处于纳米尺度范围（1100nm）或由它们作为基本单元 构成的材料。
02
纳米尺度范围是指介于原子、分 子和宏观物体之间的尺寸范围， 这个尺度上的材料具有许多独特 的物理和化学性质。
纳米材料特性
小尺寸效应
由于纳米材料尺寸小，其电子能 级、磁学、光学等性质发生显著 变化，表现出不同于常规材料的
性能。
表面效应
纳米材料的表面原子数占总原子数 的比例很高，表面原子活性高，导 致材料表现出特殊的化学和物理性 质。
量子尺寸效应
当粒子尺寸达到纳米量级时，量子 效应开始显现，纳米材料的光学、 电学等性质发生变化。
一维纳米材料
在空间两个方向尺寸在纳 米尺度，如纳米线、纳米 管等。
二维纳米材料
在一个方向尺寸在纳米尺 度，如石墨烯、氮化硼等。
03
纳米材料制备方法
物理法
机械研磨法
通过高能球磨机或行星球磨机等 设备，将大块物质研磨成纳米级
粉末。
蒸发冷凝法
通过加热使物质蒸发，然后在冷 凝过程中重新凝结成纳米级颗粒。
纳米材料应用领域
电子信息
制造高性能电子器件、 存储器、显示器等，提 高电子产品的性能和可
靠性。
能源环保
应用于太阳能电池、燃 料电池、环境净化等领 域，提高能源利用效率
和环保性能。
生物医疗
用于药物输送、生物成 像、疾病诊断和治疗等 方面，提高医疗效果和
安全性。
化工环保
• 纳米材料简介 • 纳米材料分类 • 纳米材料制备方法 • 纳米材料应用前景
01
纳米材料简介
纳米材料定义
01
纳米材料是指在三维空间中至少有 一维处于纳米尺度范围（1100nm）或由它们作为基本单元 构成的材料。
02
纳米尺度范围是指介于原子、分 子和宏观物体之间的尺寸范围， 这个尺度上的材料具有许多独特 的物理和化学性质。
纳米材料特性
小尺寸效应
由于纳米材料尺寸小，其电子能 级、磁学、光学等性质发生显著 变化，表现出不同于常规材料的
性能。
表面效应
纳米材料的表面原子数占总原子数 的比例很高，表面原子活性高，导 致材料表现出特殊的化学和物理性 质。
量子尺寸效应
当粒子尺寸达到纳米量级时，量子 效应开始显现，纳米材料的光学、 电学等性质发生变化。
一维纳米材料
在空间两个方向尺寸在纳 米尺度，如纳米线、纳米 管等。
二维纳米材料
在一个方向尺寸在纳米尺 度，如石墨烯、氮化硼等。
03
纳米材料制备方法
物理法
机械研磨法
通过高能球磨机或行星球磨机等 设备，将大块物质研磨成纳米级
粉末。
蒸发冷凝法
通过加热使物质蒸发，然后在冷 凝过程中重新凝结成纳米级颗粒。
纳米材料应用领域
电子信息
制造高性能电子器件、 存储器、显示器等，提 高电子产品的性能和可
靠性。
能源环保
应用于太阳能电池、燃 料电池、环境净化等领 域，提高能源利用效率
和环保性能。
生物医疗
用于药物输送、生物成 像、疾病诊断和治疗等 方面，提高医疗效果和
安全性。
化工环保
《纳米材料》PPT课件 (2)
• 纳米半导体微粒存在不连续最高被 占分子轨道能级和最低未被占分子 轨道导致能隙带变宽（画图说明）
34
Quantum siБайду номын сангаасe effect
Bulk Metal
Nanoscale metal
Unoccupied states
Decreasing the size…
occupied states
Close lying bands
21
纳米材料的独特效应
※小尺寸效应 ※表面效应和边界效应 ※量子尺寸效应 ※宏观隧道效应
22
小尺寸效应
• 当超细微粒的尺寸和光波波长，传 导电子的德布罗意波长，超导态的 相干长度或者透射深度等物理尺寸 相当或者比它们更小时，一般固体 材料的周期性边界条件被破坏，声 光电磁，热力学等特性均会呈现新 的尺寸效应
纳米科技。
1
神奇的纳米材料
走近纳米材料.rm
2
纳米材料的发展过程
• 1959年Feynman提出许多设想:在原子或分子的 尺度上加工制造材料和器件，制造几千百纳米的 电路和10～100纳米的导线。
• 1962年Kubo理论提出:金属的超微粒子将出现量 子效应，显示出与块体金属显著不同的性能。
• 1969年Esaki和Tsu提出了超晶格的概念。
15
碳纳米管
由石墨的片状结构上运 用激光手段剥离下来 ，形成的石墨烯卷成 的无缝中空管体
直径虽只有头发丝的十 万分之一，可是导电 性为铜的一万倍。强 度是钢的100倍，质量 却只有其七分之一。 硬似金刚石，却可以 拉伸
16
超晶格材料
• 由两种不同组元以几个纳米至几十个纳米 的薄层交替生长。并保持严格周期性的多 层膜
34
