张佩宇-SeminarI-半导体纳米线、纳米器件研究进展综述
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Seminar I
半导体纳米线、纳米器件 研究进展
报告人: 张佩宇 导 师: 韩克利
研究员
目
录Fra Baidu bibliotek
纳米线介绍
半导体纳米线的特性
半导体纳米线的应用：纳米器件
展望
纳米线介绍
量子局限效应
量子阱、量子线及量子点能态密度 比较关系示意图
纳米线介绍
2006： 3,631 篇 2007： 4,204 篇
半导体纳米线的特性
电学特性
I-V曲线 带隙宽度变化
光学特性
光致发光 光电导
纳米线电学特性: I-V曲线
Te- and Zn- doped InP NWs
Nature 409, 66-69 (2001)
Si NWs
J. Phys. Chem. B 104, 5213-5216 (2000)
纳米线电学特性 带隙宽度变化： 硅纳米线：7nm—1.1eV 1.3nm—3.5eV
Nature 434,1085 (2005)
Nat. Biotechnol. 23, 1294-1301 (2005).
交叉纳米线结构：
制作逻辑门、可寻址集成电路
Science 302, 1377-1379 (2003).
Science 294, 1313-1317 (2001)
交叉纳米线结构：
Nature 415, 617-620 (2002). Nature 430, 61-65 (2004).
轴向纳米异质结
Science 310, 1304-1307 (2005).
径向纳米异质结
Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 10046-10051 (2005). Nature 441, 489-493 (2006).
纳米异质结
轴向纳米异质结 径向纳米异质结
轴向纳米异质结
制作二极管,LED 具有很高的偏振性， 可以做单光子器件。 可作为性能优越的激 光器。当电流足够强 时，所发出的激光几 乎为单色。这种半导 体激光器在远程通信、 信息存储、刻划极为 精细的电子电路、探 测细胞内部活动以及 临床诊断和治疗等领 域都有广阔的应用前 景。
库伦阻塞谐振
Si Ge 和GaN等纳米材料都能掺杂成n型和p型。例如，含有硼掺杂（磷掺杂） Nano Lett. 5, 1143-1146 (2005). 的SiNWs做成的器件开启的阈值电压变得更负（正）。 低温下NW 器件的高性能通过低温时的测试得到了进一步证明，相干输运长度达400nm。
环形振荡器和传感器
径向纳米异质结
Nano Lett. 6, 1468-1473 (2006).
纳米线器件展望 展望：
纳米线可作为集成电路中的连线、传感器、纳米激光器，纳米级的单 电子量子计算机的存储元件等等。当前的研究结果已经部分的实现了集成 电路中的某些功能。如果能够在低维纳米技术基础上实现硅基纳米结构的 大规模集成，将会引发电子信息产业的又一次革命。
随着硅纳米线尺寸的减小，由于量子限制效应禁带宽度将增加， 这使得硅纳米线的本征导电特性下降。隧道电导率与硅纳米线表 面电子局部态密度成正比。
Physica E,32,341–345(2006)
纳米线光学特性
光致发光和光电导
对单个纳米线的光致发光(PL)和光电 导(PC) 测量展示出惊人的偏振相关性。当 激发束平行于NW时最大，垂直于NW时最 小。PL光谱表明平行激发相对于垂直激发 高一个数量级。激发和发射的偏振比 (Ipara-Iperp)/(Ipara+Iperp)的值为0.91 ± 0.07。结果表明单NW制作光电检测器是 可能的。 光电导(PC) 测量的灵敏度 3000A/W,可以作为高灵敏、高分辨用光检 测器。 PL的测量体现了尺寸相关性，通常半导 体纳米线的直径与其激子波尔半径相近时, 随着直径尺寸的减小,半导体纳米线的有 效带隙增加,其相应的吸收光谱和荧光光 谱发生蓝移,从而在能带中形成一系列分 立的能级。
science , 293 ,1455-1457(2001)
半导体纳米线应用
单电子晶体管 环形振荡器和传感器 逻辑门、可寻址集成电路 纳米异质结
径向纳米异质结 轴向纳米异质结
纳米线场效应管：制作单电子晶体管
在栅极加上振荡电压。 藉由栅极电压的振幅及 平均值可精确决定每一 振荡周期内穿隧通过的 电子数。将此数目乘以 栅极电压的频率及电子 电荷量，就是通过器件 的电流。由于振荡电压 的幅值及频率可精确测 量，电子电荷量则是固 定值，于是就能精确地 计算出通过的电流。
存在的问题:
成本：对制备技术中具体 工艺条件的影响缺乏足够的研究.人们已经可 以用很多方法制备出各种类型的纳米线，但是这些方法的成本还是很高 的。 集成化：如何让纳米线自组装成复杂结构或器件体系，这将直接决定它 们在未来纳光电器件中的应用前景
参考文献
Xiang, J., et al., Nature 441, 489(2006) M. S. Gudiksen, et al. 122, 8801 (2000). M. S. Gudiksen, et al. Nature 415, 617 (2002). L. J. Lauhon, et al. Nature 420, 57 (2002). Y. Cui, et al. Science 293, 1289 (2001). Y. Huang, et al. Science 291, 630 (2001). Y. Cui, et al. Science 291, 851 (2001). Y. Huang, et al. Science 294, 1313 (2001). Z. Zhong, et al. Science 302, 1377 (2003). X. Duan, et al. Nature 409, 66 (2001). F. Qian, et al. Nano Lett. 5, 2287 (2005) O. Hayden, et al. Adv. Mater. 17 701(2005) W. Lu, et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 10046(2005)
半导体纳米线、纳米器件 研究进展
报告人: 张佩宇 导 师: 韩克利
研究员
目
录Fra Baidu bibliotek
纳米线介绍
半导体纳米线的特性
半导体纳米线的应用：纳米器件
展望
纳米线介绍
量子局限效应
量子阱、量子线及量子点能态密度 比较关系示意图
纳米线介绍
2006： 3,631 篇 2007： 4,204 篇
半导体纳米线的特性
电学特性
I-V曲线 带隙宽度变化
光学特性
光致发光 光电导
纳米线电学特性: I-V曲线
Te- and Zn- doped InP NWs
Nature 409, 66-69 (2001)
Si NWs
J. Phys. Chem. B 104, 5213-5216 (2000)
纳米线电学特性 带隙宽度变化： 硅纳米线：7nm—1.1eV 1.3nm—3.5eV
Nature 434,1085 (2005)
Nat. Biotechnol. 23, 1294-1301 (2005).
