纳米电子学(2011)
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考试纳米电子
பைடு நூலகம்
从而越过能量势垒，进行电子遂穿 。 34.介观散粒噪声的信息• 如果说微米半导体器件中 1/f 噪声是信息主要携带 者，那么纳米器件和结构中散粒噪声是主要信息携带者。 35.散粒噪声应用：检测介观导体中的导电机制。 隧道结传输电荷单元的电荷数 值 – 无序导线中的开放透射通道、半导体微腔、电子纠缠 • 归根到底，散粒噪声可以用于检测波粒二象性 36. 问题：宏观导体有没有散粒噪声？ • 无序金属和半导体中电流是连续的电荷运动 • 当电流流过金属时没有可以区分的发射事件 • 因而，很难观测到疑散粒噪声的存在 宏观导体中，如一段铜线中存在的是热噪声，却没有散粒噪声 37.导体中观察到散粒噪声的条件： – 导线的长度 L 应当比非弹性电子－声子散 射长度 lin 短 • 所以纳米尺度和低温是观察到导体和半导体中散粒噪声前提 。 。 。相位干涉导致弱局域化：弱局域化效应可导致导体向绝缘体转化，称为安德 森绝缘体。准一维的系统中，无论多弱的散射势都会导致局域化。 。 。 。散射类型及其对干涉的影响 p： • 弹性散射，如杂质散射，尽管散射过程复杂，但是散射前后载流子的相位还 是有确定性的关系，在这种意义下保持了相位的记忆，弹性散射不破坏波函数 的相干性。 • 非弹性散射破坏相关性 • 非弹性散射平均自由程定义了一个有物理意义的尺度——相位相干长度 （phase coherencelength）Lφ。 • 尺度相当于或者小于 Lφ的体系被称为介观体系 。 。 。相位相干条件（ p14）• 光波产生干涉的必要条件是：频率相同的两光波 在相遇点有相同的震动方向和固定的位相差。只 有能量相同的电子才可能 具有固定的位相差，所以讨论电子的干涉只需要考虑处于相同能量本征态的电 子。只有电子在其路径上所经历的散射全部是弹性散射，才可能保持相干性。 。 。 。 需要考虑相位干涉的情况（ p14） • 在介观导体中运动的载流子，受到有限次散射，仍有可能保持相位相干性 。 • 固态材料中电子输运，以下两种情况是需要考虑相位干涉效应： • 沿具有时间反演对称性闭合路径反向运动的两电子分波 – 可以预计这样的两电子分波的叠加其总平均不能抵消为零 – 所谓背向散射情形 • 当样品尺寸 L ≤ Lϕ 时，电子分波的运动被限制在数目相对较少的若 干路径时，干涉的贡献显得非常重要。 。 。 。阿哈罗诺夫－玻姆效应 （A- B 效应） ：A-B 效应即弹性散射不破坏电子的 相位记忆的效应。 • A-B 效应中，通过改变磁场，可以调制两束电子分波的相位差。 。 。 。介观材料中电导涨落：材料中电子不同运动轨迹等价于A-B环的两个
从而越过能量势垒，进行电子遂穿 。 34.介观散粒噪声的信息• 如果说微米半导体器件中 1/f 噪声是信息主要携带 者，那么纳米器件和结构中散粒噪声是主要信息携带者。 35.散粒噪声应用：检测介观导体中的导电机制。 隧道结传输电荷单元的电荷数 值 – 无序导线中的开放透射通道、半导体微腔、电子纠缠 • 归根到底，散粒噪声可以用于检测波粒二象性 36. 问题：宏观导体有没有散粒噪声？ • 无序金属和半导体中电流是连续的电荷运动 • 当电流流过金属时没有可以区分的发射事件 • 因而，很难观测到疑散粒噪声的存在 宏观导体中，如一段铜线中存在的是热噪声，却没有散粒噪声 37.导体中观察到散粒噪声的条件： – 导线的长度 L 应当比非弹性电子－声子散 射长度 lin 短 • 所以纳米尺度和低温是观察到导体和半导体中散粒噪声前提 。 。 。相位干涉导致弱局域化：弱局域化效应可导致导体向绝缘体转化，称为安德 森绝缘体。准一维的系统中，无论多弱的散射势都会导致局域化。 。 。 。散射类型及其对干涉的影响 p： • 弹性散射，如杂质散射，尽管散射过程复杂，但是散射前后载流子的相位还 是有确定性的关系，在这种意义下保持了相位的记忆，弹性散射不破坏波函数 的相干性。 • 非弹性散射破坏相关性 • 非弹性散射平均自由程定义了一个有物理意义的尺度——相位相干长度 （phase coherencelength）Lφ。 • 尺度相当于或者小于 Lφ的体系被称为介观体系 。 。 。相位相干条件（ p14）• 光波产生干涉的必要条件是：频率相同的两光波 在相遇点有相同的震动方向和固定的位相差。只 有能量相同的电子才可能 具有固定的位相差，所以讨论电子的干涉只需要考虑处于相同能量本征态的电 子。只有电子在其路径上所经历的散射全部是弹性散射，才可能保持相干性。 。 。 。 需要考虑相位干涉的情况（ p14） • 在介观导体中运动的载流子，受到有限次散射，仍有可能保持相位相干性 。 • 固态材料中电子输运，以下两种情况是需要考虑相位干涉效应： • 沿具有时间反演对称性闭合路径反向运动的两电子分波 – 可以预计这样的两电子分波的叠加其总平均不能抵消为零 – 所谓背向散射情形 • 当样品尺寸 L ≤ Lϕ 时，电子分波的运动被限制在数目相对较少的若 干路径时，干涉的贡献显得非常重要。 。 。 。阿哈罗诺夫－玻姆效应 （A- B 效应） ：A-B 效应即弹性散射不破坏电子的 相位记忆的效应。 • A-B 效应中，通过改变磁场，可以调制两束电子分波的相位差。 。 。 。介观材料中电导涨落：材料中电子不同运动轨迹等价于A-B环的两个
