tyndall-341-nnano译文硅纳米线晶体管
纳米结构的构筑与纳米器件
2004年 赣南师范学院学报 №.3第三期 Journal of G annan Teachers College J une.2004纳米结构的构筑与纳米器件Ξ范小林,胡乔生,胡跃华(赣南师范学院现代分子科学与新材料技术研究所,江西赣州 341000)摘 要:分析近年来纳米技术的发展概况,综述目前纳米器件构筑的主要方法,对纳米电子技术、纳米光电子技术、纳米机械、纳米传感器及纳米结构的分析检测等相关技术的研究现状进行概括分析,并对纳米结构与纳米器件未来的发展需要解决的主要问题进行总结.关键词:纳米技术;纳米器件;纳米机械中图分类号:TB383 文献标识码:A 文章编号:1004-8332(2004)03-0030-051 构筑纳米器件的技术方法纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础,按一定规律构筑起来的体系.由于这种结构既具有与其纳米尺度相关的许多特性(量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应等特点),又存在与材料本身有关的一些特点.因此,通过控制光、电、热、磁等外界条件的变化,又可对其性能加以控制.纳米器件的设计也正是以此为基础,既继承材料本身的特性,也利用其纳米尺度所赋予的新功能,以达到一个全新而完美的设计.正是由于该体系中蕴含着奇特的物理现象及与下一代量子结构器件的联系,纳米器件的研究已成为科学研究的热点.要制造具有特定功能的纳米器件,其技术路线可分为“自上而下”(TOP DOWN)和“自下而上”(BO TTOM U P)两种方式.“自上而下”是指通过微加工或固态技术,不断在尺寸上将人类创造的功能产品微型化;“自下而上”是指以原子、分子为基本单元,根据人们的意志进行设计组装,从而构筑成具有特定功能的产品.“自上而下”方法一般是通过改进现在的微电子加工技术,提高加工精度.采用这种方法,技术上一般要求达到20nm～30 nm精度可控.目前常用的手段有EUV(特紫外)光刻技术和电子束投影步进技术(Scalpel)等.“自下而上”的方法是利用原子、分子间的相互作用,以原子、分子为起点构筑具有特定形状和特殊功能的纳米器件,主要包括用场蒸发、电化学沉积、化学反应、气相沉积、分子自组装、自复制以及直接操纵原子、分子制备量子点、量子线等手段来制备纳米器件[1].这也是目前纳米科技人员构筑纳米器件的最常用也是最普遍的方法.化学反应是原子水平的重组,也是“由下至上”构筑纳米器件的重要方法.如何在纳米尺度上有效控制化学反应的进行,是实现纳米结构定向组装和生长的主要手段.Yuji Okawa等[2]事先将联乙炔组装在石墨基片上,然后通过STM针尖的充、放电来控制联乙炔分子的链引发、聚合、终止等过程.据该小组研究人员称:目前已经能够在1nm大小的长度上实现高分子的定向聚合反应.Li-Qun Gu等[3]发现一种大小为4400!的七碱基对蛋白质微孔,这种微孔在静电力的作用下可将带电荷的有机分子束缚在里面.带电的有机分子一旦进入这种孔洞中,在电场的作用下又可以向前或向后发生迁移,其迁移速率为几百个毫秒.利用该生物分子的这一特性,既可以用来进行多组分分子识别,也可以用来控制化学反应的进程.利用生物分子的天然特性直接来制备纳米结构或纳米器件也是当前纳米加工的重要方法.Jeffrey[4]通过调整溶液p H值诱导缩氨酸两亲物分子自动集束形成纤维状物质,这种有机分子组装的的纤维状物质可进行可逆交联,从而进一步调整纤维的结构集成.通过这种方法可制得各种形状的纳米线、纳米网、纳米圈等.Anders K arlsson等人[5]则利用脂质体在受到外界机械刺激的情况下会发生多种复杂形状变化的特点,首先采用旋转蒸发的方法制得多层脂质体薄膜,或采用脱水/再水化技术制得单层脂质体薄膜,然后利用一根表面涂有牛血清蛋白的碳纤维刺破脂质体薄膜,并采用高精度微型控制器控制裂开后薄膜的成型,干燥后即可得到各种形状的纳米管网络和容器.碳纳米管是近几年的一个研究热点,自1991年1月日本的N EC公司首次观察到碳纳米管,碳纳米管的制备已经经历了从多壁碳纳米管到单壁碳纳米管、单壁碳纳米管束、定向生长碳纳米管的发展过程[6].目前,不仅纳米管的制备方法在不断变化[7～8],纳米管的种类及加工技术也在不断发展.Masahito报道了[9]采用化学浸蚀的方法制备碳纳米环,这种环的闭合如同分子的开环和闭环一样,并不改变碳管的分子结构和链长.采用这种方法所制得的纳米环平均直径约为540nm,张开后,其在水溶液中类似蚕虫,长度约为800nm,低于这个长度则表现出很强的刚性和韧性.实验还发现:当这种碳管的长度在1400nm以Ξ收稿日期:2004-01-07 作者简介:范小林(1971—),男,江西莲花人,博士,主要从事材料科学的教学与研究.上时,则会表现出可观的热波动性,这也表明这种材料的柔韧性好.佐治亚理工大学的Pan 等[10]则采用粉末热蒸发的方法制得了ZnO 、SnO 2、In 2O 3、CdO 等的纳米带,这种纳米带的宽度为30nm ～300nm ,宽/厚比为5～10,长度则在20μm 以上.由于这种纳米带具有半导体特性,有望在功能性纳米器件中获得应用.Remskar [11]则以C60作催化剂,使MoS 2在温度为780℃、气压为10-3Pa 的高温炉中,以碘作为传质助剂,经过长达22天的反应,制得了自组装单壁次纳米级的MoS 2管,其平均直径为0.4nm.Schlitter 发明了[12]一种采用先驱体热裂解转化的方法制备自组装单晶单壁碳纳米管.这种单晶单壁碳纳米管阵列可以构筑在微米级的范围内,在宏观晶体材料的制备及微米级的完美低密度材料的制备中有良好的前景.Cumings 等人[13]通过电蒸发的方法使多壁碳纳米管一端的外层原子沿着内层逐层运动、变形,并可根据需要加工成各种不同的几何形状.不同形状和性能的纳米结构单元的制备仍然是纳米科技研究的一个重点,特别是大批量规则排列的纳米结构的制备工作,还有待于进一步深入.美国加州大学伯克利分校的Victor F.Puntes 等发现[14]:如果将有机金属化合物快速加入到热的有机溶剂中,可以看到有大量的均相晶核形成.由于单体在溶液中的寿命相当短暂,其在分解的过程中迅速形成大量的金属小球.如果在这些金属小球形成的过程中有相应的与之相匹配的表面活性剂及时将其包围起来,则可以有效地控制这些纳米小球的体积和形状.基于这个原理,该研究小组实现了对纳米钴晶体的形状和体积控制,制得了纳米级的钴球、杆、带、圈等.Byung Hee Hong [15]事先将由对苯二酚衍生物自组装成的杯状纳米管分散在水溶液中,然后加入含光、电化学活性中心的物质如AgNO 3,在紫外光照下,这些物质可发生分解,并在杯状纳米管内凝聚,形成宽为0.4nm ,长为微米级的单晶纳米线.这些纳米结构是我们研究一维纳米结构的良好素材.2 纳米电子器件微电子技术是现代信息技术的的核心.可以预言,纳电子技术在未来通讯技术中同样将起决定作用.就象微电子技术一样,纳电子技术中也需要进行纳米级电子器件的制备、加工,同样需要对纳电子器件进行功能集成、模块加工等操作.随着碳纳米管制备方法和加工技术的不断改进,以纳米管为基础的纳米结构器件的研究工作也在逐步开展.Postma 报道了[16]采用单壁碳纳米管成功地研制出了一种可以在室温下工作的单电子晶体管.其加工方法是:首先将长度为20nm 的单壁碳纳米管固定在Si/SiO 2基片上的两个金电极之间,然后利用原子力显微镜的针尖横向推拉碳纳米管,使之形成两个纵向弯曲.