低维半导体材料
GaAs简单介绍
纳米材料的基本单元可按维数分为三类：
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。
GaAs简单介绍：
砷化镓(Gallium Arsenide）:简称GaAs，是镓和砷两种元素 所合成的化合物，也是重要的要的IIIA族、VA族化合物半 导体材料，用来制作微波集成电路、红外线二极管、半导 体激光器和太阳电池等原件。 优点：GaAs与硅不同，它是直接带隙材料，具有电子饱和 漂移速度高，耐高温，抗辐照等特点；在超高速、超高频、 低功耗、低噪音器件和电路，特别在光电子器件和光电集 成方面占有独特的优势。
超晶格：
超晶格材料是两种不同组元以几个纳米到几 十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性 的多层膜，事实上就是特定形式的层状精细 复合材料。
量子阱、量子线、量子点图示
量子线、量子点、量子阱概念介绍
量子线：在凝聚态物理中,量子线指导电性质受 到量子效应影响的导线.由于传导电子在切向上 受到量子束缚,切向能量呈现量子化 量子点：是准零维(quasi-zero-dimensional)的纳 米材料，由少量的原子所构成。粗略地说，量子 点三个维度的尺寸都在100纳米(nm)以下，外观 恰似一极小的点状物 量子阱：量子阱（QW）是指由2种不同的半导体 材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的 电子或空穴的势阱。
2D
1D
0D
零维，一维，二维纳米材料称为低维材料
（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。
低维半导体材料的合成与性能调控
低维半导体材料的合成与性能调控近年来，随着材料科学领域的不断发展，人们对于低维半导体材料的研究越来越深入。
低维半导体材料由于其性能优异，成为了新型材料领域的研究热点。
本文将探讨低维半导体材料的合成方法和性能调控的研究现状。
一、低维半导体材料的研究背景1.1 定义低维半导体材料是指在一维、二维或三维空间中，其尺寸至少有一个维度在纳米尺度范围内，具有半导体特性的材料。
1.2 研究前景低维半导体材料具有很多优异的物理和化学性质，如高比表面积、量子限制效应、光电传输效应等，因此在能源、光电、传感、催化等领域具有很高的应用潜力。
二、低维半导体材料的合成方法2.1 蒸发方法蒸发法是通过固态材料的蒸发和凝聚形成薄膜的一种方法。
其优点是制备方法简单易行，成本低廉，是制备低维半导体材料的重要方法之一。
2.2 气相沉积法气相沉积法是将材料的有机或无机前驱体在高温下分解，在反应器中沉积在衬底上，形成薄膜。
此方法制备出来的材料具有高纯度、较大面积、较好的晶体结构和较好的表面平整度。
2.3 溶剂热法溶剂热法通过在溶剂中溶解前驱体，加热并控制反应的温度、时间等参数，得到低维半导体材料。
此方法制备材料的成分和形貌可以通过调节反应条件来控制。
三、低维半导体材料性能调控的研究现状3.1 界面和表面调控通过对低维半导体材料表面和界面的修饰和控制，可以调控材料的化学稳定性、光学性质和电学性质，提高材料的应用性能。
3.2 大小调控低维半导体材料的特殊性质常常与其尺寸有关，因此通过控制低维半导体材料的大小，可以调控材料的能隙、荷载传输性质等物理化学性质。
3.3 成分调控低维半导体材料通常由不同的元素组成，控制其成分比例和材料内部结构也是调控材料性能的一种方法，如以含硫物为前驱体合成了具有高光响应性能的二维MoS2。
四、结论低维半导体材料的合成和性能调控是其应用和研究的重要方向。
随着科技的发展，研究人员将会更深入地理解低维半导体材料的物理化学特性，并对其性能进行更科学的调控，为其在新型材料领域的应用开辟更广阔的前景。
低维半导体材料的制备及其应用
低维半导体材料的制备及其应用半导体材料是现代电子工业的基础，通过对半导体材料的处理和加工，制造出电子器件和集成电路。
而低维半导体材料，指的是指材料的某一或多个维度尺寸小于100纳米的半导体材料。
它具有优越的光、电、磁、力学等性质，具有广泛的应用前景。
本文将着重探讨低维半导体材料的制备及其应用。
一、低维半导体材料的制备制备低维半导体材料需要克服材料尺寸、晶格错位，以及纠缠的情况所带来的限制，需要使用先进的技术，包括：量子点制备、纳米线沉积、能带工程、控制生长和自组装等技术。
1. 量子点制备：量子点是指在一维、二维或三维空间中，半导体材料结晶后，缺陷上的原子具有特定分布。
