纳米电子学与纳米器件

纳米电子学与纳米电子器件

引言

电子器件是20世纪的伟大发明之一。它的诞生给人类社会带来了巨大的影响。电子器件的发展过程大致可分为三个阶段：即真空电子管、固体晶体管和正在悄然兴起的单电子管。1947年，固体晶体管的发明标志着固体电子学的开始，真空电子学的终结。半个多世纪以来，以集成电路为主要标志的微电子技术和后来的超晶格及其低维量子结构的研究使得电子科学技术发展到了一个前所未有的高度，而且这种发展趋势愈演愈烈。进入21世纪，以纳米量子器件为主攻方向的纳米电子学崭新时代已经来临！

1纳米电子学及其发展路线

1.1纳米电子学基本概念

作为微电子学的下一代，纳米电子学是指在1nm-100 nm的纳米结构(量子点)内探测、识别与控制单个量子或量子波的运动规律，研究单个原子、分子人工组装和自组装技术，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，用于信息的产生、传递和交换的器件，电路与系统及其在信息科学技术、纳米生物学、纳米测量学、纳米显微学、纳米机械学等应用的学科，也称为量子功能电子学。它的最大特点是把半导体电子学、超导电子学、原子电子学、分子电子学等融为一体，而且高温铜氧化物超导体有可能和半导体硅、化合物半导体、生物膜等一样成为重要的纳米量子材料。

纳米电子学可分为两大类，一为单量子电子学，重点着眼于器件载流子的量子力学行为中的粒子性；二为量子波电子学，重点着眼于器件载流子的量子力学行为中的波动性。按照Moore定律，以硅材料为主的微电子技术到2011年最小尺寸为0.08微米，达到了微电子器件的物理极限，此后将是纳电子学时代。当进入纳电子时代后，在微电子学中适合的Moore定律将不再适应纳电子学。在纳米系统中失去了宏观体系的统计平均性，其量子效应和统计涨落为主要特征。纳米电子学就是讨论这些特性的规律和

利用其规律制成功能器件的学科。

1.2纳米电子学发展路线

一般认为纳米电子的由来与发展有两条路径：一条是以Si和GaAs为主的无机材料的固态电子器件尺寸和维度不断变小的自上而下的发展路径；另一条则是基于化学有机高分子和生物学材料自组装功能器件尺度逐渐变大的自下而上的发展过程，两者的交叠构成21世纪初期新型电子和光电子器件。

1.2.1自上而下的发展路线

纳米科技的提出和发展有着其社会发展强烈需求的背景。首先，来自微电子产业。1965年，英特尔公司的创始人Moore科学而及时地总结了晶体管集成电路的发展规律，提出了著名的“摩尔定律”，即芯片上晶体管数量每18个月将会增加1倍。过去20多年的实践证明了它的正确性，MOS集成电路一直严格遵循这一定律，从最初每个芯片上仅有64个晶体管的小规模集成电路，发展到今天能集成上亿个器件的甚大规模集成电路。预计到2014年，器件特征尺寸为35 nm

的集成电路将投入批量生产，此后将进入以纳米CMOS晶体管为主的纳米电子学时代。由此可见，对于微电子器件的集成度要求越来越高、器件加工工艺尺寸要求越来越小，也就是说要求微电子器件特征尺寸缩小对于纳米电子学的兴起和发展起了至关重要的作用。正是这种要求器件尺寸日渐小型化的发展趋势，促使人们所研究的对象由宏观体系进入到纳米体系。从而产生了纳米电子学。

其次，纳米电子学另一个自上而下兴起的发展历程的主要影响因素，是以超晶格、量子阱、量子点、原子团簇为代表的低维材料。该类材料表现出明显的量子特性，特别是以这类材料中的量子效应为基础，发展了一系列新型光电子、光子等信息功能材料，以及相关的量子器件。

1.2.2自下而上的发展路线

纳米结构的自组装体系是指通过微弱的和较小方向性的非共价键，如氢键、范德瓦耳斯键弱的离子键协同作用把原子、离子或分子连接在一起构建成一个纳米结构或纳米结构的花样。自组装过程的关键不是大量原子、离子、分子之间弱作用的简单叠加，而是一种整体的、复杂的协同作用。原子和分子是组成物质的最小结构单元，许多有机物质都具有超分子结构和多极性结构特征，而这些特征都与被称为“分子自组装”的概念有关。研究证实，要完成一个确定的分子自组装过，首先要建造基本模块。通常是在溶剂中及合适的溶液条件下，由原子或分子形成确定组分的原子团、超分子、分子集合体、纳米粒子以及其他尺度的粒子基元，而这一过程需要系统中存在不同层次的相互作用，由这些相互作用的差异、协同、分子识别以及热力学驱动完成整个自组装过程。分子自组装的最主要应用则是利用该技术制作具有特定功能的纳米量子器件，这无疑是一条纳米电子学的自下而上的发展路径。发展纳米电子学的另外一条重要途径就是由无机材料构成的纳米微粒、纳米薄膜和纳米固体的研究。1986年，德国的著名材料物理学家格莱特教授率先采用物理方法制备了由纳米晶粒和晶粒间界两种组元形成的纳米固体材料，在世界范围内引起了轰动。其后，人们纷纷采用各种工艺，如分子束外延法、激光烧蚀沉积法、磁控溅射法、等离子体化学气相沉积法、凝胶--溶胶法和高能离子注入等沉积生长了各类薄膜材料，并制作了一系列低维量子器件。

2纳米电子学基本原理

纳米电子学是纳米技术的重要组成部分，其主要理论思想是基于纳米粒子的量子效应来设计并制备出纳米器件，即正是由于各种量子化效应的出现，才导致了具有不同量子功能纳米量子器件的诞生。

在不同的纳米结构与器件中，其量子化效应的物理体现也是多种多样的。如“短沟道量子化效应”、“库仑阻塞效应”、“量子尺寸效应”、“自旋极化电子输运”、“电导呈量子化效应”等。其中“量子尺寸效应”是设计量子点光电子器件的重要物理基础。它所表现的物理现象是：当半导体材料由体相转变为纳米结构后，会导致其带隙的加宽和量子化能级的出现，从而由于晶体中平移对称性的丧失使得动量守恒定律要求的禁戒跃迁放松约束，其结果是无声子参与的直接跃迁几率大大增加，因而有效地改善了其发光特性。此外，量子尺寸效应还体现在：低维纳米体系具有较大的激子束缚能和锐化的态密度，这对量子点激光器的设计十分有利。

“库仑阻塞效应”是指如果一个量子点与它周围外界之间的电容为10-16~10-18量级时，则进入该量子点的单个电子引起系统静电能的增加等于