最新第五讲纳米电子学PPT课件
第三代 中小规模集成电路计算机
1965年到1970年的第三代计 算机采用了集成电路，这段 时期计算机被称为“中小规 模集成电路计算机”。集成 电路是将由几千个晶体管元 件构成的完整电子电路做在 比手指甲还小的一个晶片上 。 所以，第三代计算机的体积 更加小型化，而且大大降低 了功耗；运算速度提高到每 秒几十万次到几百万次
器件功耗过大也是微电子学技术进一步发展的一个主 要限制。
当今的微电子器件（如场效应晶体管），由于本身的 功耗太大，已经很难适应更大规模集成的需要。特别是随 着芯片的集成度和时钟速度大幅度提高后，电子在电路中 流动的速度越来越快，功耗也会成倍增大，并最终导致芯 片不能正常工作。同时，功耗太大出现的芯片过热还会造 成芯片的使用寿命缩短，可靠性降低等问题。所以，能够 满足“更冷”要求的低能耗芯片技术的开发是芯片得以进 一步发展的当务之急。由 IBM公司发展的芯片 SOI技术可 以在一定程度上降低芯片的能耗。
来加工未来的集成电路，同样必须解决加工
速度的问题。
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。
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 辑门正常工作时需要数百上千个电子的电流， 而随着芯片集成度和时钟速度的进一步的提 高，所需的电子数还会进一步增加。但是， 芯片内线宽的减小却会导致单位时间内流过 逻辑门的电子数大幅度减少，当电子数减至 数十个数量级时，逻辑门在判断“开”或 “关”时就会处于不确定状态，无法正常工 作。
原子力显微镜的基本原理
STM只能在导电材料的样品表面上分辨出单 个的原子并得到原子结构的三维图像。对于非导 电材料，STM将无能为力。为了弥补STM的不足， 达到分辨不导电物体表面上的单个原子，1986 年 ， Binnig 等 发 明 了 原 子 力 显 微 镜 （ Atomic Force Microscopy, AFM) 。 AFM 是 一 种 类 似 于 STM的显微技术，它的许多元件与STM是共同的， 如用于三维扫描的压电陶瓷系统以及反馈控制器 等。
2011年理科新兴专业大盘点
2011年理科新兴专业大盘点新高考新信息2011-01-02 1721理科生必看2011年理科新兴专业大盘点⊙ 王海波今年7月，教育部公布了通过审批的140个高等学校战略性新兴产业相关本科新专业（详细专业名单可参看《2011理科生专业志愿填报指南》），这些专业中多数都是从2011年开始招生。
本批新开设的专业，主要集中在纳米技术、能源技术、新媒体等领域，其中物联网成最大热门，约一半的高校新专业都与物联网有关。
这次公布的新专业名单中，除了中国人民大学的能源经济、中国传媒大学的新媒体与信息网络属于文科，其余均为理工科。
这对广大理科同学来说，是非常利好的消息。
新专业的开设，无疑暗示了新产业对人才的迫切需求。
从本期开始，《高考金刊》将带着大家陆续走进它们纳米材料与技术主管部门、学校名称专业代码专业名称修业年限学位授予门类工业和信息化部北京航空航天大学080216S 纳米材料与技术四年工学南京理工大学080216S 纳米材料与技术四年工学教育部北京科技大学080216S 纳米材料与技术四年工学大连理工大学080216S 纳米材料与技术四年工学江苏省苏州大学080216S 纳米材料与技术四年工学注专业代码加有“S”者为少数高校试点的目录外专业，后同回想起来，最早听到“纳米”这个名词还是上世纪90年代在初中物理课上。
当时除了明确知道“纳米是一种长度单位”之外，其余的还统统停留在想象层面。
纳米科技诞生之初，就被科学界认为是21世纪将对人类的生存和发展产生显著影响的科技领域。
发展至今，虽然还未普及到大街小巷，但是它也已经走出了实验室——与大家最接近的，电脑主机里Intel开发的45纳米/60纳米CPU。
而今年的世博会上，相信很多人也看到了一些面向未来的纳米技术的展示。
纳米科技的内容包含纳米材料学、纳米电子学、纳米生物学、纳米机械学、纳米加工学、纳米光子学、纳米检测与表征。
而纳米材料与技术又是这些分支学科的共同交点,是纳米科技的核心和基础。
第五章 纳米电子学
2.电子器件、电路、系统设计
纳米结构 量子阱 量子线
物理效应 共振隧穿效应 高迁移率一维电子气
应用 谐振晶体管、电路和系统 超高速逻辑开关、电路和系统
量子点 量子点接触
可集蓄电子原理
极大容量存贮器
