1_纳米电子材料与器件_绪论

纳米电子 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 与器件 Nanoelectronic Materials and Devices 朱慧超，2009年8月编辑 第一章绪论 1.1 纳米科学技术的诞生及其潜在影响 1.1.1 纳米科学技术的起源和发展 1.1.2 纳米科学技术对人类的潜在影响 1.2 从微电子学到纳米电子学 1.2.1 微电子器件发展的摩尔定律 1.2.2 纳米电子学的诞生 1.2.3 纳米电子学的研究基础 1.3 纳米电子材料和器件 1.3.1 纳米电子材料及其应用 1.3.2 电子器件的发展 1.3.3 纳米电子器件及其研究内容 1.4 纳米尺度材料和器件的制备、测量及其表征 1.4.1 电子材料和器件发展过程中的相互作用 1.4.2 电子薄膜材料及其多层化薄膜器件是目前研究的主 流 1.4.3 纳米测量和表征及其基本特点 小结 参考文献 微电子超大规模集成电路的特征尺寸已经从亚微米级发展到 100nm尺度以内，随着电子器件集成度的进一步提高，微电子器件物 理和工艺面临新的挑战，而以量子输运机制为主导的固态纳电子器件 及其纳电子学已经在器件物理、工艺和性能方面取得了显著的成果， 并显示了潜在的应用前景。毫无疑问，纳电子学(Nanoelectronics)是 微电子学(Microelectronics)的继承者。以纳电子学为先导的的纳米科 学技术已经渗透到材料、生物、化学、机械等学科领域，在基础学科、 应用技术研究领域以及产业界都对纳米科学技术充满了期望。纳电子 学和其他领域的纳米科学技术的交叉、融合预示着不可估量的应用潜 力。本章主要阐述纳米科学技术的起源和发展，纳电子学诞生的必然 性和发展趋势，并概述纳米电子材料和器件的基本研究内容以及纳米 测量和纳米制造的一些显著特征。 1.1 纳米科学技术的诞生及其潜在影响 1.1.1 纳米科学技术的起源和发展 纳米是长度单位，1nm=10-9m，相当于45个原子串起来那么长。 纳米尺度的物体由有限个原子组成，它们在结构和特性方面既 不同于宏观物体也不同于单原子。物理学家把介于宏观 (Macroscopic) 和 微 观 (Microscopic) 之 间 的 范 围 称 为 介 观 (Mesoscopic)。随着各个学科领域的人们越来越多的研究纳米尺 度物体的结构、特性及其应用，特别是微电子学的发展导致了 纳电子学的必然出现，从而以高速发展的信息科技为契机，20 世纪末开始出现了纳米科技研究热潮。现在，纳米科技已经成 为21世纪高科技的重要领域，是信息科技时代和知识经济社会 最为关键的支柱型学科，受到各工业强国的广泛重视。 1959年，著名物理学家理查德-费曼(Richard Feynman 1964年诺贝尔 物理学奖得主)在加州理工学院举办的美国物理学年会上发表了一篇 题为“There’s Plenty of Room at the Bottom”(在尽头尚有大量空间)的 演讲，提出一个观点：自石器时代以来，人们学会了从打磨箭头到制 造半导体芯片的所有技术，本质上都是一次性削去或融合数以亿计原 子的技术，为什么我们不能从另一个方向出发，从单分子甚至单原子 进行组装，从而在原子和分子的尺度进行加工制造。这可以说是最早 的纳米科学技术思想的来源。 1962年，日本物理学家Kubo发表了著名的量子限制理论，来解释金 属纳米粒子的能量不连续。 1973年，Tsu和Esaki发表了有限超晶格的隧穿效应，开始了半导体量 子器件的输运理论研究。 1984年，扫描隧道显微镜的发明者Buining and Rohrer，和电子显微 镜的发明者Ruska分享了诺贝尔物理学奖，以表彰他们在观察原子尺 度物质世界方面做出的杰出贡献。 1989年，IBM实验室在镍表面用36个氙(xian)原子写出世界上最小的 商标IBM，这是人类首次成功的操纵单原子。 20世纪90年代，纳米材料制备及其基本性质的研究是纳米科学的研究焦 点。碳纳米管(Carbon Nanotube, CNT)的发现和应用是最为杰出的代表。 1985年，Kroto, Curl and Smalley共同发现了碳的第三种稳定同素体结 构C60，也称之为富勒烯(Fullerene)，它的直径大约为1nm，三位科学家 也因此分享了该年度的诺贝尔化学奖。1991年，Iijima发现了碳纳米管， 1993年，Iijima和Bethune合成了单壁碳纳米管。 1998年，Dekker研究团队制备了碳纳米管场效应晶体管(CNTFET)，随 后以CNTFET为基础的简单逻辑电路和存储器件也相继问世。 