电科专业纳米电新新子学基础第三节

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纳米电子学PPT课件

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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。
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硅材料表面上纳米细线的刻蚀
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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；
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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；
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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。
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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
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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。

电科专业纳米电子学基础第六章

纳米电子学基础主讲人：杨红官课程内容：第一章绪论第二章纳电子学的物理基础第三章共振隧穿器件第章隧穿件第四章单电子晶体管第五章量子点器件第六章碳纳米管器件第章子子器件第七章分子电子器件第八章纳米级集成系统原理第九章纳电子学发展中的问题第六章碳纳米管器件§6.1碳纳米管的结构§6.2碳纳米管的制备62§6.3碳纳米管的性质§6.4碳纳米管的应用§6.5 碳纳米管晶体管§6.6 碳纳米管器件及电路第六章碳纳米管器件§6.1 碳纳米管的结构§6.2碳纳米管的制备62§6.3碳纳米管的性质§6.4碳纳米管的应用§6.5 碳纳米管晶体管§6.6 碳纳米管器件及电路C60及富勒烯化合物：§6.1 碳纳米管的结构X碳家族的成员1985年英国Sussex 大学的Kroto 教授和美国Slice 大学的Smalley 教授发现碳元素由12个正五边形和无定形碳晶形碳20个正六边形构成石墨富勒碳金刚石巴基球（以C60为代表）碳纳米管巴基葱（即球状多壁同心大分子）碳纳米管（CNTs ）：1991年，日本科学家饭岛（Iijima ）在《Nature 》发表文章公布了他的发现成果，这是碳的又一同素异型体。

§6.1 碳纳米管的结构X碳纳米管的结构原理分类：碳有金刚石、石墨、无定形碳以及有金刚石、石墨、无定形碳以及C60四类。

石墨碳原子纳米碳管的分类：碳Å纳米碳管的中的4个价电子只有3个成键,形成六边形的平面网状结构。

这种排列使石墨中的每个碳原子有对未成对电子,这对未成对电子围绕着这个碳环平面高速运转,因每个碳原子有一对未成对电子而使石墨具有较好的导电性。

在石墨的边缘,每个碳原子都有一个悬浮的键,这个悬浮的键就象一个伸出去的手一样,一直在寻找未成键的原子。

Å如果将石墨加热到1200℃以上,碳环就会开始重新排列,这种高能量活性边界开始卷曲,直到两个边界完美地结合在一起形成一种空心的管子,其它碳环也同时和这个管子相作用形成种帽状结构封闭管子而形成种两端封闭的管状和这个管子相作用形成一种“帽状”结构封闭管子而形成一种两端封闭的管状结构,称为纳米碳管。

纳米电子学电子科大

• 原子确实是用肉眼无法看见的。这就需要借助仪器来开拓我们的视野。就在80年代初期，IBM公司在世界上第一次研制成功表面分析仪器——扫描隧道显微镜（STM），使人类第一次能够观察到单个原子或分子的排列状态。它给我们提供了对纳米结构进行测量和处理的“眼睛”。 • 那么用什么来操纵原子呢？也得借助仪器来延伸我们的双手，这就是——扫描探针。1990年，当 IBM公司的科学家成功地用“扫描探针”把35个氙原子移动位置，按照人的意志组成了IBM三个字母的时候，人类终于可以搬动原子了。
• 附图就是摩尔文章中所给出的预测图形，据此，摩尔明确预测， 1975年时集成电路上的元件数将达到65 000。果不其然，1975年64K RAM芯片问世，而所谓 64K的精确值正是65536，即216。这使摩尔预言名噪一时，并从此把它称为摩尔定律。
高聚物和纳米复合物
高表面积多孔材料净化、分离、催化生物相容、自我调整药物分配器
H2原子和C纳米管
多层C纳米管
纳米多层管
C纳米索线
C脚手架
C60晶体管
纳米变阻箱
MgH2 块体
鲱骨状
层状
轨道状
Cu分形状
多孔状
Au-足球状
洋葱状
Quantum Dots (量子点)
碳纳米管是由多个碳原子六方点阵的同轴圆柱面套构而成的空心小管，其中石墨层可以因卷曲方式不同而具有手性。碳纳米管的直径一般为几纳米至几十纳米，长度为几至几十微米。碳纳米管可以因直径或手性的不同而呈现很好的金属导电性或半导体性。
纳米科技的进展
• 1.分子电子学获重大进展 1)2001年8月美国IBM公司宣布,该公司用单分子碳纳米管成功地制成世界上最小的逻辑电路。 2)2001年美国朗讯贝尔实验室用一个单一的有机分子制造出了世界上最小的晶体管，称为“纳米晶体管”,大小接近1纳米，在针尖大小的尺寸上可以容纳1000万个这种晶体管。它以碳为基础，包含氢和硫的有机半导体分子为晶体管材料，以金原子层为电极。 • 2. 2000年Intel和AMD分别成功研制出栅长为30纳米和40 纳米CMOS器件，2001~2002年又先后研制出栅长为15纳米的CMOS器件。

