章-低维半导体材料
（物理化学专业论文）低维（VIa族化合物）半导体纳米材料的制备及表征
⑧浙江大学博十学位论文第一章绪论纳米是一种长度度量单位，即米的十亿分之一。
纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（１一１００ｍ）或者由它们作为基本单元构成的材料。
广义地说，纳米材料是泛指含有纳米微粒或纳米结构的材料。
１．１．１纳米材料的诞生及其发展早在】８世纪６０年代，随着胶体化学的建立，科学家们就开始了对纳米微粒体系（胶体）的研究。
到２０世纪５０年代末，著名物理学家，诺贝尔奖获得者理查德·费曼首先提出了纳米技术基本概念的设想。
他在１９５９年１２月美国加州理工学院的美国物理年会上做了一个富有远畿鬈０意黑２＝：盏：篙翼盎：见性的报告，并做出了美妙的设想：如果有一天可以按人的意志安排一个个原子，那将会产生怎样的奇迹？理查德·费曼先生被称为“纳米科技的预言人”。
随后，１９７７年美国麻省理工学院的学者认为上述设想可以从模拟活细胞中生物分子的研究开始，并定义为纳米技术（ｎａｎｏｔｃｃｈｎｏｌｏｇｙ）。
１９８２年Ｂｉｎｉｎｉｎｇ和Ｒｏｈｒｅｒ研制成功了扫描隧道显微镜（ｓ１Ｍ），从而为在纳米尺度上对表面进行改性和排布原子提供了观察工具。
１９９０年美国ＩＢＭ公司两位科学家在绝对温度４Ｋ的超真空环境中用ｓＴＭ将Ｎｉ（１１０）表面吸附的ｘｅ原子在针尖电场作用下逐一搬迁，⑧浙江大学博士学位论文电子既具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。
近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。
量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。
例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在Ｏ．２５ｕｍ。
目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件。
低维材料及其应用技术
低维材料及其应用技术
低维材料就是指原子、分子或基本单位的维度很低的材料，它们包括
纳米结构材料、分子材料和低维半导体材料。
这些材料拥有独特的机械性
能和功能，可以用于在微纳尺度上制造新型材料，从而极大的改善材料的
外观、性能和功能。
第一，低维材料的应用技术大致可以分为三种：多尺度材料处理技术、微纳米计算技术、介观材料组装技术。
多尺度材料处理技术可以将材料调节到特定的结构，以实现具有特定
功能的材料。
现代材料学和工程越来越探索多种尺度处理技术的发展，如
金属有机框架态材料（MOFs）和金属-有机复合物（MOCs），以提高材料
的制备效率和加工成型性能。
微纳米计算技术可以利用有机内分子的特性来计算和模拟复杂的材料
结构和性能。
通过分析样品的原子结构，以便提出相应的构造方案，进而
可以设计新的结构材料，例如金属-有机配合物（MOFs）和金属有机骨架
金属（MOMs），还可以研究它们的物理性质、化学性质和生物活性。
介观材料组装技术可以组装特定的结构元素构成新型材料。
低维半导体材料的制备及其性质研究
低维半导体材料的制备及其性质研究一、引言半导体材料是一类常见的电子材料，在现代电子技术和信息技术领域广泛使用。
在这一领域，低维半导体材料具有广阔的应用前景。
低维半导体材料是指在两个或三个维度上具有特殊性质的半导体材料，如二维（2D）材料和纳米线等。
本文将从低维半导体材料的制备方法、其物理和化学特性、及其在电子学和光学等领域的应用等方面进行深入探讨。
二、低维半导体材料的制备方法低维半导体材料的制备方法总结起来主要有以下几种：1. 手动剥离法手动剥离法是将单层的低维半导体材料从高质量晶体中用机械剥离的方法获取。
这种方法需要具有高质量单晶材料、宽带隙和可裂性等特殊性质。
2. 化学气相沉积法化学气相沉积法可以通过将低维半导体材料的前体化合物转化为气体形式，然后在衬底上沉积固体材料来制备低维半导体材料。
这种方法可以控制低维半导体材料的厚度、晶体质量和晶格取向等参数。
3. 海绵法海绵法是一种通过电势屏蔽、光化学反应或热化学反应等方法，将低维半导体材料以薄层的形式沉积在未处理衬底上的方法。
这种方法具有制备过程简单、成本低、适用于大面积制备等特点。
4. 真空热蒸发法真空热蒸发法是通过将低维半导体材料的前体材料在真空蒸发的条件下，冷凝在末端衬底的表面上，从而制备薄膜。
这种方法通常需要高真空环境、高温度和长时间的加热等条件。
三、低维半导体材料的物理和化学特性1. 电学性质低维半导体材料具有优异的电学性能，如高载流子迁移率、高电感、低噪音、高速度、低功率等。
这些优异的性能使得低维半导体材料在晶体管、传感器、以及超大规模集成电路等领域具有潜在的应用前景。
2. 光学性质低维半导体材料在光学领域具有独特的性质，如高光电响应、高塞贝克系数、高量子效率等。
这些性能使低维半导体材料成为具有活性的光学元件的理想选择。
3. 热学性质低维半导体材料具有良好的热学稳定性，通常具有高热导率、低热膨胀系数和优良的热稳定性能。
这使得低维半导体材料通常用于高功率电子设备的散热材料或高温电子元件。
半导体物理学 第一章__半导体中的电子状态
The End of Preface
第一章 半导体中的电子状态
主要内容：