测量时以与碳纳米管相连接的两个金电极各作一极,以硅基片作门电极,一个基于碳纳米管的晶体管放大器即已形成.这种晶体管放大器不仅具有良好的放大效果,而且可以在常温下工作.Bachtold 发明了[17]一种基于单壁碳纳米管的场效应晶体管逻辑电路,其加工方法是:将一根单壁碳纳米管放在一根表面覆盖有数个纳米厚的氧化铝膜的铝线上,碳纳米管的两端与金电极相连,以碳纳米管的两端各作一极,以铝线作为门电极,这就构成了一个基于碳纳米管的场效应晶体管.实验发现,其放大效率大于10倍,开关次数在10万次以上,可在常温下工作.Collins [18]则利用碳纳米管在电流密度为109A/cm 2以上时可在电流诱导下产生缺陷,使多壁碳纳米管的外层在电流诱导下发生氧化而消失,从而使碳纳米管变薄、变尖.将这种技术与丝印技术相结合可以制备出基于碳纳米管的场效应晶体管.Cui [19]采用单壁碳纳米管原位化学修饰的方法也可制备在常温下工作的单电子晶体管,这种单电子晶体管的量子点大小不到10nm.1974年,Aviram 报道了[20]将单个有机分子作为功能电子器件使用.从此,人们对有机分子的电学功能开发表示了浓厚的兴趣.特别是近几年来,有机分子在纳米级的电子结构器件研究中,更是充当了重要的角色,发挥了重要的作用.利用有机分子在金属表面的自组装是目前制备纳米电子结构器件的主要方法.Hendri 报道了[21]采用两端为巯基,中间为共轭不饱和链的有机分子组装在两个金电极上,利用表面为二氧化硅绝缘层的硅基片作门电极,制得了一种场效应晶体管.这种场效应晶体管的放大系数为5倍,工作电压在0-1V 之间,室温下使用次数10万次以上不见衰减.Feldheim 等[22]将两端为巯基的二吡啶翁分子的一端组装在金电极上,另一端组装在纳米金球上,形成一种特殊的分子与金属的连接.由于这种有机分子处于氧化态时(二价)不导电,而处于还原态时(一价)则是良好的导体.当用STM 针尖接触到处于还原态的分子连接时,加入适当的电压即可使电流源源不断地通过.相反,当处于还原态的这种有机分子失去一个电子后,该连接则处于断开状态.这种特殊的化学环境的变化,直接控制着这种分子连接的电流通断,实现了一个完整的开关功能.这种开关的大小不到10nm ,中间的连接由不到六十个有机分子组成,只要用不到三十个电子即可实现开关.Vilan [23]则利用酒石酸分子在G aAs 半导体材料上进行自组装,制得了依靠隧道效应进行电子传输的二极管,这种二极管只在加正向电压的情况下有电流通过.Chen 等[24]利用含有硝氨氧化还原活性中心的硫醇分子(2′氨基-4-乙炔基苯基-4′-乙炔基苯基-5′-硝基-苯硫醇)在两个金电极上进行自组装,形成Au -SAM -Au 隧道结,该隧道结在60K 时I -V 曲线测定结果表明:该隧道结呈现负微分电阻特性,电流开关峰值与最小值比例大于1000∶1.Granstrom [25]以表面为SiO 2薄膜的P -掺杂硅片为基片,首先采用电子束石印的方法将金电极预制在硅基片上,并控制两个金电极之间的距离为300nm 左右,然后在两个金电极之间通过真空蒸发的方法沉积一层六聚噻吩分子.由这种结构组成的晶体管只需加小量的电压即可获得大的电流输出.David 等[26]将含有二吡啶翁氧化还原活性中心的聚亚甲基分子对纳米金球进行表面修饰,试图通过分子的氧化还原活性中心与纳米金球的结合来改变金属-绝缘层-金属这种隧道结的电子隧穿特性,从而为纳米级分子开关的研究提供了实验证据.通过STM 对该隧道结测定的结果表明:在0～2V 内,这种隧道结有明显的开关效应.纳米技术的关键在于功能电路的构筑,尽管人们在纳米结构单元和纳米器件的制备方面已经取得了很大成功.但要真正13第3期 范小林,等 纳米结构的构筑与纳米器件 23 赣南师范学院学报 2004年服务于人类,还必须对这些结构单元和器件进行连接、装配,构筑成能完成各种功能的微型电路.Huang等[27]通过控制流体在预设图案上的流动与分布,成功地制得了各种排列的一维纳米线,这些线可以是平行排列的,也可以是交叉排列的.此外,通过反复操作还可以获得经层层叠加而成的复杂电路.如果在电路制备中采用不同的功能材料,可以获得各种功能性的电路.该研究小组还报道了[28]利用纳米线、纳米半导体线等构筑逻辑电路.他们首先在溶液中制备了纳米线、纳米半导体线,然后将这些含p-n结的纳米线进行组合连接,制得了场效应晶体管,OR、AND、NOR等逻辑门结构.通过控制这种逻辑电路的信号输出,可以进行简单的计算.3 纳米光电子器件光电子器件是另一类电子器件,具有纳米结构的半导体光电子器件在信息存储、发送、传输、提取以及日常生活中的照明、交通显示等领域具有相当广阔的应用前景.基于光发射的纳米结构与器件的研究也是当前纳米技术研究的热点.在发光二极管的制备中,有效控制电子注入孔以及与之紧密结合的载流子之间的平衡是制备高效聚合物发光二极管的关键[29].为了改进电子的注入,人们采取了一些列的办法.例如K arg等[30]在作为正电极的铟锡氧化物上涂一层导电高分子,成功地改进了电子的注入.Ho[31]则采用在内部注入层和光发射聚合物之间添加一层约10?的部分共轭PPV分子,来达到使注入电子分步分级通过发光二极管各功能层的目的.此外,K oizumi[32]采用层层叠加的方法将硼掺杂的p-型宝石和亚磷酸盐掺杂的n-型宝石先后沉积在金刚石单晶的〈111〉晶面上制成紫外光发射二极管,实验发现:这种二极管在偏压为20V时,可发射波长为235nm的紫外光.Huang等[33]通过气相沉积的方法在蓝宝石基底上沉积自组装<001>有序排列的ZnO纳米线,这些纳米线的大小和排列方式可以通过控制气相沉积的传质过程来控制.有序排列的宽能带半导体纳米线构成了长度为10μm,直径为20nm-150nm的激光共振腔.在光激发下,可以观测到其表面有光发射行为,发射光波长为385nm,发射线宽在0.3nm以下.这种一维结构的纳米线阵列制备简单,重复性好,有望成为一种很好的微型激光光源,在信息存储、计算机、微量分析、微型传感器等领域有广阔的应用前景.4 纳米机械纳米机械因其体积小,能耗低,有望在未来的疾病治疗与监测、信息传递、环境污染检测、零部件修复、战场传感、敌情监视、安全警戒等领域获得很好的应用.也许人类在火车、航母、宇宙飞船等的制造过程中,直接从生物体上获得的灵感非常有限,但在纳米机械的制造过程中,却没有理由不向微小的生命体学习.生物系统虽然很小,但它们异常复杂,又格外活跃.早在1944年,量子力学奠基者薛定谔于《生命是什么》一书中就提出了生命活动是由分子机器来实现的观点.生物分子器件的优点是它们能够自我组装.分子自组装在生命系统中普遍存在,而且是各种复杂生物结构形成的基础.细胞本身就是“纳米技术大师”,它们在微观世界里能及其精确地引导生化反应,将原子逐个地构建成复杂的结构,并能自我组装,自我复制,制造物质.这正是科学家梦想的通过纳米技术实现制造特定功能产品的希望所在.因此,研究生物分子的自组装及工作原理是制造新一代纳米机械的重要途径.有的生物分子本身就是一个小发动机,研究这些分子的驱动原理对我们构筑新一代微型发动机具有重要的意义.Simp2 son[34]通过X-射线衍射、低温电镜、图像重构分析发现:噬菌体双链DNA分子被一层先驱体衣壳所包裹的动力机制.实验结果表明,头前体、十二基数头颈圈、头前体RNA、病毒A TP酶及DNA构成了一个发动机.其中头前体和A TP酶起了一个定子的作用,DNA则相当于轴承,颈圈则相当于一个轴承座圈.依靠DNA的天然螺旋状可以很自然地把颈圈的旋转运动转换成DNA分子的平移运动.Montemagno发明了[35]一种可以大量生产出热稳定的生物分子马达的重组体表达系统,即具有化学活性手柄的F1-A TP酶.