《微电子学概论》ch10纳电子器件-精品文档
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多于一层的则称为多壁纳米碳管( Multi-walled carbon nanotube, MWNT)。SWNT的MWNT的层 间距约为0.34纳米，直径在几个纳米到几十纳米，长度 一般在微米量级，最长者可达数毫米。 由于纳米碳管具有较大的长径比，所以可以把其看成为 准一维纳米材料。
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总是呈现半导体特性，其掺杂类型、浓度可控， 纳米线的成分、尺寸、电学和光学特性等可在合 成过程中合理控制
半导体纳米线
一维纳米材料 上一页 下一页
半导体纳米线 由于硅纳米线表面易氧化，通过氧化层保 护
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量子线
量子点和量子线
碳纳米管平面内分布的自由电子将在某一方向 形成量子线
量子点
自由电子在x，y方向都加以限制，形成量子点 含有1~1000个可控制的电子
P307 图10.7
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纳米材料的四大效应
小尺寸效应 量子尺寸效应 表面效应 宏观量子隧道效应
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小尺寸效应
当超细微粒的尺寸与光波波长等物理特 征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界 条件将被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表 面层附近原子密度减小，导致声、光、电、 磁、热、力学等特性呈现新的效应。
Semiconductor Devices
Single Electron Devices
MACROCondensed Matter Physics
big barrier MICRONANOELECTRONICS MesoNano Science and physics Technology
其中Ch可表示为 Ch=na1+ma2，其中a1,a2为基本矢量，因此具有 螺旋矢量Ch的碳纳米管也就可以用一组整数（n,m） 表示，其称为碳纳米管的指数
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------------
橙子 味
柠 檬 味
1
镜面
2
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碳纳米管组装器件的局限
金属性或半导体性的碳纳米管难可控生长，不同 电学特性的纳米管生长在一起，需后续分离
1991年才被发现的一种碳结构。
由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的 管体。石墨烯的片层一般可以从一层到上百层。
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含有一层石墨烯片层的称为单壁纳米碳管(Single walled carbon nanotube, SWNT)，直径一般为1－ 6 nm，最小直径大约为0.4 nm，SWNT的直径大于 6nm以后特别不稳定，会发生SWNT管的塌陷，长度则 可达几百纳米到几个微米。因为SWNT的最小直径与富 勒烯分子类似，故也有人称其为巴基管或富勒管。
光吸收显著增加 出现吸收峰的等离子共振频移 磁有序态变为磁无序态 超导相变为正常相
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量子尺寸效应
当金属粒子尺寸下降到某一值时，金属 费米能级附近的电子能级由准连续变为离 散能级的现象，并且纳米半导体微粒存在 不连续的被占据分子最高轨道和未被占据 的分子最低轨道能级。 能隙变宽现象称为量子尺寸效应。
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纳米技术研究内容
纳米科技主要包含三个重要的支撑技术：
纳米材料: 无机纳米材料，有机纳米材料，复合纳米材料
等； 纳米加工制造技术：微细加工技术，扫描探针加工技术， 分子组装技术等； 纳米表征测量技术：经典的表征分析技术，扫描探针显微 技术，单分子检测技术等。
纳米科技的核心思想是制备纳米尺度的材料或结构，
发掘其不同凡响的特性，并对其进行研究。由此形成 各类纳米科技研发领域.