1.1 半导体的晶格结构和结合性质 1.2半导体中电子状态和能带 1.3半导体中电子运动－－有效质量 1.4 本征半导体的导电机构－－空穴 1.5 常见半导体的能带结构 （共计八学时）
本章重点：
*重 点 之 一:Ge、Si 和GaAs的晶体结构
晶体结构周期性的函数 uk (x) 的乘积。
分布几率是晶格的周期函数，但对每个原胞的
相应位置，电子的分布几率一样的。 波矢k描述晶体中电子的共有化运动状态。
它是按照晶格的周期 a 调幅的行波。
这在物理上反映了晶体中的电子既有共有化的 倾向，又有受到周期地排列的离子的束缚的特点。
只有在 uk (x) 等于常数时，在周期场中运动的 电子的波函数才完全变为自由电子的波函数。
硅基应变异质结构材料一维量子线零维量子点基于量子尺寸效应量子干涉效应量子隧穿效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造通过能带工程实施的新型半导体材料是新一代量子器件的基宽带隙半导体材料宽带隙半导体材料主要指的是金刚石iii族氮化物碳化硅立方氮化硼以及iivi族硫锡碲化物氧化物zno等及固溶体等特别是sicgan和金刚石薄膜等材料因具有高热导率高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点成为研制高频大功率耐高温抗辐射半导体微电子器件和电路的理想材料在通信汽车航空航天石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景
(1)元素半导体晶体
Si、Ge、Se 等元素
(2)化合物半导体及固溶体半导体
SiC
AsSe3、AsTe3、 AsS3、SbS3
Ⅳ-Ⅳ族
Ⅴ-Ⅵ族
化合物 半导体
InP、GaN、 GaAs、InSb、
低维材料的结构与性质
低维材料的结构与性质低维材料的研究在材料科学领域中扮演着重要的角色。
低维材料可以分为一维纳米晶材料、二维纳米薄膜材料以及三维纳米多孔材料。
这些材料的基本特点是具有较小的尺寸或厚度，而这种尺寸或厚度决定了它们与宏观材料的巨大差异。
因此，低维材料的结构和性质引起了广泛的关注。
一、一维纳米晶材料一维纳米晶材料的直径通常在1-100纳米之间，长度可以从微米到几毫米不等。
从结构上看，一维纳米晶材料最常见的结构类型是纳米线、纳米棒、纳米管等，其形态可以根据不同的合成条件进行控制。
与宏观材料相比，一维纳米晶材料具有更高的比表面积和更独特的物理化学性质，如光学、电学和力学性质等。
光学性质是一维纳米晶材料中最为独特的性质之一。
由于其尺寸特征与光波长相当，一维纳米晶材料会发生局域表面等离子共振现象，从而产生光学特性的变化。
纳米线材料的耦合振荡模式和纳米管材料的束缚夫琅和费衍射模式是一维纳米晶材料中最典型的光学效应。
电学性质是一维纳米晶材料中另一个值得关注的性质。
纳米线和纳米棒的电学行为主要受到材料表面与体积比的影响。
纳米材料中的载流子传输通常被局限在一维通道中，因此，其电学性质可能具有很高的导电性和应变敏感性。
二、二维纳米薄膜材料二维纳米薄膜材料具有两个平行的晶面，通常厚度小于几十纳米。
石墨烯、硼氮化物和二硫化钼等二维纳米薄膜材料在材料科学领域得到了广泛的研究和应用，其中石墨烯最为典型和重要。
石墨烯是一种由碳原子组成的单层薄片，是一个具有重要应用前景的材料。
石墨烯的最大特点是它的高电导率、高热导率和高机械强度。
由于其强的共价结合和高度排列的碳原子层，石墨烯的化学稳定性和机械性能是其他纳米材料难以比拟的。
石墨烯的独特的光学性质也为其在光电子学领域中的应用打开了大门。
石墨烯的反射和折射率与波长和极化状态有着强烈的关联性，因此，它在光子学中具有重要的应用潜力。
三、三维纳米多孔材料三维纳米多孔材料以其特殊的结构设计和独特的物理化学性质被广泛地应用于催化、生物医药、环境监测等领域。
低维半导体结构的光电性能研究
低维半导体结构的光电性能研究近年来，低维半导体材料因其独特的光电性能和潜在的应用前景引起了广泛关注。
低维半导体结构包括二维材料、纳米线、量子点等，其具有较高的载流子迁移率、较强的光吸收能力和较短的载流子寿命等特点，在光电器件、太阳能电池、光催化等领域具有巨大的应用潜力。
首先，二维材料是低维半导体结构中的一类重要材料。
石墨烯作为最早被研究并发现的二维材料之一，具有优异的导电性能，因此在电子器件领域有着广泛的应用。
然而，石墨烯的零带隙限制了其在光电器件中的应用。
因此，人们开始探索其他具有较大带隙的二维材料。
例如，二硫化钼（MoS2）是一种带隙为1.8eV的二维材料，具有优秀的光电转换性能。
研究表明，将MoS2与其他半导体材料结合可以进一步提高其光电性能。
通过调节二维材料层数、掺杂和异质结构等方法，可以调控低维半导体结构的光电性能。
其次，纳米线也是低维半导体结构中的一类重要材料。
纳米线具有小尺寸效应和量子尺寸效应，可以调控其载流子输运行为。
研究发现，对于直径较小的纳米线，由于表面条件的影响，载流子的迁移率会受到限制。
因此，人们提出了利用核-壳结构纳米线来改善其光电性能的方法。
例如，将硅纳米线包覆一层硅氧化物或氧化锌壳层，可以有效提高载流子的迁移率和抑制表面态的影响，从而提高纳米线的光电转换效率。
另外，量子点也是低维半导体结构中备受瞩目的材料。
量子点具有禁带宽度可调、量子限制效应和高载流子密度等特点，对于光电转换器件具有广泛的应用前景。
研究人员通过合成不同尺寸、形态和组分的量子点，可以调控其能带结构和光学性质，实现对光电性能的精确调控。