库仑阻塞效应、单电子 单电子晶体管、电路和系统(包 振荡和单电子隧穿效应 含单电子开关和单电子存贮器)
扫描探针显微镜（SPM）技术、分子自组装合成技术以及 特种超微细加工技术
3.4.1 三束光刻加工技术
1、光学光刻技术
光学光刻是IC产业半导体加工的主流技术。通过光 学系统以投影方法将掩模上的大规模集成电路器件结 构图形“刻”在涂有光刻胶硅片上的技术。
减小光源的波长是提高光刻分辨率的最有效途径。 光刻蚀使用240nm的深紫外光波，能否突破100nm成 为现有光学光刻技术所面临的最为严峻的挑战。
1、RT>RK; 2、e2/2C>> KBT。
➢ 1、RT>RK的物理意义：当一个隧道结两端施以偏压U
时，电子的隧穿几率Γ＝U/(eR)，那么两次隧穿事件的时间 间隔为1/Γ=eR/U，而由测不准原则所决定的一次隧穿事件的 周期为h/(eU)。因此，必须满足eR/U＞＞h/eU，即R ＞＞h/e2。 这意味着两次隧穿事件不重叠发生，从而保证电子是一个一 个地隧穿。
光刻技术——X射线刻蚀、电子束刻蚀、软X射线刻蚀、
聚焦离子束刻蚀等
微细加工——扫描探针显微镜(SPM)作为工具的超微细
加工技术
第二节 纳米电子器件的分类
2.1纳米器件与纳米电子器件
2、纳米电子器件
➢纳米电子器件满足两个条件——
1、器件的工作原理基于量子效应； 2、都具有相类似的典型的器件结构——隧穿势垒包围“岛” （或势阱）的结构。
【国家自然科学基金】_阵列碳纳米管_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140802
科研热词 碳纳米管阵列 碳纳米管 应用 场发射 化学气相沉积 随机共振 阵列密度 阵列天线 纺丝 离子注入 碳纳米管纤维 电流密度 热界面材料 气体传感器 栅极冷阴极 有机质填充 控制转移 悬空单壁碳纳米管阵列 微纳传感器件 微传感器 应变传感 大功率电子器件 多壁碳纳米管 场效应 场发射性能 单壁碳纳米管阵列 制备 信噪比
2011年
2012年 科研热词 推荐指数 序号 科研热词 推荐指数 碳纳米管 6 1 碳纳米管 3 碳纳米管阵列 2 2 碳纳米管阵列 2 非欧姆接触 1 3 黄金 1 隧道电流 1 4 高活性 1 阵列探测器 1 5 高分子 1 阵列 1 6 阵列纺丝法 1 长线 1 7 阴极催化剂 1 铁催化剂 1 8 铂基催化剂 1 透射电镜 1 9 表面 1 透射电子显微镜 1 10 聚苯胺纳米线阵列 1 超顺排 1 11 结构缺陷 1 超级电容器 1 12 米片 1 薄膜 1 13 等离子体技术 1 结构 1 14 等离子体 1 组装 1 15 稳定性 1 纳米管阵列 1 16 碳纳米管纤维 1 纳米复合材料 1 17 碳纳米管场效应晶体管 1 等离子增强的气象化学沉积法 1 18 碱性燃料电池 1 碳纳米纤维 1 19 石墨 1 碳纳米管聚集体 1 20 电导率 1 碳纳米管应用 1 21 电化学聚合法 1 研究进展 1 22 生物质 1 生长温度 1 23 炭纤维 1 炭电极材料 1 24 浸润 1 火焰 1 25 氧还原反应 1 渐变掺氮 1 26 毛细管力 1 流体排列 1 27 时域有限差分方法 1 氧化锌碳纳米管复合结构 1 28 改进的化学气相沉积法 1 比电容 1 29 掺氮 1 模板 1 30 微通道 1 有机离子盐 1 31 强耦合 1 微流道 1 32 复合材料 1 平板显示技术 1 33 场致电子发射特性 1 定向碳纳米管阵列 1 34 取向 1 大电流性能 1 35 单壁碳纳米管 1 场致发射 1 36 化学气相沉积 1 场发射性能 1 37 力学性能 1 合成 1 38 前处理 1 双壁碳纳米管 1 39 共振耦合 1 原位观察 1 40 光子带隙 1 力学性能 1 41 催化活性 1 光响应 1 42 一维碳基纳米材料 1 催化气化 1 43 surface 1 偏置电压 1 44 structural defect, transmission 1 spectra, gold nan 二氧化钛 1 45 pretreatment 1 乙醇 1 46 modified cvd method 1 tio2 1 47 carbon nanotubes 1 tem室 1 48 carbon fibers 1 photodetectors, double-wailed 1 carbon nanotube （dwcnt） films, tio2 nanotube arrays, heterodimensio carbon nanotubes, gasification, 1 growth, iron catalyst, environmental transmission electron microsco
纳米电子技术的发展现状与未来展望
纳米电子技术的发展现状与未来展望作者：余巧书来源：《电子世界》2012年第12期【摘要】纳米电子技术主要针对物质在纳米尺度内（0.1-100nm）的电子运动规律和特性，根据这些规律和特性生成有益于人类的纳米电子产品和材料。
