纳电子器件
清华大学微电子系工硕课题介绍
课题介绍微电子与纳电子学系2013级工程硕士双选专用清华大学微电子与纳电子学系2013年12月有招生需求导师名单-------------------------------------------------------白国强（设计室）蔡坚、王谦（器件室）陈虹（设计室）陈炜（器件室）池保勇（设计室）邓宁（器件室）方华军（器件室）付军（集成室）姜汉钧（设计室）李福乐（设计室）李树国（设计室）李翔宇（设计室）李宇根（设计室）李兆麟（信研院）梁仁荣（集成室）刘雷波（CAD室）刘振宇（信研院）麦宋平（深研院）潘立阳（集成室）钱鹤（CAD室）任天令、杨轶（器件室）王敬（集成室）王晓红（器件室）王燕（CAD室）王喆垚（器件室）王志华、王自强（设计室）魏少军（CAD室）乌力吉（设计室）吴华强（工艺平台）伍冬（集成室）伍晓明（工艺平台）谢丹（器件室）谢翔（设计室）许军（集成室）叶佐昌（CAD室）尹首一（CAD室）岳瑞峰（器件室）张春（设计室）张进宇（CAD室）张雷（CAD室）刘泽文（器件室）何虎（设计室）北京朗波芯微技术有限公司课题介绍白国强一、招生老师联系信息E-mail: baigq@电话：62794391（O），136********办公室：主楼9区104二、招生人数：2-3名三、课题介绍课题一：（1）课题名称：面向低资源移动终端应用的新型公钥密码算法的集成电路实现技术研究。
（2）课题来源：国家自然科学基金重点项目“面向低资源移动终端的高效新型公钥密码芯片的理论与关键技术研究”。
（3）课题简介：受移动终端（如手机）硬件资源十分有限的限制，现有公钥密码算法，包括RSA算法和ECC算法很难直接应用于移动终端。
为解决这一问题，近年来多变量公钥密码学受到广泛关注，成为研究热点之一。
本课题研究内容是“面向低资源移动终端的高效新型公钥密码芯片的理论与关键技术研究”项目中的一部分内容，将以集成电路方式设计、实现基于多变量的新型公钥密码芯片。
微纳电子材料与器件
微纳电子材料与器件
微纳电子材料是指具有微米量级的物理尺寸的电子材料，例如金属、
半导体、玻璃等材料，它们可以用于制造各种电子器件。
这种电子材料的
特性是其尺寸极小且表面结构变化非常明显，使其应用范围可以大大扩展，并可以用来制造出更加复杂的电子器件。
微纳电子器件是以微纳电子材料为基础构建起来的小型及超小型的电
子器件。
它们的特点是具有微米量级的尺寸和超高的性能，可以实现更先
进的电子操作功能，并且有效地减少电子器件的体积和重量，从而可以在
更小的空间和更轻的重量内实现更多的功能。
此外，它们还可以更有效地
进行电子信息处理，得到更快的信息处理速度和更高的效率，从而大大提
高信息处理的速度和效率。
微纳电子器件的发展有助于推动电子技术的发展，它们可以替代传统
的电子材料和器件，实现更小巧、更高性能、更高效率的电子器件，因而
可以大大提高生产力和效率，进而可以更好地满足用户的需求。
微纳电子器件的应用领域也十分广泛。
电子学中的微电子器件和纳电子学
电子学中的微电子器件和纳电子学在当今电子技术飞速发展的时代，微电子器件和纳电子学是电子学领域中备受瞩目的研究方向。
它们不仅具有广泛的应用前景，而且可以为我们提供更灵活、更高效、更小巧的电子设备和系统。
本文将从微电子器件和纳电子学两个方面来介绍它们的基本概念、研究进展及应用前景。
微电子器件是指尺寸在微米级别的电子器件。
它主要应用于集成电路、传感器、激光器、光纤通信等领域，具有体积小、速度快、功耗低等优点。
其中最具代表性的就是集成电路。
作为计算机、手机等电子产品核心的集成电路，其重要性可想而知。
随着电子技术的不断进步，集成电路的制造工艺也在不断更新。
现在常用的工艺是CMOS工艺（互补金属-氧化物半导体），它能够制造出集成度更高、功耗更低的芯片。
此外，随着信息时代的来临，传感器在民用、工业、医疗等领域的应用也越来越广泛，这也使得微电子器件在未来的发展中将有更为广泛的应用前景。
而纳电子学则是指研究纳米级别下材料的电子性质和应用的学科。