纳米光电子学复习讲义.docx

1、从三维到零维的态密度态密度推导:三维：为「概括ii 抻侧鳗分布状况.引人定义为正常中能V E 附近刺位能址间隔内的电予志散.假设在能址E-E-dE 向无限小的能量间隔内有田、个电子忘.*M «（E ＞为A *号体片侑底成偷带顶附近.尊能■近位为球形.*i 电子志 4 4空间的分布职均与的.密度为V （2X ）1. M 中V 隹品体体机. 代此。

能址E - E + dE 何的电干杰散为（分割以导带底或价借KI 为能ttTA ＞=盘1_牛二1 —三二 ‘（2K F A •2 A，我'（会）"'盹即只白有效质量为"I •的导带电F 或价带空穴在刺但体枳内的急密度＜（£）为邮＞ =!（芸广即 ⑷⑶式《413）盘明移价宙m 成铮带成附近.能右*度陆能址注携变 It."带边£ = 0处杰密度也为0.Quantum Well 半#体#带和价带中的电干建缴洋常浦集, 彬成用连技分布.Bulk Quantum Wire Quantum Dot二维（量子阱）:6, 6, Q 2、/7 + + TT 叭％ V ，z) + /(x, y, z\f(x,y,z) = E 叭x, y, z) dy Qz ) tl f —y/(z)+ E 此)2m dz叭 x, y)=A exp{ik x x + ik Y y) E =——―—• ZmU y/(x,^) = i//(x + L,y + L )= A expz^^ + L )+k y (y + £))=J (exp i(k x x + Ze v y)exp i{k x L + 如1))= “(x, j ，)exp ，(kxl+ k y L ) v £2 mEN =——— 1 dN _ 1 d (L 2mE yU~dE~lF~dE\ltl^ t 一维（纳米。

以 tt fn 站构中.电子在1和y 方向上的运命受胃限制.只厦沿匚方向n 由近功.h 2 2in dx m 7t Tr P （E ）二 2 m Ti 2成为市一维体系.殳八、方向上的幼阱均为无阳株方们阱.阱童分割为“、b.明它的整5以、岐1°且1,1<¥V(r)= < (4-24))g |1|>品・或lyl>¥根8■胃到体事的It函敷民/(r)= r‘ 二:心工L：,，〈中..J e 。

纳米技术与纳米电子学资料

• 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。
图10.7 纳米结构制备的两种思路
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10.3 纳米材料的制备和加工技术
• 1 分子束外延(MBE)
目前，采用外延生长最常见的纳米集成电路用硅基半导体材料有绝缘体上硅(SOI) 材料和锗硅(SiGe)异质材料。
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10.3 纳米材料的制备和加工技术
• 2 化学气相淀积(CVD)
• 磁性
——制备永磁微粉
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10.2 纳米材料的基本效应
• 2 小尺寸效应 • 热力学性质
——μ随着颗粒尺寸减小而增大
2 / r
当颗粒小于某临界尺寸时，将会在明显低于块材的熔点温度下熔化。图10.3即为金熔化温度与颗粒尺寸的关系。
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10.2 纳米材料的基本效应
• 主要新效应有：量子相干效应，A-B效应，即弹性散射不破坏电子相干性，量子霍尔效应，普适电导涨落特性，库仑阻塞效应，海森堡不确定效应等。
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10.4 纳米电子学
• 1 量子电导
ne2 / m*
n kF2 /
(e2 / h) 2kFl
m*l / kF h
即满足量子条件的电导率是(e2/h)因子的函数，在单电子输运情况中，此因子为量子化的台阶值。