纳米电子技术的研究是一个国家科学技术水平的展现，本文将从纳米电子技术的发展现状出发，展望纳米电子技术的未来。
【关键词】纳米电子技术；发展现状；未来展望进入21世纪以来，相关专家意识到纳米技术将作为领先科技的前沿，对纳米技术进行深入的研究，纳米电子技术可能为新技术的开发和应用带来革命性的突破。
纳米技术的应用范围广，可能深入到每个领域，每个行业，也可能成为人类生活中必不可少的必需品。
目前，人类对纳米电子技术的研究还不够深入，应用也不够广泛，但是纳米电子技术已向人们展示出了强大的魅力和应用潜力。
目前已经研究出的纳米电子技术产品包括纳米电子元件和纳米电子材料，这些产品不仅功能奇异，而且性能优良。
一、纳米电子技术的发展现状（一）纳米电子材料的应用目前大多数纳米材料包括：纳米硅薄膜、纳米硅材料以及纳米半导体材料。
其中，纳米硅材料最具有技术优势，非常符合新世纪人类对电子技术的发展需求。
硅电子材料的技术相较于其他材料的优势在于：1.能耗低、准确可靠、运行时间较短、不易受外界的环境影响。
2.得益于科技的保证和不断地开发研究应用，使得其成本价钱有所降低。
3.由于其短距离的分子间距，使得硅电子材料在运行过程中，反应速度很快，这就从另一方面降低了材料能耗，提高工作效率。
从上述的优势不难看出，纳米硅电子材料的问世是材料的一个新突破，它的领先技术使得其相较于同等材料具有绝对的优势。
相信随着纳米材料的不断研究，纳米材料在生活中的应用普及之后，会给人类带来意想不到的方便。
（二）纳米电子元件的应用纳米电子元件问世之前，电子元件经过了集成元件、超大规模集成元件两个发展历程，因此，纳米电子元件是在“两位前辈”的发展基础上开发出来的。
【国家自然科学基金】_横向电场_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140801
2009年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39
科研热词 生物传感器 灵敏度 横向场激励 非线性光学 超导电性 自由振动 胆甾相液晶 纳米材料 约瑟夫森效应 硅材料 相位变化 电控螺距 电子束横波 电子束 电光相位调制 琼斯矩阵法 狭缝滤波器 热屈曲 温度特性 横向电光调制 时空整形 场致线性电光效应 场致光整流 固有频率 回旋波保护器 压电耦合系数 压电祸合系数 压电层合梁 功能梯度材料 共面转换 全电流模型 克尔效应 光电导开关 位移电流 thz脉冲 linbo3晶体 fdtd cuccia谐振腔 0-π 相变
53 breakdown voltage
1
2013年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52
推荐指数 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1ห้องสมุดไป่ตู้1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2010年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49
纳米技术简介
纳米技术简介
纳米技术包含下列四个主要方面
第一方面是纳米材料(或称超微粒子，尺度小于100nm的粒子)，包括材料的制备和表征．在纳米尺度下，物质中电子的波动性以及原子的相互作用将受到尺寸大小的影响．如能得到纳米尺度的结构，就可能在不改变物质化学成分的情况下控制材料的基本性质，如熔点、磁性、电容甚至颜色等．纳米材料具有异乎寻常的性能．用超微粒子烧成的陶瓷，硬度可以更高，但不脆裂；无机超微粒子加入到橡胶中后，将粘在聚合物分子的端点上，由此做成的轮胎将大大减少磨损、延长寿命．
第二方面是纳米动力学(nanodynamics)，主要是微机械和微电机，或总称为微型电动机械系统(MEMS)．这主要用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统、特种电子设备、医疗和诊断仪器等. MEMS用的是一种类似于集成电路设计和制造的新工艺．特点是部件很小，刻蚀的深度往往要求数百微米，而宽度误差只允许万分之一，这种工艺还可用于制作转子直径为400μm的三相电动机，用空气作轴承，转速可达106rad／min—l07rad／min，调向时间小于1μs，用于超快速离心机或陀螺仪等．这方面的研究还要相应地检测准原子尺度的微变形和微摩擦等．虽然此研究目前尚未真正进人纳米尺度，但有很大的潜在科学价值和经济价值．
(3)纳米技术的应用前景
纳米技术不纯粹是材料科学的问题，获益的也不仅仅局限在材料科学方面，下列各个领域将因纳米技术的发展而得益．
电子和通讯： 如用纳米薄层和纳米点记录的全媒体存储器、平板显示器和其他全频道通讯工程和计算机用的器件等．对此，美国军方提出的初期指标是：在室温下，比现有的器件运算速度快10~100倍，信息存贮密度大5~100倍，能耗小50倍．将来则要求存贮密度和运算速度都要比现在大或快3——6个数量级，且廉价而节能．