与微电子器件相比，纳电子学的尺寸更小，结构更复杂，涉及到的物理和化学现象也更为微妙。
其中的纳米材料，如纳米线、纳米管、纳米颗粒等，可以在光电、磁电、荧光、热学等多个领域中发挥独特的性能。
以染料敏化太阳能电池为例，其关键组件就是纳米级的二氧化钛薄膜，它能够吸收太阳光，并将其转换为电能，使得太阳能电池具有更高的转换效率。
在生物医学领域，纳米材料也受到了广泛的关注，例如通过包覆纳米颗粒的方式，可以改善药物的生物分布和毒副作用，实现精准治疗。
在微电子器件和纳电子学的研究中，材料的制备是非常重要的一环。
传统材料制备工艺大多采用物理或化学手段，但在微型尺度下，这些工艺已经不再适用。
因此，研究人员就开始尝试新的制备方法。
近年来，利用生物、化学、物理等交叉学科的知识，在微电子器件和纳电子学领域出现了一些新的材料制备技术，如DNA自组装、容量耦合、微流控等。
这些技术使得微电子器件和纳电子学的研究更加多样化和创新性。
微纳光电子器件的设计和制备技术
微纳光电子器件的设计和制备技术微纳光电子器件是目前光电子领域中的前沿研究领域。
因其微小的体积，具有良好的性能和独特的功能，被广泛应用于信息处理、生物医药、新能源等领域。
本文概述微纳光电子器件设计制备技术。
一、微纳光电子器件概述微纳光电子器件是指体积尺寸在微米乃至纳米量级的光电子器件，与传统的光电子器件相比，具有更高的集成度、更低的功耗、更高的速度、更强的可靠性和稳定性，因此在应用领域有着广泛发展前景。
目前，微纳光电子器件主要包括微波光子晶体、微环谐振器、微腔光机械振子、微进易出激光等。
这些器件均是基于微纳米加工技术制备的，因此需要掌握相应的设计和制备技术。
二、微纳光电子器件设计技术1. 光学仿真技术在微纳光电子器件设计中，光学仿真技术是非常重要的一部分。
通过对无限远场问题的研究，可以建立器件的电磁模型，并利用计算机仿真技术进行分析和设计优化。
光学仿真技术最常用的软件是COMSOL Multiphysics和Lumerical等。
通过光学仿真技术，可以优化器件的结构形状、材料选择、呈现和低损耗等。
2. 异质结构设计技术在微纳光电子器件很多器件应用中都需要通过异质结设计实现。
异质结异质材料的导带能带区在交界处会产生能带弯曲现象，从而形成能带偏差，这样就能够改变器件的电子结构和光学性质。
异质结是一种典型的二维和三维的结构，可以通过量子阱、能带混合、带隙调制等技术实现。
在微波光子晶体、微腔光学器件等方面有重要应用。
三、微纳光电子器件制备技术1. 电子束光刻技术电子束光刻技术（EBL）是一种高分辨率的微纳米制造技术，其分辨率可以达到亚纳米级别。
EBL主要是利用电子束照射石英等电子敏感材料，石英中会产生可溶解的空穴，再通过腐蚀、蒸镀等方式制造出器件形状。
EBL技术可以实现器件的多层加工和三维加工，但是其缺点是加工速度较慢，不能进行大面积加工和生产级量产。
2. 等离子体刻蚀技术等离子体刻蚀技术（RIE）是一种高效的微纳米制造技术，其主要原理是通过气体放电等离子体刻蚀目标材料。
考试纳米电子
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
1 纳米材料的基本概念.ppt
计算机技术
信
通信技术
息 主流核心技术 控制技术
技 术
软件技术 网络技术 广播电视技术
前沿技术
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
电路中的纳电子器件与应用
电路中的纳电子器件与应用在现代科技的迅速发展中，纳米技术正逐渐成为研究和应用的热点之一。
随着纳米科技的进步，纳电子器件已经成为电路领域中的重要组成部分，并广泛应用于各种电子设备中。
本文将介绍电路中的纳电子器件以及它们在实际应用中的作用。
第一部分：纳米技术的发展与应用随着纳米技术的发展，研究人员们开始利用纳米材料的特殊性质来设计和制造纳电子器件。
与传统的电子器件相比，纳电子器件具有更小的尺寸、更高的性能和更低的功耗。