此外，将量子点与其他传统半导体材料结合，形成量子点敏化材料也是一种提高光电转换效率的有效方法。
研究表明，使用量子点敏化太阳能电池和光催化材料可以显著提高其光电转换效率。
总之，低维半导体结构的光电性能研究是当前材料科学领域的热点之一。
通过调控二维材料、纳米线和量子点的结构和性质，可以实现对低维半导体结构的光电性能的精确控制。
低维材料的电子特性与应用前景
低维材料的电子特性与应用前景哎呀，说起低维材料，这可真是个有趣又充满惊喜的领域！咱们先来说说低维材料到底是个啥。
你可以把它想象成是一个被“压缩”了的世界。
比如说，普通的材料就像是一个大大的广场，电子们可以在里面随便乱跑。
但低维材料呢，就像是把这个广场变成了狭窄的小巷子，电子的活动范围被限制住啦。
就拿石墨烯来说吧，这可是低维材料里的大明星。
我记得有一次在实验室里，亲眼看到研究人员小心翼翼地制备石墨烯样品。
那操作，精细得就像是在雕刻一件绝世珍宝。
他们先把一块石墨放在特殊的胶带上面，然后一层一层地把石墨剥开，就好像在剥洋葱一样，最终得到了只有一层原子厚度的石墨烯。
当时我就在想，这么薄薄的一层材料，居然能有那么神奇的电子特性，简直不可思议！低维材料的电子特性那可真是与众不同。
在普通材料中，电子的运动就像是在人群中挤来挤去，杂乱无章。
但在低维材料里，电子就变得守规矩多啦，它们的运动更加有序，就像是训练有素的士兵在整齐地行进。
比如说，在一些低维半导体材料中，电子的能态是分立的，这就好比电子只能站在特定的台阶上，而不能随意处在台阶之间。
这种特性让低维材料在电子器件中的表现非常出色。
再说说低维材料在电子器件方面的应用前景吧。
想象一下，未来我们的手机可以变得超级薄、超级轻，而且电池续航能力超强，这都得归功于低维材料。
因为低维材料能够让电子器件的性能大幅提升，能耗却大大降低。
还有啊，在医疗领域，低维材料也能大显身手。
比如说，利用低维材料制造的传感器，可以非常灵敏地检测到人体内的微小变化，早早地发现疾病的迹象。
另外，在能源领域，低维材料也有望带来革命性的变化。
像是太阳能电池，如果用上了高性能的低维材料，转换效率就能大幅提高，说不定以后咱们家里的屋顶都能变成发电站呢！总之，低维材料就像是一个充满宝藏的神秘盒子，只要我们不断地去探索、去研究，就能发现越来越多的惊喜，为我们的生活带来翻天覆地的变化。
说不定未来的某一天，当我们回首往事时，会发现低维材料已经彻底改变了我们的世界，就像当初互联网的出现一样。
低维半导体材料及其应用研究
低维半导体材料及其应用研究近年来，低维半导体材料成为了材料科学领域里备受瞩目的研究方向。
低维半导体材料是一种在三个空间维度中至少有一维度受到了限制的材料，这种限制一般是在一维或两维中实现的。
低维半导体材料的种类较多，如二维材料中的石墨烯、硒化铜，一维半导体纳米线等。
由于这些材料本质的特性以及受到限制的量子效应，低维半导体材料在电子学、光学以及能量转换等领域中有着广泛的应用前景。
一、低维半导体材料的性质提到低维半导体材料，就不得不提它与高维半导体材料的区别。
高维半导体材料是指在三个空间维度都可以自由发展的材料，比如硅、锗等。
而低维半导体材料只有一维或两维可以自由发展。
由于受到维度限制，低维半导体材料的物理、电学以及光学性质都与高维半导体材料有所不同。
在低维半导体材料中，二维材料中的石墨烯是最为典型的一个例子。
石墨烯由单层碳原子构成，由于其呈现出的特殊的异形结构，使得石墨烯拥有了很多高峰值的声子光谱，其热导率也比其他材料高，是理论研究和实际应用的重要材料之一。
在一维半导体材料中，纳米线是常见的例子。
纳米线中电子运动受到限制，仅在一维中自由发展。
这导致了纳米线的电学性质与高维半导体材料有所不同。
同时，由于受到量子限制，纳米线中电子的能量级也发生了一些改变。
除此之外，低维半导体材料还拥有一些独特的性质，如拓扑绝缘态、量子隧穿效应、多项式波、约束及自旋电子运动等，这些性质均可以为低维半导体材料在电子学、光学以及能量转换等领域中的应用提供新的思路和方法。
二、低维半导体材料在电子学中的应用低维半导体材料在电子学中的应用通常表现在电子器件上。
石墨烯、二硫化钼等二维材料被广泛应用在场效应晶体管（FETs）中，并在电子传输方面取得显著进展。
由于石墨烯在光电领域中的优异性质，还有在集成电路、生物传感器及显示器等领域的应用。
在一维半导体材料中，纳米线被广泛应用在电子器件中，比如在纳米晶、激光二极管、场致发光器件以及传感器等领域中。
低维半导体材料和电子学中的应用
低维半导体材料和电子学中的应用在当今科技日新月异的时代，电子学一直是各种电气设备和通讯技术背后的行业基石。
然而，与人们平日使用的传统材料相比，低维半导体材料在电子学方面的发展远未达到其潜力。
本文将介绍低维半导体材料和其在电子学中的应用。
低维半导体材料指的是单向或二向纳米线、纳米片等具有低维结构的半导体材料。
这类材料相比于传统的三维晶体结构的半导体材料，有很多独特的物理和电学性质。
与三维材料相比，低维半导体材料更容易实现可控的电子输运，具有更高的表面积和更高的晶体质量，因此也具有更明显的电学性质。
顾名思义，低维半导体材料由于具有低维的结构，因此能够在一定程度上控制其电学特性，这使得它们成为电子学研究的热门材料。
在电子学方面，低维半导体材料已经有很多的应用。
其中最重要的是纳米电子学。