纳米技术包含下列四个主要方面
第一方面是纳米材料(或称超微粒子，尺度小于100nm的粒子)，包括材料的制备和表征．在纳米尺度下，物质中电子的波动性以及原子的相互作用将受到尺寸大小的影响．如能得到纳米尺度的结构，就可能在不改变物质化学成分的情况下控制材料的基本性质，如熔点、磁性、电容甚至颜色等．纳米材料具有异乎寻常的性能．用超微粒子烧成的陶瓷，硬度可以更高，但不脆裂；无机超微粒子加入到橡胶中后，将粘在聚合物分子的端点上，由此做成的轮胎将大大减少磨损、延长寿命．
第二方面是纳米动力学(nanodynamics)，主要是微机械和微电机，或总称为微型电动机械系统(MEMS)．这主要用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统、特种电子设备、医疗和诊断仪器等. MEMS用的是一种类似于集成电路设计和制造的新工艺．特点是部件很小，刻蚀的深度往往要求数百微米，而宽度误差只允许万分之一，这种工艺还可用于制作转子直径为400μm的三相电动机，用空气作轴承，转速可达106rad／min—l07rad／min，调向时间小于1μs，用于超快速离心机或陀螺仪等．这方面的研究还要相应地检测准原子尺度的微变形和微摩擦等．虽然此研究目前尚未真正进人纳米尺度，但有很大的潜在科学价值和经济价值．
(3)纳米技术的应用前景
纳米技术不纯粹是材料科学的问题，获益的也不仅仅局限在材料科学方面，下列各个领域将因纳米技术的发展而得益．
电子和通讯： 如用纳米薄层和纳米点记录的全媒体存储器、平板显示器和其他全频道通讯工程和计算机用的器件等．对此，美国军方提出的初期指标是：在室温下，比现有的器件运算速度快10~100倍，信息存贮密度大5~100倍，能耗小50倍．将来则要求存贮密度和运算速度都要比现在大或快3——6个数量级，且廉价而节能．
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纳米电子学与 自旋电子学
陈勇 文歧业
电子科技大学
课程简介
纳米电子学20学时，自旋电子学20学时 陈勇 文歧业 Email: yongchen@ Tel: 83206779 Add: 211大楼1102室 教材：（以讲义为主） 参考书： 《纳米电子学》 杜磊 庄奕琪 编 电子工业出版社
客观世界
世界层次 典型尺度 胀观 尺度范围 实际范围 河外星系 适用理论 尚无 1040米 3×1014光年 =1024光年 以上 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
纳米科技的重要意义
• 1.纳米科技将促使人类认知的革命 1)在纳米尺度上有许多新现象、新规律有待发现； 2)纳米科技是对人类认知领域的新开拓。 • 2.纳米科技将引发一场新的工业革命 1)纳米科技是21世纪经济增长的发动机； 2)纳米科技将促使传统产业“旧貌换新颜”； 3)纳米科技推动产品的微型化、高性能化与环境 友好化,这将极大节约资源和能源，促进生态环境 改善,为可持续发展提供技术保证。 • 3.纳米科技将推动各门科学和技术的发展
型的大分子，装配成功能各异的新产品，为人类创造更多的 物质文明。纳米技术的诞生，使人们对非生物体，以及生物 体的微观世界运动规律进行研究应用，极大地提高了人类改 造世界的能力。
“在针尖我们还有很大的空地”
• 以上是诺贝尔物理学奖获得者理查德.费曼 （Richard Feynman）在1960年给新生一堂课的 主题。 • 过去，人类用宏观的机器来制造体积较大的机器， 再用这个较大的机器制造更小的机器，这样一步 步达到分子的限度。
• 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。
新能源发现： 非可燃气体
NT
可燃气体
提高能量 转化效率
热能 提高10% 电能 太阳能 >30% 电能 化学能 长寿高效 电能 氢能源利用 海底天然气利用
生物、医药
纳米的靶向药物
高效缓释药物 细胞内传感器 生物芯片 纳米生物探测技术
新材料
轻质、高强
多功能，智能，自清洁
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
纳米材料的奇异特性
1. 表面效应 大于0.1微米的颗粒的表面效应可忽略不计,小于0.1微米 的1克超微颗粒的表面积可高达100平方米; 2. 小尺寸效应 1) 特殊的光学性质: 金属超微颗粒对光的反射率很低(低于 1%)，利用这一性质,可作高效率光热、光电转换材料， 制作太阳能电池、红外敏感、隐身元件； 2) 特殊的热学性质: 超微颗粒的熔点将显著降低，如金的 常规熔点为1064C，而到纳米尺寸时仅为327C；银的常规 熔点为670C，而超微银颗粒的熔点可低于100C； 3）特殊的磁学性质: 超微磁颗粒的矫顽力可增加1千倍，利 用此性质可做成高贮存密度的磁记录磁粉，大量用于磁 带、磁盘、磁卡；