纳米材料具有独特的光电、磁电和力电特性，能够实现更高效、更稳定的电流传输和信号处理。
第二部分：纳电子器件的种类与特点纳电子器件可以分为多种类型，如纳米晶体管、纳米电容器、纳米传感器等。
这些器件都是利用纳米材料的特殊性质进行构建和设计的。
纳米晶体管是一种基于纳米材料的电子开关，可以调控电流的流动，实现电路的开关与控制功能。
纳米电容器则利用纳米材料的高比表面积和电容率来增加电荷的贮存能力。
纳米传感器则基于纳米材料的敏感性特点，可以检测光、温度、压力等信号。
第三部分：纳电子器件的应用领域纳电子器件在电子领域中有着广泛的应用。
首先是在消费电子产品中，如手机、电脑等设备中广泛使用了纳米晶体管技术，使得这些设备更加小型化、高性能。
其次是在医疗器械中，纳米传感器可以用于检测和监测患者的生理参数，实现智能化医疗管理。
同时，在能源领域，纳电子器件也发挥着重要作用，例如纳米材料的应用可以提高太阳能电池的效率，实现更高能量转换效率。
第四部分：纳电子器件的发展前景与挑战纳电子器件的发展前景非常广阔，但同时也面临一些挑战。
首先，纳米材料的合成和制备技术仍然存在一定的技术难题，如稳定性、可扩展性等问题。
其次，纳电子器件的性能需要进一步提升，以满足未来电子产品对高性能的需求。
此外，纳电子器件的成本也是一个需要解决的问题，目前纳米材料的成本相对较高，限制了纳电子器件的大规模应用。
总结：电路中的纳电子器件是随着纳米技术发展而兴起的一种新型电子器件，在电子领域中具有重要的应用价值。
微纳电子材料与器件知识讲解
纳米材料发展简介
❖ 1965年诺贝尔物理奖获得者R.P Feynman说过：“如果有一 天能按人的意志安排一个个原子分子将会产生什么样的奇 迹”，纳米科学技术的诞生将使这个美好的设想成为现实 。
❖ 1982年，IBM公司苏黎世研究所Binnig和Rohrer发明了扫描 隧道显微镜(STM),这项发明为纳米科技的发展起到巨大的 促进作用。
(a) Schematic representation of the transfer process to invert the VA-MWNT array onto a polystyrene thin film,
(b, c) SEM images of the invert VA-MWNT array.
纳米结构与低维性的概念
❖ 纳米材料：指材料在三维空间中至少有一维处于纳米尺度
范围内的，或由纳米基本单元构成的材料。
❖ 纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础,按一定规律构筑
或营造一种新的体系,它包括一维的、二维的、三维的体系 。
❖ 纳 米 结 构 通 常 是 指 0.1 ～ 100nm 的 超 微 结 构 , 在 这 种 尺 度
介观体系的材料。
❖ 低维性：指的是维数小于三，具体来说就是二维、 一维和零维
d=3，完全不受 量子约束
三维（3D）
定义d为维度
d=2，一个方向上 受到量子约束
二维（2D）
d=1，两个方向上 受到量子约束
d=0，三个方向上 受到量子约束
一维（1D） 零维（0D）
纳米材料根据三维空间中未被纳米尺度约束的自由度定义
用传统的化学分子极性理论來解释，不仅解释不 通，恰恰是相反。
从机械学的粗糙度、光洁度角度來解释也不行， 因为它的表面光洁度根本达不到机械学意义上的 光洁度（粗糙度），用手触摸就可以感到它的粗 糙程度。
纳米电子器件谐振隧道二极管的研制
中圈分类 号 ：Ｔ １ ２ Ｎ３ ２ ．
文■ 标识 码 ：Ａ
文章簟 号 ：０ ５ —１ ７２ ０ ） １０ ９—４ ２３４ ７ （０ ２０ —０ １０
用 ＲＴ 和异 质 结 双极 晶体 管 （ Ｔ） 高 电子 迁 移 Ｄ ＨＢ 、
技术 的不断完善 ． 目前 ， 们所见 到过 的报道 在常温 我
下 ， Ｔ 的 电流 峰谷 比 （ ＶＣ 以 Ｇ Ａｓ为 村底 可 Ｒ Ｄ Ｐ Ｒ） ａ 达 到 ６： 口 ， ＩＰ 为 村 底 的 可达 到 ３ Ｉ４ 现 １ ］以 ｎ ０ｔ ［． ＿