在电子学应用领域，碳纳米管已经成为最受重视的纳米材料之一。 1987年，贝尔实验室(Bell Lab)的科学家Fulton and Dolan研制了世界上 第一个单电子晶体管。 1994年，日立Hitachi中心研究实验室的科学家Yano首次报道了室温下工 作的单电子存储器。 1999年，Reed实现了单分子开关。 1985年，哈罗德·克罗托教授与罗伯特·柯尔和理查德·斯莫利两位 科学家，在一次太空碳分子实验中，偶然发现了碳元素的新结构， 这是由60个以上的碳原子组成的空心笼状。被称为富勒式结构， 热爱艺术 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的克罗托教授给C60起了这个名字，以纪念发明穹 顶建筑结构的美国建筑家巴克明斯特·富勒。 生物技术，电子技术和纳米技术的交叉融合开辟了分子电子学。 微纳电子制造技术和微机械技术的交叉融合开创了微纳机电系统 (Micro/Nano Electro-Mechanical System, MEMS/NEMS)，随着 MEMS/NEMS在信息微系统和生物微系统方面的发展，智能传感 器和执行器在国防和民用方面都将显示巨大的潜力，对人类的生 活方式和社会发展产生深刻的影响。 21世纪，纳米科学技术将成为最具活力和影响力的技术，在物 理、化学、生物、电子、机械等学科领域都有其一席之地。 科学家预测，纳米科学技术的进步将推动信息、电子、光电子、 计算机、生物、医学、化工、机械、环境和能源等产业的发展， 催生新的工业革命。 美国，日本，欧盟都相继制定了纳米科技发展蓝图作为其科技 领域的国家战略，中国也制定了类似的科技创新 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 。 纳米电子学是纳米科学技术的先锋，将引领微电子技术发展到 以量子力学机制为主导的纳电子技术。 1.1.2 纳米科学技术对人类的潜在影响 1. 纳米材料的显著性质及其潜在应用 表面效应 体积效应 量子尺寸效应 宏观量子隧道效应 介电限域效应 库仑堵塞效应 表面效应 物质的尺寸减小到纳米级，将引起表面原子数、表面积、表面能 的迅速增加，引发物质化学活性、光学、热学和电学性质的改变。 这是因为表面原子的晶体场和结合能与内部原子的不同，表面原子 周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性，易与其它原 子相结合而稳定下来，具有很大的化学活性，从而使表面能大大增 加。 体积效应 纳米粒子体积小，质量小，所包含的原子数少，当纳米粒子的尺 寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，周期性的边界条件将 被破坏，其磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性能以及 熔点等性质与普通粒子相比都有很大变化，这就是纳米粒子的体枳 效应，该效应为纳米粒子的应用开拓了广阔的新领域。 量子尺寸效应 当粒子尺寸下降到纳米级，金属的费米能级附近的电子能级由准 连续变为离散，以及纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据和最 低未被占据分子轨道能级，能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。 宏观量子隧道效应 将微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发现一 些宏观量，如微颗粒的磁化强度、量子相关器件中的磁通量以及电荷等 也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，故称之为 宏观量子隧道效应。这一效应与量子尺寸效应一起将会是未来微电子器 件的基础，它们确定了微电子器件进一步微型化的极限，也限定了采用 磁带磁盘进行信息储存的最短时间。 介电限域效应 纳米微粒分散在异质介质中，当介质的折射率与微粒的折射率相差很 大时，便产生了折射率边界，导致微粒表面和内部的场强比入射场强明 显增强，这种由于界面引起的体系介电增强称为介电限域效应。 库仑堵塞效应 当一个粒子的尺寸达到纳米级，这个体系的充电和放电过程是不连续 （量子化）的。换言之，电流随电压的上升不再是线性增加而是阶梯式 增加。