纳米电子学是利用纳米尺度量级的材料来构造电子学器件的学科，由于纳米尺寸的效应，这些器件具有远远优于传统器件的电学性能。
半导体材料是纳米电子学的核心材料之一，而低维半导体材料则是半导体材料中最常用的纳米尺度材料。
半导体材料具有两种载流子：电子和空穴。
低维半导体材料由于具有低维结构，因此具有更高的载流子迁移率，更低的载流子散射率等特性。
这些特性可以被用于开发更高效的电子学器件。
例如，在用于制造场效应晶体管时，低维半导体材料具有更高的迁移率，从而产生更好的电导率和更高的增益度。
另一个低维半导体材料在电子学中的应用是作为传感器。
由于低维半导体材料的表面积比传统材料更大，因此它们可以更好地吸附气体、液体等物质，同时还更容易形成复合材料。
这些优点使得低维半导体材料成为一种理想的传感器材料。
例如，在引入一些特殊的改性剂后，低维半导体材料可以用于检测环境中的有害气体，如乙醇、二氧化硫等，因此具有重要的环保意义。
另一项低维半导体材料的应用是在太阳能电池中的应用。
太阳能电池是通过吸收光能来产生电力的器件。
低维半导体材料在太阳能电池中的应用是通过以良好的光吸收特性从而实现高效转换的性能。
第9章 低维发光材料
• 主峰1.513eV 主峰1.513eV • 高能侧的小峰1.532eV 高能侧的小峰1.532eV
激发光谱在1.512eV和 激发光谱在1.512eV和 1.534eV处有两个谱峰 1.534eV处有两个谱峰 激发峰与发射峰能量十分接 近，说明发射峰都起因于自 由激子辐射复合发光
半导体超晶格和量子阱的光谱
对于标准的组分超晶格GaAs对于标准的组分超晶格GaAsAlxGa1-xAs，假设势垒足够厚， As，假设势垒足够厚， 各个势阱间的偶合可以忽略不 计，电子（或）空穴在Z 计，电子（或）空穴在Z方向 的运动被限制在势阱中，这时 的组分超晶格相当于多个单量 子阱 电子在无限深势阱（单量子阱） 中的能量状态可以表示为
光电化学法
• 在电化学制备时辅以光照
电化学腐蚀法
腐蚀槽：聚四氟乙烯 阳极：单晶硅片 阴极：铂片或硅片 电解液：HF或HF+乙醇 电解液：HF或HF+乙醇 多孔硅生长与许多因素有关 硅片型号、取向、电阻率、溶液成分、浓度、电 流密度、环境温度、光照等 化学反应过程复杂，至今尚不完全清楚。但一些 基本过程已有较一致的看法
二、量子阱、量子线、量子点的制备 量子阱和超晶格是一种多层结构，是由两 种或两种以上的薄层（<20nm），或有不 种或两种以上的薄层（<20nm），或有不 同掺杂的一种材料交替外延生长在衬底上 所组成 外延技术
• 分子束外延（MBE）、有机金属气相外延 分子束外延（MBE） （MOCVD）、化学束外延（CBE）、有机金 MOCVD） 化学束外延（CBE）、有机金 属分子束外延（MOMBE） 属分子束外延（MOMBE）
低维半导体材料的生长与性能研究
低维半导体材料的生长与性能研究随着科技的不断发展和人们对于节能环保理念的日益强烈意识，对于新型半导体材料的研究也变得越来越重要。
低维半导体材料作为其中的一种新型半导体材料，备受关注。
一、低维半导体材料概述低维半导体材料是指一种宽带隙半导体材料，它在磊晶生长过程中的一个或多个尺度被限制在纳米级别。
这种材料呈现出非常特殊的光电性能，主要表现在：具有高载流子流动率、较小的载流子有效质量、超高自由载流子寿命以及较高的量子效率等方面。
由于低维半导体材料具有优异的性能，一些研究机构将其定义为“下一代新型半导体材料”。
二、低维半导体材料的生长低维半导体材料的生长是指将低维半导体材料从气体相、液相或固相转化成晶体的过程。
通常采用的生长方法有气相外延、液相外延、分子束外延以及溅射等方法。
其中气相外延是最常采用的低维半导体材料生长方法之一。
该方法通过控制气相物种与衬底表面反应，使半导体材料在衬底表面上生长而成。
气相外延还有一些衍生的方法，如金属有机气相外延、分子束流外延等。
液相外延是利用熔融合金与触晶棒之间相互扩散的方式，在触晶棒表面上生长低维半导体材料。
该方法相对于气相外延具有比较高的可生长面积和所需的设备成本低等优点。
溅射生长是通过离子轰击的方式，将靶材上的原子或离子释放到衬底表面上生成原子薄膜的生长方法。
此方法也是可生长面积较大、设备成本相对较低的方法，因此在低维晶体材料的生长中也得到广泛应用。
三、低维半导体材料的研究1. 光电性能低维半导体材料的光电性能是指材料对于光的响应及其光电特性，这也是低维半导体材料研究中的重要方面。
对于低维半导体材料而言，其载流子运动受到约束，因此载流子的寿命会变长。
同时，由于低维半导体材料表面积小，表面反应活性很强，因此极易出现表面态。
这些表面态往往会对材料的光电性能产生重要影响。
低维半导体材料的光电性能研究对于进一步了解材料的特性、提升材料的性能以及开发新型光电器件有着重要意义。
低维半导体材料制备及其物性研究
低维半导体材料制备及其物性研究近年来，随着科技的发展，低维半导体材料逐渐成为了新一代材料研究的热点。
这种材料相对于传统的材料具有结构简单、物性特殊、能带调控等优点，在光电子器件、化学传感器、能源转化等领域有着广泛的应用前景。
然而，低维半导体材料的制备和物性研究依旧是一个具有挑战性的课题，在这篇文章中我们将深入探讨这个领域的相关知识和研究进展。
一、低维半导体材料的概念及种类低维半导体材料是指在三维空间中，至少有一个方向上纳米尺度取向，如二维材料（如石墨烯、稀土十五烷基硫酸盐等）、一维材料（如纳米线、纳米棒、纳米管等）和零维材料（如纳米颗粒、量子点等）等。