它的标签是将生物分子精确定位在通过电子束石印所制得的镍、铜、金等基底上,这种基底通常可以与F1-A TP酶相连接,如果将发荧光的微球接在F1-A TP酶的γ亚基的尖端上,则可以用来记录这种分子马达的旋转次数.微分干涉仪记录的数据表明:这种马达的逆时针旋转频率约为10Hz.5 分子传感器化学传感器以其多样性、特异性、可塑性等优点成为传感器领域的重要成员,多年来在医学、军事、国家安全及日常生活中起了不可替代的作用.光发射二极管因其独特的电学、光学性能,可以用来检测某些可发光的分子如荧光物质,从而引起了科研工作者的浓厚兴趣,有望在化学传感器领域获得良好的应用.例如,Ivanisevic发明了[36]一种可将被分析物富集在光发射二极管表面,并可在室温下使用的低能化学传感器.其主要做法是通过设计优化活性层的表面反应,改变表面层的能量分布,从而加强载流子的吸收效应.其基本结构是:P:G aAS/P:In G aAlP/In G aP/n:In G aAlP/n:G aAs,这种光发射二极管由五层构成,其中覆盖层的厚度为0.5μm,活性层的厚度为50nm～500nm.使用时只需充入约20mA的电流,在有被检测气体存在的时候即可发出波长为670nm的红色荧光.这种光发射二极管可检测的气体包括NH3、NH2CH3、NH(CH3)2、N(CH3)3、SO2等.利用生化材料的分子识别功能来制作传感器是目前高选择性生物材料的主要研究方向,在同一基底上设计多个传感器分子阵列,则可以同时对多种有机分子进行检测.Hagleitner等[37]采用高灵敏度的聚合物分子在同一基片上制作了三种不同的传感器(重力、体积、热能).这种传感器对气载型的有机气体非常敏感,针对不同的目标分子,可以从重力、体积或热能等不同角度给出反馈信号.所给出的信号经放大、模拟-数字转换、集成等处理后可以直接给出识别信息,也可以进行将采集的信息储存在芯片上.该传感器对乙醇的灵敏度为100ppm～150ppm,对甲苯的灵敏度为40ppm～50ppm.生物分子识别在人类的生活中具有广阔的应用前景.利用生物分子之间特定的相互作用是研制新一代分子传感器的重要途径.IBM 公司瑞士苏黎世实验室的Fritz 等[38]发明了一种可以称量分子的微型天平,这种微天平的悬臂是由长为500μm ,宽为100μm ,厚度为1μm ,片距为250μm 的一排硅片构成.这些悬臂的表面经功能分子修饰后,可以通过与DNA 分子之间的杂化作用或配体与受体之间的化学键联作用而使表面张力发生改变,从而进一步使这些微悬臂产生纳米量级的机械响应,这种微弱的响应经特殊的传导作用即可对被检测分子进行识别.6 纳米结构的检测分析材料的内部结构及力学性能是对宏观材料的最基本的评价,作为纳米结构单元和纳米器件能否满足使用需要,同样需要对其进行检测.分析检测是对纳米结构单元和纳米器件的性能进行评价的基础,也是纳米结构单元和纳米器件最终获得应用的关键.内部结构的不同直接影响纳米结构单元和纳米器件的宏观性能.在现有的条件下,对纳米级结构单元和器件的内部结构进行表征是非常费力的事情,也是一项非常重要的工作.Bockrath 报道了[39]采用电子散射共振的方法对单壁碳纳米管内的量子缺陷进行了检测.检测结果表明,单壁碳纳米管内形成缺陷的量子点的费米能级可以随门电压的不同而改变.Ouyang 等[40]利用超高真空STM 在低温下(5K )对单壁碳纳米管中的原子结构及分子间连接的电学性能进行分析,发现金属-半导体的连接是处于一种电子非常活跃的非定域界面状态,同时还发现金属-金属的连接是处于一种原子状态更加无序能量更低的界面状态.其理论计算的结果也与实验事实相吻合.Ilanni [41]则利用单电子晶体管作为静电探针对有机分子在金属表面自组装形成的金属-绝缘体过渡区的结构进行研究,发现在金属与有机分子的接触界面上形成了一个新的二维界面相,界面相中是由许多轻度耦合区域组成,这些耦合区域构成了界面相中高能区,随着从金属向绝缘体的过渡,这种高能区域随金属相的消失而增加.Yu [42]则在STM 中设计了一个纳米级的拉伸台阶,成功地对多壁纳米碳管进行了力学拉伸实验,并对拉伸断裂过程进行了录像.实验发现多壁碳纳米管的拉伸断裂是由外向内逐层断裂,并计算出碳纳米管的拉伸强度在11GPa ～63GPa ,弹性模量在270GPa ～950GPa.作为功能性的纳米结构或材料除了要能满足加工使用所要求的力学性能,还必须具有所要求的功能.料研究纳米电子器件的目的最终是为了获得应用.例如,对纳电子器件来说,对其电学性能的分析和检测则是纳电子器件能否能否最终获得应用的判据.Cui [43]将1,8-辛二硫醇的一端组装在金基片上,另一端组装在纳米小球上,中间形成一有机单分子层,再利用AFM 针尖与纳米小球连接,即构成一可进行单分子电导测量的装置.采用这种方法测出的单个1,8-辛二硫醇分子的电阻约为900±50mΩ.Jiang 则报道[44]将十一硫醇癸酸盐在金基底上与H 2S 气体反应制得了直径为3nm 的PbS 纳米粒子,通过STM 和高分辨率透射电镜进行分析,观察到单个的这种PbS 纳米粒子具有明显的库仑阻塞和梯段效应.7 未来展望纳米技术的诞生只有短短十几年时间,但纳米技术的发展速度以及人们对它的热情是令人难以置信的.目前,一维的纳米器件产品如高电子移动型晶体管(HEM T )、垂直腔激光器(VCSEL )也已相继上市,并展现了良好的市场前景.尽管如此,我们还是应该看到,真正的纳米时代并没有到来.虽然我们在纳米材料和纳米器件方面的研究已经取得了很大的成绩.但从技术上来说,要做出真正意义上的纳米机械和纳米计算机,还有很大的难度和诸多挑战.特别是从纳米级别来组装计算机和机器,更是有很长的路要走.首先,逻辑电路的组装必须是完整意义上的纳米级别,而不是仅仅限于纳米级别的元件;其次,由纳米器件组装起来的自动控制系统、机械传动系统、信息传递以及网络通讯系统必须具有完整的功能,能够完成特定的工作和任务;再次,将纳米器件组装成纳米机械、纳米计算机等必须要有一套全新的加工技术;最后,建立衡量纳米器件与装置之间的标准以及分析检测手段也是纳米加工的重要课题.诸多此类的问题,均有待于我们进一步解决.参考文献:[1] Chunli Bai.Nanoscience and nanotechnology in China ,2001.[2] Yuji Okawa ,Masakazu Aono.Nanoscale control of chain polymerization[J ].Nature ,2001,409:683.[3] Li -Qun Gu ,Stephen Cheley ,Hagan Bayley.Capture of a single molecule in a nanocavity[J ].Science ,2001,291:636.[4] J.D.Hartgerink ,et al.,Self -assembly and mineralization of peptide -amphiphile nanofibers[J ].Science ,2001,294:1684.[5] Anders Karlsson ,et al.,Networks of nanotubes and containers[J ].Nature ,2001,409:150.[6] Li W Z ,Xie S S ,Qian L X ,et al.,Science ,1996,274:1701.