纳米技术与纳米电子学资料

10.2 纳米材料的基本效应

2 小尺寸效应

超导电性
——当颗粒尺寸减小时，低频的晶振动将受到颗粒尺寸的限 制而被截止，从而增加Tc值。 ——另一方面，随着颗粒尺寸减小，表面原子分数将显著增 长，表面原子由于近邻配位数的减少而使表面声子谱频率降 低，软声子模特会导致电子-声子耦合强度增加，从而增加 Tc值。 ——低温超导实验结束表明，对于Al、In等材料，随着颗粒 尺寸变小，Tc的确有所增加。
10.2 纳米材料的基本效应

5 库仑堵塞效应

在纳米体系中，由于能级分立和势垒的存在，当有电流通过 时，在一定条件下出现电流中断的现象。 ——换句话说，就是该体系的充电和放电过程是不连续的， 是量子化的。 ——此时，充入一个电子所需的能量为库仑堵塞能，它是电 子在进入或离开体系中时前一个电子对后一个电子的库仑排 斥能。 ——由于库仑堵塞效应的存在，电流随电压的上升不再是直 线关系，而是在I-V曲线上呈现锯齿形状的台阶。 ——单电子器件
——E(r)为纳米微粒的吸收带隙：第一项Eg(r=∞)为相体的带 隙，r为粒子半径；第二项为量子限域能（蓝移），第三项表 明，介电限域效应导致介电常数ε增加，同样引起红移；第 四项为有效里德伯能。
10.3 纳米材料的制备和加工技术
图10.7 纳米结构制备的两种思路
10.3 纳米材料的制备和加工技术
L
电子在磁场中沿路径L运动时获得附加相位
当电子围绕一个磁通的路径a±运动（即图10.12路径b，加、减 号角标分别代表环绕磁通的方向为顺时针和逆时针），获得相 e 位附加为 (e / ) A dL 2 (e / )

a
如果一束相干电子被分开为两束，包围一定磁通，再重新组合 成一束时，无论在路径上有无磁场存在，其叠加后将出现振幅 随磁通量变化的振荡，振荡周期为磁通量子Φ0=h/e(即Φ/Φ0为整 数)。Aharonov和Bohm的研究结果后来被实验所证实，称为AB效应。
10.3 纳米材料的制备和加工技术

4 SPM加工技术

利用SPM探针直接在样品表面刻划形成纳米图案或拨动颗粒 至指定地方，构造特定的纳米电子器件/结构。
10.3 纳米材料的制备和加工技术

5 光刻技术

通过掩模、曝光等工艺将设计的器件图形结构转移到半导体 基片上的IC加工技术即称为光刻 ——一般分为光学光刻、电子束光刻与离子束光刻技三种 ——随着光刻线宽的不断减小，光刻技术已在纳米CMOS器 件、纳米集成电路等加工领域表现出了很好的应用前景。 除上述的方法外，还有所谓“自下而上”的制备技术来生长 纳米半导体材料，主要有：在图形化衬底和不同取向晶面上 选择外延生长技术。如利用不同晶面生长速度不同的V型槽 生长技术，解理面再生长技术。高指数面生长技术；在纳米 碳管中，通过物理或化学方法制备量子点（线）技术等。
m*l / kF h
对于一维体系，考虑电子的自洽屏蔽作用，则电导率与跃迁几率 之间关系为
(e2 / h) CT / (1 T )
10.4 纳米电子学

2 电子的弹道输运
当电子的弹性散射的平均自由程和体系的尺度相当时，杂质 散射一般可以忽略，电子以弹道输运为主。
Te2 / h
表 面 原 子 数 相 对 总 原 子 数
80
比 例 60 （ 40 ） 20
0 0 10 20 30 40 50
%
10.2 纳米材料的基本效应

2 小尺寸效应

指随着颗粒尺寸减小到与光波波长(100nm以下)、德布罗意 波长、玻尔半径(0.1nm)、相干长度(几nm以下)、穿透深度 (~100nm)等物理量相当， 甚至更小时，其内部晶体周期性 边界条件将被破坏，导致特征光谱移动、磁序改变、超导相 破坏、非热力学结构相变等，从而引起宏观电、磁、声、光、 热等物理性质的变化。