这些材料具有极低的维度，因此在物理、化学等方面表现出了独特的性质，如全息图效应、表面等离子体共振效应、拓扑自由度等。
二、低维半导体材料的制备方法目前，低维半导体材料的制备方法可以分为自下而上和自上而下两种，具体方法如下：1、自下而上法这种方法是将原子、分子或团簇作为单位，通过化学反应制备出半导体纳米颗粒、纳米线、纳米棒等低维材料，常用的自下而上法包括溶液法、热分解法、气相沉积法等，并可以通过有机化学合成、水相合成等方式实现。
2、自上而下法这种方法是从半导体单晶造型开始，通过化学腐蚀、离子束刻蚀等方法实现制备低维材料的方法。
常用的自上而下方法包括分子束外延、化学气相沉积等。
三、低维半导体材料的物性研究低维半导体材料由于其简单的结构和特殊的物理性质，因此引起了研究人员的广泛关注。
目前，有关半导体低维物性研究主要包括以下几个方面：1、功函数和势垒的理论研究半导体低维材料的功函数与势垒，决定了电子和空穴在材料内部的输运行为。
因此，研究这些基本物理参数对于理解材料的物性和设计高效器件有着重要的作用。
2、电子输运特性的实验研究电子输运特性包括材料的载流子浓度、迁移率、电导率等参数，通过实验方法可以得到这些参数的详细信息，从而为理解材料的物质特性和优化材料设计提供帮助。
低维材料与器件
低维材料与器件低维材料与器件是当前材料科学研究领域的热点之一。
它基于纳米科技的发展，研究各种低维结构的材料，并将其应用于各种器件中。
低维材料与器件的出现，不仅极大地推动了科技的进步，也带来了许多新颖的应用和发展前景。
一、低维材料的定义和特点低维材料，顾名思义，是指在一个或多个维度上尺寸受限的材料。
一般来说，低维材料可以分为二维材料和一维材料两类。
二维材料是指在平面上尺寸受限，只具有两个维度的材料。
最具代表性的二维材料当属石墨烯，它由一个原子层组成，具有优异的导电性、热导性和机械强度。
一维材料是指在空间中只有一个维度受限，例如一维纳米线、纳米管等。
由于尺寸的限制，一维材料具有独特的电子、光学和磁学性质，被广泛应用于纳电子器件和传感器等领域。
低维材料的特点主要体现在三个方面：1. 尺寸效应：由于尺寸的限制，低维材料的性质会发生显著变化。
例如，低维材料的电子结构和光学性质与体材料不同，具有独特的能带结构和光谱响应。
2. 增强表面效应：低维材料具有大比表面积，表面原子数目较多，从而使其与外界的相互作用增强。
这种增强的表面效应在催化、吸附等领域有着广泛应用。
3. 可调控性：低维材料具有多样的结构和组成，可以通过调控材料的合成方法和工艺参数来实现对其性质的调控。
这使得低维材料成为一种理想的器件材料。
二、低维材料在器件应用中的研究进展低维材料由于其独特的性质，在各种器件中得到了广泛的应用。
以下分别介绍了低维材料在电子器件、光电器件和传感器等领域的研究进展。
1. 电子器件低维材料在电子器件中的应用主要包括场效应晶体管、透明导电膜和柔性电子器件等。
例如，石墨烯作为一种超薄半导体材料，可以用于制造高性能的场效应晶体管，具有优异的电子迁移率和开关特性。
2. 光电器件低维材料在光电器件中的应用主要包括光伏材料、光探测器和光发射器等。
石墨烯由于其高度的光学吸收和光电转换效率，被广泛应用于太阳能电池和光电探测器等领域。
3. 传感器低维材料在传感器中的应用也十分广泛。
低维半导体材料的光电性质及其应用
低维半导体材料的光电性质及其应用近年来，低维半导体材料由于其独特的电子结构和优异的光学性质，在科学研究和技术应用中备受关注。
尤其是，二维纳米材料（例如石墨烯、过渡族金属二硫化物等）具有很高的载流子迁移率、高发光效率和可调控的光电性质，是研究新型光电器件和量子信息处理材料的重要候选材料。
一、低维半导体材料的光电性质低维半导体材料的光电性质往往受到其电子结构和几何结构的限制。
以石墨烯为例，由于其零维的带隙态（Dirac锥），导致其光吸收系数较低，且仅限于红外波段；而石墨烯的带电载流子、扭曲石墨烯和化学修饰石墨烯的复合体系则能够通过调控其电子结构和能带结构，实现新型光电器件的功能。
过渡族金属二硫化物（MX2，M=Mo、W；X=S、Se）则具有层状的晶体结构，因此具有较大的内聚能和柔性，且在纵向和横向宽度的长度尺度下，都呈现出不同的电子结构特性。
多层MX2材料的层间相互作用弱化，导致其带隙在数量级上降低，从而提高了光伏转换年度。
单层MX2材料的带隙由于量子限制和电子的相互作用引起，其带隙宽度与晶格参数紧密相关，可在不同光谱区域内实现高吸收和低反射。
同时，MX2材料表面的长寿命缺陷态也使其成为研究宽带光发射和高效光电转换的优美材料。
二、低维半导体材料的应用低维半导体材料具有优异的光电性质和独特的结构特性，可以用于多种光电器件的应用。
其中，可见光和红外光区域的导电性材料、高效的光伏材料和新型的可见光晶体管等是研究热点和应用前景较好的方向。
1. 红外探测和制冷近年来，红外探测器的研究受到了广泛关注。
传统探测器材料的响应局限于狭窄的波段，而低维半导体材料具有超宽的光谱响应范围和高的特异性，具有较大的应用潜力。
例如，单层石墨烯和多层MoS2薄膜则被广泛研究作为红外探测器的候选材料。
它们具有高的光电响应率、高的噪声等级、卓越的换能效率等优异的光电性质。
2. 光伏电池低维半导体材料也可以作为光伏电池材料，用于光电转换。
低维半导体材料的制备及其性质研究
低维半导体材料的制备及其性质研究近年来，随着纳米技术的发展，低维半导体材料作为一种新兴材料正在吸引越来越多的研究者关注。