[7] Lu -Chang Qin ,et al.,The smallest carbon nanotube[J ].Nature ,2000,408:50,[8] Oliver G.Schmidt ,Karl Eberl.Thin solid films roll up into nanotubes[J ].Nature ,2001,410:168.[9] Masahito Sano ,et al.,Ring closure of carbon nanotubes[J ].Science ,2001,293:1299.[10] Zheng Wei Pan ,Zu Rong Dai ,Zhong Lin Wang.Nanobelts of semiconducting oxides[J ].Science ,2001,291:1947.[11] Maja Remskar ,et al.,Self -assemble of subnanometer -diameter single -wall MoS2nanotubes[J ].Science ,2001,292:479.[12] R.R.Schlitter ,et al.,Single crystals os single -walled carbon nanotubes formed by self -assembly[J ].Science ,2001,292:1136.[13] John Cumings ,Philip G.Collins ,A.Zettl.Peeling and sharpening multiwall nanotubes[J ].Nature ,2000,406:586.[14] Victor F.Puntes ,Kannan M.Krishnan ,A.Paul Alivisatos.Colloidal nanocrystal shape and size control the case of cobalt [J ].Science ,2001,291:2115.[15] Byung Hee Hong ,et al.,Ultrathin single -crystalline silver nanowire arrays formed in an ambient solution phase[J ],Science ,2001,294:348.33第3期 范小林,等 纳米结构的构筑与纳米器件 。
硅纳米线纳米器件的研究进展
收稿日期:2006-12-20. 动态综述硅纳米线纳米器件的研究进展裴立宅(安徽工业大学材料科学与工程学院,安徽省金属材料与加工重点实验室,安徽马鞍山243002)摘 要: 硅纳米线作为一类重要的一维半导体纳米材料,在纳米器件方面具有很好的应用前景,可以用于高性能场效应晶体管、单电子探测器和场发射显示器件等纳米器件的制备。
介绍了近两年来硅纳米线作为检测细胞、葡萄糖、过氧化氢、牛类血清蛋白和DNA 杂交方面的纳米传感器、纳米晶体管、光电探测器等纳米器件的最新进展,并对其研究前景做了展望。
关键词: 硅纳米线;纳米器件;传感器;晶体管中图分类号:TN304.12 文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2007)02-0156-05R esearch Development of Silicon N anowire N anoscale DevicesPEI Li 2zhai(School of Materials Science and E ngineering ,K ey Lab.of Materials Science and Processing ofAnhui Province ,Anhui U niversity of T echnology ,Ma ’anshan 243002,CHN )Abstract : Silicon nanowire is an important one 2dimensional semiconductor nanoscale material and is very p romising in application of nano scale devices ,such as field effect transistors wit h good p roperties ,single elect ron detector and field emission display devices.Recentdevelop ment s of silicon nanowire nanoscale devices ,such as nanoscale sensors for detecting cell ,glucose ,hydrogen peroxide ,bovine serum albumin and DNA hybridization ,nanoscale transistors and p hotot ransistor are introduced.The develop ment of nano scale devices wit h silico n nanowires is also discussed.K ey w ords : silicon nanowires ;nano scale devices ;sensors ;t ransistors1 引言硅纳米线由于自身特有的荧光、紫外等光学特性;场发射、电子输运等电学特性;热传导、高表面活性和量子限制效应等特性[1～4]引起了科技界的广泛关注,在纳米器件方面具有很大的潜在应用价值。
几种纳米管的介绍
几种纳米管的介绍许文贞 vincent.xu.chn@当今纳米科学技术发展迅速，其中纳米管技术的发展尤为突出，纳米管已构成纳米材料中的一个非常重要的类别。
纳米管技术发展至今，已经由最早的碳类纳米管发展至今天的各类化学元素的纳米管，例如有氧化钛纳米管、钛酸盐纳米管、硅纳米管等其他类型纳米管。
因此本文将选取几种纳米管材料，有碳纳米管、TiO 2纳米管、CdS 纳米管以及硅纳米管四种纳米管，对其性质和应用做简单介绍。
1. 碳纳米管碳纳米管(carbon nanotubes ，CNTs)于1991年由NEC （日本电气）筑波研究所的Iijima 首次发现。
碳纳米管由于其独特的结构和奇特的物理，化学和力学特性以及其潜在的应用前景而倍受人们的关注，并迅速在世界上掀起了一股研究的热潮。
碳纳米管的结构见图1。
碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。
近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。
1.1 力学性质 碳纳米管具有良好的力学性能，CNTs抗拉强度达到50～200GPa ，是钢的100倍，密度却只有钢的1/6，至少比常规石墨纤维高一个数量级；它的弹性模量可达1TPa ，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。
对于具有理想结构的单层壁的碳纳米管，其抗拉强度约800GPa 。
碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。
碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，可以拉伸。
2000年10月，美国宾州州立大学的研究人员称，碳纳米管的强度比同体积钢的强度高100倍，重量却只有后者的1/6到1/7。
碳纳米管因而被称“超级纤维”。
另外碳纳米管具有良好的韧性。
