纳电子器件

奇妙的碳纳米管 “太空电梯”的绳 索
碳纳米管是一种非常奇特的材料， 它是石墨中一层或若干层碳原子 卷曲而成的笼状"纤维"，内部是 空的，外部直径只有几到几十纳 米。这样的材料很轻，但很结实。 它的密度是钢的1/6，而强度却是 钢的100倍。用这样轻而柔软、又 非常结实的材料做防弹背心是最 好不过的了。如果用碳纳米管做 绳索，是唯一可以从月球挂到地 球表面，而不被自身重量所拉断 的绳索。如果用它做成地球-月球 乘人的电梯，人们在月球定居就 很容易了。
自由地操纵单个原子或分子
左上图是一个铁原子（Fe）与一一氧化碳分子（CO）结合 形成一个铁羰基（FeCO）分子的过程。先用扫描隧道显微 镜针尖拾取一个铁原子（Fe）并将它移走，然后将CO放到 Fe上面，两者结合形成FeCO分子。中图是用显微拍摄的该 过程的照片。 用这种方法还可以用原子组成各种图形，如右上图。
10.3 量子点
10.3.1 什么是量子点？
量子点是准零维的纳米材料，由少量的原子所 构成。粗略的说，量子点的三个维度的尺寸都在 100 纳米以下，外观恰似一极小的点状物，其内部 电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子局限 效应特别显著。由于量子局限效应会导致类似原子 的不连续电子能级结构，因此量子点又被称为“人 造原子”。科学家已经发明许多不同的方法来制造 量子点，并预期这种纳米材料在21世纪的纳米电子 学上有极大的应用潜力。
纳米棒
单晶纳米SiC丝 的透射电镜形貌
氮化硅纳米丝
人工组装合成的纳米结构的体系 纳米齿轮
T形和Y形结
10.4.2 碳纳米管的物理化学性质
1、 超长单壁碳纳米管束的性能 超长单壁碳纳米管细丝(直径50～500μm) ，在90～ 300K间电阻率ρ=5～7μΩ/m
单壁碳纳米管长丝的应力(载荷) 应变曲线
碳纳米管可以因直径的 不同而呈现很好的金属 导电性或半导体性。
具有极好的可弯折性
具有极好的可扭曲性
碳纳米管可以制作成两维数据存储系统 (1015 bytes/cm2 compared to the current state of the 108 bytes/cm2) ...
碳纳米管的强度比钢高100多倍，杨氏模量估计 可高达5 TPa， 这是目前可制备出的具有最高比强度 的材料，而比重却只有钢的1/6；同时碳纳米管还具 有极高的韧性，十分柔软。它被认为是未来的 “超 级纤维”，是复合材料中极好的加强材料。
纳米感觉
任何物质到了纳米量级，其物理、化学性质都会发生 巨大的变化，也会因此而具有一些新的特性。例如， 纳米铁粉，因具有了吸光性，而变成了黑色；它甚至 于一改“不怕火烧”的“英雄本性”，而变成一旦遇 到空气，就能马上燃烧起来，生成氧化铁。
纳米科技又是什么呢?
纳米技术是 20 世纪 80 年代末期兴起的新技 术，其基本含意是在纳米尺寸(1一100纳米)范围 内认识和改造自然，通过直接操纵和安排原子、 分子而达到创新的目的。主要是在纳米尺度（ 1 一 100 纳米）上研究物质（包括原子、分子的操 纵）的特性和相互作用，以及如何利用这些特性 和相互作用的具有多科交叉 性 质 的 科 学 和 技 术 。
用纳米技术制造出防 水布料。而现在一名 全副武装的美军士兵 负重介于90到120磅 之间，而用这种超薄 布料制成的作战服几 乎感觉不到重量。另 外根据磁场变化的原 理，科学家们正在研 制通常状态下柔软舒 适，一旦侦测到弹道 威胁时立刻强化僵硬 的装甲系统。
未来的美军作战服可能就是这个样子
纳米科技成果 走进百姓生活
10.2 纳米科技的应用
科学家告诉我们，于细微处显神奇的 纳米技术“润物细无声”，已经悄然 进入寻常百姓的生活，渗透到了衣、 食、住、行等领域。纳米技术可使许 多传统产品“旧貌换新颜”，把纳米 颗粒或者纳米材料添加到传统材料中， 可改进或获得一系列的功能。这种改 进并不见得昂贵，但却使产品更具市 场竞争力。纳米的世界丰富多彩，离 我们却并不遥远。
10.4.3 碳纳米管的应用