宇观 宏观 微观
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 基本粒子 内部
广义相对 论 牛顿力学 量子力学
渺观
超弦（尚 未建成）
纳米尺度
• 纳米是10-9米，介于“宏观”与“微观”之间，这 一领域的许多物理学特性尚未研究清楚。 • 1nm=10-9m，即1毫微米，十亿分之一米，纳米微粒 的尺度一般定义为10-7—10-10m内（0.1—100nm）； • 相当于人发直径的1/10万。 • 具有奇异的力学、光学、磁学、热学和化学等特性。 当材料晶粒的尺寸小于1 nm时，材料的性质就会出 现意想不到的变化。譬如：色、熔点、着火点…… • 它很可能成为本世纪前20年的主导技术。美国科学 技术委员会则把启动纳米技术的计划看作是下一次 的工业革命的核心。
21世纪的微电子技术
1.摩尔规律：一片硅片上的晶体管数(集成 度 24 个月翻一番，预计这一规律还要持续 10 至 15 年。 2.微电子芯片功能的增长情况：
年 份 门电路数 线宽(微米) 随机存储器 门延迟(PS) 1995 800K 0.35 64M 5.4 1997 2M 0.25 256M 3.8 1999 5M 0.18 1G 2.6 2001 10M 0.13 4G 1.8 2003 20M 0.10 16G 1.2
未来的芯片
集成度决定于微芯片上的刻线宽度。当刻线宽度小于30纳
米时，就会发生量子效应：电子可以越过导线和绝缘层，从 一个地方跳到另一个地方，甚至发生短路。 在纳米尺度下，由于有量子效应，硅微电子芯片便不能工 作。其原因是这种芯片的工作，依据的是固体材料的整体特 性，即大量电子参与工作时所呈现的统计平均规律。如果在 纳米尺度下，利用有限电子运动所表现出来的量子效应，可 能就能克服上述困难。 可以用不同的原理实现纳米级芯片，目前已提出了四种工 作机制：1）电子式纳米芯片技术；2）基于生物化学物质与 DNA的纳米计算机；3）机械式纳米计算机；4）量子波相干计 算。它们有可能发展成为未来纳米芯片技术的基础。
什么是纳米科技？
纳米科技是指在纳米尺度（1nm到100n）上研究
物质（包括原子、分子的操纵）的特性和相互作用， 以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。 纳米科技的最终目标是直接以原子、分子及物质 在纳米尺度上表现出来的新颖的物理、 化学和生物 学特性制造出具有特定功能的产品。
如今人们正试图操纵一个个纳米颗粒，任意组合成各种类
“为什么我们不可以从另一个方向出发以达到我们 的要求呢？物理学的规律不排除一个原子、一个 分子地制造物质的可能性。”
• 纳米科技正是充分运用排列组合之妙的高新技术。 就是在微观环境下，操纵原子、分子或原子团、 分子团进行重新排列组合，使其形成人们所需要 的功能各异的新物质的一种新技术。 当年，费曼 曾幻想在原子和分子水平上操纵和控制物质。而 纳米科技的诞生使费曼的幻想正在变为现实。 • 分子不变，分子的排列组合方式发生变化就会产 生新的物质。同是碳分子C，因排列组合不同可 以是硬度最高的金刚石（立方晶体），也可以构 成很软的工业原料石墨（六方片状晶体）。在高 温高压下让石墨的原子排列改变成立方晶体时， 石墨就会发生质变成为金刚石。
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。
神奇的 “摩尔定律”
• 1964年，著名的《电子学》(Electronics) 开辟了一 个“专家展望未来”(The Experts Look Ahead)专栏， 约请时任仙童公司研发实验室主任的摩尔应邀写了 一篇文章，题为“在集成电路中塞进更多的元 件”(Cramming more components onto integrated circuits)。正是在这篇文章中，摩尔提出了他的著 名的定律。摩尔认为，集成电路芯片上晶体管的数 日(也就是集成度)将逐年翻番。具体而言，集成度 可以表示为以2为底、幂为自然数的指数形式。
4）特殊的力学性质：纳米陶瓷材料具有良好的韧性， 纳米晶粒的金属要比原粗晶粒的金属硬3-5倍； 5）其它特殊的性质：超微颗粒还有其它的超导电性、 介电性能、声学性能及化学性能； 3. 宏观量子隧道效应 1) 量子尺寸效应:介于原子、分子与大块固体之间的 超微颗粒会呈现出反常的特性，称之为量子尺寸效应，如导 电金属超微颗粒可以变成绝缘体，光谱线会产生向短波长方 向移动； 2）宏观量子隧道效应：超微颗粒的一些物理量会显示 出隧道效应，称为宏观量子隧道效应，如电路尺寸接近电子 波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法工作。
3.芯片上的微刻技术(纳米加工技术)