Ｒ ＴＤ两端 加上 适 当电压 ， 当人 射 电子能 量等 于势 阱
一
因 为高 势 垒材 料能 抑 制 ＪＨ （ ） 阱 加 厚 ， Ｔ． ２ 将 降低 峰 值 电压 ， 从而 降 低 Ｅ 为 提高 Ｅ ， ． ， ｎ可采 用 ：１使 垒 （）
尽 可能 地 薄 ， 一般 选 取 ２ ｍ 左 右 ， ｎ 以保证 Ａ ｘ￣很 Ｅ ｐ＂
是在 近十 年左 右 才开 始有 实 质性 的进展 ， 得 到 了 并
一
纳 米级 薄层 的宽带 隙材料 中夹着 纳米级 薄层 窄带 隙
材料 ． 能带 图上 看 ， 从 在导 带上形 成 了两垒一 阱 的结 构． 由量子 力 学可 知 ， 势阱 中形 成 了分 立 能级 ， 在 在
定 范 围的应用 ， 这主 要是 由于 分子束 外 延 （ Ｅ） ＭＢ
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第 ２ 卷第 １ ３ 期
２０ 年 １ ０２ 月
半
导
体
学
报
ｖ０ ． ３． ． １２ Ｎｏ １ Ｊｎ ａ ．， ２ ０ ０２
纳电子学
悬挂的十字交叉单壁碳纳米管阵列
Quantum Dots (量子点)
目录
微电子学面临的问题 奇妙的纳米尺寸效应 纳电子器件 纳电子系统
纳电子系统
量子单元自动机 量子计算机 DNA计算机
纳电子系统
量子单元自动机 量子计算机 DNA计算机
量子单元自动机的元胞Cell
延迟 td
100ps 10ps 1ps
低功耗
CMOS
高速
MESFET HFET
1aJ 10aJ 100aJ 1fJ 10fJ 100fs 0.1aJ 10uW 100uW 1mW 10mW 100mW 100nW 1uW 功耗/门 Pd
最小晶体管尺寸的限制
为防止栅氧隧道击穿：tox>3nm 为防止栅氧电击穿：Vg<0.3V 为确保反型沟道形成：Na=1018cm-3 为防止源漏耗尽区相连，Lch＝30nm 晶体管面积应至少等于沟道面积的8 倍： A＝0.72×10-10cm－2
核自旋量子计算机
以五分子为硬件的NMR 量子计算 机
量子字节
日前，澳大利亚科学家在量子科学方面获 得了重大的突破，成功的实现了首个用8个 钙离子组成的量子字节（Quantum Byte）。
美国伊利诺大学香槟分校的科学家最近发现了 一种解出算法结果的奇特方法，通过量子计算 和量子盘查，在不运行算法的情况下就能得出 结果。
目录
微电子学面临的问题 奇妙的纳米尺寸效应 纳电子器件 纳电子系统
奇妙的纳米尺度效应
宏观量子隧道效应 小尺寸效应 表面效应
宏观量子隧道效应
纳电子器件制备的单根碳纳米管精确装配与电连接研究
的电特 性 ， 受直 径 和 螺旋 角 等 影 响 它 可 以是 导 体 如 或半 导 体¨ Ｊ 以 及 库 仑 阻 塞 、 道 输 运 等 特 ， Ｊ弹
为纳 电子学界 研究 的前 沿 与 热点 ， 究 人 员 利 用 单 研
索 介 电电泳 方 法 来 驱 动 多 根 Ｃ Ｔ粗 定 位 至 微 电 极 Ｎ
附近 ， 再采 用 具 有 实 时 力， 觉 反 馈 的 Ａ Ｍ 纳 米 操 视 Ｆ
作方 法对 选 定 Ｃ Ｔ进 行 精 确 操 作 ， 而 结 合 粗 、 Ｎ 从 精 两 级操 作方 式 ， 现单 根 Ｃ Ｔ与 微 电 极 的精 确 装 配 实 Ｎ
而造 成操 作效 率低 且 灵 活性 差 ， 很 大 程度 上 阻 碍 在
几种 ： １直接 将 Ｃ Ｔ沉 积 在 预 制好 的 电 极表 面 ， （） Ｎ 从 而形 成 电连 接 ［ 】但 此法 随机 性大 、 功率低 ；２ ６ ， 成 （）
通过 Ｃ Ｔ定 位 生 长 实 现 Ｃ Ｔ直 接 生 长 在 电 极 两 Ｎ Ｎ
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第２ ５卷 第 ６期
２Ｏ Ｏ ６年 ｌ ２月
电 子
显
微
学
报
Ｖｏ ． ５． １２ Ｎｏ． ６