《纳米功能材料》第三章纳米电功能材料

第三章纳米电功能材料
第一节电接触复合材料第二节导电复合材料第三节压电复合材料第四节超导材料第五节介电材料
纳米材料的物理性能
纳米材料的物理性能改变的几种机制：（1）大表面原子数比，（2）大表面能，（3）空间限域，（4）非完整性的降低。
具体实例：
➢ 纳米材料由于具有大的表面原子数比，可以具有很低的熔点、相转变温度、略微减小的晶格常数。 ➢ 纳米材料机械性能可达到理论强度，比块体单晶的强度高1~2个数量级。 ➢ 纳米材料光学性能，半导体纳米粒子的光吸收峰，由于带隙宽度增大而向短波方向移动。金属纳米粒子颜色由于表面等离子基元而随尺寸变化。 ➢ 纳米材料由于增加的表面散射，电导率随尺寸而减小。但如果较好地排列，电导也可以提高，如在聚合物小纤维中。 ➢ 纳米结构材料的磁性，表面能的存在，块体材料的铁磁性转变为纳米材料的超顺磁性。 ➢ 自净化是纳米材料的内在动力学性质。热处理可提高杂质、内部缺陷和位错的扩散，容易将它们推向表面附近。对化学和物理性质有明显的影响。
θ λ0
d
θ1
p
θ2
z
λ0
d — 薄膜厚度； o — 块体中电子平均自由程
非弹性散射后，薄膜电阻率 f 相对于块体电阻率 0的比值：
0 f
d 20
ln
0 d
3 2
厚度d小于块体电子平均自由程o的薄膜中，膜表面非弹性散射电子的汤普森（Thompson）模型示意图。
[J.J. Thompson, Proc. Cambridge Phil. Soc. 11, 120 (1901).]
极大的荷电能量的状况下
（A）STM针尖放置在吸附于Au-云母基体上（插图）的单个团簇上，83 K时的库仑阶梯IV曲线；电势为针尖-基体之间的偏压；双隧道结等效回路给出电容Cupper = 0.59 aF和Clower = 0.48 aF （B）2:1甲苯:乙腈/0.05 M HX4NClO4中0.1 mM 28kDa团簇溶液的伏安曲线（CV −，100 mV/s；DPV →，为电流峰，20 mV/s，25 mV脉冲，顶端、底部分别为负、正扫描）， 7.9 × 10−3 cm2 Pt电极，298 K，Ag线赝参比电极

电科专业纳米电子学基础第一章

光年
以上
实际范围河外星系
适用理论尚无
宇观宏观微观
渺观
1021米=105 光年 102米
10-17米= 10-15厘米
10-36米= 10-34厘米
从3亿公里到 3×1014光年
从3 ×10-6厘米到3亿公里
从3 ×10-25厘米到3 ×10-6厘米
3 ×10-25厘米以下
从太阳系到银河系从大分子到太阳系从基本粒子到大分子
§1.3 材料
纳米结构材料的基本特性
II. 小尺寸效应
特殊的力学性质
Å 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而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。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍。至于金属一陶瓷等复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分宽广。
纳米电子学基础
主讲人：杨红官
课程内容：
第一章绪论第二章纳电子学的物理基础第三章共振隧穿器件第四章单电子晶体管第五章量子点器件第六章碳纳米管器件第七章分子电子器件第八章纳米级集成系统原理第九章纳电子学发展中的问题
参考资料：
1. 纳电子学导论，蒋建飞编著，科学出版社。 2. 纳米电子学，杜磊庄奕琪编著，电子工业出版社。 3. 纳电子器件及其应用，蔡理编著，电子工业出版社。 4. 纳电子学与纳米系统，陈贵灿等译，西安交通大学出版社。

电科专业纳米电子学基础第三章

纳米电子学基础主讲人：杨红官课程内容：第一章绪论第二章纳电子学的物理基础第三章共振隧穿器件第章隧穿件第四章单电子晶体管第五章量子点器件第六章碳纳米管器件第章子子器件第七章分子电子器件第八章纳米级集成系统原理第九章纳电子学发展中的问题第章第三章共振隧穿器件§3.1共振隧穿现象§3.2共振隧穿器件的输运理论32§3.3共振隧穿二极管的特性分析§3.4共振隧穿二极管模型§3.5 基于RTD器件的数字电路§3.6 基于RTD器件的模拟电路第章第三章共振隧穿器件§3.1 共振隧穿现象§3.2共振隧穿器件的输运理论32§3.3共振隧穿二极管的特性分析§3.4共振隧穿二极管模型§3.5 基于RTD器件的数字电路§3.6 基于RTD器件的模拟电路§3.1 共振隧穿现象Å1969年Tsu（朱兆祥）和Esaki（江崎）首先预测到半导体超晶格势垒结构中Ga1-x As能够产生共振隧穿（Resonant Tunneling）现象。