它具有离散的能级，由于材料尺寸小，所以其能带结构出现了“量子限制效应”，可以合成离散的能带，并表现出优越的光学和电学特性。
量子点制备包括溶液生长法、分子束外延法等。
2. 纳米线沉积：纳米线是指直径范围在1~100纳米之间的细长的半导体构造。
纳米线的表面积和体积比传统半导体器件大很多，因此可以增加器件反应表面积，从而提高了光电转化效率。
纳米线沉积包括原位光生长法、气相化学气相沉积法等。
3. 能带工程：能带工程是指通过控制材料的晶格结构，改变其能带结构，以实现特定的电学和光学特性。
利用能带工程还可以改善现有半导体材料的性能和特性。
能带工程包括异质结构、量子阱等制备技术。
4. 自组装：自组装是指利用分子生成的吸附力、电荷、氢结以及磁性作用等分子间相互作用力，实现分子无序自组装为有序结构的过程。
自组装技术对低维半导体材料的制备尤为关键，可以实现纳米粒子、纳米线、纳米带等高质量的大面积制备。
二、低维半导体材料的应用低维半导体材料具有许多优越的性能特点，可应用于太阳能电池、发光二极管、激光器、光电探测器、量子计算器和生物传感器等领域。
1. 太阳能电池：低维半导体材料也被应用于太阳能电池等环保领域。
由于低维材料具有大表面积、高透光率、高光电转化效率、长寿命等特点，因此在太阳能电池、气敏元件等方面具有广泛的应用前景。
材料学中的低维半导体材料的制备与性能
材料学中的低维半导体材料的制备与性能引言材料科学与工程是一门研究材料结构、性能和制备方法的学科，而低维半导体材料是近年来备受关注的研究领域之一。
本文将探讨低维半导体材料的制备方法以及其在电子学和光电子学等领域中的性能。
低维半导体材料的定义低维半导体材料是指在至少一个维度上具有纳米尺度的材料。
常见的低维半导体材料包括二维材料（如石墨烯和二硫化钼）和一维材料（如纳米线和纳米带）。
这些材料具有特殊的电子结构和光学性质，因此在电子学和光电子学等领域具有广泛的应用前景。
低维半导体材料的制备方法低维半导体材料的制备方法多种多样，下面将介绍几种常见的方法。
1. 机械剥离法机械剥离法是一种常见的制备二维材料的方法。
其原理是通过将层状材料与基底物理分离，从而得到纳米尺度的二维材料。
最著名的例子就是石墨烯的制备，通过用胶带剥离石墨烯层可以得到单层石墨烯。
2. 化学气相沉积法化学气相沉积法是一种常用的制备纳米线和纳米带的方法。
该方法通过在高温下将气体中的原子或分子沉积在基底上，从而形成纳米尺度的材料。
这种方法具有制备大面积、高质量的优点。
3. 溶液法溶液法是一种制备二维材料的常用方法。
该方法通过将材料的前体溶解在溶剂中，然后将溶液均匀涂覆在基底上，最后通过控制溶剂的挥发或加热使溶液中的材料沉积形成薄膜。
这种方法简单易行，适用于大面积制备。
低维半导体材料的性能低维半导体材料由于其特殊的结构和性质，具有许多优异的性能。
1. 电子传输性能低维半导体材料具有优异的电子传输性能，电子在其中可以自由移动，因此具有较高的载流子迁移率。
这使得低维半导体材料在电子学器件中具有广泛的应用前景，如高速晶体管和柔性电子器件等。
2. 光学性能低维半导体材料在光学性能方面也表现出色。
由于其纳米尺度的结构，低维半导体材料具有较大的表面积，因此对光的吸收和发射具有较高的效率。
这使得低维半导体材料在光电子学领域有着广泛的应用，如光电探测器和光伏器件等。
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。
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在半导体材料中，激子是一种由电子与空穴组成的束缚态复合粒子。
它们的寿命是指激子存在的时间，通常用几个特定的时间尺度来描述。
对于低维半导体材料而言，激子寿命的研究显得尤为重要。
低维半导体材料具有二维或一维的几何结构，如薄膜、纳米线和量子点等，其电子-空穴相互作用和输运特性明显不同于体块材料。
因此，低维半导体材料的三重态激子寿命也与其它半导体材料有所区别。
在低维半导体材料中，激子存在的时间受到多种因素的影响。
首先，由于低维结构的限制，电子和空穴的动能量级很小，相互作用更强，因此会形成束缚态的激子。
这种激子相比于自由激子具有更长的寿命。
其次，低维材料表面的受限效应会显著影响激子的寿命。
低维材料中的表面电荷和杂质将对激子的形成、湮灭和输运引起很大的影响。
此外，低维材料还受到温度、压力和外界电场等环境条件的限制，这些因素也会对激子的寿命产生重要影响。