磁性
——制备永磁微粉
10.2 纳米材料的基本效应

2 小尺寸效应

热力学性质 2 / r
——μ随着颗粒尺寸减小而增大 当颗粒小于某临界尺 寸时，将会在明显低 于块材的熔点温度下 熔化。 图10.3即为金熔化温 度与颗粒尺寸的关系。
10.2 纳米材料的基本效应

2 小尺寸效应
图10.12示出了金属圆环中存在 散射时电子被量子相干效应的 三种典型路径。其中路径a（实 线）对应AAS效应，路径b（实 箭头短划线）对应A-B效应， 路径c’、c"(空箭头点划线)之间 的相干对应普适电导涨落。
10.4 纳米电子学

3 量子相干效应

A-B效应
(e / ) A dL
——等离子共振频率的线宽与颗粒的直径成反比，等离子共
振频率将随颗粒尺寸变小而移向低频，颗粒的损耗(ε2)随尺
寸的减小而增大。
10.2 纳米材料的基本效应

3 量子尺寸效应

纳米微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未 被占据的分子轨道能级，使得能隙变宽的现象，被称为纳米 材料的量子尺寸效应。 根据Kubo理论 4EF / 3N 例如，直径为14nm的银颗粒，当N＝6×1023/cm时，能级间 距，故当温度低于1K时，有可能出现量子尺寸效应。 ——由于能级的量子化，纳米材料的Eg增大，波长减小，即 其吸收带发生蓝移。 ——处于分离的量子化能级中的电子波动性还如场致发光、 载流子的量子约束和量子输运、导体变成绝缘体等系列反常
10.3 纳米材料的制备和加工技术

3 自组装合成技术


自组装是依赖分子间非共价键力自发结合成稳定的聚集体的 过程。 自从上世纪80年代提出分子器件的概念至今，人们已从 LB 技术发展到了分子自组装技术，从双液态隔膜（BLM）技术 发展到了SBLM技术，已在分子组装有序分子薄膜、加工具 有特定功能的分子聚集体方面取得了丰硕的成果。 近年来，分子自组装技术还被用来合成具有特定电子特性的 纳米结构材料。这些采用分子自组装合成的纳米结构主要包 括纳米棒、纳米管、多层膜和介孔材料。
10.4 纳米电子学

3 量子相干效应

AAS效应
在观测A-B效应的实验中，人们发现其傅里叶谱上除h/e峰外， 还有h/2e峰。这个以h/2e峰所表明的特征，称为AAS效应。
这种周期振荡与相干背散射有关。其物理图像是这样的，当电子波被初始散射 体散射后，两个分波分别沿顺时针和逆时针路径传播，也就是沿着互为反演的 路径传播，见图10.12中的路径a。尽管每次散射，振幅可能有所削弱，但对于 散射体n，弹性散射过程“→n→”和逆过程“←n←”的振幅和相位的变化应该 是相同的。结果，两个分波在回到初始散射体时振幅和相位相同，因而发生相 位干涉。这是电子波局域化倾向的表现，导致了样品电导的降低。当磁通Φ由 环形路径包围时，沿顺时针方向路径，磁矢势的相位改变为-φ，而逆时针方向 相位改变为φ。两个波在初始点相遇时的相位差为2φ于是所产生干涉的相应周 期为h/2e，而不是h/e。
第十章 纳米技术与纳米电子学
10.1 概述

纳米技术

物理学原理并不排斥通过操纵单个原子来制造物质。这样做 并不违反任何定理，而且原则上是可以实现的。毫无疑问， 当我们得以对细微尺度的事物加以操纵的话，将大大扩充我 们可能获得物性的范围 。 --- Richard P.Feynman,1959



1、纳米级测量技术 2、纳米材料的制备技术 3、纳米级加工技术 4、纳米组装技术
10.1 概述

纳米材料

在某个维度上的尺寸处于纳米量级的材料
图10.1 典型的几种纳米材料
10.2 纳米材料的基本效应

1 表面效应

指纳米晶粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增 大后所引起的性质上的变化 表面原子数占全部原子数的比例和粒径之间的关系如图10.2 所示。 100