碳纳米管像弹簧一样立即恢复了形状，表现出良好的韧性。
这启示人们可以利用碳纳米管制造轻薄的弹簧，用在汽车、火车上作为减震装置，能够大大减轻重量。
此外，碳纳米管的熔点是目前已知材料中最高的。
碳纳米管(CNTs)
碳纳米管（CNTs）班级：材料化学班姓名：唐建学号：20110513427摘要：1991年日本NEC公司的饭岛纯雄(Sumio Iijima)首次利用电子显微镜观察到中空碳纤维，直径一般在几纳米到几十个纳米之间，长度为数微米，甚至毫米，称为“碳纳米管”。
从此便引发了碳纳米管研究的热潮和近十几年来碳纳米管科学和技术的飞速发展。
本文主要分为两部分：1、对纳米材料及碳纳米管的相关知识进行介绍2、于应用层次，讨论纳米材料及碳纳米管的应用前景关键字：纳米材料概述碳纳米管热点及应用1、引言生物科学技术、信息科学技术、纳米科学技术是下一世纪内科学技术发展的主流。
生物科学技术中对基因的认识，产生了转基因生物技术，可以治疗顽症，也可以创造出自然界不存在的生物；信息科学技术使人们可以坐在家中便知天下大事，因特网几乎可以改变人们的生活方式。
而纳米科学技术作为二十一世纪的主导产业，又将给人们带来怎样天翻地覆的改变呢？……2、理论知识2.1 纳米材料概述纳米材料:指晶粒尺寸为纳米级(10-9米)的超细材料。
从材料的结构单元层次来说，它处于宏观物质和微观原子、分子之间的介观领域。
在纳米材料中，界面原子占极大比例，而且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。
纳米科学技术：研究在千万分之一米(10-8)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学问；同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工又被称为纳米技术。
2.2 纳米材料的特性2.2.1纳米材料的体积效应体积效应中的典型例子是久保理论。
其是针对金属纳米粒子费米面附近电子能级状态分布而提出的。
该理论把金属纳米粒子靠近费米面附近的电子状态看作是受尺寸限制的简并电子态，并进一步假设它们的能级为准粒子态的不连续能级，并认为相邻电子能级间距δ和金属纳米粒子的直径d的关系为:δ=4EF/3N ∞V-1 ∞1/d3（其中N为一个金属纳米粒子的总导电电子数，V为纳米粒子的体积；EF为费米能级）。
纳米尺度MOSFET器件
Data density doubles approximately every 18 months. MOS集成电路的发展过程本质上就是一个性能不断改善 和功能不断增加的过程。而性能改善和功能的增加则是简 单地通过不缩小器件的尺寸来实现的。
二、纳米尺度MOS器件的限制～2
三、纳米尺度MOS器件解决方案（体硅～7） 沟道工程－halo doping 随着栅长不断减小，沟 道区掺杂浓度须不断提高还 G 导致：源漏pn结电容增加； pn结遂穿电流增加。 S D 解决方案：从源漏两端 Sub 倾斜离子注入掺杂，使得衬 底的掺杂浓度的最大值在沟 道区源漏结的两侧，而源漏pn结的的底部（pn结的大 部分）衬底掺杂浓度不高。以减小泄漏电流和寄生电 容。这就是所谓的Pocket技术或Halo技术。
S Sub 沟道工程
D 源漏工程
三、纳米尺度MOS器件解决方案（体硅～2）
栅工程
包括栅电极工程和栅介质工程 栅电极工程： 多晶硅栅的问题：寄生电阻大、 多晶硅耗尽效应等。 解决方案：采用金属栅或硅化物。 全硅化物栅是一最好选择。 栅介质工程：
S Sub 沟道 工程 G D 源漏 工程 栅 工 程
氧化硅的困难：栅电流过大。 解决方案：掺氮氧化硅栅介质、高k等。
转移特性
• 多晶硅栅电极，物理长度15nm. • 氮化硅/氮氧化硅复合栅介质，物 理厚度1.4nm，EOT=0.8nm. • 超浅及非晶化离子注入源漏结. • 超陡retrograde 井沟道掺杂; NiSi 硅化物。
输出特性
三、纳米尺度MOS器件解决方案（SOI～1）
SOI CMOS和体CMOS比较
J director tunneling ∝ tox-2 exp(-αtox)
IEEE期刊论文翻译
期刊论文翻译一：一种纳米级的辐射加固CMOS锁存器设计和性能分析文章英文名称：Design and Performance Evaluation of Radiation Hardened Latches for Nanoscale CMOS作者：Sheng Lin, Yong-Bin Kim, and Fabrizio Lombardi第一作者单位：Electrical and Computer Engineering Department, Northeastern University, Boston, United States原文出版出处:IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems, v 19, n 7, p 1315-1319, July 2011摘要：深亚微米/纳米CMOS电路对外部辐射现象更敏感，有可能导致所谓的软错误的发生。
因此，在纳米级的电路设计中电路的软错误容忍度是有严格要求的。
由于传统的容错方法，在电力方面、面积和性能方面耗费大量的成本，存储单元的低功耗加固设计发展（如插销和存储器）越来越重要。
本文提出三个新加固设计的CMOS锁存器，工艺尺寸为32纳米，这些电路是基于施密特触发器的，而第三个电路采用了在反馈回路级联配置。
级联ST锁存器的临界电荷比传统的锁存器高112％，而面积增加只有10％。
一种锁存器新型的设计指标（QPAR）去测试总体设计效果，包括面积、性能、功耗和抗软错误。
（QPAR）表明，设计的级联ST锁存器与现有的加固设计方法相比实现多达36％的改进。
蒙特卡罗分析了本文中加固锁存器对电压、温度（PVT）的变化曲线。
关键词：电路可靠性，加固锁存器，纳米CMOS工艺，抗辐射加固，稳健设计。
一、简介INTRODUCTION由于纳米技术从探索到工业实践发展迅速，纳米电路的操作已被广泛地进行了分析。
IBM开发出全球首款电致发光纳米管晶体管,亮度优于LED千倍
从理论上讲，同硅半导体相比，即使在高出 ５ 倍的温度下， 钻石半导体仍然可 以正常工
作 ，并 且运行 速 度是硅 半 导体 的 ３倍 ，可 以认 为 是 “ 理 想 的半导 体 ” 最 。但 是过 去 因为没 有
制造高纯度结晶的技术，所以当时制造的钻石半导体只能发挥硅半导体 ２％到 ３ ％的功效。 ０ ０ 该研 究所在钻石的生成上下功夫， 在用甲烷生成钻石的结晶过程 中， 通过改变温度等方 法成 功 地制 成 了纯度 比过 去 高 ２ ％的钻 石 结 晶。 ０ 俄罗斯研制 出硬度不亚于金刚石的复合材料 莫斯科钢与合金研究所 已成功合成出一种特殊 的准单晶物质 ，在该物质中，３ 种金属原 子 的排 列 虽不像 普通 单 晶那样 具有 相 同的 晶格 ，但 仍具 有严 格 的顺序 ，呈 现 出几何 排列 。在 该 准单 晶物 质基 础上 制成 的 复合材 料 具有 一系 列独 特 的性 能 ，有着广 泛 的工 业应用 前 景 。
材 料 具有 独特 的性 质 ，既 有金 属 的性质 ，也 具有 陶 瓷 的特 性 。它 们像 金 刚石一 样 坚硬 ，摩擦
系数 比任何金属都要小，比超滑氟层材料稍大一点， 化学稳定性和耐摩性很高。 这种性能独 特 的准单 晶材料将在工业应用上有着广泛的前景， 比如， 以作各种橡胶和塑料密封塞 的填 可 充物 。 俄科研人员利用机械一化学合成法 已研制出 ２ 种准单晶材料：一种是铁． 铝 ；另一种 铜． 是铬 ． ． 。 铜 铝