关于低维半导体材料的三重态激子寿命的实验研究表明，其寿命通常介于纳秒至微秒的量级。
这一范围与体块材料的激子寿命相比较短，主要是由于低维材料中的束缚态激子与表面相互作用强烈。
束缚激子的寿命受到几个主要因素的限制。
首先，从电子和空穴自旋角动量的角度来看，低维材料中的束缚态激子通常具有三重态自旋态。
这意味着激子在湮灭时将经历禁止的自旋翻转，从而减小了激子的寿命。
这种自旋禁止的湮灭过程称为自旋选择规则。
其次，由于低维材料表面的受限效应，激子的湮灭受到表面的强烈影响。
低维材料的表面电荷和杂质将形成表面态能级，使得激子能量受到限制，影响其湮灭的速率。
此外，表面态还会影响激子的输运特性，进一步影响激子的寿命。
最后，在低维材料中，激子的湮灭过程通常由以下几种机制贡献：辐射复合、非辐射复合和激子与声子的相互作用。
辐射复合是指激子发射出一个光子，而非辐射复合是指激子在湮灭过程中不发射光子。
激子与声子的相互作用是指激子和晶格振动之间的相互作用。
这些机制将对激子的湮灭速率和寿命产生重要影响。
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。
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。
低维半导体材料的制备及其物理性质研究
低维半导体材料的制备及其物理性质研究随着纳米科技的不断发展，低维半导体材料逐渐成为研究的热点。
低维半导体材料具有与其它物质不同的特性和性质，在电子学、光学等领域具有广泛的应用前景。
本文将探讨低维半导体材料制备的方法以及其物理性质的研究。
一、低维半导体材料的制备方法低维半导体材料制备的方法主要有两种：自下而上法和自上而下法。
1.自下而上法自下而上法是以分子为基础来制备材料，是分子自组装的过程。
主要包括自组装、溶液法和气相沉积法等。
自组装是指大分子自行组装成新的结构。
这种方法可以制备二维材料，如石墨烯和二硫化钼等。
溶液法是将合成好的分子溶在有机溶剂中，然后沉积到基底上，再通过温度或化学反应等过程，使溶液中的分子形成合适的晶体结构。
气相沉积法是一种将气体或大气压缩成为高温、高压来制备材料的方法，适用于制备一维和零维材料，如纳米线和量子点等。
2.自上而下法自上而下法是指先制备大块材料，然后通过切割或化学侵蚀等手段逐渐缩小其尺寸。
主要包括机械削片法、电子束刻蚀法以及化学气相沉积法等。
机械削片法是最早采用的制备方法，能够制备出高质量的单层石墨烯薄膜和光子晶体。
电子束刻蚀法是将电子束定向聚焦并加热，然后在腐蚀剂的作用下进行蚀刻，从而制备出具有纳米特征的材料。
化学气相沉积法是在高温高压气氛下，将气体反应生成纳米粒子，再通过自组装或化学反应等过程来制备材料。
二、低维半导体材料的物理性质研究低维半导体材料拥有其他材料所没有的物理性质，包括量子限制效应、表面效应、电子束共振和小尺寸效应等。
1.量子限制效应量子限制效应是指由于纳米材料和超薄材料的尺寸极小，电子在其中的运动受到量子限制，从而产生一些特殊的物理特性。
在二维材料中，电子会被限制在平面内运动，能量只能取离散值。
在一维材料中，电子只能在一定的节能级上运动，导致轴向和横向的物理性质具有特殊的特点。
2.表面效应低维材料也会存在表面效应，这种效应是由于材料表面的原子结构发生改变，导致表面的化学性质和物理性质发生变化。
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。
专注低维材料_奏响科研新歌——中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室研究员吴江滨
65专注低维材料 奏响科研新歌——中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室研究员吴江滨 唐慧乔 陈 旭 自人类诞生以来，如何凭借有限的空间和能源延续自身文明并实现可持续发展，一直是人类命运共同体所面临的首要挑战，以解放和发展生产力为目的的技术革新无疑为破解这一难题提供了强劲的动力。
特别是人类进入工业时代以来，以蒸汽机为代表的第一次工业革命、以电力为代表的第二次工业革命和以信息技术为代表的第三次工业革命，都将重点投射于对物质更深层次、更精妙的理解上，而几乎与第三次工业革命同时兴起的半导体相关研究，也依照这样的规律，以“更小、更快、更节能”的方式进行迭代，不断地为人类带来新的可能和机遇。
时至今日，半导体技术的应用已经渗透到各个领域。