Quantum siБайду номын сангаасe effect
Bulk Metal
Nanoscale metal
Unoccupied states
Decreasing the size…
occupied states
Close lying bands
21
纳米材料的独特效应
※小尺寸效应 ※表面效应和边界效应 ※量子尺寸效应 ※宏观隧道效应
22
小尺寸效应
• 当超细微粒的尺寸和光波波长，传 导电子的德布罗意波长，超导态的 相干长度或者透射深度等物理尺寸 相当或者比它们更小时，一般固体 材料的周期性边界条件被破坏，声 光电磁，热力学等特性均会呈现新 的尺寸效应
纳米科技。
1
神奇的纳米材料
走近纳米材料.rm
2
纳米材料的发展过程
• 1959年Feynman提出许多设想:在原子或分子的 尺度上加工制造材料和器件，制造几千百纳米的 电路和10～100纳米的导线。
• 1962年Kubo理论提出:金属的超微粒子将出现量 子效应，显示出与块体金属显著不同的性能。
• 1969年Esaki和Tsu提出了超晶格的概念。
15
碳纳米管
由石墨的片状结构上运 用激光手段剥离下来 ，形成的石墨烯卷成 的无缝中空管体
直径虽只有头发丝的十 万分之一，可是导电 性为铜的一万倍。强 度是钢的100倍，质量 却只有其七分之一。 硬似金刚石，却可以 拉伸
16
超晶格材料
• 由两种不同组元以几个纳米至几十个纳米 的薄层交替生长。并保持严格周期性的多 层膜
纳米电分析化学 课件
常见的如碳纳米管
纳米碳管电镜图
纳米碳管功能化结构图
纳米阵列电极
纳米阵列电极的制备通常采用模板法
其中最普遍的是以多空氧化铝作为模板 这种方法的优点是适用性广，可使用溶液 注入或电化学聚合生长等方法
纳米氧化铝阵列电极
纳米氧化铝电镜图
纳米电分析化学的应用
其在化学和生物传感器的制备以及低浓度 物质的检测方法上起着重要作用。在疾病 诊断和治疗等医学领域，纳米电化学传感 器在实验室已经能够实现对疾病的早期诊 断，同时其也可以用来跟踪癌细胞，从而 来研究癌变过程，研究出治愈癌症的有效 方法。并且其也涉及到了转基因技术，从 而产生了学科交叉，例如对脑细胞的转基 因。
纳米电分析化学
组员：姚益挺 张辉
纳米技术
TiO2 纳ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ颗粒
纳米管电镜照
• 纳米技术（nanotechnology）是用单个原 子、分子制造物质的科学技术。纳米科学 技术是以许多现代先进科学技术为基础的 科学技术，它是现代科学（混沌物理、量 子力学、介观物理、分子生物学）和现代 技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显 微镜技术、核分析技术）结合的产物，纳 米科学技术又将引发一系列新的科学技术 ，例如纳电子学、纳米材科学、纳机械学 等。
那么纳米技术结合分析化学，又有什么新的 技术产生呢？
纳米电化学分析介绍
纳米电化学分析是电化学分 析在纳米化学基础上新发展 起来的一门技术，它是研究 材料在纳米尺度是所呈现出 的电化学的性质。
分析方法种类
• 纳米微粒膜电极 • 功能化纳米结构电极 • 纳米阵列电极
纳米微粒膜电极
纳米微粒膜电极是指将微粒嵌入薄膜中所 制成的薄膜电极 采用化学修饰电极的方法制得微粒膜电极
其中将纳米金或纳米金与其它纳米复合材 料修饰在电极表面，可有效利用纳米金的 放大作用，制备出高灵敏度的纳米化学与 生物传感器
纳米碳管电镜图
纳米碳管功能化结构图
纳米阵列电极
纳米阵列电极的制备通常采用模板法
其中最普遍的是以多空氧化铝作为模板 这种方法的优点是适用性广，可使用溶液 注入或电化学聚合生长等方法
纳米氧化铝阵列电极
纳米氧化铝电镜图
纳米电分析化学的应用
其在化学和生物传感器的制备以及低浓度 物质的检测方法上起着重要作用。在疾病 诊断和治疗等医学领域，纳米电化学传感 器在实验室已经能够实现对疾病的早期诊 断，同时其也可以用来跟踪癌细胞，从而 来研究癌变过程，研究出治愈癌症的有效 方法。并且其也涉及到了转基因技术，从 而产生了学科交叉，例如对脑细胞的转基 因。
纳米电分析化学
组员：姚益挺 张辉
纳米技术
TiO2 纳ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ颗粒
纳米管电镜照