日 本研究出钻石半导体 日本 电信 电话 公司下属 的一家研究所 已成功开发 出耐放射线和高温等特殊环境 的钻石 半导体。这种钻石半导体 比现在通常使用的硅半导体输 出功率大 ，效率高，而且稳定性好。
量子限域效应
通常纳米微粒在 低温下才容易呈 现量子尺寸效应
小尺寸效应 当微粒尺寸进入纳米领域 时，其尺寸与光波波长、德布罗意波长 以及超导态的相干长度、单磁畴尺寸等 物理特征尺寸相当或更小(某一临界尺寸 )，晶格点阵周期性的边界条件将被破坏 ，微粒将处于一种不稳定的状态，从而 引起物性的发生明显的变化或突变。
能带理论表明，金属费米能级附近电子能级一 般是连续的，这一点只有在高温或宏观尺寸情 况下才成立。 当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以 及纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分 子轨道和最低未被占据的分子轨道能级而使能 隙变宽现象均称为量子尺寸效应。
2.2 纳米粉体的物化特性
1.热性能：纳米微粒的熔点、开始烧结温度和晶 化温度均比常规粉体低得多。
熔点下降
2T T LD
T和L为大块颗粒的熔点和熔化热，为表面张力
蒸汽压上升
P 2 M ln P RTD c
烧结温度：指把粉末先用高压压制成型，然后在低于 熔点的温度下使这些粉末互相结合成块，密度接近常 射定律）
n2 n 9 cv I I0 4 2 n 2 2 2n 2 R
2 2 2 2 1 2 1
(1 cos2 )
2
I为方向的散射光强度，角称为散射角，为散射光 与入射光方向的夹角，c为单位体积中的粒子数；v为 单个粒子的体积，为入射光波长，n1和n2分别为分散 介质和分散相（粒子）的折射率，R为检测器距样品的 距离
矫顽力：纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时 通常呈现高的矫顽力HC，如 室温下，铁纳 米微粒的矫顽 力仍保持106， 而常规铁块的 矫顽力通常低 于103。 解释：一致转动模式和球链反转 磁化模式。 当粒子尺寸小到某一尺寸时，
太空飞行设备研发的新曙光纳米线晶体管的自我修复功能
毒性检 测方法无 法检测 出来 的损 伤效应及适应 性与代偿性效 是其实用化的关键。 应 。该 研究从表观遗 传学角度深入探 讨 了纳米 材料暴露后通
■ Ｉ 中 国 粉 体 工 业２ ０ １ ７ Ｎ ｏ ． １
ＮＭＧＣ Ｎ ｓ 表 现 出 比大 尺寸纳 米片和 量 子点更 优异 的光 响应
料 的安全性评估提供 新的思路 。
特 性 。ＮＭＧＣ Ｎｓ 的水 分散 溶液具 有 良好 的稳定性 能 和优异
的荧光性能 ，其 荧光量子产率 可达 ３ ２ ％，所 以可用于细胞荧 光 成像 。此外 ，ＮＭＧＣ Ｎｓ 表 现 出 比多层 石 墨相 氮化碳 纳米
述研 究得到 了国家杰 出青年 科学 基金 、国家重点基础研究 发 展计划 和国家 自然科学基 金等项 目的资助 。
２ ０ １ ６年 ４月 １ ２日，霍 金宣 布启 动 “ 突破 摄 星”计 划 ，
同俄罗斯商 人尤里 ・ 米 尔纳 、脸谱创始人 马克 － 扎克伯格合 作建造 能以五分之一光速 （ 每 秒 ６万千米 ）飞 行的微型 星际 飞船 。不过 ，这种微型 星际飞船 能否 “ 熬过”２ ０年 的太 空飞
星 “ 比邻 星 ” 。
该 工作不仅 发展 了小尺寸单层 石墨相 氮化 碳纳米片 的制 备 方法 ，也为其 他材料纳米级超 薄纳米片 的制备提供 了一种
普 适 的 方法 。
相 关研 究成果在 线发表于 Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ 。上
太空 飞行设备研发的新曙光 纳米线晶
片 更优异的可见 光催化性能 。独特 的小尺寸及 单层 超薄结构 使 得 ＮＭＧＣ Ｎｓ 在传 感器和光 电子 等领域都 具有潜 在应用 前
纳米道具作文三百字
纳米道具作文三百字英文回答：Nano gadgets are revolutionary inventions that have completely transformed our lives. These tiny devices have the ability to perform complex tasks and enhance our daily activities in ways we never imagined before. One of my favorite nano gadgets is a smart contact lens.This smart contact lens is equipped with advanced technology that allows it to perform a variety of functions. It has a built-in camera that can capture images and videos with high resolution. This is incredibly useful for capturing special moments or documenting important events. For example, imagine attending a concert and being able to record the entire experience from your point of view.In addition to its camera capabilities, the smart contact lens also has augmented reality features. It can display information directly in front of your eyes,overlaying virtual objects onto the real world. This is perfect for navigation purposes, as it can provide real-time directions and highlight points of interest. For instance, while walking around a new city, the smartcontact lens can guide you to the nearest coffee shop or show you historical information about landmarks.Furthermore, this nano gadget has a health monitoring function. It can analyze your body's vital signs, such as heart rate and blood glucose levels, and provide real-time feedback. This is particularly beneficial for individuals with chronic conditions, as it allows them to monitor their health without the need for additional devices. For example, a diabetic person can easily keep track of their bloodsugar levels and receive alerts when they need to take action.中文回答：纳米道具是一种革命性的发明，彻底改变了我们的生活。