此时充入一个电子所需的能量成为库仑堵塞能，它是电子在进入 或离开体系时前一个电子对后一个电子的库仑排斥能，所以在对一个纳 米体系的充放电过程中，电子不能连续的集体传输，而是一个个单电子 的传输，称这种在纳米体系中电子的单个运输为库仑堵塞效应。 特殊的光学性质 当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑 色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色 愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属 超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完全 消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效 率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红 外隐身技术等。 Ancient Church window Red color: nanocrystalline Au 特殊的热学性质 固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后却发现 其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。例如，金的 常规熔点为1064C℃，当颗粒尺寸减小到10纳米尺寸时，则降低27℃， 2纳米尺寸时的熔点仅为327℃左右；银的常规熔点为670℃，而超微 银颗粒的熔点可低于100℃。 超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的，若用高倍率电子显 微镜观察金超微颗粒（直径为2nm），发现这些颗粒没有固定的形态， 随着时间的变化会自动形成各种形状（如立方八面体，十面体，二十 面体等），它既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。在 电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾”状态，尺 寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性，这时微颗粒具有 稳定的结构状态。 特殊的磁学性质 人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物 体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向， 具有回归的本领。磁性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘，生活在水 中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。通过电子显微镜的研究表 明，在趋磁细菌体内通常含有微小的磁性氧化物颗粒。小尺寸的超微 颗粒磁性与大块材料显著的不同，当颗粒尺寸减小到 20nm以下时， 其矫顽力可增加1千倍，若进一步减小其尺寸，大约小于 6nm时，其 矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒具有高矫 顽力的特性，已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁 盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性，人们已将磁性超微颗粒制 成用途广泛的磁性液体。 特殊的力学性质 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶 瓷材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子 排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现 出甚佳的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。美 国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究 表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米 材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍。至 于金属一陶瓷等复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性 质，其应用前景十分宽广。 科学家可以利用纳米器件作用于生物体和人体，进行病毒 控制、疾病治疗、器官再造、基因改造和生物克隆。纳米 电子器件、纳米光电子器件、纳米光子器件可以比微电子 集成电路更高密度的集成，从而使在信息领域实现信号的 更高密度记录、存储、显示和处理。比目前计算机技术具 有更高性能的智能工具在不远的将来将出现在人类世界的 各个角落，整个人类的生活、劳动方式将发生比前三次工 业革命更深刻的变革。 2.纳米科学技术是一把双刃剑 A 纳米材料体积微小，在常温常压下可以作布朗运动，悬 浮在空间或者液体中，这种漂浮和弥散与普通粉尘相比 更加无孔不入，对环境和生物体造成污染和损害。 B 一切科学技术都会被用于提升战争中武器的威力和通讯 的精度。 C 纳米科学技术将创造出许多自然界不存在的物质结构甚 至生物体，带来不可预测的风险和威胁。 碳纳米物质让鱼患脑癌 一些研究发现，工程科学新近制造的一些纳米粒子 可能会引发癌症。纳米粒子非常微小，所以能穿透细胞 膜，但同时又大得足以将异物带入DNA链。 据路透社近日报道，研究人员发现，鱼类摄取少量 碳纳米物质后患上了脑癌。实验鼠在吸入碳纳米管后出 现肺病的症状，就好像吸入了石棉颗粒一样。 美国环境保护协会健康问题首席科学家约翰·巴尔布 斯说：“认为所有这些东西都有害的想法是毫无根据的。 但我们应该谨慎行事，因为它们有能力进入我们的身体， 到达一般化学物质无法到达的部位。”因发现“碳-60” 而荣获1996年诺贝尔化学奖的哈里·克罗托教授说：“我 们应当意识到，错误是会出现的，危险也会出现。但从 另一方面讲，纳米技术可能表现出超凡的价值。” 英国《自然—纳米技术》杂志曾经公布的一份报告称， 与普通民众对这一技术的积极态度不同，科学家们因纳米技 术可能对人类健康和生态环境造成消极影响而忧心忡忡。 报告在全美国范围内电话调查了363名纳米技术科学家、 工程师和1015名非专业人士。调查结果显示，科学家们虽然 认同他们所从事的纳米研究将给医学、环保、国防等领域带 来突破，却对纳米技术可能给环境和人类健康带来的风险抱 有严重担忧。研究者正对每种可能性逐一排查，如纳米粒子 被吸入肺中会有何影响以及纳米材料是否有毒等。 调查结果表明，20%的受访科学家担心，纳米技术可能 对环境构成新形式的污染；非专业受访者中，只有15%持有 相同观点。超过30%的科学家担心纳米科技可能给人类健康 带来风险；非专业受访者中，抱有这种担心的只有20%。 报告指出，美国公众更担心纳米技术被应用于新型监视 设备致使隐私泄露，还有这项新技术可能导致人员失业。 纳米科学技术所研究的对象由于其特有的尺寸和结构而具有奇 异的性质，使人类买入一个充满新奇的介观物质世界。 纳米电子学是纳米科学技术的先锋，纳米电子材料和器件的研 究是纳米电子学走向实际应用的物质基础和技术关键。 1.2 从微电子学到纳电子学 1.2.1 微电子器件发展的摩尔定律 戈登·摩尔（Gordon Moore）： 集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍。 “摩尔定律是关于人类创造力的定律，而不是物理学定律。” “摩尔定律实际上是关于人类信念的定律，当人们相信某件事情一定能做到时，就会 努力去实现它。” 由于高纯硅的独特性，集成度越高，晶体管的价格越便宜，这样也就引出了摩尔定律 的经济学效益，在20世纪60年代初，一个晶体管要10美元左右，但随着晶体管越来越小， 直小到一根头发丝上可以放1000个晶体管时，每个晶体管的价格只有千分之一美分。 从技术的角度看，随着硅片上线路密度的增加，其复杂性和差错率也将呈指数增长， 同时也使全面而彻底的芯片测试几乎成为不可能。一旦芯片上线条的宽度达到纳米数 量级时，相当于只有几个分子的大小，这种情况下材料的物理、化学性能将发生质的 变化，电子的运行将变的难以控制。 从经济的角度看，建设一座拥有100纳米线宽技术的芯片厂需要100亿美元，比一座核电 站投资还大。 1929年1月3日，戈登·摩尔出生在加州旧金山的佩斯卡迪诺。11岁时，摩尔对 化学产生了兴趣，他开始想成为一个化学家。中学时代的摩尔热爱体育运动， 热衷于发明创造。高中毕业后，他进入加州伯克利分校的化学专业，实现了 自己的少年梦想，并于1950年获得学士学位，1954年获得物理化学博士学位。 