刻制能源 紫外光 电子束 波长 0.193μ -12 10 米(皮米) 可刻线距 集成度 0．09μ 数千万管／片 0．08μ 数百亿管／片
4.生物芯片：比现有的芯片速度快 100 倍、 智能化程度更高。
微电子芯片科技前沿
1.芯片线宽极限: 0.035 (35纳米) 1）市售奔4芯片,用的是0.09 技术, 紫外线波长0.193, 2）目前上海中芯公司(与台湾合作)即为0.25 水平。 . 3）英特尔公司1971年生产的第一个芯片只有2300个晶体管， 2000年底推出的奔腾4芯片则集成了4200万个晶体管。 4）IBM公司称2001年8月已用单分子碳纳米管制成了世界上 最小的逻辑电路。 2.摩尔规律:还可继续10-15年,到2014-2017年达到饱和。 3.生物芯片:有两种： 1）一种是生物分子逻辑元件(如人的视网膜分子)的芯片， 这种生物芯片的速度比半导体芯片还可提高100倍； 2）另一种是医疗检测用的生物芯片。它可与人的神经相连。
制高点
n-电子学 n-加工 n-生物
基 础
n-材料
n-材料
基 础
纳米物理
纳米化学
陈勇 文歧业
电子科技大学
课程简介
纳米电子学20学时，自旋电子学20学时 陈勇 文歧业 Email: yongchen@ Tel: 83206779 Add: 211大楼1102室 教材：（以讲义为主） 参考书： 《纳米电子学》 杜磊 庄奕琪 编 电子工业出版社
客观世界
世界层次 典型尺度 胀观 尺度范围 实际范围 河外星系 适用理论 尚无 1040米 3×1014光年 =1024光年 以上 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
纳米科技的重要意义
• 1.纳米科技将促使人类认知的革命 1)在纳米尺度上有许多新现象、新规律有待发现； 2)纳米科技是对人类认知领域的新开拓。 • 2.纳米科技将引发一场新的工业革命 1)纳米科技是21世纪经济增长的发动机； 2)纳米科技将促使传统产业“旧貌换新颜”； 3)纳米科技推动产品的微型化、高性能化与环境 友好化,这将极大节约资源和能源，促进生态环境 改善,为可持续发展提供技术保证。 • 3.纳米科技将推动各门科学和技术的发展
型的大分子，装配成功能各异的新产品，为人类创造更多的 物质文明。纳米技术的诞生，使人们对非生物体，以及生物 体的微观世界运动规律进行研究应用，极大地提高了人类改 造世界的能力。
“在针尖我们还有很大的空地”
• 以上是诺贝尔物理学奖获得者理查德.费曼 （Richard Feynman）在1960年给新生一堂课的 主题。 • 过去，人类用宏观的机器来制造体积较大的机器， 再用这个较大的机器制造更小的机器，这样一步 步达到分子的限度。
• 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。
新能源发现： 非可燃气体
NT
可燃气体
提高能量 转化效率
热能 提高10% 电能 太阳能 >30% 电能 化学能 长寿高效 电能 氢能源利用 海底天然气利用
生物、医药
纳米的靶向药物
高效缓释药物 细胞内传感器 生物芯片 纳米生物探测技术
新材料
轻质、高强
多功能，智能，自清洁
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
纳米材料的奇异特性
1. 表面效应 大于0.1微米的颗粒的表面效应可忽略不计,小于0.1微米 的1克超微颗粒的表面积可高达100平方米; 2. 小尺寸效应 1) 特殊的光学性质: 金属超微颗粒对光的反射率很低(低于 1%)，利用这一性质,可作高效率光热、光电转换材料， 制作太阳能电池、红外敏感、隐身元件； 2) 特殊的热学性质: 超微颗粒的熔点将显著降低，如金的 常规熔点为1064C，而到纳米尺寸时仅为327C；银的常规 熔点为670C，而超微银颗粒的熔点可低于100C； 3）特殊的磁学性质: 超微磁颗粒的矫顽力可增加1千倍，利 用此性质可做成高贮存密度的磁记录磁粉，大量用于磁 带、磁盘、磁卡；
宇观 宏观 微观
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 基本粒子 内部
广义相对 论 牛顿力学 量子力学
渺观
超弦（尚 未建成）
纳米尺度
• 纳米是10-9米，介于“宏观”与“微观”之间，这 一领域的许多物理学特性尚未研究清楚。 • 1nm=10-9m，即1毫微米，十亿分之一米，纳米微粒 的尺度一般定义为10-7—10-10m内（0.1—100nm）； • 相当于人发直径的1/10万。 • 具有奇异的力学、光学、磁学、热学和化学等特性。 当材料晶粒的尺寸小于1 nm时，材料的性质就会出 现意想不到的变化。譬如：色、熔点、着火点…… • 它很可能成为本世纪前20年的主导技术。美国科学 技术委员会则把启动纳米技术的计划看作是下一次 的工业革命的核心。
21世纪的微电子技术