低维半导体材料是指除了长度外，其它两个维数在纳米尺度以下的材料，如二维材料、一维材料等。
这些材料具有很多优异的性质，如较高的电子迁移率、更小的晶格常数和更高的比表面积等。
因此，低维半导体材料在光电子学、能源存储、传感器等领域都有重要的应用价值。
一、低维半导体材料的制备方法目前，制备低维半导体材料的方法有很多种。
以下是几种常见的方法：1. 主动剥离法主动剥离法是一种基于化学气相沉积（CVD）的方法。
首先在母材上生长出一个薄膜，在这个薄膜上生长一个超薄层。
然后通过溶剂处理或机械剥离的方式将超薄层离开母材，便可制备出高质量的低维半导体材料。
2. 机械剥离法机械剥离法是一种通过机械切割的方法制备低维半导体材料，其原理与主动剥离法相似。
但是机械剥离法需要使用显微镜和显微针来进行切割，因此其操作难度较大。
3. 化学剥离法化学剥离法是一种使用强酸或强碱溶液进行腐蚀的方法制备低维半导体材料。
这种方法制备的材料质量较好，但需要控制好腐蚀时间和温度，以免造成结构破坏。
二、低维半导体材料的性质研究研究低维半导体材料的性质是了解其应用价值的重要前提。
以下是几个常见的研究方向：1. 光学性质低维半导体材料的光学性质是其应用于光电子学领域的重要基础。
通过研究它们的吸收光谱、荧光发射光谱等可以得到其能带结构、激子特性和缺陷结构等信息。
2. 电学性质在电学的研究中，我们可以通过研究低维半导体材料的电导率、载流子浓度、载流子迁移率等参数，来了解其导电特性和微观结构。
3. 力学性质低维半导体材料的力学性质是制备和应用中需要考虑的一个重要因素。
通过研究其弹性模量、硬度、断裂应力等参数可以预测其在制备过程和实际应用中的机械性能。
三、低维半导体材料的应用前景低维半导体材料具有很多优异的性质，因此在许多领域都有着广泛的应用前景。
低维半导体材料的三重态激子寿命
低维半导体材料的三重态激子寿命
关于低维半导体材料的三重态激子（trion）寿命，具体数值通常取决于材料的种类、结构、外部条件等因素。
激子是由电子和空穴通过库仑相互作用结合而成的粒子。
三重态激子是指具有三个电子的激子状态。
在低维半导体材料（如二维材料graphene、TMDs，或者量子点等）中，激子的性质可能会显著不同于体块材料。
这包括激子的束缚能、寿命、光学性质等。
低维结构的限制和量子效应可能导致这些差异。
对于三重态激子寿命的具体研究通常需要通过实验手段来测定。
这包括光吸收谱、荧光谱、飞秒激光光谱学等实验技术。
通过这些实验手段，科学家可以研究激子的光学性质，并推断其寿命。
需要注意的是，三重态激子寿命可能会受到环境条件（例如温度、光照强度等）的影响。
此外，不同的材料和结构也可能导致寿命差异。
第三章 低维材料(一)
化学结构：化学结构一般指化学键的性质而
言，即离子键、共价键、金属键等，对一般 分子而言，其中仅含有一、两种化学键。超 微颗粒内部却相当复杂，除了原子间强烈的 相互作用(化学键)外，还有氢键。许多理论 和实验(IR、NMR、及 XPS等)证实：几乎所 有的超微颗粒都部分地失去了其常规的化学 结合力性质，表现出混杂性，几种化学键力 互相渗透，性质已难区分。尽管如此，只要 它确定地处于某一状态时，总可以将其看作 是若干个态叠加的结果，即使体系状态随时 间发生改变，但是态的叠加关系却不随时间 变化，变化的只是组合系数。
1cm直径的铜粒按1／10比例细分的计算结果
表面原子数与体相原子占全部原子数的比例与粒径的关系
人们把超微粒子由于比表面积和表面原子 数所占比例迅速增加而引起的种种特殊效 应(如熔点降低、比热容异常等等)统称为表 面效应。 块体物质含有无限多个原子，而超微粒子 体积很小，所包含的原子数不多，相应地， 粒子的质量很小。超微粒子的许多现象就 不能用通常的大块物质的性质加以说明。 这种由于有限个原子的颗粒小体积而引起 的超微粒子所具有的特殊现象称为体积效 应。
表面分子和内部分子的状态示意图。
根据表面和界面科学的知识，任何一个相， 其表面原子(或分子)与内部原子(或分子)所处 的环境是不同的，因而它们的引力场和能量 状态也是有差别的。在单组分液体或固体内 部的分子A，因其周围被同类分子所包围， 所受分子引力是完全对称的，可以相互抵消， 合引力为零。但靠近表面的分子B和处于表而 上的分子C，其情况就与内部分子大不相同， 由于力场不能相互抵消，表面分子将受到向 内的拉力，从而表面上的分子比内部分子具 有更高的能量，或者说表面分子比内部分子 具有过剩的自由能。 由于表面原子数增多，原子配位不足及高的 表面能，使这些表面原子具有高的活性，极 不稳定，很容易与其他原子结合．
1.低维半导体材料的制备及光电特性研究;研究
周通 讲师
性别 男 学历 研究生
出生 学位
1987.06 博士
所在系部 政治面貌
物理学系 中共党员
主要 研究 方向
1.低维半导体材料的制备及光电特性研究； 2.碳纤维及其复合材料的新能源器件应用。
起止时间
学校（单位）名称
专业/职业
学历层次学习 工作 经历源自2010.09-2015.07
复旦大学
凝聚态物理
博士 硕士
2016.09-2010.07
山东理工大学
物理学
学士
课题：
国家自然科学基金青年基金项目，61604089，强耦合高效 GeSi 量子点中间能带光伏材料的制备
及其光电特性研究，主持，2017.01-2019.12。
山东省自然科学基金青年基金项目，ZR2016AQ14，高密度有序 GeSi 量子点体系的制备及其光电