1956年，在诺贝尔奖获得者、晶体管的合作发明者威廉·肖克利的 邀请下，摩尔回到加利福尼亚，作为一名化学专家加入了肖克利半导 体公司，他想放弃以前那种太过于虚无缥缈的理论研究，做点事情， 让自己的研究得到应用。 事实证明，摩尔加入肖克利半导体公司是一个正确的决定，因为 在这里，他遇到了自己一生最好的合作伙伴，成就了一番最伟大的事 业。罗伯特·诺伊斯、布兰克、拉斯特都是后来鼎鼎大名的人物。但也 有缺憾存在，因为肖克利是天才的科学家，却缺乏经营能力。他雄心 勃勃，但对管理一窍不通。斯坦福大学教授特曼曾评论说：“肖克利 在才华横溢的年轻人眼里是非常有吸引力的人物，但他们又很难跟他 共事。”一年之中，实验室没有研制出任何像样的产品。 于是，公司里意气相通的八个人决定“叛逃”，带头人是诺伊斯， 他是摩尔最好的朋友。他们向肖克利递交了辞职书。肖克利怒不可遏 地骂他们是“八个叛逆”。但青年人还是义无反顾离开了他们的“伯 乐”。不过，后来就连肖克利本人也改口把他们称为“八个天才的叛 逆”。在硅谷许多传说中，“八叛逆”的照片与硅谷第一位创业者惠 普的车库照片，具有同样的历史价值。 1957年9月，“八叛逆”手拿《华尔街日报》，按纽约股票栏目 挨家挨户寻找合作伙伴，他们找了35家公司，但被拒绝了35次。最后， 他们找到了一家地处美国纽约的摄影器材公司，这家公司名称为 Fairchild，意思是仙童。已经60多岁的Fairchild先生已经没有多少心 情和动力了，他提供了3600美元的种子基金，要求他们开发和生产商 业半导体器件，并享有两年的购买特权。于是，“八叛逆”创办的企 业被正式命名为仙童半导体公司Fairchild Semiconductor 。 1968年，“八叛逆”中的诺伊斯和摩尔，带着当时还不出名的葛 罗夫退出仙童公司自立门户，在加州维尔山的一幢旧楼中，英特尔成 立了，新公司最初起的名字叫摩尔—诺伊斯电子公司。但是英文里 Moore Noyce听起来与More Noise非常相似，所以又改成了Intel。 Intel本来源自于英文 单词 英语单词 下载七年级上册英语单词表下载英语单词表下载深圳小学英语单词表 下载高中英语单词 下载 智慧Intelligence的头部。同时又与英文的集 成电子Integrated Electronics很相似，这个简单却响亮的名字就这样 诞生了。 1947年12月16日：William Shockley、John Bardeen和Walter Brattain成 功地在贝尔实验室制造出第一个晶体管。 1950年： William Shockley 开发出双极晶体管（ Bipolar Junction Transistor），这是现在通行的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的晶体管。 1953年：第一个采用晶体管的商业化设备投入市场，即助听器。 1954年10月18日：第一台晶体管收音机Regency TR1投入市场，仅包含4 只锗晶体管。 1961年4月25日：第一个集成电路专利被授予罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）。最初的晶体管对收音机和电话而言已经足够，但是新的电子设备要 求规格更小的晶体管，即集成电路。 1965年：摩尔定律诞生。戈登·摩尔（Gordon Moore）预测，未来一个芯 片上的晶体管数量大约每年翻一倍 (10年后修正为每两年 )，摩尔定律在 Electronics Magazine杂志一篇文章中公布。 1968年7月：罗伯特·诺伊斯和戈登·摩尔从仙童（Fairchild）半导体公司辞 职，创立了一个新的企业，即英特尔公司，英文名Intel为“集成电子设备 （integrated electronics）”的缩写。 1969年：英特尔成功开发出第一个PMOS硅栅晶体管技术。这些晶体管继 续使用传统的二氧化硅栅介质，但是引入了新的多晶硅栅电极。 1971年：英特尔发布了其第一个微处理器4004，包含2000多个晶体管，采 用英特尔10微米PMOS技术生产。 1978年：英特尔标志性地把英特尔8088微处理器销售给IBM新的个人电脑 事业部，武装了IBM新产品IBM PC的中枢大脑。16位8088处理器含有2.9万个 晶体管，运行频率为5MHz、8MHz和10MHz。 1982年：286微处理器(又称80286)推出，成为英特尔的第一个16位 处理器，可运行为英特尔前一代产品所编写的所有软件。286处理器使 用了13400个晶体管，运行频率为6MHz、8MHz、10MHz和12.5MHz。 