1.摩尔规律：一片硅片上的晶体管数(集成 度 24 个月翻一番，预计这一规律还要持续 10 至 15 年。 2.微电子芯片功能的增长情况：
年 份 门电路数 线宽(微米) 随机存储器 门延迟(PS) 1995 800K 0.35 64M 5.4 1997 2M 0.25 256M 3.8 1999 5M 0.18 1G 2.6 2001 10M 0.13 4G 1.8 2003 20M 0.10 16G 1.2
未来的芯片
集成度决定于微芯片上的刻线宽度。当刻线宽度小于30纳
米时，就会发生量子效应：电子可以越过导线和绝缘层，从 一个地方跳到另一个地方，甚至发生短路。 在纳米尺度下，由于有量子效应，硅微电子芯片便不能工 作。其原因是这种芯片的工作，依据的是固体材料的整体特 性，即大量电子参与工作时所呈现的统计平均规律。如果在 纳米尺度下，利用有限电子运动所表现出来的量子效应，可 能就能克服上述困难。 可以用不同的原理实现纳米级芯片，目前已提出了四种工 作机制：1）电子式纳米芯片技术；2）基于生物化学物质与 DNA的纳米计算机；3）机械式纳米计算机；4）量子波相干计 算。它们有可能发展成为未来纳米芯片技术的基础。
什么是纳米科技？
纳米科技是指在纳米尺度（1nm到100n）上研究
物质（包括原子、分子的操纵）的特性和相互作用， 以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。 纳米科技的最终目标是直接以原子、分子及物质 在纳米尺度上表现出来的新颖的物理、 化学和生物 学特性制造出具有特定功能的产品。
如今人们正试图操纵一个个纳米颗粒，任意组合成各种类
“为什么我们不可以从另一个方向出发以达到我们 的要求呢？物理学的规律不排除一个原子、一个 分子地制造物质的可能性。”
• 纳米科技正是充分运用排列组合之妙的高新技术。 就是在微观环境下，操纵原子、分子或原子团、 分子团进行重新排列组合，使其形成人们所需要 的功能各异的新物质的一种新技术。 当年，费曼 曾幻想在原子和分子水平上操纵和控制物质。而 纳米科技的诞生使费曼的幻想正在变为现实。 • 分子不变，分子的排列组合方式发生变化就会产 生新的物质。同是碳分子C，因排列组合不同可 以是硬度最高的金刚石（立方晶体），也可以构 成很软的工业原料石墨（六方片状晶体）。在高 温高压下让石墨的原子排列改变成立方晶体时， 石墨就会发生质变成为金刚石。
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。
神奇的 “摩尔定律”
• 1964年，著名的《电子学》(Electronics) 开辟了一 个“专家展望未来”(The Experts Look Ahead)专栏， 约请时任仙童公司研发实验室主任的摩尔应邀写了 一篇文章，题为“在集成电路中塞进更多的元 件”(Cramming more components onto integrated circuits)。正是在这篇文章中，摩尔提出了他的著 名的定律。摩尔认为，集成电路芯片上晶体管的数 日(也就是集成度)将逐年翻番。具体而言，集成度 可以表示为以2为底、幂为自然数的指数形式。
4）特殊的力学性质：纳米陶瓷材料具有良好的韧性， 纳米晶粒的金属要比原粗晶粒的金属硬3-5倍； 5）其它特殊的性质：超微颗粒还有其它的超导电性、 介电性能、声学性能及化学性能； 3. 宏观量子隧道效应 1) 量子尺寸效应:介于原子、分子与大块固体之间的 超微颗粒会呈现出反常的特性，称之为量子尺寸效应，如导 电金属超微颗粒可以变成绝缘体，光谱线会产生向短波长方 向移动； 2）宏观量子隧道效应：超微颗粒的一些物理量会显示 出隧道效应，称为宏观量子隧道效应，如电路尺寸接近电子 波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法工作。
3.芯片上的微刻技术(纳米加工技术)
刻制能源 紫外光 电子束 波长 0.193μ -12 10 米(皮米) 可刻线距 集成度 0．09μ 数千万管／片 0．08μ 数百亿管／片
4.生物芯片：比现有的芯片速度快 100 倍、 智能化程度更高。
微电子芯片科技前沿
1.芯片线宽极限: 0.035 (35纳米) 1）市售奔4芯片,用的是0.09 技术, 紫外线波长0.193, 2）目前上海中芯公司(与台湾合作)即为0.25 水平。 . 3）英特尔公司1971年生产的第一个芯片只有2300个晶体管， 2000年底推出的奔腾4芯片则集成了4200万个晶体管。 4）IBM公司称2001年8月已用单分子碳纳米管制成了世界上 最小的逻辑电路。 2.摩尔规律:还可继续10-15年,到2014-2017年达到饱和。 3.生物芯片:有两种： 1）一种是生物分子逻辑元件(如人的视网膜分子)的芯片， 这种生物芯片的速度比半导体芯片还可提高100倍； 2）另一种是医疗检测用的生物芯片。它可与人的神经相连。
制高点
n-电子学 n-加工 n-生物
基 础
n-材料
n-材料
基 础
纳米物理
纳米化学