并预言若给GaAs/Alx双势垒或多势垒结构加上偏压，会出现负微分电阻（Negative DifferentialI V特性Resistance，NDR）的电流电压I-V特性。

Å不久，分子束外延技术（MBE）的发明，使人们可以在原子精度内和背景杂质非常低的情况下，有控制地生长外延异质结层。

应用这种技术制造出来AlGaAs/GaAs/AlGaAs双势垒结构，验证了他们的设想。

Å在共振隧穿和负微分电阻的基础上，种新型的量子器件应运而生，即共振在共振隧穿和负微分电阻的基础上，一种新型的量子器件应运而生，即共振隧穿器件（Resonant Tunneling Device，RTD）。

X共振隧穿器件具有以下特点共振隧穿器件（RTD）具有以下特点：Ø(1) 高速高频。

电科专业纳米电子学基础第七章

纳米电子学基础主讲人：杨红官课程内容：第一章绪论第二章纳电子学的物理基础第三章共振隧穿器件第章隧穿件第四章单电子晶体管第五章量子点器件第六章碳纳米管器件第章子子器件第七章分子电子器件第八章纳米级集成系统原理第九章纳电子学发展中的问题第七章分子电子器件§7.1发展背景与前景71§7.2里程碑式的关键技术72§7.3各种分子电子器件§7.4聚亚苯基分子器件§7.5DNA计算机第七章分子电子器件§7.1 发展背景与前景71§7.2里程碑式的关键技术72§7.3各种分子电子器件§7.4聚亚苯基分子器件§7.5DNA计算机发背景与前景§7.1 发展背景与前景¾研究领域Å纳米电子学发展涉及的领域很广。

目前，纳电子学主要有三个发展方向：固体纳电子学：在非常小的晶体结构中电子主要遵循晶体结构中，电子主要遵循波函数规律。

固体纳电子学有一套自上而下的研究方法，来系统来实现器件的功能在分子电子学中，须考虑分子结构的特殊形态。

分子电子学是自下而上的研究方法，更深一层的研究方法是由生物技术引发的，称为生物电子学或湿电子学。

来系统来实现器件的功能。

子学是自下而的研究方法，来实现特殊功能的器件。

发背景与前景§7.1 发展背景与前景¾定义Å分子电子学研究的是分子水平上的电子学,其目标是用单个分子、超分子或分子簇代替硅基半导体晶体管等固体电子学元件组装逻辑电路,乃至组装完整的分子计算机。

它的研究内容包括各种分子电子器件的合成、性能测试以及如何将它们组装在一起以实现一定的逻辑功能。

Å分子电子器件（简称分子器件）是由具有光、电、离子、磁、热、力学和分子电子器件（简称分子器件）是由具有光电离子磁热力学和化学反应性能的单个分子或少量分子组装排列而成的有序结构，是在分子水平上完成信息和能量的检测、转换、传输、存储和处理等功能的化学和物理系统。

纳米科学与技术第三章讲义

纳米颗粒的制备方法
★气相法
气相法
制备的主要纳米粒子种类
（1）低压气体蒸发法
纳米金属、合金或离子化合物、氧化物
（2）活性氢－熔融金属反应法纳米金属，纳米氮化物
（3）溅射法
纳米金属
（4）流动液面上真空蒸度法纳米金属
（5）通电加热蒸发法
纳米碳化物
（6）混合等离子法
纳米金属
（7）激光诱导化学气相沉积纳米Si等
（8）爆炸丝法
纳米金属、纳米金属氧化物
（9）化学气相凝聚法
纳米陶瓷粉体
(1) 低压气体蒸发法
• 在低压的氩、氮等惰性气体中加热金属，使其蒸发后形成纳米颗粒。
• 可通过调节惰性气体压力，蒸发物资的分压(即蒸发温度和速率)，或惰性气体的温度，来控制纳米微粒粒径的大小。
• 可制备的物质包括：金属、 CaF2、NaCl、FeF等离子化合物、过渡金属氧化物及易升华的氧化物等
(2)活性氢-熔融金属反应法
➢原理：含有氢气的等离子体与金属间产生电弧，使金属熔融，电离的N2、Ar等气体和H2溶入熔融金属，然后释放出来，在气体中形成了金属的超微粒子，用离心收集器、过滤式收集器使微粒与气体分离而获得纳米微粒。
➢ 优点：纳米微粒的生成量随等离子气体中的氢气浓度增加而上升。
➢ 制备纳米粒子种类：Fe、TiN、AlN
(3)溅射法
• 原理：由于两极间的辉光放电使 Ar离子形成，在电场作用下， Ar离子冲击阴极靶材表面，使靶材原子从其表面蒸发出来形成超微粒子，并在附着面上沉积下来。
• 优点：(i)可制备多种纳米金属，包括高熔点和低熔点金属；(ii) 能制备多组元的化合物纳米颗粒，如Al52Ti48、Cu19Mn9等；(iii) 通过加大被溅射的阴极表面可提高纳米微粒的获得量。

