纳米电子学课件

世界上最小的广告
通过扫描隧道显微镜操纵氙原子 用35个原子排出的“IBM”字样 石墨三维图像
聚焦离子束技术 聚焦离子束(FIB)技术是在电场和磁场的作下，将离 子束聚焦到亚微米甚至纳米量级，通过偏转系统 及 加速系统控制离子束，实现微细图形的检测分析和 纳米结构的无掩模加工。 准分子激光直写纳米加工技术 准分子激光(excimer laser)以其高分辨率、光子能 量大、冷加工、“直写”特点、无环境污染以及对 加工材 料广泛的适应性，使其成为一种重要的MEMS 和纳米 加工技术。
纳米陶瓷，是指陶瓷材料的显微结构中，晶粒尺寸、晶 界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸都在纳米尺(1— 100nm)度上。纳米陶瓷复合材料通过有效的分散、复合而使 异质纳米颗粒均匀弥散地保留于陶瓷基质结构中，这大大改 善了陶瓷材料的强度、韧性、耐磨性、超塑性和高温力学性 能，克服了工程陶瓷的许多不足，并对材料的力学、电学、 热学、磁学和光学等性能产生重要影响，它被认为是陶瓷研 究发展的第三个台阶，因此纳米陶瓷被认为是解决陶瓷脆性 的战略途径。 要做纳米陶瓷，首先必须制备纳米陶瓷粉体，而要真正 得到纳米陶瓷，并且达到人们所期望的性能，就必须对纳米 陶瓷粉体有一些必要的要求。首先必须保证陶瓷粉体到达纳 米级别；其次要求纳米粉体纯度高及表面的清洁度高、尺寸 分布狭窄、几何形状归一(接近球形)、晶相稳定；另外一个 重要的要求就是无团聚或团聚低。
3.消除环境污染
纳米材料具有特别大的晶界表面，其物理，化学， 机械性能特别活跃，因此可以用作有毒气体如一氧 化碳，氮氧化物的催化剂，用于汽车或能源装置中， 可以消除污染。
纳米加工的实质就是要切断原子间的结合，实现原 子或分子的去除，切断原子间结合所需要的能量， 必然要求超过该物质的原子间结合能。用传统的切 削、磨削加工方法进行纳米级加工就相当困难了。
隧穿指的是粒子通过经典物理禁止的区域。该区域的 总能量低于势垒的势能。能量高出粒子总能量的区域 形成“势垒”。
2.超小隧道结 隧道结是与一种典型的量子现象—隧穿现象相联系的 结构。
纳米薄膜：厚度为纳米尺度并具有特殊性能的薄膜。 纳米颗粒膜：由纳米颗粒堆积或自组装或镶嵌在聚 合物中形成的薄膜。 纳米晶薄膜：由纳米尺度晶相构成的薄膜。 纳米多层膜：以纳米薄膜作为基本结构单元有序叠 加构成的薄膜。 “超晶格”薄膜：当调制波长比各薄膜单晶的晶格 常数大几倍或更大时的薄膜（调制波长指在多层膜 中相邻两层金属或合金的厚度之和）
零维纳米结构单元的种类：纳米粒子、超细粒子、 超细粉、烟粒子、人造原子、量子点、原子团簇，他 们之间不同之处在于各自尺寸范围稍有区别。 1.团簇： 指几个至几百个原子聚集体（粒子半径小于或者等 于1nm）。 它介于单个原子和固体之间。 分类：金属原子团簇和非金属原子团簇 非金属原子团簇：碳簇（富勒烯C60，C70等）和非 碳簇等。
几种新兴的纳米加工技术 利用扫描隧道显微镜和原子力显微镜的纳米加工技 术 化学合成方法 化学合成方法是制备纳米尺度电子学器件的另一 种途径—用化学过程“自下而上”地把微观体系的物 质单元组装成纳米器件。由于用纳米探针进行机械合 成很难同时组装数目巨大的纳米结构和器件，所以研 究化学合成方法非常重要。