• 纳米技术（nanotechnology）是用单个原 子、分子制造物质的科学技术。纳米科学 技术是以许多现代先进科学技术为基础的 科学技术，它是现代科学（混沌物理、量 子力学、介观物理、分子生物学）和现代 技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显 微镜技术、核分析技术）结合的产物，纳 米科学技术又将引发一系列新的科学技术 ，例如纳电子学、纳米材科学、纳机械学 等。
那么纳米技术结合分析化学，又有什么新的 技术产生呢？
纳米电化学分析介绍
纳米电化学分析是电化学分 析在纳米化学基础上新发展 起来的一门技术，它是研究 材料在纳米尺度是所呈现出 的电化学的性质。
分析方法种类
• 纳米微粒膜电极 • 功能化纳米结构电极 • 纳米阵列电极
纳米微粒膜电极
纳米微粒膜电极是指将微粒嵌入薄膜中所 制成的薄膜电极 采用化学修饰电极的方法制得微粒膜电极
其中将纳米金或纳米金与其它纳米复合材 料修饰在电极表面，可有效利用纳米金的 放大作用，制备出高灵敏度的纳米化学与 生物传感器
纳米技术与纳米电子学资料PPT学习教案
第10页/共46页
10.2 纳米材料的基本效应
5 库仑堵塞效应
在纳米体系中，由于能级分立和势垒的存在，当有电流通过时，在一定条件下 出现电流中断的现象。 ——换句话说，就是该体系的充电和放电过程是不连续的，是量子化的。 ——此时，充入一个电子所需的能量为库仑堵塞能，它是电子在进入或离开体系 中时前一个电子对后一个电子的库仑排斥能。 ——由于库仑堵塞效应的存在，电流随电压的上升不再是直线关系，而是在I-V 曲线上呈现锯齿形状的台阶。
自组装是依赖分子间非共价键力自发结合成稳定的聚集体的过程。 自从上世纪80年代提出分子器件的概念至今，人们已从 LB技术发展到了分子自
组装技术，从双液态隔膜（BLM）技术发展到了SBLM技术，已在分子组装有序 分子薄膜、加工具有特定功能的分子聚集体方面取得了丰硕的成果。 近年来，分子自组装技术还被用来合成具有特定电子特性的纳米结构材料。这 些采用分子自组装合成的纳米结构主要包括纳米棒、纳米管、多层膜和介孔材 料。
对于一维体系，考虑电子的自洽屏蔽作用，则电导率与跃迁几率 之间关系为
(e2 / h)CT / (1T)
第20页/共46页
10.4 纳米电子学
2 电子的弹道输运
当电子的弹性散射的平均自由程和体系的尺度相当时，杂质 散射一般可以忽略，电子以弹道输运为主。
Te2 / h
对于纳米电子器件来说，在二维的方向上，其宽度与电子波 长可比拟，使得单个二维亚能带进一步分裂为一系列的一维 子能带，从而电子被限制在一维方向运动。 这类器件就称为电子波导，器件中电荷输运属于一维弹道。 目前，对碳纳米管这种准一维体系的弹道输运特性已有研究 。
除上述的方法外，还有所谓“自下而上”的制备技术来生长纳米半导体材料， 主要有：在图形化衬底和不同取向晶面上选择外延生长技术。如利用不同晶面 生长速度不同的V型槽生长技术，解理面再生长技术。高指数面生长技术；在纳 米碳管中，通过物理或化学方法制备量子点（线）技术等。
10.2 纳米材料的基本效应
5 库仑堵塞效应
在纳米体系中，由于能级分立和势垒的存在，当有电流通过时，在一定条件下 出现电流中断的现象。 ——换句话说，就是该体系的充电和放电过程是不连续的，是量子化的。 ——此时，充入一个电子所需的能量为库仑堵塞能，它是电子在进入或离开体系 中时前一个电子对后一个电子的库仑排斥能。 ——由于库仑堵塞效应的存在，电流随电压的上升不再是直线关系，而是在I-V 曲线上呈现锯齿形状的台阶。
自组装是依赖分子间非共价键力自发结合成稳定的聚集体的过程。 自从上世纪80年代提出分子器件的概念至今，人们已从 LB技术发展到了分子自
组装技术，从双液态隔膜（BLM）技术发展到了SBLM技术，已在分子组装有序 分子薄膜、加工具有特定功能的分子聚集体方面取得了丰硕的成果。 近年来，分子自组装技术还被用来合成具有特定电子特性的纳米结构材料。这 些采用分子自组装合成的纳米结构主要包括纳米棒、纳米管、多层膜和介孔材 料。
对于一维体系，考虑电子的自洽屏蔽作用，则电导率与跃迁几率 之间关系为
(e2 / h)CT / (1T)
第20页/共46页
10.4 纳米电子学
2 电子的弹道输运
当电子的弹性散射的平均自由程和体系的尺度相当时，杂质 散射一般可以忽略，电子以弹道输运为主。
Te2 / h
对于纳米电子器件来说，在二维的方向上，其宽度与电子波 长可比拟，使得单个二维亚能带进一步分裂为一系列的一维 子能带，从而电子被限制在一维方向运动。 这类器件就称为电子波导，器件中电荷输运属于一维弹道。 目前，对碳纳米管这种准一维体系的弹道输运特性已有研究 。
除上述的方法外，还有所谓“自下而上”的制备技术来生长纳米半导体材料， 主要有：在图形化衬底和不同取向晶面上选择外延生长技术。如利用不同晶面 生长速度不同的V型槽生长技术，解理面再生长技术。高指数面生长技术；在纳 米碳管中，通过物理或化学方法制备量子点（线）技术等。
相关主题
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- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
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
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）
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
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
? 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
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
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
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
扫描隧道微镜－－纳米级加工
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
? 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
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
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
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
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
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
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）
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
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
? 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
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
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
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
扫描隧道微镜－－纳米级加工
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
? 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
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
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纳米电子学研究方法
原子力显微镜－－原理
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
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
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纳米结构中电子学效应