纳米电子学

目录
前言纳米电子学及其概论纳米电器件单电子晶体管展望参考文献
前言
纳米科学与技术是科学发展跨时代的主要内容之一，是21世纪高科技的基础。
现在它的学科划分包括六个主要部分：纳米电子学，纳米物理学，纳米化学，纳米生物学，纳米机械学和纳米表征测量学。
六个部分中为首的是纳米电子学。
单电子晶体管
单电子晶体管是单电子学领域中最重要的器件
单电子晶体管一个一个传输电子
单电子晶体管的应用
它至少可以在以下三个方面有重要应用：对极微弱电流的测量和制成超高灵敏
度的静电计；构成新机理的超高速微功耗特大规模
量子功能器件、电路和系统，以及量子功能计算机；研究高灵敏度红外辐射检测器。
展望
纳米电子学因其新颖、奇异和独特等性能，从开始诞生就引起了世界范围内的广泛关注。纳米电子学对于信息时代意义重大。现在刚刚开始探索各种材料、技术和机理，在这个领域，我们的研究工作与国际上一样，刚刚开始探索。在纳米电子学运行机理和加工组装技术方面，我国也做出了很好的工作。在超高密度信息存储方面我们取得了突破性的进展，这是一个发展中的交叉学科领域，面临着很多问题有待解决。现在的研究是从材料和制备技术开始，在获得特性数据的基础上进行机理分析。这是科学发展跨时代的机遇，我们应该有勇气迎接挑战。
小小尺尺寸寸效效应应
量子量尺子寸尺寸效效应应
巨磁巨阻磁效阻效应应
库仑库阻仑塞阻塞效效应应
宏观宏量观子量子效隧隧应穿穿效应
纳米电子学的技术支撑
纳米加工技术纳米团簇的超分子化学自组装
纳米量子点微结构的自组织生长技术
纳米电子器件
纳米电子器件以其固有的超高速（10-12— 10-13s）、超高频（大于1000GHz）、高集成度（大于1010元器件/cm2）、高效低功耗、极低阈值电流密度（亚毫安）和极高量子效率等特点在信息领域有着极其重要的应用前景，将可能触发新的技术革命，成为未来信息技术的核心和支柱。

纳米电子学的基础理论与应用

纳米电子学的基础理论与应用现代科技的发展中，微电子技术一度占据主导地位。

然而，随着科技的进一步发展，微电子技术已经难以满足人们对电子产品的需求。

为此，纳米电子技术应运而生。

纳米电子技术以纳米尺度为基础，将传统微电子技术中的微观世界再次细分，以更加精细的方式去构造电子元器件，从而实现更高效、更小型、更快速的电子产品。

纳米电子学作为纳米尺度中的一种应用学科，具有广泛的应用前景。

一、纳米电子学的基础理论纳米电子学的基础理论主要包括四个部分：纳米材料、纳米器件、纳米加工和纳米电路设计。

1、纳米材料纳米材料是纳米电子学研究的基础。

纳米科学家主要通过纳米化的方法制备出具有纳米级尺寸的单晶、多晶和非晶的纳米材料，其中包括碳纳米管、纳米粒子、二维材料和超晶格。

这些纳米材料具有极高的比表面积和特殊的物理特性，为纳米器件的设计和构造提供了基础。

2、纳米器件纳米器件是指采用纳米材料制造的微型电子元器件。

其中，纳米晶体管是一种研究最为深入的器件。

晶体管是电子学中最基本的元器件之一，而纳米晶体管主要是指根据纳米级结构特性设计和构造的微型晶体管。

这种晶体管具有很强的电子场效应，用于构建集成电路可以大幅度降低功耗和延长电池使用寿命。

3、纳米加工纳米加工一般分为两类：自下而上的加工和自上而下的加工。

自下而上主要采用化学合成方法来制备纳米器件，这种方法的特点是可以制备出形态多样、成分纯的纳米材料；自上而下大多采用微加工方法，如电子束光刻，以控制电子束进行器件刻蚀和表面修整，从而精度更高，适用于集成电路的制备。

