1 纳米材料的基本概念.ppt

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超导技术 生物技术 纳米技术 虚拟技术
有关信息的获取、传输、处理控制的 设备和系统的技术，3C技术是核心。 注：C5I：指信息获取、通信、处理、 控制、对抗（collection,communication Computing, control,countermeasure, intelligence )
Moore law提出后，曾有相当一部分人认为下一代的 器件是分子电子器件。其理论基础是分子电子学。
因此，纷纷展开了分子电子学的研究，经过几年的工作
逐渐认识到，在微电子器件与分子电子器件之间有一个
过渡时期
纳电子器件。
三、Future Integrated Multichips Systems
RTD：quantum-wellresonant-tunneling diode
挑战: 减少癌症的病痛和死亡— 2015
“A Vision Not a Dream!” by using nanotechnology, A v. Eschenbach, NCI
手段/ 方法？
目标
早期发现 和诊断
2015 10m
现状
发现和诊断
恶性肿瘤 和转移
Year X 现在
过去 mm
Prevention 细胞内的多个基因改变导致癌症，纳米技术将实现更早期的发现和预防
靶向药物、饥饿疗法 、热疗法治疗癌症
（2）国外基础研究计划中对IT、BT、NT的关注
A
2.纳米电子器件概念的提出
（1）人类对客观世界的认识逐渐发展为两个层次
一、宏观领域：肉眼可见的物体 ，无限大到宇宙天体 二、微观领域：以原子分子为最大起点，下至无限领域
在两者之间为介观
包括
微米m（10-6米） 亚微米（10-7米）
导带
LUMO
电子进入此能级易 注入：电子或空穴
1－2ev
EF
1－2ev
0.1-0.5ev
EF
价带
HOMO
4.纳电子器件的主要特点
（1）隧道结和量子点的量子隧道效应。其效应灵敏，可观测到 单电子行为。隧道结和量子点是单电子器件（Single electron devices）的基本单元。
（2）载流子的波动性显著，在相位相干长度范围内，不丢失载 流子的相位信息。当系统尺寸与特性散射自由程相当时，载流 子输运为弹道式的，有显著的干涉、衍射效应。
第一章 纳米材料的基本概念
1.1 纳电子器件基本概念与特点 1.2 纳米材料基本概念和内涵 1.3 纳米结构单元 1.4 纳米材料的新发展
——知识铺垫与视野拓展
1.1 纳电子器件基本概念与特点
1. 纳米技术在信息技术中的地位 （1）相互关系
电子信息材料与元器件技术 重点基础技术 微电子技术 ——11.5重大专项 光电子技术
——William J. Clinton， January 21 , 2000
In 2000, President Clinton chose Caltech—the site of the historic Feynman speech—as the venue to announce the creation of the National Nanotechnology Initiative (NNI), a coordinated Federal program to fund nanotechnology research and development: “My budget supports a major new National Nanotechnology Initiative, worth $500 million… the ability to manipulate matter at the atomic and molecular level. Imagine the possibilities: materials with ten times the strength of steel and only a small fraction of the weight -- shrinking all the information housed at the Library of Congress into a device the size of a sugar cube -detecting cancerous tumors when they are only a few cells in size. Some of our research goals may take 20 or more years to achieve, but that is precisely why there is an important role for the federal government.”