1、高强度碳纤维材料
• 决定增强型纤维强度的一个关键是长度和直径之 比。目前材料工程师希望得到的长度直径比至少 是20∶1. • 纳米管的长度也是直径的几千倍，因而号称“超 级纤维”。它们的强度比钢高100倍，但重量只有 钢的六分之一。
2、 复合材料
• 碳纳米管增强陶瓷复合材料 • 碳纳米管/金属基与高分子基复合材料
匪夷所思的DNA镊子
如果有一种超微型镊子， 能够钳起分子或原子并对 它们随意组合，制造纳米 机械就容易多了。科学家 用DNA（脱氧核糖核酸） 制造出了一种纳米级的镊 子。利用DNA基本元件碱 基的配对机制，可以用 DNA为“燃料” 控制这种 镊子反复开合。利用它将 可以制造出分子大小的电 子电路，使未来的计算机 体积更小，运算速度更快。
若要严格定义量子点，则必须由量子力学出发。 电子的物质波特性取决于其费米波长。 λF = 2π / kF 在一般的材料中，电子的波长远小于材料的尺寸， 因此量子局限效应不显著。如果将某一个维度的 尺寸缩到小于一个波长，此时电子只能在另外两 个维度所构成的二维空间中自由运动，这样的系 统我们称之为量子阱；如果我们再将另一个维度 的尺寸缩到小于一个波长，则电子只能在一维方 向上运动，我们称之为量子线；当三个维度的尺 寸都缩到一个波长以下时，就成为量子点了。由 此可知，真正的关键尺寸是由电子在材料内的费 米波长决定。
纳米科技的战略地位
21世纪前20年，是发展纳米技术的关键时 期，纳米技术将成为第5次推动社会经济各领 域快速发展的主导技术。目前，纳米技术已经 成为全世界非常关注的技术，纳电子代替微电 子，纳加工代替微加工，纳米材料代替微米材 料，纳米生物技术代替微米尺度的生物技术， 这已是不以人的意志为转移的客观规律。只有 认识它、发展它，才有可能在未来经济竞争的 格局中占据主动。
碳纳米管复合材料合成的可行性
3、 纳米电子器件 • 由于碳纳米管壁能被某些化学反应所“溶 解”，因此它们可以作为易于处理的模具。 • 只要用金属灌满碳纳米管，然后把碳层腐 蚀掉，即可得到纳米尺度的导线。 • 目前，除此之外无其他可靠的方法来得到 纳米尺度的金属导线。 • 本法可进一步地缩小微电子技术的尺寸， 从而达到纳米的尺度。
材料世界中的大力 士--纳米金属块体
金属纳米颗粒粉体制成 块状金属材料，它会变 得十分结实，强度比一 般金属高十几倍，同时 又可以像橡胶一样富于 弹性.
纳米金属铜的超延展性
纳米陶瓷
纳米陶瓷粉制 成的陶瓷有一 定的塑性，高 硬度和耐高温， 使发动机工作 在更高的温度 下，汽车会跑 得更快，飞机 会飞得更高。 纳米陶瓷刚柔 并济！
纳米存储器，存储密度可达每 平方厘米10万亿字节。
机器人配备纳米“大脑”
“纳米科技战士”
美国军方日前公布了取名为 “毫微科技战士”研发计划， 希望十年内打造出目前只能在 电子游戏中才能看到的刀枪不 入的“超级战士”。美国未来 “超级战士”可能配备的装备 有：埋有传感器的头盔，使士 兵多只后眼不至于被打闷棍； 藏有微处理器和药包的军服， 自动感知士兵身体情况并敷药； 有微涂层的军服可以抵抗生化 武器袭击；由“铰合分子”制 造的比人体肌肉强壮10倍的 “肌肉”，这种人造肌肉一旦 装到手套、制服和军靴里，跳 过高墙不在话下。
10 纳电子器件
10.1 纳米科技 10.2 纳米科技应用 10.3 量子点 10.4 碳纳米管 10.5 单电子晶体管
10.1 纳米科技
“未来科学的发 展将是继续向宏 观世界和微观世 界挺进”！ ——爱因斯坦
“ 纳米和纳米以下的 结构是下一阶段科技 发展的一个重点，会 是一次技术革命，从 而将是 2l 世纪的又一 次产业革命。”
纳米棒、纳米丝和纳米线
准一维实心的纳米材料是指在两维方 向上为纳米尺度，长度比上述两维方向上的 尺度大得多，甚至为宏观量的新型纳米材 料． 纵横比（长度与直径的比率）小的称为 纳米棒，纵横比大的称作纳米丝．至今，关 于纳米棒与纳米丝之间并没有一个统一的标 准，通常把长度小于 1mm的纳米丝称为纳 米棒，长度大于 1mm的称为纳米丝线．二 者通常称为量子线．