纳米管的典型代表就是纳米碳管，它可以看作有单 层或者多层石墨面按照一定规则卷绕而成的无缝管 状结构。

纳米棒一般是指长度较短、纵向形态较直的一维圆 柱状（或其横截面呈多角状）实心纳米材料。（金 纳米棒）

纳米线是指长度较长，形貌表现为直的或弯曲的一 维实心纳米材料。（银纳米线）

纳米带与以上2种纳米结构存在较大的差别，其截 面不同于纳米管或纳米线的接近圆形，而是呈现四 边形，其宽厚比分布范围一般为几到几十。纳米带 的典型代表为氧化物，如ZnO等。
2.人造原子 所谓人造原子是由一定数量的实际原子组成的聚集体， 它们的尺寸小于100nm。 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“造原子”有时称为“量子点”。 人造原子与真实原子的不同之处： 人造原子含有一定数量的真正原子； 形状和对称性多种多样，真正的原子可用球星霍里房型 描述。而人造原子不局限于这些简单的形状，除了高对 称性的量子点外，尺寸小于100nm的低对称性复杂形 状的微小体系都可以称为人造原子； 电子间交互作用比实际原子复杂的多； 实际原子中电子受原子核吸引做轨道运动，而人造原子 中电子是处在抛物线形对的势阱中，具有向势阱底部下 落的趋势。在人造原子中，由于库仑排斥作用，部分电 子处在势阱上部，弱的束缚使它们具有自由电子的特征。
2.5 纳米电子结构
2.6 纳米技术的卓越成就简介
纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于 纳米尺度范围或由它们作为基本结构单元构成的材 料。 基本单元按维数分： 二维：空间有一维处在纳米尺度，如超薄膜， 多层膜，超晶格等。 一维：空间有两维处在纳米尺度，如纳米丝， 纳米棒，纳米管等。 零维：空间三维均处在纳米尺度，如纳米尺度 颗粒，原子团簇等。
2D纳米结构就是指在三维空间里有一维处在纳米 尺度的结构。 以二维电子气系统为例：
二维电子系统主要研究对象是上图中提到的化合 物半导体异质结构中的二维电子气（Two Dimensional Electron Gas,2DEG）系统。即在 GaAs与AlGaAs的界面处形成薄的导电2DEG层。
两个能隙宽度不同的半导体材料刚开始接触时，宽带隙 材料的费米能级高于窄带隙材料的费米能级，结果电子 从宽带隙材料中溢出，使其仅剩下正电荷，即施主离子。 这些空间电荷产生静电势，他将引起界面能带弯曲，平 衡以后费米能级相等。电子密度在界面处有一个尖锐的 峰，电子的费米能级进入导带中，形成一层薄的导电层， 称为二维电子气。

NEMS被形容为MEMS与纳米技术的结晶；在美国国防部高
纳米陶瓷粉体的制备
成型
烧结
纳米陶瓷的应用及其前景
1.良好的保温材料 通过溶胶-凝胶法制成的陶瓷具有多孔，且特别的轻， 能承受自重100倍以上的力，它可以广泛用于隔热，承 载节能又环保。
2.更坚硬的切割工具 采用高科技精密加工制造而成，具有金属刀具所无法比拟的 优点，具有高密度、无孔隙、无磁性、高硬度、耐腐蚀性强、 化学稳定性好、高耐磨性等特点，使用时不粘污，易于清洁 且抑菌，刃口锋利无比，是真正意义上的永不磨损、永不腐 蚀的“贵族刀”。

纳米同轴电缆是指径向在纳米尺度的核/壳准一结 构，其代表产物有SiC/SiO2等
纳米同轴电缆的电极材料及其形成的三维导电网络
0D纳米结构就是指在三维空间里有三维都处在纳米 尺度的结构。 所谓的量子点就是一个零维系统，典型的量子点是 在半导体材料中限定的一个尺度为100nm的小区域。 点意味着是空间极小的一个区域，可是一个半导体 制造的量子点中大约有百万个原子及等量的电子。大多 数电子紧紧束缚在核周围，自由电子的数目却非常少， 在一个到百万个电子之间。 量子点具有另外一个特性，称为充电能，类似于离 子的电离能。这是给点中添加或取出一个电子所需要的 能量。量子点类似于真实原子，量子点也称为人造原子。
纳米粉体的制备方法及其对比
优点 缺点
气相法
纯度高、团聚较少、 设备昂贵，产量较低 烧结性较好 ，不易普及
设备简单、无需高真 暂无 空等苛刻的物理条件 、易放大、纯净、团 聚小，容易实现工业 化生产 设备简单、操作方便 纯度不高、粒度分布 较大
液相法
固相法
从表中可以看出，液相法优势明显
纳米陶瓷的制作流程 从纳米粉制成块状纳米陶瓷材料，就是通过某种工艺过程， 除去孔隙，以形成致密的块材，而在致密化的过程中，又保 持了纳米晶的特性。
1D纳米结构就是指在三维空间里有两维处在纳米 Fra Baidu bibliotek度的结构。 在2DEG的另一个方向加以限制，比如y方向， 就可以形成所谓的量子线，这是准一维限制系统。
金属电极是负电压偏置，以截断或耗尽栅下面的 2DEG，在两个电极之间留下一个窄的未耗尽的通道， 当栅极电压偏置更负时，会有效地压缩一维通道，直 到最终这个区域所有的载流子耗尽。 分裂栅结构的限制作用是用“软”势（静电势） 使载流子耗尽，横向限制势将电子限制在电极之间的 空间，使电子的能量离散化。 一维纳米材料可以根据其空心或实心，以及形貌不同， 分为： 纳米管 纳米棒或者纳米线 纳米带以及纳米同轴电缆等
这种结构的重要性主要体现在制造场效应晶体管等高 电子迁移率电子器件中，例如调制掺杂场效应晶体管， 高电子迁移率晶体管等
纳米薄膜是指有尺寸在纳米量级的晶粒构成的薄 膜，或将纳米晶粒镶嵌于某种薄膜中构成的复合物， 以及每层厚度在纳米量级的单层货多层膜，有时也称 为纳米晶粒薄膜或纳米多成膜。纳米薄膜的分类有很 多种，例如，按结构、按用途、按层数划分。下面以 用途划分为例来介绍纳米薄膜的种类。 纳米薄膜按用途分类可分为纳米功能薄膜和纳米 结构薄膜。前者主要利用纳米粒子所具有的光、电、 磁方面的特性，通过复合使新材料具有基体所不具备 的特殊功能；后者主要是通过纳米粒子复合，提高材 料在机械方面的性能。由于纳米技术的组成、性能、 工艺条件等参数的变化都对复合薄膜的特性有显著影 响，因此可以在较多自由度下，人为的控制纳米复合 薄膜的特性，获得满足一定需要的材料。
用光刻的方法在半导体夹层结构中形成空间周期排列 的纳米尺度量子点阵列或量子洞阵列，就能够形成横 向晶格点阵限制结构。这种结构给2DEG在x方向和y 方向都引入周期性势，形成简单的人造晶格。由周期 性强排斥势调制的2DEG系统成为反点格子系统。