亚1纳米栅极长度的晶体管
亚1纳米栅极长度的晶体管晶体管是现代电子技术中最重要的元件之一，它的尺寸越小，性能就越好。
近年来，随着纳米技术的发展，亚1纳米级晶体管已经成为研究的热点之一。
本文将重点介绍亚1纳米栅极长度的晶体管的相关内容。
一、亚1纳米栅极长度的晶体管简介亚1纳米栅极长度的晶体管是指栅极长度小于1纳米的晶体管。
栅极长度是指晶体管中控制电流的栅极的长度，它直接影响着晶体管的开关速度和功耗。
亚1纳米栅极长度的晶体管在尺寸上比传统的微米级晶体管更小，具有更高的集成度和更低的功耗。
二、亚1纳米栅极长度的晶体管的制造技术制造亚1纳米栅极长度的晶体管需要使用先进的纳米加工技术。
其中，关键的步骤包括光刻、蚀刻、沉积和退火等。
光刻技术用于制作晶体管的图案，蚀刻技术用于去除不需要的材料，沉积技术用于填充材料，退火技术用于修复晶体结构。
三、亚1纳米栅极长度的晶体管的性能优势亚1纳米栅极长度的晶体管相比传统的微米级晶体管具有以下几个性能优势：1. 更高的开关速度：由于栅极长度更短，电子在晶体管中的传输时间更短，从而使得晶体管的开关速度更快。
2. 更低的功耗：栅极长度的减小使得晶体管的导电性能得到了提升，电流在晶体管中的流动阻力降低，从而使得功耗减小。
3. 更高的集成度：亚1纳米栅极长度的晶体管尺寸更小，可以在同样的芯片面积上集成更多的晶体管，从而提高集成度。
四、亚1纳米栅极长度的晶体管的应用亚1纳米栅极长度的晶体管在集成电路领域有着广泛的应用前景。
首先，它可以用于制造更小更快的处理器，提升计算机的性能。
其次，它可以用于制造更高性能的存储器，提高数据存取速度。
此外，亚1纳米栅极长度的晶体管还可以应用于传感器、通信设备等领域，推动这些领域的技术发展。
五、亚1纳米栅极长度的晶体管的挑战和未来发展尽管亚1纳米栅极长度的晶体管具有诸多优势，但也面临着一些挑战。
首先，制造亚1纳米级晶体管需要更加精密的加工技术，成本较高。
其次，由于尺寸的减小，晶体管面临电子隧穿效应和漏电流等问题，影响其稳定性和可靠性。
ni单原子纳米管
ni单原子纳米管纳米管是一种具有特殊结构和性质的纳米材料，也被称为纳米管状材料。
其中，单原子纳米管是指直径只有一个原子大小的纳米管。
本文将围绕着"ni单原子纳米管"这个标题展开讨论，重点介绍其结构、性质以及应用领域。
一、结构单原子纳米管的结构非常独特，由于其直径只有一个原子大小，因此呈现出极高的比表面积。
一般来说，单原子纳米管由金属或非金属原子组成，这些原子通过特定的化学键连接起来形成管状结构。
由于其结构精细且有序，单原子纳米管具有良好的稳定性和可控性。
二、性质1. 电子性质：单原子纳米管具有优异的电子传输性能，电子在纳米管内可以自由流动而不受阻碍。
这种特性使得单原子纳米管在电子器件中具有潜在的应用前景，如纳米电路、电子传感器等。
2. 磁性性质：部分单原子纳米管具有磁性，可以表现出不同的磁性行为，如铁磁、反铁磁等。
这种磁性性质使得单原子纳米管在磁性材料的制备和磁性存储器件中具有重要的应用价值。
3. 光学性质：单原子纳米管在光学上表现出独特的性质，其能带结构和能带间隙可以通过调节管径和原子组成来调控。
这种特性为单原子纳米管在光电器件、光催化等领域的应用提供了可能。
三、应用领域1. 纳米电子器件：由于单原子纳米管具有优异的电子传输性能和尺寸可调的特点，可以作为纳米电子器件的核心元件。
例如，可将单原子纳米管作为纳米晶体管的通道材料，用于制造高性能的纳米电路。
2. 纳米催化剂：单原子纳米管具有较高的比表面积和良好的催化活性，可应用于催化反应中。
例如，将过渡金属原子嵌入单原子纳米管中，可以提高催化剂的稳定性和活性，用于催化剂的设计和制备。
3. 纳米传感器：由于单原子纳米管具有高灵敏度和高选择性的特点，可以作为传感器的敏感元件。
例如，利用单原子纳米管对特定气体分子的吸附和解吸作用，可以制造高灵敏度的气体传感器。
4. 纳米材料增强：将单原子纳米管与其他纳米材料相结合，可以增强其性能。
例如，将单原子纳米管嵌入纳米复合材料中，可以显著提高复合材料的力学性能和导电性能。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 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)。
纳米线无结晶体管所有现存的晶体管都是基于使用向半导体材料当中引入掺杂原子后构成的半导体结来制作完成的。
随着现代器件当中的半导体结之间的距离降低到10nm以下，超出以往的的高掺杂浓度梯度已经变得非常必要。
由于扩散定律和掺杂区域的统计学原理的诸多限制，半导体业在制造这种半导体结上勉励着越来越重大的困难。
在这篇文章当中，我们提出并描述一种新型的晶体管，这种晶体管没有PN结也没有掺杂浓度梯度。
这种器件拥有全部的CMOS 功效并采用硅纳米线构成。
他们拥有接近理想的亚阈值坡度，极低的泄漏电流，在栅压和温度条件下比经典的晶体管结构在迁移率方面有更小的退化。
所有现存的晶体管都是基于PN结结构制作的。
PN结根据所加的偏置实现允许电流通过和阻止电流的功能。
他们的结构是由两块极性相反的半导体相接触构成的.最常见的结就是PN结，它是由富含空穴的P型硅和富含电子的N型硅的接触构成的。
每一本关于半导体器件物理的书都包含一章讲解PN结，通常是处在讲解半导体材料基础的介绍性章节和详细介绍不同种类的晶体管的章节之间。
其他种类的结包括金属和硅组成的肖特基结和异质结，它是一种由两种不同的半导体材料组成的PN结。
双极晶体管包含两个PN结，MOSFET晶体管也是如此。
结型晶体管只有一个PN结，MESFET晶体管包含一个肖特基晶体管。
第一个有关晶体管原理的专利是由奥匈帝国物理学家Julius Edgar Lilienfield 于1925年10月22日在加拿大注册的。
他在几年之后用 "Device for controlling electric current ”的名字在美国注册了这种器件。
但是他从来没有发表过任何关于这种器件的研究文章。
这个Lilienfield晶体管是一个场效应晶体管，有点像现代的金属氧化物场效应晶体管。
它的结构是这样的：一个薄的半导体薄膜放置在一个薄的绝缘层上，这个结构又放置在一个金属电极上。
最后的这个金属电极就像一个器件的栅极一样去工作。
工作的时候，电阻中的电流在两个接触的电极之间流动，就像现在的MOS晶体管中在源极和漏极之间的漏极电流一样。
这个Lilienfield器件就是一个简单的电阻，应用到的这个门电压可以使半导体薄膜里的载流子耗尽，从而改变它的导电性。
理想的状态下，应该可以去完全的去耗尽半导体薄膜中的载流子，这种情况下器件的电阻值近似无穷大。
Lilie nfield晶体管，与其他类型的晶体管不同，它不包括任何结。
尽管不带任何半导体结的晶体管的想法可能会显得非主流，可是晶体管的这个名字也的确没有表明半导体结的存在。
晶体管是一个固态活动的晶体管，它可以控制电流，并且晶体管这个词也是一个可变和电阻器的合成词。
从技术上讲，Lilie nfield晶体管是一个门控的可变电阻器。
也就是说，它是一个有一个控制载流子密度（或者说电流）的门的电阻。
它是最简单和首个被申请专利的晶体管结构。
但是不幸的是，在Lilienfield的时代可用的技术不足以制造一个可利用的器件。