----钱学森
纳米其本身是一个长度 单位，即l米的十亿分 之一 (10-9 米 ) 。（一米 的千分之一是一毫米， 一毫米的千分之一是一 微米，一微米的千分之 一是一纳米。）
什 么 是 纳 米
想象一下纳米 有多大？
纳米技术中的“纳”(nano) 来自于希腊文，本意是“矮 子”或”侏儒”(dwarf)的意 思。作为一个前缀，“纳” 在科学上意味着某单位的十 亿分之一。l纳米大概是l0个 氢原子紧密排列的长度，比 人的头发的宽度要小8万倍。 形象地讲，一纳米的物体放 到乒乓球上，就像一个乒乓 球放在地球上一般。这就是 纳米长度的概念。
我国成功研制出纳米操作机器人
新华网沈阳2005年４月１５日（记者王 炳坤） 对细胞、染色体进行"手术"，像摆弄棋子一 样移动原子，在１／２０发丝横截面大小的 面积上任意写字……这些精细得只能想象的" 活儿"，如今人类可以亲手来做了。中国科学 院沈阳自动化研究所最近研制成功一台纳米 操作机器人样机，使我国纳米微操作技术达 到世界先进水平。
• Quantum Dots (量子点)
10.4 碳纳米管
10.4.1 概念
• 又叫巴基管，碳的同素异形体 • 由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的无缝、 中空纳米管
单壁碳纳米管 直径为1-6 nm
多壁碳纳米管
直径nm→μm
1991年日本NEC公司 发现纳米碳管，立刻 引起了许多科技领域 的科学家们极大关注 [Nature (1991)]
定向碳纳米管的场发射特性
5、碳纳米管的电化学储氢性能
• 瑞士福来堡大学物理系的N ützenadel等最先使用电 化学方法检测了碳纳米管储氢性能, 比较了单壁碳纳 米管和多壁碳纳米管混以铜粉或金粉制成的电极的
恒流充放电性能。结果表明，单壁碳纳米管的最大
比电容量仅为110mA· h/g, 对应储氢质量分数为 0.39%。 • 韩国Jeonbuk大学半导体科学技术及半导体物理研究 中心的Lee等通过实验及理论计算认为, 氢以分子形 式存在于碳纳米管内腔中, 并且预言单壁碳纳米管的 储氢量与管径成正比，多壁碳纳米管的储氢量则与 管径无关。 • 定向多壁碳纳米管混以铜粉后表现出显著的储氢性 能, 最高比电容量达1625 mA· h/g，对应储氢质量分
被囚禁的电子和未来的电子学器件
把自由运动的电子囚禁在一个小的纳米颗粒 内，或者在一根非常细的短金属线内，线的宽度 只有几个纳米，会发生十分奇妙的事情。由于颗 粒内的电子运动受到限制，电子动量或能量被量 子化了。原本在宏观世界内奉为经典的欧姆定律 在纳米世界内不再成立了,被囚禁在小尺寸内的电 子的另一种贡献，会使材料发出强的光。用来读 写光盘可使光盘的存贮密度提高几倍。还有甚者， 如果用“囚禁”原子的小颗粒量子点来存贮数据， 制成量子磁盘，存贮度可提高成千上万倍。会给 信息存贮的技术带来一场革命。
2、 碳Leabharlann Baidu米管的力学性能
(1)高机械强度：钢100倍强 度，1/6重量 (2)高长径比: 103数量级 (3)高比表面: 400-500m2/g
3、 碳纳米管的电化学性能
• 碳纳米管的压制体（超级双电层电容器） • 金属性 • 半导体性
立体各向异性的阵列碳纳米管薄膜
4、碳纳米管的场发射特性
• 碳纳米管之所以可以作为 场发射材料，取决于其结 构特点和力学、电学性能。 • 首先，电导体，载流能力 特别大； • 其次，直径可以小到1nm 左右； • 第三，化学性质稳定，机 械强度高、韧性好。
H2
数为5.7%。
6、碳纳米管的吸附性能
• 硝酸氧化处理后的碳纳米管对铅，铜和镉 离子显示出了良好的吸附效果，单一金属 离子的吸附研究结果表明，碳纳米管对铅、 铜和镉离子的最大吸附容量分别为97.08， 28.49和10.86mg/g； • 碳纳米管对Pb2+的亲合性最强，Cu2+次之， Cd2+最弱； • 碳纳米管对3种金属离子的吸附量随着溶 液pH值的升高和离子强度的减小而增加。