4、纳米电路设计纳米电路设计与传统微电子电路设计相比，更需考虑器件尺寸、纳米级别的能带结构和表面效应等因素。

纳米电路设计的核心是利用纳米级物理效应构建出功能元件，然后通过电路连接实现功能的综合利用。

二、纳米电子学的应用纳米电子学的应用范围非常广泛，如人工智能、生物医学、量子信息和新能源等领域。

1、人工智能人工智能技术需要大量的计算和存储资源，而这种资源往往需要占用大量的空间、耗费大量的能源和金钱。

电科专业纳米电子学基础第四章

电科专业纳⽶电⼦学基础第四章纳⽶电⼦学基础主讲⼈：杨红官课程内容：第⼀章绪论第⼆章纳电⼦学的物理基础第三章共振隧穿器件第章隧穿件第四章单电⼦晶体管第五章量⼦点器件第六章碳纳⽶管器件第章⼦⼦器件第七章分⼦电⼦器件第⼋章纳⽶级集成系统原理第九章纳电⼦学发展中的问题第四章单电⼦晶体管第章§4.1单电⼦传输理论42§4.2单电⼦隧道结§4.3电容耦合单电⼦晶体管43§4.4电阻耦合单电⼦晶体管§4.5 单电⼦器件§4.6 单电⼦电路第四章单电⼦晶体管第章§4.1 单电⼦传输理论42§4.2单电⼦隧道结§4.3电容耦合单电⼦晶体管43§4.4电阻耦合单电⼦晶体管§4.5 单电⼦器件§4.6 单电⼦电路单电传输论§4.1 单电⼦传输理论X测控条件对单电⼦效应的实验观测和单电⼦器件及电路性能的测量，必须满⾜若⼲基本条件，通常是指三个克服。

I. 克服热扰动E T=k B T。

要想克服热扰动，单电⼦隧道结（single electron tunneling junction, SETJ）的结⾯积必须在纳⽶尺度，使其结电容C 尽可能的⼩，从⽽保证结的充电能量E C=e2/2C（或静电能）远远⼤于环境温度T引起的热扰动能量E T=k B T，即有E C>>E T，为了能在室温下观测到单电⼦隧穿效应，结电容必须⼩⾄10-19~10-18F。

II. 克服量⼦扰动能E Q=h/R T C。

要克服量⼦扰动能，SETJ的隧道电阻必须远⼤于电⼦量⼦R k h/e25.813k?。

如果SETJ是超导基的，电阻量⼦为R kh/4e =2≈=2≈6.45k?。

根据量⼦⼒学的测不准关系，能量的不确定性为ΔE~E Q=h/R T C，如果E Q超过了SETJ的充电能量E C就会掩盖单电⼦隧穿效应，为此，必须满⾜条件E C>>E Q或者E T>>E k。

纳米材料第三节

第二章纳米微粒的基本理论§2.1 电子能级的不连续性（需重新整理）§2.2 量子尺寸效应定义：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和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，能隙变宽现象均称为量子尺寸效应．影响：当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，这时必须要考虑量子尺寸效应，这会导致纳米微粒磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性有着显著的不同．§2.3 小尺寸效应定义：当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度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小尺寸效应．人们曾用高倍率电子显微镜对超细金颗粒(2nm)的结构非稳定性进行观察，实时地记录颗粒形态在观察中的变化，发现颗粒形态可以在单晶与多晶、孪晶之间进行连续地转变，这与通常的熔化相变不同，并提出了准熔化相的概念．纳米粒子的这些小尺寸效应为实用技术开拓了新领域．应用：1、例如，纳米尺度的强磁性颗粒(Fe—Co合金，氧化铁等)，当颗粒尺寸为单磁畴临界尺寸时，具有甚高的矫顽力，可制成磁性信用卡、磁性钥匙、磁性车票等，还可以制成磁性液体，广泛地用于电声器件、阻尼器件、旋转密封、润滑、选矿等领域．2、纳米微粒的熔点可远低于块状金属。