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｈ ｎ ｓ ￣ ｏ ｒ ａ ｆ Ｃ ｉ ｅｅ
ｔ ｏ ｉｒ ｓ ｏ ｙ Ｓ ｃｅｙ ｒ ｎ Ｍ ｃ ｏ ｃ ｐ ｏ ｉｔ
与 电连 接 。
根 Ｃ Ｔ研 制出各 种纳 电子 器件 ， Ｃ Ｔ场 效应 晶体 Ｎ 如 Ｎ 管 、 电子 晶体 管ｎ 、 学 成 分传 感器 等 。但 在 单 ］化 上述 研 制过程 中 ， 如何 实现 单 根 Ｃ Ｔ与 微 电极 的精 Ｎ
微纳电子技术与器件
微纳电子技术与器件电子与电气工程是一门涵盖广泛的学科，与我们日常生活息息相关。
随着科技的不断发展，微纳电子技术逐渐成为该领域的热点之一。
微纳电子技术是指利用微米和纳米尺度的器件和系统来设计和制造电子设备的技术。
本文将介绍微纳电子技术的发展背景、应用领域以及相关的器件。
发展背景微纳电子技术的发展得益于纳米科技和微电子技术的进步。
纳米科技研究了物质在纳米尺度下的特性和行为，而微电子技术则关注电子器件在微米尺度下的设计和制造。
两者的结合为微纳电子技术的发展提供了坚实的基础。
此外，随着集成电路的不断发展，人们对更小、更快、更节能的电子器件的需求也日益增加，促使微纳电子技术的研究和应用不断深入。
应用领域微纳电子技术在众多领域中得到了广泛应用。
在通信领域，微纳电子技术为无线通信、卫星通信和光纤通信等提供了关键的技术支持。
微纳电子技术的应用还可以扩展到医疗领域，例如用于生物传感器、医学成像和药物输送等方面。
此外，微纳电子技术在能源领域也有着重要的应用，如太阳能电池、燃料电池和能量收集器等。
微纳电子技术还可以应用于环境监测、汽车电子和智能家居等领域。
相关器件微纳电子技术的发展离不开一系列关键的器件。
其中，纳米材料是微纳电子技术的重要组成部分。
纳米材料具有特殊的物理和化学性质，可以用于制造纳米器件。
例如，纳米颗粒可以用于制造高性能的显示屏和光电器件。
另一个重要的器件是微流体器件，用于控制微米和纳米尺度下的流体流动，广泛应用于生物传感器和实验室芯片等领域。
此外，纳米电子器件和纳米传感器也是微纳电子技术中的关键组成部分。
微纳电子技术的发展为我们的生活带来了许多便利和创新。
它不仅推动了通信、医疗和能源等领域的发展，还为我们提供了更多的可能性。
然而，微纳电子技术仍面临着许多挑战，如器件的制造和可靠性等方面。
因此，我们需要继续加大对微纳电子技术的研究和投入，以推动其进一步发展和应用。
总结微纳电子技术是电子与电气工程领域中的一个重要方向，其应用范围广泛，涉及通信、医疗、能源等多个领域。
纳电子器件的少电子输运性质及应用
摘 要 ： 介 绍 纳 电 子 器 件 基 本 输 运 理 论 基 础 上 ， 重 分 析 量 子 点 结 构 器 件 模 型 ， 论 了 量 子 点 上 能 级 分 立 和 电 在 着 讨
子填充的各 种情况 ， 以及 电子 自旋 的影响 ， 特别强调 了纳米 限制系统 中局域 态电子和非局域 态电子相互 作用特征 。
Ｅ ＥＡ ＣＣ ： ２ ６ ５Ｏ
件 ， 是长期 研 究和 发展 的重 点 。总 体上 ， 电子 器 将 纳
言
ｄ ｖｃ ｍ ｏ ｅｓ ａ ｅ ｏ ｑ ａ ｔ ｍ — ｏ ｓｒ ｃ ｕ ｅ ｒ ａ ａｙ ｅ ． Ｄｉｃｅ ｅ ｕ ｎ ｕ ｅ ｉｅ ｄｌ ｂ ｓ ｄ ｎ ｕ ｎ ｕ ｄ ｔ ｔｕ ｔ ｒ ａ ｅ ｎ ｌｚ ｄ ｓｒ ｔ ｑ ａ ｔ ｍ ｌｖ ｌ ａ ｄ ｅ ｅｓ ｎ
ｅｅ ｔ ｏ —ｉ ｉ ｇ ｓ ａ ｅ ｎ ｑ ａ ｔ ｍ ｏ ｓ ｒ ｉｃ ｓ ｅ ｎ ｅ ｉ ｅ ｅ ｔ ｃ ｎ ｉ ｏ ｓ ｉ ｃ ｕ ｉ ｇ ｔ ｅ ｌｃｒ ｎ ｆ ｌ ｔ ｔｓ ｉ ｕ ｎ ｕ ｄ ｔ ｌｎ ａ ｅ ｄ ｓ ｕ ｓ ｄ ｕ ｄ ｒ ｄ ｆ ｒ ｎ ｏ ｄ ｔ ｎ ， ｎ ｌ ｄ ｎ ｈ ｆ ｉ
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第 ２ 卷 第 ４ ６ 期
