纳米电子学基础-2014

• 纳米碳管
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CdSe量子点
量子化尺度
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当体系中电子之物质波(de Broglie Wave)波长接近体 系的尺寸大小时，体系界面为一能障，而使得电子形成驻 波，其能量亦呈量子化。设体系的温度为T，在热平衡情 況下，电子的动能（E）等于热能（kBT）
h h h p ( mE) ( mk T) B
隧穿效应是STM的基础
Nature 409, 304(2001)
如果两个量子点通过一个“结”连接起来，一个量子 点上的单个电子穿过能垒到到另一个量子点上的行为称作 量子隧穿．为了使单电子从一个量子点隧穿到另一个量子 点，在一个量子点上所加的电压必须克服 Ec，即V＞ e／ C、通常，库仑堵塞和量子隧穿都是在极低温度情况下观 察到的，观察到的条件是（ e2/2C）＞ kBT。 有人已作了估计，如果量子点的尺寸为1nm左右，我 们可以在室温下观察到上述效应．当量子点尺寸在十几纳 米范围，观察上述效应必须在液氮温度下．原因很容易理 解，体系的尺寸越小，电容 C越小， e2/2C就越大，这就 允许我们在较高温度下进行观察．利用库仑堵塞和量子隧 穿效应可以设计下一代的纳米结构器件，如单电子晶体管 和量子开关等。
库仑阻塞的震荡特征, 可应用 于开关电路
(4). 量子隧道效应：
nm
一维单矩形势垒:
设如图的对称矩形势垒, 一维纵向波函数满足:
对于E<U0的入射波, 经计算:
可以看到,能量为E<U0的粒子穿越势垒的概率不为零
一维对称双矩形势垒的隧道效应:
可看作两个单势垒 + 一个单势阱:
(5). 量子干涉效应：
量子阱
• CRHEA-CNRS的Benjamin Damilano及其研究团队利用氮化铟镓
(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。
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.
• 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。
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。
能态密度
•
能态密度(density of states, DOS)是指在单位体积单 位能量宽度中的能态數目，一般以n(E)表示。由于Pauli不 相容原则，每一波向量k最多只能容纳二不同自旋方向电 子，定义n(E)如下：
3D
2D
1D
0D
3D、2D、1D和0D电子气的态密度对能量依赖的示意图
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。
纳米体系的基本物理效应 (1).小尺寸效应：
尺寸与光波波长、德布罗意波长以及相干长度等相当或更小时， 导致声、光、电磁、热力学等物性呈现新的小尺寸效应。
• 超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、
(2).表面效应：
d(nm) 10 4 2 1 N 30,000 4,000 250 30 表面(%) 20 40 80 99
超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的，若用高 倍率电子显微镜对金超微颗粒进行电视摄像，实时观察发 现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成 各种形状（如立方八面体，十面体，二十面体多晶等）， 它既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。在 电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾 ”状态，尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳 定性，这时微颗粒具有稳定的结构状态。 超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅 速氧化而燃烧。如要防止自燃，可采用表面包覆或有意识 地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧 化层，确保表面稳定化。利用表面活性，金属超微颗粒可 望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。
•因此在室温下此波长约为7.3nm，由于一般固体中的电子 •温度越低要让体系量子化的尺寸越大。
有效质量小于自由电子的质量，实际波长会比此值为大。
量子化尺度
• 设一体系的三维尺度为Lx, Ly与Lz，定义量子化尺
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
Байду номын сангаас
特殊的光学性质
当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽 而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越 小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此 可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米 的厚度就能完全消光。 利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地 将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外 隐身技术等。
特殊的磁学性质
• 人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细
菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导 航下能辨别方向，具有回归的本领。磁性超微颗粒实质上是 一个生物磁罗盘，生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰 富的水底。通过电子显微镜的研究表明，在趋磁细菌体内通 常含有直径约为 2×10-2微米的磁性氧化物颗粒。 小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，大块的纯铁矫顽 力约为 80安／米，而当颗粒尺寸减小到 2×10-2微米以下时，其 矫顽力可增加1千倍，若进一步减小其尺寸，大约小于 6×10-3微 米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。利用磁性超微 颗粒具有高矫顽力的特性，已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大 量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性，人 们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。
特殊的热学性质
固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微 化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时 尤为显著。
例如，金的常规熔点为1064℃，当颗粒尺寸减小到10纳米 尺寸时，则降低27℃，2纳米尺寸时的熔点仅为327℃左右 ；银的常规熔点为670℃，而超微银颗粒的熔点可低于 100℃。超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此 时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料 。采用超细银粉浆料，可使膜厚均匀，覆盖面积大，既省 料又具高质量。 超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引 力。例如，在钨颗粒中附加0.1％～0.5％重量比的超微镍 颗粒后，可使烧结温度从3000℃降低到1200～1300℃，以 致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。
e2 2C
I
V
e2 k BT 2C
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。
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.
特殊的力学性质
• 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。 声学特性以及化学性能等方面。
(3).量子尺寸效应：
(4).库仑阻塞与库仑台阶效应：
库仑堵塞效应是20世纪80年代介观领域所发现的极其重要 的物理现象之一．当体系的尺度进入到纳米级，体系是电 荷“量子化”的，即充电和放电过程是不连续的，充入一 个电子所需的能量Ec 为e2/2C，体系越小，C越小，能量 越大。这个能量称为库仑堵塞能。
以电子的双缝干涉为例来说明量子干涉性:
设φ1、φ2分别为电子穿过狭缝1、2到达观察屏的量子态，根 据量子态叠加原理，电子穿过两狭缝到达屏的量子态就为
电子到达屏上一一点P的几率为:
A-B 效应
电子波绕过一磁通所产生的相 位差正好等于该路径内的磁通 量
电子的几率密度为:
AAS 效应
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圆柱面形状的介观样品的磁电阻是沿着 圆柱轴线施加的外磁场的磁通量的周期函 数,磁电阻随磁通量振荡的周期为: • Φ0/2(Φ0 = h/ e为磁通量子) ,这就是著名的 AAS 效应