获奖 复旦大学优秀毕业生 复旦大学优秀学生 博士研究生国家奖学金 复旦大学优秀博士生科研资助
招生 欢迎物理、化学、材料背景的同学报考硕士研究生，每年可招生 1-2 名。
学术 兼职 联系 方式
电话
zhoutong@
特性研究，主持，2016.11-2019.06
主要 成果
论文/著作： 1. Zhou T, et al. Applied Surface Science, 2018, 456: 827-834.（IF: 4.4, 二区） 2. Zhou T, et al. Nanotechnology, 2016, 27(11): 115601. （IF: 3.4, 二区） 3. Zhou T, et al. Nanoscale, 2015, 7(13): 5835-5842. （IF: 7.7, 一区） 4. Zhou T, et al. Nanoscale, 2014, 6(8): 3925-3929. （IF:7.7, 一区） 5. Zhou T, et al. APL Materials, 2014, 2(2): 022108. （IF: 4.1, 二区）
半导体材料的新研究方向
半导体材料的新研究方向随着科技的不断进步，半导体材料在现代电子、通讯、计算机等领域中扮演着越来越重要的角色。
然而，传统的半导体材料存在一些不足，例如能量消耗、散热性能等问题，也有一些限制了设备的进一步发展。
因此，研究者们一直在探索新的半导体材料，以满足未来的需求和挑战。
本文将介绍一些正在发展的新研究方向。
第一，低维半导体材料。
低维材料是指厚度为1纳米到几十纳米的材料，包括二维材料（如石墨烯、磷化硼等）和一维材料（如纳米线、纳米管等）。
这些材料因其在尺寸方面的独特特性而显示出了与传统三维半导体材料不同的结构、能带和电子输运性质。
低维半导体材料具有较高的比表面积和可调控的能带结构，这使得它们在加速器、传感器、太阳能电池等方面都有广泛的应用前景。
第二，狄拉克半金属材料。
狄拉克半金属材料是一种在材料中发现的准粒子，也称为狄拉克费米子。
在这一材料中，电子的能带极小，近似于线性，这使它们的电子行为像科学家物理学家保罗·狄拉克所预测的自由粒子的行为一样。
这种半金属材料在量子计算机、信息存储和反应速度更快的电子器件等领域有着潜在的应用价值。
第三，新型无机长周期材料。
传统的半导体材料通常具有一个周期性的结构，在长周期中呈现相同的模式。
然而，新型无机长周期材料则拥有更加复杂的结构，在每个周期内包含多个子周期，使得其在多个方面具有更好的电子、光学和磁性性能。
这种材料已经被应用在新型光电器件、智能储能和能源转换等领域。
第四，多铁性材料。
多铁性材料是指同时具有电极化和磁化能力的新型材料，这种材料可以通过外部电场或磁场的控制来调节其电学或磁学性质。
它们在电子学、能量转换等领域都有着重要的应用前景，已经被用于传感器、微波器件和无线电子器件等方面。
上述仅仅是半导体材料研究的一些新方向介绍，当然还有其他的重要方向如生物半导体、稀磁半导体、纳米光子学等，更有许多成果和研究正在进行。
总的来说，随着科学的不断进步，半导体材料的发展和应用将不断推进，为人类的发展和生活带来更多的便利和可能性。
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2001年 2005年 2010年 2016年
DRAM特征线宽（nm）
130
80
45
22
DRAM存储容量（字节）
512M 2G
8G 64G
DRAM每比特价格（微美分）
7.7
1.9
0.34 0.042
DRAM栅电极长度（nm）
65
32
18
9
微处理器速度（MHz）
1684 5173 11511 28751
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3
• 当系统的尺寸小到可以与电子的德布罗意 波长相当时，量子效应就成为支配载流子 行为的主要因素，量子力学将成为其理论 基础。
• 现今微电子器件工作原理和理论基础是以 Boltzman输运方程为基础的理论。
• 因此微电子器件不会一直小下去，它存在 一个物理极限，这个极限即是以an 输运方程为基础的理论的适用极限。
利用MBE 或MOCVE 等技术首先生长超晶格、 量子阱器件结构材料如：AlGaAs/ GaAs 2DEG材料等，进而结合高空间分辨电子束 曝光直写，湿法或干法刻蚀和微细离子束注 入隔离制备量子线和量子点。
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• 上述方法的优点是
➢图形的几何形状和密度(在分辨率范围内) 可控
• 其缺点是
➢图形实际分辨率(受电子束背散射效应影响) 不 高(几十nm) ,横向尺寸远比纵向尺寸大
➢边墙(辐射,刻蚀) 损伤,缺陷引入和杂质沾污使器 件性能变差以及曝光时间过长等
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III. 应变自组装量子点结构生长技术
外延生长过程中，根据晶格失配和表面、界面能 不同，存在着三种生长模式：
a. 晶格匹配体系的二维层状(平面) 生长的Frank Van der Merwe 模式
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4
• 这个物理极限是多少？ 0.030µm ?