２０ ０ ６年 ｉ ｌ月
固体 电子学研 究与进展
Ｒ Ｓ Ａ Ｃ ＆Ｐ ０ Ｒ Ｓ Ｆ Ｓ Ｅ ＥＥ Ｒ Ｈ Ｒ Ｇ Ｅ ＳＯ Ｓ
Ｖｏ ． ６ Ｎｏ ４ １２ ， ．
Ｎｏｖ．． ２ ６ ００
纳 电子 器 件 的 少 电子 输 运性 质 及 应 用
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｂａ ｉ ｒ ｎ ｐ ｒ ｈ ｏ ｙ ｏ ａ ｏ ｌｃ ｒ ｎ ｅ ｄ ｖ ｃ ｓ ｉ ｉｓ ｌ ｎ ｒ ｄｕ ｅ ｓｃ ｔａ ｓ ｏ ｔ ｔ ｅ ｒ ｆ ｎ ｎ ｅ ｅ ｔｏ ｉ ｅ ｉｅ Ｓ ｆ ｔｙ ｉ ｔｏ ｃ ｄ，ａ ｄ ｔ ｅ ｒ ｎ ｈｎ
微纳电子技术与创新
微纳电子技术与创新微纳电子技术，指的是在微米、纳米级别上精密制造的集成电路及其相关技术。
这项技术的出现，为人类的生产与生活带来了空前的便利与创新。
当今社会，信息化与智能化已经成为了社会发展的必然趋势。
微纳电子技术则为此提供了有力的支撑。
它不仅可以提高电子设备的性能、降低功耗，而且还可以延长设备的使用寿命，同时也可以实现更加精准的运算与计算。
这种技术日益普及，应用领域十分广泛，涉及到了通讯、医疗、安全、生物、能源等诸多领域。
在通讯领域，微纳电子技术可以提供更加精准、迅速的信息传输，同时还能实现更低功耗的无线通讯。
这为智能物联网、智能家居等新兴领域的发展提供了有力的支撑。
在医疗领域，微纳电子技术可以实现更加精细的检测与治疗，为疾病的早期预防与治疗提供了更大的可能。
在安全领域，微纳电子技术可以为安保、反恐等领域提供更加高效的技术手段，保障人们的生命与财产安全。
在生物领域，微纳电子技术可以实现更加精准、迅速的基因检测与分析，为医学研究与生命科学研究提供了重要的手段。
在能源领域，微纳电子技术可以实现更加高效的能源转换与存储，为能源的开发与利用提供了新的思路。
随着微纳电子技术的快速发展，人们出现了垂直集成、三维集成等新兴技术。
垂直集成将不同功能的芯片通过互连技术互相堆积组合在一起，形成多功能芯片。
三维集成则是将不同芯片堆叠成立体型结构，以实现更高的集成度。
这些新兴技术，不仅可以提高芯片的性能，而且还可以实现对空间的更加高效利用。
同时，人们通过对微纳电子技术的研究，也创造出了一系列的新型器件。
例如，MEMS技术（微机电系统技术）可以制造出微型机械结构，可以应用于加速度计、陀螺仪、压力传感器等设备的制造。
CNT技术（碳纳米管技术）可以制造出强度高、导电优良、热传导性好的材料，可以应用于集成电路中的导线等元件的制造。
这些新型的器件，不仅可以在原有技术的基础上提高性能，而且还可以为新兴领域的发展提供强有力的支撑。
显然，微纳电子技术对于人类的社会生产和生活方式都有着巨大的影响。
【国家自然科学基金】_纳米电子器件_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140802
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芇酰亚胺 1 自限定 1 自旋阀 1 自旋电子输运 1 自旋电子 1 自旋极化输运 1 腔面反射率 1 脱氧核糖核酸分子(dna) 1 肖特基二极管 1 聚苯胺 1 缺陷模 1 综述 1 给体 1 结构 1 纳米金刚石薄膜 1 纳米金刚石膜 1 纳米负折射指数物质 1 纳米结构 1 纳米线/聚合物复合膜 1 纳米粉体 1 纳米碳纤维 1 纳米点接触 1 纳米材料 1 纳米晶粒 1 纳米mos器件 1 纳米cmos技术 1 纳米cmos器件 1 纤维膜 1 紫外带边发光砷化镓 1 第一性原理 1 稀土元素 1 神经信号 1 磁性材料 1 磁场损耗 1 碳纳米管 1 硅尖 1 相干输运 1 盐酸 1 白光 1 畴壁电阻 1 界面层 1 电荷泵 1 电纺丝技术 1 电磁性能 1 电导转变 1 电子辅助-热丝化学气相沉积法(ea-hfcvd) 1 电子结构 1 电子激发态 1 电子束光刻 1 生长动力学 1 生物单分子操纵 1 物理 1 片上螺旋电感 1 热电子场致发射 1