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纳米技术概述
OUTLINE
纳米半导体材料 碳纳米管和半导体纳米线
量子点和量子线
纳电子器件
单电子晶体管
分子结器件 场效应晶体管 逻辑器件及其电路
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纳米碳管
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碳纳米管（Carbon nanotube）
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纳米技术概述
OUTLINE
纳米半导体材料 碳纳米管和半导体纳米线
量子点和量子线
纳电子器件
单电子晶体管
分子结器件 场效应晶体管 逻辑器件及其电路
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什么是纳米科技
纳米科学是研究在千万分之一米到 亿分之一米(10-9米)内，原子、分子 和其它类型物质的运动和变化的规律；
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纳米技术概述
OUTLINE
纳米半导体材料 碳纳米管和半导体纳米线
量子点和量子线
纳电子器件
单电子晶体管
分子结器件 场效应晶体管 逻辑器件及其电路
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Animal
Insect
Molecula Atom r 1 m 1 nm 1 Å
1m
1 mm
Vacuum Tube
波粒二象性
不确定 原 理
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不可 穿越 势垒
经典力学
可隧 穿势 垒
量子力学
隧穿几率 E 16 ( V E ) 2 d 0 T ~ 2 exp 2 m ( V E ) 0 V h 0
V0
d
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不确定原理
h x px 2
经典概念在微观世界可以应用到什么程度
利用这些规律，在这一尺度范围内 对原子、分子进行操纵和加工被称为 纳米技术。
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0.1nm
1nm
1000nm
106nm
109nm
知识上的裂缝，一边是以原子、分子为主体的微观世界， 另一岸是人类活动的宏观世界。两个世界之间不是直接而 简单的联结，存在一个过渡区--纳米世界
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纳米体系：量子世界
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表面效应 纳米微粒尺寸小，表面能高，位于 表面的原子占相当大的比例。由于表 面原子数增多，原子配位不足及高的 表面能，使这些表面原子具有高的化 学活性、催化活性、吸附活性．
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宏观量子隧道效应
微观粒子具有贯穿势垒的能力称为 隧道效应。一些宏观量，例如微颗粒 的磁化强度，量子相干器件中的磁通 量等亦具有隧道效应，成为宏观的量 子隧道效应。
碳纳米管（Carbon nanotube）
碳纳米管和半导体纳米线
碳纳米管
因直径、手性不同而呈现不同的电学特性， 即金属性或半导体性 单壁碳纳米管：由于单壁纳米管间存在较强 的范德瓦尔斯力，极易聚集成管束，且C-C共 价键很强，其管壁结构几乎理想
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碳纳米管的指数
碳纳米管可以看成是由石墨卷曲而成的封 闭管，其结构可用螺旋矢量Ch和螺旋角θ 来表征
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总是呈现半导体特性，其掺杂类型、浓度可控， 纳米线的成分、尺寸、电学和光学特性等可在合 成过程中合理控制
半导体纳米线
一维纳米材料 上一页 下一页
半导体纳米线 由于硅纳米线表面易氧化，通过氧化层保 护
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量子线
量子点和量子线
碳纳米管平面内分布的自由电子将在某一方向 形成量子线
量子点
自由电子在x，y方向都加以限制，形成量子点 含有1~1000个可控制的电子
P307 图10.7
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纳米材料的四大效应
小尺寸效应 量子尺寸效应 表面效应 宏观量子隧道效应
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小尺寸效应
当超细微粒的尺寸与光波波长等物理特 征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界 条件将被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表 面层附近原子密度减小，导致声、光、电、 磁、热、力学等特性呈现新的效应。
Semiconductor Devices
Single Electron Devices
MACROCondensed Matter Physics
big barrier MICRONANOELECTRONICS MesoNano Science and physics Technology
其中Ch可表示为 Ch=na1+ma2，其中a1,a2为基本矢量，因此具有 螺旋矢量Ch的碳纳米管也就可以用一组整数（n,m） 表示，其称为碳纳米管的指数
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橙子 味
柠 檬 味
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镜面
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碳纳米管组装器件的局限
金属性或半导体性的碳纳米管难可控生长，不同 电学特性的纳米管生长在一起，需后续分离
1991年才被发现的一种碳结构。
由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的 管体。石墨烯的片层一般可以从一层到上百层。
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含有一层石墨烯片层的称为单壁纳米碳管(Single walled carbon nanotube, SWNT)，直径一般为1－ 6 nm，最小直径大约为0.4 nm，SWNT的直径大于 6nm以后特别不稳定，会发生SWNT管的塌陷，长度则 可达几百纳米到几个微米。因为SWNT的最小直径与富 勒烯分子类似，故也有人称其为巴基管或富勒管。
光吸收显著增加 出现吸收峰的等离子共振频移 磁有序态变为磁无序态 超导相变为正常相
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量子尺寸效应
当金属粒子尺寸下降到某一值时，金属 费米能级附近的电子能级由准连续变为离 散能级的现象，并且纳米半导体微粒存在 不连续的被占据分子最高轨道和未被占据 的分子最低轨道能级。 能隙变宽现象称为量子尺寸效应。
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纳米技术研究内容
纳米科技主要包含三个重要的支撑技术：
纳米材料: 无机纳米材料，有机纳米材料，复合纳米材料
等； 纳米加工制造技术：微细加工技术，扫描探针加工技术， 分子组装技术等； 纳米表征测量技术：经典的表征分析技术，扫描探针显微 技术，单分子检测技术等。
纳米科技的核心思想是制备纳米尺度的材料或结构，
发掘其不同凡响的特性，并对其进行研究。由此形成 各类纳米科技研发领域.