主要新效应有：量子相干效应，A-B效应，即弹性散射不破坏 电子相干性，量子霍尔效应，普适电导涨落特性，库仑阻塞效 应，海森堡不确定效应等。
10.4 纳米电子学

1 量子电导
ne2 / m*
2 n kF /
(e2 / h) 2kF l
即满足量子条件的电导率是(e2/h)因子的函数， 在单电子输运情况中，此因子为量子化的台 阶值。
10.2 纳米材料的基本效应

6 介电限域效应
ຫໍສະໝຸດ Baidu
介电限域现象指的是纳米微粒分散在异质介质中由于界面引 起的体系介电增强的现象。当介质的折射率与微粒的折射率 相差很大时，产生了折射率边界，这就导致微粒表面和内部 的场强比入射场强明显增加，这种局域场的增强称为介电限 域。
E(r) Eg (r ) h2 2 / 2r 2 1.786e2 / r 0.248ERy

1 分子束外延(MBE)
目前，采用外延生长 最常见的纳米集成电 路用硅基半导体材料 有绝缘体上硅(SOI) 材料和锗硅(SiGe)异 质材料。
10.3 纳米材料的制备和加工技术

2 化学气相淀积(CVD)
除上述两种方法以外，金 属有机化学汽相沉积 （MOCVD）、原子层外 延（AEE）、化学束外延 （BE）等外延技术也能够 满足设计精度要求，如外 延层组分、厚度、掺杂浓 度和电学均匀性等，故可 用于生长高质量的超晶格 量子阱材料。
10.4 纳米电子学

3 量子相干效应

普适电导涨落
由于费米能的变化，载流子可能经过不同的路径绕道杂质。在 这些路径上费米能略有差异。 stone证明这种量子涨落是介观系统中相当普通的现象。而且这 些涨落是与时间无关的。也就是说，涨落的产生与费米能级的 变化相关，在时间上是相当稳定的。涨落与散射中心在样品中 精确位置分布有关。所以不同的样品有不同的涨落。

光学性质
——金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于1%，对 太阳光谱几乎完全吸收，大约在几微米的厚度就能完全消光。 ——考虑置于交变电场小的单个球状颗粒，在金属中电子将 是在强耦合的作用下做集体运动，这就是表面等离子振荡。 共振频率ωp=(Nq2/εm*)1/2 ——可见光或近紫外光频段 超微粒子中的电子能级间距随尺寸减小而增加。通常导致光 吸收峰向短波方向位移，称之为“蓝移”。
对于纳米电子器件来说，在二维的方向上，其宽度与电子波 长可比拟，使得单个二维亚能带进一步分裂为一系列的一维 子能带，从而电子被限制在一维方向运动。 这类器件就称为电子波导，器件中电荷输运属于一维弹道。 目前，对碳纳米管这种准一维体系的弹道输运特性已有研究。
10.4 纳米电子学

3 量子相干效应
当系统的物理尺度小于相干长度时，电子输运过程可能经历很 多次弹性散射，其量子相干特性显著，主要有A-B效应、AAS效 应、普适电导涨落等。

10.4 纳米电子学

随着集成电路集成度的不断提高，特征尺寸的不断下降，微电 子遇到了越来越多的瓶颈。比如短沟道效应，热载流子效应， 源漏寄生串联电阻等问题。同时，MOS晶体管的栅氧化层厚度 和沟道长度一起按比例缩小，除了工艺技术的限制，还存在氧 化层的击穿和可靠性、薄氧化层的隧穿电流对器件和电路性能 的影响、多晶硅栅的耗尽和反型层电容引起的器件性能退化等 问题。特别是器件尺寸不断下降后，必须考虑量子效应的影响。 这就不得不将我们从微电子领域带入纳米电子领域。
10.2 纳米材料的基本效应

2 小尺寸效应

介电性能
1/ 1/ 0 2vF / d
微颗粒的Drude公式
介电常数
当ωτ>>1时
() p () 2 /[( i / )] 1 i 2
2 2 2 p / 3 2p vF / 3d
10.2 纳米材料的基本效应

4 宏观量子隧道效应

微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。一些宏观量， 例如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁能量也有隧道效 应，它们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，称为宏观量 子隧道效应(Macroscopic Quantum Tunneling，MQT)。 ——实验结果表明，在低温时确实存在磁的宏观量子隧道效 应，但现在的理论尚难以解释全部实验结果。 ——它还确立了现存的微电子器件进一步微型化的极限。如 电路尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件， 使器件无法工作。