碳基纳米电子器件和集成电路分析
53Internet Technology互联网+技术碳基纳米电子器件和集成电路分析摘要：碳基纳米材料以其在光电特性、耐热性、耐辐射性、耐化学药品特性等方面的优越性得到了人们广泛关注，积极探索碳基纳米材料并将其科学、合理应用到各领域中对促进各领域快速发展存在积极影响。
文章则在既有研究成果分析基础上，就碳基纳米电子器件与集成电路研究现状进行了探讨，并对碳基纳米电子器件与集成电路应用表现进行了简要阐述，同时点明其发展过程中存在的技术挑战，包括性能方面的挑战、成本方面的挑战、相关标准方面的挑战等，旨在为碳基纳米技术深入研究提供指导，促进碳基纳米技术优化发展。
关键词：碳基纳米材料；电子器件；集成电路；半导体常超（1994.04-），男，汉族，中国香港，香港城市大学硕士，深圳市万年兄弟集团有限公司总经理，香港仙科电子有限公司总经理，研究方向：微电子与集成电路设计。
一、引言碳基纳米材料是指分散相有一维或多维不超过100nm 的碳材料，如碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、纳米碳球等。
此类材料所含特性种类多，且多数特性较其他材料更具优势，故研发与应用价值较高。
就碳纳米管为例，多数研究表示其是打破轨硅基集成电路极限，推动集成电路创新化、持续化发展的重要材料之一，是较为理想的电子输送材料，在电子学领域、能源分析领域等具有广阔发展前景。
本研究则以碳基纳米电子器件与集成电路为研究对象，就其研究现状、应用表现以及技术挑战进行了简要分析，具体如下。
二、碳基纳米电子器件的研究现状分析碳基纳米电子器件是碳基纳米材料在电子学领域应用的重要表现，为深入挖掘、了解、彰显碳基纳米材料在电学方面所具有的优势，关于碳基纳米电子器件研究形成了较为丰厚的成果。
例如，基于碳纳米管的研究利用，研制出一种互补金属氧化物半导体器件，该器件由P 型晶体管与N 型晶体管构成，分别由Pd 接触与Sc 接触实现（图1）。
其中在栅长1μm，偏压0.1V 情况下，P 型晶体管与N 型晶体管均可达到2个量级开关比，亚阈值摆幅可达到90~100mV/dec，跨导放大器可达到14~17μS，门级延时约为2×10-11。
微电子器件的微纳加工技术
微电子器件的微纳加工技术微电子器件是现代电子与电气工程领域中的重要组成部分，它们广泛应用于计算机、通信、医疗、能源等领域。
微纳加工技术作为微电子器件制造的核心技术，为其提供了优异的性能和可靠性。
本文将重点介绍微电子器件的微纳加工技术，探讨其在电子与电气工程中的应用以及未来的发展方向。
一、微纳加工技术的概述微纳加工技术是一种通过精密的工艺步骤来制造微米级或纳米级结构的技术。
它包括光刻、薄膜沉积、离子注入、化学腐蚀等多种工艺步骤，通过这些步骤可以在半导体材料上制造出微电子器件所需的电极、导线、晶体管等微米级结构。
微纳加工技术的高精度和高度集成性使得微电子器件能够实现更小、更快、更强的性能。
二、微纳加工技术在微电子器件中的应用1. CMOS技术CMOS（互补金属氧化物半导体）技术是微电子器件中最常用的制造工艺之一。
它通过微纳加工技术制造出互补型金属氧化物半导体晶体管，实现了低功耗、高集成度和高可靠性。
CMOS技术广泛应用于微处理器、存储器、传感器等微电子器件中，推动了计算机和通信技术的快速发展。
2. MEMS技术MEMS（微机电系统）技术是将微纳加工技术应用于机械结构的制造。
它通过微纳加工技术制造微米级的机械结构，实现了微机械传感器、微机械臂等微电子器件的制造。
MEMS技术在汽车、医疗、航空等领域有着广泛的应用，为这些领域带来了巨大的创新和发展。
3. 光电子器件光电子器件是利用光的性质来实现电子功能的器件。
微纳加工技术在光电子器件的制造中起着重要作用。
例如，通过微纳加工技术制造出的光纤可以用于光通信中的信号传输；微纳加工技术还可以制造出微型激光器、光电探测器等光电子器件，推动了光通信和光存储技术的发展。