与此同时，随着器件小型化的不断发展和集成度的不断提高，传统的硅基半导体器件已经逼近极限尺寸，一系列由于器件工作原理和工艺技术本身的物理限制而产生的难题，将成为相关研究及行业发展难以突破的上限。
就在此时，随着实验制备工艺和合成技术的发展，面向更低维度、更小尺度特质的低维材料应运而生，并以其独特结构和优异性质，使人类借助它研发更高效器件和更新功能成为可能。
有关低维半导体材料的研究吸引了越来越多相关科研工作者的关注，而中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室研究员吴江滨就是其中之一。
点亮专注科研的星火2008年，出身于福建农村、抱着“走出家乡看一看”想法的吴江滨，头一次听说了华中科技大学的名字。
彼时的他，对这所远方的学校知之甚少，对自己即将进入的光学与电子信息学院几乎是“一无所知”。
“这个专业到底是学什么的？又能做什么？”怀揣这样的问题，吴江滨甫一入校，就展现出旺盛的求知欲，与老师同学交流心得、启发灵感更成了他经常做的事。
这份勤勉与执着，抚平了他曾经因“无知”而产生的迷茫情绪，也让他在大一下学期时即获得了进入江建军教授和缪灵教授所主持的计算材料与测试模拟中心（CCMS）实验室参与科研工作的机会。
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。
低维半导体材料的合成与应用研究
低维半导体材料的合成与应用研究近年来，随着纳米技术的迅猛发展和对新型材料需求的增加，低维半导体材料逐渐崭露头角。
低维半导体材料，即具有一维（纳米线）、二维（薄膜）或者零维（纳米点）结构的半导体材料。
它们具有独特的物理、化学性质以及广泛的应用潜力。
本文将重点介绍低维半导体材料的合成和应用研究。
低维半导体材料的合成是基础和关键。
目前，已经发展出了多种制备低维半导体材料的方法，如溶液法、气相法、金属有机化学气相沉积法（MOCVD）等。
溶液法是一种常用且简便的制备方法，它通过将溶液中的前驱体在一定条件下进行一系列反应，从而在溶液中形成低维半导体纳米结构。
这种方法具有操作简单、成本较低、制备规模可控等优点，已经成功制备了多种低维半导体材料，如碳化硅纳米线、锌氧纳米片等。
气相法是另一种常用的制备方法，它通过将气相前驱体在高温条件下反应沉积在基底上，形成低维半导体材料。
这种方法制备的纳米材料通常具有优异的结晶度和尺寸可控性，已经成功制备了石墨烯、二硫化钼等材料。
MOCVD是一种高温气相沉积技术，它将金属有机前驱体和气体反应生成低维半导体材料。
这种方法具有较高的制备温度和能耗，但可以制备出尺寸更大的低维半导体结构。
低维半导体材料的应用研究也相当广泛。
它们在电子器件、能源存储和转换等领域发挥着重要作用。
首先，低维半导体材料在电子器件上有着巨大的潜力。
以石墨烯为例，由于其独特的结构和性质，它被广泛应用于柔性电子器件、光电器件以及高速电子传输等方面。
其次，低维半导体材料在能源存储和转换中也表现出良好的性能。
二硫化钼作为一种典型的低维半导体材料，在锂离子电池和超级电容器等能源存储领域显示出优异的性能。
此外，低维半导体材料在太阳能电池和水分解电池中也具有潜在的应用价值。
此外，低维半导体材料还可以应用于传感器、光学器件和生物医学等领域。
以碳化硅纳米线为例，由于其较大的比表面积和优异的光学性能，它可以被用作气体传感器的敏感层，用于检测环境中的有害气体。
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。
低维半导体结构材料及其器件应用研究进展_王占国
低维半导体结构材料及其器件应用研究进展中国科学院院士 王占国(中国科学院半导体研究所,北京100083)摘 要:人们预测,到2010年,以硅材料为核心的当代微电子技术的C MOS逻辑电路图形尺寸将达到0.05微米或更小。
到达这个尺寸后,一系列来自器件工作原理和工艺技术自身的物理限制以及制造成本大幅度提高等将成为难以克服的问题。
从某种意义上说,这就是硅微电子技术的“极限”。
为迎接硅微电子技术的“极限”的挑战,满足人类社会不断增长的对更大信息量的需求,近年来,基于低维半导体结构材料的量子力学效应(如:量子尺寸效应、量子隧穿、量子相干、库仑阻塞和非线性光学效应等)的固态纳米电子、光电子器件与电路和基于单分子及大分子结构所特有性质的分子电子学受到了广泛的重视。
它们的研究与发展极有可能触发新的革命,应当给于充分的重视。