例如2nm的金颗粒熔点为600K，随粒径增加，熔点迅速上升，块状金为1337K；纳米银粉熔点可降低到373K，此特性为粉末冶金工业提供了新工艺．3、利用等离子共振频率随颗粒尺寸变化的性质，可以改变颗粒尺寸，控制吸收边的位移，制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料，可用于电磁波屏蔽、隐形飞机等．§2.4 表面效应纳米微粒尺寸与表面原子数的关系表面能和一个粒子中的原子数的关系1、定义：微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应．近年来，人们发现一些宏观量，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，称为宏观的量子隧道效应。

高等半导体物理Chapter 6 纳米电子学基础

第六章纳米电子学基础6.1. 纳米技术的发展6.2. 纳米结构材料的基本特性6.3. 纳米结构中的介观现象6.4. 单电子器件和电路6.5. 未来可能的发展第六章纳米电子学基础6.1. 纳米技术的发展6.2. 纳米半导体材料的基本特性6.3. 纳米结构中的介观现象6.4. 单电子器件和电路6.5. 未来可能的发展1. 纳米技术的发展Å近年来，随着计算机技术和纳米电子学的飞速发展，电子器件中电路及器件的小型化和高集成度趋势越来越显著，近年来已达到了原子尺度的量级。

当电路的尺寸小到和电子的相干长度可以比拟的时候，电路本身的量子效应就会出现。

Å如今的芯片光刻工艺已经使光刻线的分辨率达到亚微米量级，例如大家熟知的Intel Pentium 4 Prescott处理器和AMD Athlon64 Winchester处理器为90nm工艺，即两导线之间的距离只有90nm,下一步将发展为65nm、40nm、32nm，甚至更小。

1. 纳米技术的发展Å美国半导体协会预计：到2010年，半导体器件的尺寸将达到0.1 μm （100 nm）极限，由于量子效应, 小于这一尺寸的所有芯片就不再保持原有的性能, 需要按新的原理来设计，要突破这一极限，我们就得研究纳米尺度中的理论问题和技术问题。

Å“纳米”是长度单位，1nm=10-9m, 即1纳米等于十亿分之一米，相当于头发丝万分之一的粗细。

纳米研究的范围是1到100纳米相当于头发丝万分之的粗细纳米研究的范围是1到100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，称之为介观世界。

代表的宏观世界的中间地带称之为1. 纳米技术的发展Å人类对纳米技术的研究已有了40多年的历史。

1959年，美国著名的物理学家、诺贝尔奖金获得者理查德·费曼认为：能够用宏观的机器来制造比其体积小的机器，而这较小的机器又可制作更小的机器，这样步步达到可制作更小的机器，这样一步步达到分子线度。