三、微纳加工技术的挑战与发展方向尽管微纳加工技术在微电子器件制造中取得了巨大的成功，但仍然面临着一些挑战。
首先，随着微电子器件的尺寸不断缩小，微纳加工技术需要更高的精度和更复杂的工艺步骤。
其次，新材料的引入和工艺的创新也对微纳加工技术提出了新的要求。
微纳加工技术在光电子器件制造中的应用
微纳加工技术在光电子器件制造中的应用随着科技的不断进步和发展，微纳加工技术在各个领域得到了广泛的应用。
尤其在光电子器件制造领域，微纳加工技术的应用为光电子器件的制造和性能提升提供了新的解决方案。
本文将探讨微纳加工技术在光电子器件制造中的应用。
一、微纳加工技术简介微纳加工技术是一种通过控制微米或纳米级别的结构和材料进行制造和加工的技术。
它主要包括光刻、薄膜沉积、精密加工和表面处理等步骤。
微纳加工技术具有高精度、高效率和高可靠性的特点，能够实现器件的微型化和高集成度。
二、微纳加工技术在激光器制造中的应用激光器是一种重要的光电子器件，广泛应用于通信、医疗、制造等领域。
微纳加工技术在激光器制造中起到了关键作用。
通过微纳加工技术，可以实现激光器的小型化和高功率输出。
例如，利用微纳加工技术制造的微型激光二极管可以实现小型化和大规模集成，适用于光通信和传感器等领域。
三、微纳加工技术在太阳能电池制造中的应用太阳能电池是一种可再生能源转换装置，具有广阔的应用前景。
微纳加工技术在太阳能电池制造中的应用主要包括纳米结构制备和薄膜沉积。
通过微纳加工技术制备纳米结构的太阳能电池，可以有效提高光吸收和光电转化效率。
同时，利用薄膜沉积技术可以制备高性能的透明导电薄膜，提高太阳能电池的电子传输速度和稳定性。
四、微纳加工技术在光纤传感器制造中的应用光纤传感器是一种基于光学原理的传感器，具有高灵敏度、高精度和防腐蚀等优点。
微纳加工技术在光纤传感器制造中的应用主要体现在光纤的制备和激光加工。
利用微纳加工技术制备的光纤可以实现微型化和高灵敏度。
激光加工技术则可以在光纤上制造微结构，用于增加传感器的灵敏度和选择性。
五、微纳加工技术面临的挑战和发展方向尽管微纳加工技术在光电子器件制造中取得了一系列的成果，但仍然面临一些挑战。
例如，制备过程中的工艺控制、设备成本和能耗等问题。
因此，微纳加工技术需要进一步完善和优化。
未来的发展方向包括：发展低成本、高效率的微纳加工设备，提高光学和电子材料的处理能力，探索新的微纳加工工艺和方法。
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2、 碳纳米管的力学性能
(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。
----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。
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 。
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。
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。”
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
• 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)]
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．
定向碳纳米管的场发射特性
5、碳纳米tzenadel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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。