图一图一展示了一个无结纳米线门控电阻器的结构图。
无结是一个巨大的进步。
现代的晶体管尺寸已经达到了如此小的数量级以至于在半导体结中高精度的掺杂浓度梯度被需求：非常典型的例子便是掺杂浓度在几纳米的范围内必须从N型的1 I019cm -3转换到P型的1 1018cm」。
这给热累积的处理和昂贵的毫秒退火技术的应用强加了严格的限制。
与此不同的是，在无结的门控电阻中，沟道的掺杂浓度与源极和漏极的完全相同。
因为源极和沟道、漏极和沟道的掺杂浓度梯度为零，不会发生扩散，这就消除了昂贵的快速退火技术的需求并且允许器件的结构中应用更短的沟道。
制作一个无结的门控电阻的关键就是在器件关闭时允许载流子全耗尽的足够薄且窄的半导体层的制作。
半导体也需要重掺杂来保证在器件开启时有一个合理的电流值。
把这两个条件组合在一起就引出了纳米级结构和高掺杂浓度的应用。
这种门控电阻的工作状态已经于最近被一些组织通过模拟的方式探索了出来。
这其中包括Technische Universitat Munchen,Carnegie Mello n Uni versity, IMEC and the Tyn dall Natio nal In stitute 等高校。
不同的团队为他们的器件起了不同的名字：垂直狭缝场效应晶体管（VeSFET），纳米线开关场效应晶体管，还有无结多栅场效应晶体管，但是所有的这些器件都有相同的工作原理。
更普遍意义上来说，纳米线节后正在逐渐被认同为未来纳米级晶体管结构的最佳的选择。
一个极其简单的晶体管结构描述图二绝缘体上硅结构可以被用来生产高质量的只有几纳米厚度的单晶硅薄膜。
使用商业的SOI硅片和电子束印制技术，我们已经可以制造并定义几十纳米宽和十纳米厚的纳米线硅。
在生长了10nm厚的栅氧化层之后，纳米线被用离子注入均匀地掺杂，使用砷来掺杂N型的器件，使用BF2来掺杂P型的器件。
植入杂质的能量和剂量被准确的选择来精确的量产掺杂浓度从21019atoms cm 到5 1019atoms cm 不等的硅圆片。
这样高浓度的掺杂水平从早就被选用为CMOS器件的源极和漏极区域的标准浓度。
在门控电阻中，高掺杂被需要来确保较高的电流驱动和好的源漏接触电阻。
它也规定使用足以使通道区域完全耗尽的几何尺寸足够小的纳米线，这对于器件的完全关闭是必要的。
门栅是在550摄氏度的低压化学气相淀积LPCVD反应器中用无定形硅淀积制造而来，它的厚度有50nm。
在经过了剂量在14 92 10 cm 的硼或砷离子的P型栅或N型栅的重掺杂之后，这些样品在氮气环境下退火30分钟来激活掺杂的杂质并将无定形硅的门栅材料转化为多晶硅。
在这之后门栅电极被放在反应离子刻蚀器中被刻蚀。
图二展示的是电学显微镜下的五个并联硅门控电阻，他们的结构是纳米线外加一个常见的多晶硅栅电极。
一个单个纳米线器件的放大图像也被展示了出来，在这张图里单个的硅原子阵列可以被观察到。
为了获得阈值电压的描述性数值，我们在N型器件中使用P型掺杂的多晶硅栅，在P沟道的器件中使用N型掺杂的多晶硅栅。
在门栅设置完毕之后，在其上再放置一层保护性的二氧化硅层。
刻蚀出互连的孔，然后使用一个经典的TiW-AI 金属化制程来给这些器件提供电学互连。
在门栅布置完成之后就不再进行掺 杂。
使得源漏极终端保持与沟道完全相同的掺杂类型和浓度。
这种器件是一个多栅的结构， 这就意味着门栅电极包裹着器件的三个面（纳米线的左，上，右三面）。
经典的三栅场效应 晶体管在另外的硅圆片上构建来与纳米线门控电阻进行比较，它的构建制程基本上与建造门 控电阻的制程完全相同，但是有以下几点除外：沟道的左侧要么就是不进行掺杂， 要么就是 掺杂P 型杂质使浓度达到2 1017cm J （我们在这里默认是 N 沟道的器件）。
N 型掺杂的多 晶硅被用作门栅材料 ，在门栅位置固定形成源漏 PN 结之后在 15keV 的能量控制下以2 10 14 cm -的剂量向门栅中注入砷离子来形成 N 型掺杂的多晶硅栅。
与其他最佳的MOS 晶体管比较特性门控电阻的电流电压特性与一个正规的 MOSFET 晶体管相比相当相似，基本上是一样的。
图三展示的是在正负 1V 的漏电压和沟道宽度 30nm 、沟道长度1um 的N 型和P 型器件 的前提下栅电压V G 控制下的漏极电流I D 的情况。
我们发现门栅控制电阻器截止电流值小于 测量系统的探测精度 （1 10」5 A ）。
在栅电压V G=0和V G = —1V 之间的导通电压与截止电 流的比值比1 10 6还要大。
这清楚地给了我们这样的概念那就是通过静电条件下耗尽沟道中 的载流子的工作效果跟通过关闭一个反向偏置的PN 结在关闭器件上达到了相同的效果。
图 四向我们展示了栅控电阻器的实验输出特性。
这些特性显著的近似于正规的MOSFET 晶体 管显现的特性。
(<)c il」」n<Jl二巾Gate voltage (V)图四亚阈值坡度值SS 被定义为阈值电压下的漏极电流与栅电压比值的log 对数值的负值。
它的单位是 mVdec -1，我们用这个值来表现晶体管开关转换的灵敏度。
他有一个理论最优 值SS = (k B T/q) In(10)，在300K 的温度下它的数值近似于 60 mVdec -1。
典型的单个MOS 晶体管有一个接近80mVdec -1的亚阈值坡度。
最好的三栅 SOI 晶体管接近于理论最优值1 1 63mVdec 。
这里所描述的门控电阻器在 300K 温度下亚阈值坡度的测量值为 64mVdec ，在225K 到475K 的温度下的也有仅与最优值相差几个百分点的表现。
传统的MOS 晶体管的结构就像一个半导体的三明治，不是NPN 模式的N 沟道器件就 是PNP 模式的P 沟道器件。
在这些器件当中，源漏极之间的电流在一个反型层的沟道里面 流动。
在绝缘体上硅结构中，尤其是使用三栅结构的时候我们可以实现积累层的MOSFET 器件。
传统的积累模式 MOSFET 器件是由一个n +nn +三明治样式的N 沟道器件和p +pp +样 式的P 沟道器件来体现的。
在一个积累型的器件中，沟道的极型与它所在的半导体区是相 同的。
在这方面来讲，无结栅控电阻器与积累型器件就像亲姐妹一样。
然而，他们之间有一 个很重要的不同点。
积累型的MOSFET 晶体管的沟道区域是轻掺杂的， 也因此，电阻很大。
为了能够让这个器件驱动一个比较大的电流， 需要一个足够大的栅电压来使硅产生接触栅氧化层一侧的积累层。
这个积累层有一个高的载流子浓度。
这样就会在源极和漏极之间产生个低阻通道，可以驱动一个比较大的电流来流过。
反型层载流子和积累型载流子在这个方面表现的相同：他们都被由栅电压产生的电场挤压在接触栅氧化层的硅一侧的一个小薄层中。
载流子都被硅和氧化层之间的粗糙接触表面和栅氧化层及半导体接触表面的电荷陷阱分散和阻挡。
随着栅电压的增长，这种分散和阻挡作用会越来越大，而这也就会减弱了载流子的移动性，也就是说，漏端电流。
在一个栅控电阻器中，沟道区是中性的并且处在纳米线的中心，并且由于载流子是处在中性的硅（这里指的是未耗尽的硅）中的，并且在垂直于电流的方向上是零点场，当器件完全导通时，为简单起见我们假设一个低的漏端电压、整个沟道区域是中性的且是在平带电压条件下。
在这个时候沟道很有效的扮演了一个电阻的角色，它的电导为 c =q' N D。
这个时候的迁移率就是载流子在纯硅中的迁移率。
电子在高掺杂的N型硅中的迁移率是100cm2V-1s-1；迁移率在1 1019cm-2到1 1020cm-2的掺杂浓度之间变化很小。
与此相近的是，在相同的掺杂浓度的情况下的P型的硅中空穴的迁移率基本上是在40cm2V-1s-1。