• 从信息技术的发展来看，为了满足无所不 在的海量智能化需要，硅微电子芯片技术 即使达到0.030µm ，也还是不能够满足信息 处理的需要。
• 当传统晶体管和集成电路最终达到它的极 限的时候，信息技术将如何发展？
纳电子器件
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宏观参量
宏观参量
量子点间的单电子，ne，量 子参量，环境参量敏感，温 度影响大，神经网特征
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• 当电子器件进一步减小时，纳电子器件之 后，将是分子电子器件，与之相应地将出 现分子电子学。
• 当前，人们直接面临的问题是纳米电子器 件的设计与制造，纳电子学已经成为电子 学研究的热点。
• 这个划分没有将纳米材料作为一个独立的 学科，是因为各个学科都与材料有关。
• 纳米材料的基本单元可按维数分为三类：
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主要半导体量子点、量子线、量子阱材料
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纳米材料的制备方法大体上可分为两种
Top-down
Bottom-up
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• 对于低维半导体材料主要应用的是 Bottom-up方法。其制备技术主要有：
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真空电子、微电子和纳电子器件的比较
种类
真空管
晶体管
单电子管（SET）
结构
符号
材料 技术 理论 特点
W,Ni,BaO,玻璃,陶瓷 Ge，Si，GaAs
?
电真空制造工艺 真空电子学
单晶生长，光刻、扩散掺杂 半导体物理
有机/无机组装，自组织生 长，？
纳电子学，？
真空中自由电子，mA 晶态半导体中电子，µA
I. MBE和MOCVD生长技术
1. MBE技术
MBE技术实际上是超高真空条件下,对分子或 原子束源和衬底温度加以精密控制的薄膜蒸 发技术。
MBE 与其它传统生长技术(LPE , VPE 等) 相 比有许多优点。
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2. MOCVD技术 MOCVD 或MOVPE 是和MBE 同时发展 起来的另一种先进的外延生长技术。
• 这个划分没有将纳米材料作为一个独立的 学科，是因为各个学科都与材料有关。
• 纳米材料的基本单元可按维数分为三类：
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➢零维纳米材料：类似于点状结构，立体空间的 三个方向均在纳米尺度，如纳米微粒，原子团 簇等。
➢一维纳米材料：类似于现状结构，立体空间的 三个方向有两个方向在纳米尺度，如纳米线、 纳米棒、纳米管等。
➢二维纳米材料：类似于面状结构，立体空间的 三个方向有一个方向在纳米尺度，如纳米薄膜、 纳米多层膜、超晶格薄膜等。
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10
2D
1D
0D
零维，一维，二维纳米材料称为低维材料
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• 对于半导体低维材料（基于载流子）：
➢二维超晶格、量子阱材料：载流子在二个方向
（如在x ,y 平面内） 上可以自由运动，而在另
• 纳电子学是纳米科技的一部 分，纳米科技是信息时代的高 科技，将是人类制造智能工具 的基础。
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1991 美国 Nano I
纳米科技成为独立学科领域
智能 工 具
纳
米
科
技
纳 电
纳 米
纳 米
纳 米
纳 米
纳 米
子 学
物 理
化 学
生 物
机 械
测 量
学
学学学
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• 必须指出，纳电子学是为首的，这是因为 纳电子学处于重要地位，将带领其他各学 科的发展。
MOCVD 是用氢气将金属有机化合物蒸气和气态 非金属氢化物经过开关网络送入反应室加热 的衬底上，通过热分解反应而最终在其上生 长出外延层的技术。
类似的技术还有化学束外延(CBE)，金属 有机化合物分子束外延(MOMBE) 和气态 源分子束外延(GSMBE) 。
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II. 超晶格、量子阱材料生长和精细加工相 结合的制备技术
低维半导体材料
• 电子器件是20世纪的重大发明之一 • 电子器件的发展已经经历了两个时期
真空电子管
固体晶体管
尺寸不断减小 微米 微电子器件
• 信息时代的到来，要求微电子器件的特征 尺寸越来越小，芯片集成度越来越高
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• Moore定律
SIA对半导体技术发展趋势的预测
动态随机存储器（DRAM）与微处理器
外一个方向（z）则受到约束。
d h / 2m*E
L2 DEG
h
q
2ns
➢一维量子线材料：载流子仅在一个方向可以自 由运动，而在另外两个方向则受到约束。
➢零维量子点材料：载流子在三个方向上运动都 要受到约束的材料系统，即电子在三个维度上 的能量都是量子化的。
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• 必须指出，纳电子学是为首的，这是因为 纳电子学处于重要地位，将带领其他各学 科的发展。