纳米电子学基本原理

纳米电子学基本原理纳米电子学是一门研究纳米尺度下材料、器件和系统的电子行为的学科。

其研究对象主要包括纳米材料的合成和表征、纳米器件的设计和制备以及纳米系统的集成与应用等方面。

本文将介绍纳米电子学的基本原理，包括纳米材料的特殊性质、纳米器件的工作原理以及纳米电子学的应用前景等内容。

一、纳米材料的特殊性质纳米材料是指具有纳米尺度（1-100纳米）的结构特征的材料。

由于其尺寸的减小，纳米材料具有许多与宏观材料不同的特殊性质。

首先，纳米材料的比表面积大大增加，使其具有更多的表面活性，有利于在界面反应、催化反应等过程中的应用。

其次，纳米材料的量子效应变得显著，如纳米颗粒的光学性质将发生明显的量子尺寸效应。

此外，由于纳米材料尺寸相对较小，其晶体结构在几何和电子结构上也会发生明显变化。

这些特殊性质为纳米器件的设计和应用提供了基础。

二、纳米器件的工作原理纳米器件是指具有纳米尺度特征的电子元器件，如纳米晶体管、纳米存储器、纳米传感器等。

与传统的微电子器件相比，纳米器件具有更高的集成度、更低的功耗和更快的工作速度等优势。

纳米晶体管是纳米电子学中应用最为广泛的器件之一，它是一种用于放大和开关电子信号的器件。

纳米晶体管的工作原理如下：当给予晶体管的栅极加上一个电压时，栅极电场会控制半导体通道中的载流子的浓度，从而调节导电性能。

通过改变栅极电场的强弱，可以控制晶体管的导通与截止。

因此，纳米晶体管可以作为电子开关，实现信号放大和开关的功能。

三、纳米电子学的应用前景纳米电子学以其独特的性能和潜在的应用领域，吸引了广泛的关注和研究。

纳米电子学的应用前景十分广阔，可应用于信息技术、生物医学、能源等领域。

在信息技术方面，纳米电子学可以推动芯片器件的微型化和超高集成度，提高计算机、通信设备等的性能和功耗效率。

纳米存储器的出现也有望解决存储器容量与速度之间的矛盾。

在生物医学领域，纳米电子学为精确诊断和治疗提供了新的工具和方法。

纳米传感器可以实现高灵敏度的生物分子检测，用于疾病早期诊断和治疗监测。

纳米电子学第三章

J inc
k 2 A A m
2
式中,v是粒子的群速度。对于对称势垒的问题，入射波与幅值G相关的出射(或者称透射)波具有相同的群速度 2 k 2
J tran G
透射系数定义为透射与人射流密度的比率
m

G
2
J tran G 1 T E 2 2 J inc A M 11
相关
e

概率流密度，或者“流”可以写做
J r , t r , t r , t r , t 2mei

在研究像RTD这样的器件时，粒于射向势垒，可以用人射流与反射流的比率及人射流与透射流的比率来定义反射和透射系数‘下面将对各种态引人统计力学的分布函数，给出通过结构的流计算公式，并将在3. 3节中对本节的方法做进一步推广。本节将讨论平面型势垒的透射和反射系数的定义和计算方法。
r , t r , t r , t
r, t 式中，
是与时间的薛定谔方程的解。从薛定谔方程出发可以得到概率密度的连续性方程 r , t - r , t r , t r , t r , t t 2m i
(2)适当形式的输运理论该理论必须能够模拟器件的主要输运过程。在模型中总是要进行简化、近似和数值离散化，但是，这些处理不能违反基本的物理规律和量子力学原理。可是，在实际上，有些简化和近似常常危及某一原理。按照第一性原理的观点，纳米器件一般来说是一个开放量子系统，在其中电子
起码可以在某一维方向运动。而且是与时间相关的。同时，输运具有时间不可逆性和耗散性。输运过程中还存在多体作用。器件与周围的环境既存在粒子交换也存在能量交换。所以电子器件作为一个物理系统与简单的孤立量子系统有很大的区别，后者可以具有守恒的哈密顿量，对薛定谔方程加上适当的边界条件，相对较容易求解。而适用于这种开放器件系统的易子计算的通用多体形式的量子理论尚没有建立起来。对于特定器件的某些性质的计算可以不用通用的多体理论。实际应用中广泛采用各种近似和简化的模型口针对主要输运过程的模型，可以使计算简化。最近，共振隧穿器件（Resonant Tunneing Device， RTD）模拟工作已取得明显进展，模拟结果在估计RTD的量子效应方面和应用于器件设计方面均获得丰硕的成果。

纳米电子学基础 ppt课件

度如下：
• (i) 零维（量子点）-----LxLyLz • (ii) 一维（量子线）-----LxLy <<Lz • (iii)二维（量子阱）-----Lx<<Ly, Lz
• 当体系尺寸符合上述尺度指标，其物理性质会产
生量子效应。
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本征能量:
不断减低维度所呈现的最明显的量子效应是能级量子化，从连续谱逐步变成离散谱。
e2 2C
I
V
e2 k BT 2C
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库仑堵塞能是前一个电子对后一个电子的库仑排斥能，这就导致了对一个小体系的充放电过程，电子不能集体传输，而是一个一个单电子的传输．通常把小体系这种单电子输运行为称库仑堵塞效应。
PPT课件
21
当电极电压低于阈值时,电子传输过程不能发生,当电压大于该值时,充电过程可以发生.
(GaInN)/氮化镓(GaN)制量子阱来产生蓝光及黄光，进而制作出白光 LED(WLED)。这项成果使WLED的商业化有向前推进一步，未来有希望取代目前使用的白炽灯泡。
PPT课件 1
TEM images of the SiO2 nanowires: (a) bundle of SiO2 nanowires grown on silicon wafer, showing amorphous (upper right inset) and very thin nanowires with average diameter of 20 nm (lower left inset); (b) SiO2 nanowires grown on alumina substrate, showing paired amorphous (inset) and straight nanowires with average diameter of 60 nm.