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纳米技术概述
OUTLINE
纳米半导体材料 碳纳米管和半导体纳米线
量子点和量子线
纳电子器件
单电子晶体管
分子结器件 场效应晶体管 逻辑器件及其电路
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纳米碳管
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碳纳米管（Carbon nanotube）
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纳米技术概述
OUTLINE
纳米半导体材料 碳纳米管和半导体纳米线
量子点和量子线
纳电子器件
单电子晶体管
分子结器件 场效应晶体管 逻辑器件及其电路
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什么是纳米科技
纳米科学是研究在千万分之一米到 亿分之一米(10-9米)内，原子、分子 和其它类型物质的运动和变化的规律；
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纳米技术概述
OUTLINE
纳米半导体材料 碳纳米管和半导体纳米线
量子点和量子线
纳电子器件
单电子晶体管
分子结器件 场效应晶体管 逻辑器件及其电路
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Animal
Insect
Molecula Atom r 1 m 1 nm 1 Å
1m
1 mm
Vacuum Tube
波粒二象性
不确定 原 理
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不可 穿越 势垒
经典力学
可隧 穿势 垒
量子力学
隧穿几率 E 16 ( V E ) 2 d 0 T ~ 2 exp 2 m ( V E ) 0 V h 0
V0
d
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不确定原理
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经典概念在微观世界可以应用到什么程度
利用这些规律，在这一尺度范围内 对原子、分子进行操纵和加工被称为 纳米技术。
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0.1nm
1nm
1000nm
106nm
109nm
知识上的裂缝，一边是以原子、分子为主体的微观世界， 另一岸是人类活动的宏观世界。两个世界之间不是直接而 简单的联结，存在一个过渡区--纳米世界
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纳米体系：量子世界
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表面效应 纳米微粒尺寸小，表面能高，位于 表面的原子占相当大的比例。由于表 面原子数增多，原子配位不足及高的 表面能，使这些表面原子具有高的化 学活性、催化活性、吸附活性．
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宏观量子隧道效应
微观粒子具有贯穿势垒的能力称为 隧道效应。一些宏观量，例如微颗粒 的磁化强度，量子相干器件中的磁通 量等亦具有隧道效应，成为宏观的量 子隧道效应。
碳纳米管（Carbon nanotube）
碳纳米管和半导体纳米线
碳纳米管
因直径、手性不同而呈现不同的电学特性， 即金属性或半导体性 单壁碳纳米管：由于单壁纳米管间存在较强 的范德瓦尔斯力，极易聚集成管束，且C-C共 价键很强，其管壁结构几乎理想
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碳纳米管的指数
碳纳米管可以看成是由石墨卷曲而成的封 闭管，其结构可用螺旋矢量Ch和螺旋角θ 来表征