本文第一部分将简单介绍低维半导体结构材料的定义、性质及其在未来信息技术中的地位;第二、三部分分别讨论低维半导体结构的制备方法与评价技术;第四部分对近年来低维半导体结构材料和基于它的固态量子器件研制所取得的进展、存在的问题和发展的趋势作扼要的综述;最后,结合国情和我国在该领域的研究现状,提出发展我国低维半导体结构材料及其器件应用的构想。
关键词:低维半导体结构 量子器件 1 引言低维半导体材料通常是指除三维体材料外的二维、一维和零维材料;二维超晶格、量子阱材料,是指载流子在二个方向(如在x,y平面内)上可以自由运动,而在另外一个方向(z)则受到约束,即材料在这个方向的尺寸与电子的德布洛意波长(λd=h/2m＊E)或电子的平均自由程(L2D EG=hμq2πns)相比拟或更小。
一维量子线材料,是指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,是指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。
本文主要讨论一维量子线和零维量子点微结构材料。
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。
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• 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。
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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
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
外一个方向（z）则受到约束。
d h/ 2m*E
L2DEG
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。
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• 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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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
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。
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
• 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。
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。
a. 晶格匹配体系的二维层状(平面) 生长的Frank Van der Merwe 模式
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
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• 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Boltzman 输运方程为基础的理论的适用极限。
• 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
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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：
➢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：
➢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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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