CMOS：complementary metal-oxide semiconductor BiCOMS：Bipolar CMOS
SOI：silicon on insulator Si/SiO2的界面要非常清晰， 一般采用注入氧隔离技术。
Nano-technology( spin, molecular, RTD) devices fully integrated with RF, CMOS, and optical technologies
NT
的牵引,促进和推动作用。
生物、信息、纳米科技是本世纪内发展的主流！
——英刊评出十大对未来影响巨大的发明
——生物科学技术对基因的认识，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。
——纳 米 科 学 技 术：
未来的目标应是综合的组件，或SOC（system on chip）！
事实上，早在1985年，G.G.Roberts统计表明：电子元件的 尺寸随年代呈指数减少的关系。A.A.Chiabrera从理论上对 固体结构特性的最小尺寸（原子团）、电流电压感应击穿、 功率耗散、热噪声和Heisenberg不确定原理五个方面进行 了讨论，给出了微电子和元件尺寸的物理极限。如:储存16 位信息的元件：
从粒子性——电子自由程（1-100nm）与器件的物理长度相当
振幅信息
电子在作为信号载流子于器件中传输时，将保留
相位信息
从波动性——材料中自由电子德布罗意波长与器件的物理长度相当
λ：10-100nm
＝2 ( 2 )1/ 2
2m * E
m*：电子有效质量 ，m*<0.1m0(m0-自由电子质量)
三代电子器件的比较（续）
真空管 很小 很小 宏观量 mA 电子
电流 分立 模拟 分立元件 无线电、雷达
晶体管 小 小 宏观量 μA 电子/空穴
电子/空穴数 <1010b/cm2 bit 数字网 计算机
电子盒 显著 显著 有限量 nA 电子/空穴：金属、半导体 孤子：有机材料 极化子：极化材料、有机材料 隧穿速率 >1012b/cm2 qubit 类神经网 计算机、自动器、信息网
（2）极化子（polaron)
电子的自陷 在离子晶体或分子晶体中，电子在运动时受到其他电荷的影响， 会吸引正离子，使它靠近电子，排斥负离子使它远离电子，从 而产生离子的位移极化，极导化致子所的形在成区域内电子静电势下降，称 电子自陷。 这情况在离子晶体中更为明显。 电子带上它运动的极化区域可以看为一种“准粒子”，称极化 子，即电子+晶格畸变。 极化子的尺度取决于电子（或空穴）周围晶格畸变区域的大小。 畸变区域尺度大于晶格常数时，称大极化子。 当畸变区域尺度与晶格常数同量级时，称小极化子。
2 .从um
nm将研究新的效应，新概念，新技术。
3 .再进一步发展，将需要组装功能元件。
纳米材料 “新一代材料——新一代器件——新一代系统”的技术链
（2）电子器件技术的发展趋势
一、Moore定律
Intel公司创始人Gordon Moore1965年在一次讲演中提出 ：芯片晶体管数量每18个月将会增加1倍。1996年，电子 学家和企业家在美国旧金山的国际会议讨论的结果认为过 去20年是这样，未来15年仍是这样。
纳米nm（10-9米）
纳米范围通常1—100nm ，纳米科技 研究的尺寸范围0.1—100nm。 ——纳米尺度的图片概念
过去
mm
um
传统科学技术
现在
um
nm
新效应、新概念、新技术
未来
nm
功能元件组装，更新颖，更复杂新材料组合
1 .当大规模集成电路中元件尺寸由mm
um 时，仍用传统
的技术和科学来表达。
单晶半导体
有机/无机，？
高纯（5～6个9） 半导体纯(8～9个9) ？
电子管制造工艺 光刻、掺杂技术 组装，自相似生长
真空电子学(宏观） 半导体物理(宏观) 纳电子学(局域)
平均值
平均值
非平均值
名称 分布参量作用 温度敏感 载流子数量 信号电流强度 载流子
放大器件控制 集成度 加工模式 加工网 构造仪器
信息技术 ：Information Technology，IT
生物技术 ：Biology Technology，BT
IT→ET
纳米技术： Nano-Technology，NT
Energy + Environment
IT
BT ——NT是IT,BT重要的技术支持
和基础。
——IT,BT的进步,对NT起作很好
有机材料：
在有机材料中存在最低的未占用分子轨道（Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUMO,相当于无机材料中 的导带）和最高被占用分子轨道（Highest Occupied Molecular Orbital, HOMO，相当于无机材料中的价带）， 由于有机分子的链结构容易变化，当有电子进入，将引起周 围分子链的某种结构扰动，而形成一种电子周围环绕着被扰 动分子链的粒子，称为“极化子”。