交叉纳米线结构：
制作逻辑门、可寻址集成电路
Science 302, 1377-1379 (2003).
Science 294, 1313-1317 (2001)
交叉纳米线结构：
Nature 415, 617-620 (2002). Nature 430, 61-65 (2004).
轴向纳米异质结
Science 310, 1304-1307 (2005).
径向纳米异质结
Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 10046-10051 (2005). Nature 441, 489-493 (2006).
纳米异质结
轴向纳米异质结 径向纳米异质结
轴向纳米异质结
制作二极管,LED 具有很高的偏振性， 可以做单光子器件。 可作为性能优越的激 光器。当电流足够强 时，所发出的激光几 乎为单色。这种半导 体激光器在远程通信、 信息存储、刻划极为 精细的电子电路、探 测细胞内部活动以及 临床诊断和治疗等领 域都有广阔的应用前 景。
库伦阻塞谐振
Si Ge 和GaN等纳米材料都能掺杂成n型和p型。例如，含有硼掺杂（磷掺杂） Nano Lett. 5, 1143-1146 (2005). 的SiNWs做成的器件开启的阈值电压变得更负（正）。 低温下NW 器件的高性能通过低温时的测试得到了进一步证明，相干输运长度达400nm。
环形振荡器和传感器
径向纳米异质结
Nano Lett. 6, 1468-1473 (2006).
纳米线器件展望 展望：
纳米线可作为集成电路中的连线、传感器、纳米激光器，纳米级的单 电子量子计算机的存储元件等等。当前的研究结果已经部分的实现了集成 电路中的某些功能。如果能够在低维纳米技术基础上实现硅基纳米结构的 大规模集成，将会引发电子信息产业的又一次革命。
随着硅纳米线尺寸的减小，由于量子限制效应禁带宽度将增加， 这使得硅纳米线的本征导电特性下降。隧道电导率与硅纳米线表 面电子局部态密度成正比。
Physica E,32,341–345(2006)
纳米线光学特性
光致发光和光电导
对单个纳米线的光致发光(PL)和光电 导(PC) 测量展示出惊人的偏振相关性。当 激发束平行于NW时最大，垂直于NW时最 小。PL光谱表明平行激发相对于垂直激发 高一个数量级。激发和发射的偏振比 (Ipara-Iperp)/(Ipara+Iperp)的值为0.91 ± 0.07。结果表明单NW制作光电检测器是 可能的。 光电导(PC) 测量的灵敏度 3000A/W,可以作为高灵敏、高分辨用光检 测器。 PL的测量体现了尺寸相关性，通常半导 体纳米线的直径与其激子波尔半径相近时, 随着直径尺寸的减小,半导体纳米线的有 效带隙增加,其相应的吸收光谱和荧光光 谱发生蓝移,从而在能带中形成一系列分 立的能级。
science , 293 ,1455-1457(2001)
半导体纳米线应用
单电子晶体管 环形振荡器和传感器 逻辑门、可寻址集成电路 纳米异质结
径向纳米异质结 轴向纳米异质结
纳米线场效应管：制作单电子晶体管
在栅极加上振荡电压。 藉由栅极电压的振幅及 平均值可精确决定每一 振荡周期内穿隧通过的 电子数。将此数目乘以 栅极电压的频率及电子 电荷量，就是通过器件 的电流。由于振荡电压 的幅值及频率可精确测 量，电子电荷量则是固 定值，于是就能精确地 计算出通过的电流。
存在的问题:
成本：对制备技术中具体 工艺条件的影响缺乏足够的研究.人们已经可 以用很多方法制备出各种类型的纳米线，但是这些方法的成本还是很高 的。 集成化：如何让纳米线自组装成复杂结构或器件体系，这将直接决定它 们在未来纳光电器件中的应用前景
参考文献
Xiang, J., et al., Nature 441, 489(2006) M. S. Gudiksen, et al. 122, 8801 (2000). M. S. Gudiksen, et al. Nature 415, 617 (2002). L. J. Lauhon, et al. Nature 420, 57 (2002). Y. Cui, et al. Science 293, 1289 (2001). Y. Huang, et al. Science 291, 630 (2001). Y. Cui, et al. Science 291, 851 (2001). Y. Huang, et al. Science 294, 1313 (2001). Z. Zhong, et al. Science 302, 1377 (2003). X. Duan, et al. Nature 409, 66 (2001). F. Qian, et al. Nano Lett. 5, 2287 (2005) O. Hayden, et al. Adv. Mater. 17 701(2005) W. Lu, et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 10046(2005)