1.隧穿现象 又称隧穿效应，势垒贯穿，按照经典理论，总能量低 于势垒是不能实现反应的，但是量子力学观点，无论 粒子能量是否高于势垒，都不能肯定粒子是否能越过 势垒，只能说出粒子越过势垒概率的大小。它取决于 势垒高度、宽度及粒子本身的能量。能量高于势垒的、 运动方向适宜的未必一定反应，只能说反应概率较大。 而能量低于势垒的仍有一定概率实现反应，即可能有 一部分粒子穿越势垒好像从大山隧道通过一般，这就 是隧道效应。
3.纳米粒子 纳米粒子是指颗粒尺寸为纳米量级的超细微粒，它的 尺寸大于原子簇，小于通常的微粉。 尺寸一般在1-100nm之间，纳米颗粒所含原子数范 围在1000-1000万个，有人称它为超微粒子。
量子点接触（QPC）是比量子点更简单，但却能产生 量子输运现象的结构。
点线表示2DEG的耗尽区，其形状和尺寸收到Vg的调 节，两边宽的2DEG区域为电子库，化学势分别为 u1,u2，可发射电子通过QPC。在电势差V的作用下 产生通过QPC静电流I，栅极下的2DEG形成窄的导电 通道。
常用制备方法 1. 真空镀膜法 2. 溶胶-凝胶法 3. LB膜法 4. 电化学沉积法 5. 分子束外延沉积 其他制备方法 1. 化学气相沉积法（CVD） 2. 等离子辅助气相沉积法（PACVD） 3. 物理气相沉积法（PVD） 4. 层层自组装（LBL） 5. 挥发诱导自组装法（EISA）
指显微结构中的物相(包括晶粒尺寸、晶界宽度、 第二相分布、气孔与尺寸缺陷等)都在纳米量级的 水平上的陶瓷材料。 纳米陶瓷的晶粒、晶界以及它们之间的结合都处在 纳米尺寸水平。

纳米结构薄膜
纳米颗粒膜
纳米晶薄膜
纳米多层膜
纳米颗粒
基材
纳米(晶)相
纳米薄膜
纳米薄膜的性质 超强硬度 TiC/Fe（8nm/6nm）多层膜，维氏硬度42GPa （TiC硬度29GPa），但TiC/聚四氟乙烯：8GPa 注：维氏硬度(HV) 以120kg以内的载荷和顶角为 136°的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用载荷 值除以材料压痕凹坑的表面积，即为维氏硬度值(HV)。 增韧 在传统多层结构材料（如钢化玻璃）中存在增韧现象， 其增韧机理为裂纹尖端钝化、裂纹分支、层片拔出以 及沿界面的界面开裂等，在纳米材料中存在类似的增 韧机制。 耐磨性 多层膜调制波长越小，使其磨损明显变大的临界载荷 越大。