1985年：英特尔386™微处理器问世，含有27.5万个晶体管，是最 初4004晶体管数量的100多倍。386是32位芯片，具备多任务处理能力， 即它可在同一时间运行多个程序。 1993年：英特尔·奔腾·处理器问世，含有3百万个晶体管，采用英 特尔0.8微米制程技术生产。 1999年2月：英特尔发布了奔腾·III处理器。奔腾III含有950万个晶 体管，采用英特尔0.25微米制程技术生产。 2002年1月：英特尔奔腾4处理器推出，高性能桌面台式电脑由此 可实现每秒钟22亿个周期运算。它采用英特尔0.13微米制程技术生产， 含有5500万个晶体管。 2002年8月13日：英特尔透露了90纳米制程技术的若干技术突破， 包括高性能、低功耗晶体管，应变硅，高速铜质接头和新型低-k介质 材料。这是业内首次在生产中采用应变硅。 2003年3月12日：针对笔记本的英特尔·迅驰·移动技术平台诞生， 包括了英特尔最新的移动处理器“英特尔奔腾M处理器”。该处理器 基于全新的移动优化微体系架构，采用英特尔0.13微米制程技术生产， 包含7700万个晶体管。 2005年5月26日：英特尔第一个主流双核处理器“英特尔奔腾D处理 器”诞生，含有2.3亿个晶体管，采用英特尔领先的90纳米制程技术生产。 2006年7月18日：英特尔安腾2双核处理器发布，采用世界最复杂的 产品设计，含有17.2亿个晶体管。该处理器采用英特尔90纳米制程技术 生产。 2006年7月27日：英特尔·酷睿™2双核处理器诞生。该处理器含有2.9 亿多个晶体管，采用英特尔65纳米制程技术在世界最先进的几个实验室 生产。 2006年9月26日：英特尔宣布，超过15种45纳米制程产品正在开发， 面向台式机、笔记本和企业级计算市场，研发代码Penryn，是从英特尔 酷睿™微体系架构派生而出。 2007年1月8日：为扩大四核PC向主流买家的销售，英特尔发布了针 对桌面电脑的65纳米制程英特尔·酷睿™2四核处理器和另外两款四核服 务器处理器。英特尔·酷睿™2四核处理器含有5.8亿多个晶体管。 2007年1月29日：英特尔公布采用突破性的晶体管材料即高-k栅介质 和金属栅极。英特尔将采用这些材料在公司下一代处理器——英特尔酷 睿™2双核、英特尔酷睿™2四核处理器以及英特尔至强系列多核处理器 的数以亿计的45纳米晶体管或微小开关中用来构建绝缘“墙”和开关 “门”，研发代码Penryn。采用了这些先进的晶体管，已经生产出了英 特尔45纳米微处理器。 1.2.2 纳米电子学的诞生 納米電子學的誕生是微電子學發展到今天的必然，納米電子 器件是繼微電子器件之后的下一代固體電子器件，納米電子 材料與器件是納米電子學的基礎和關鍵。 真空管 双极晶体管 金属-氧化物-半导体场效应晶体管 集成电路(摩尔定律) 真空管 双极晶体管 金属-氧化物-半导体场效应晶体管 CMOS 基于CMOS的简单逻辑单元 High-k Tech 鉿Hafnium 1.2.3 纳米电子学的研究基础 纳米材料在一个、两个或三个方向上具有纳米尺度，在该方向原子的周 期排列处于有限尺寸内，导电电子在具有边界势垒的纳米尺度空间中运 动，就相当于电子处于某一个有限高势阱中，电子的能量、动量以及跃 迁规律就必须依据量子力学的理论。 当电子受限于某一小尺寸空间，就会产生量子尺寸限域效应。这个小尺 寸是与电子相干长度、电子自由程、电子波长相关的一个量，介于几个 纳米到几十纳米之间，当器件尺寸到达这个范围时，电子会发生量子隧 道效应Quantum Tunneling Effect；器件中某一个局部的导电区域小岛得 到了额外的电子，这个导电体之小使这个电荷的排斥力足以阻止下一个 电子的到来，直到外加电压足够高时才可以有电子一个一个的通过，电 流的连续性被切断了，这就是单电子器件的库仑阻塞效应Coulomb Blockade Effect。 1.3 纳米电子材料 零维 量子点 Quantum Dot，纳米晶 Nanocrystal 量子点荧光涂料 一维 量子线，纳米线 Nanowire 纳米管 Nanotube 纳米带 Nanoribbon 二维 纳米薄膜，超晶格或量子阱，广泛应用于各种半导体器件 LED Laser Diode Photo detector Solar cell MOSFET Thin film transistor 1.3.3 固态纳米器件的分类 传统的集成电路芯片上晶体管的工作机理正在走向其物理极限， 同时由于量子效应对传统结构器件的性能影响越来越严重，因此 固态纳米电子器件成为研究热点。 固态纳米光子器件 纳米线场效应晶体管 单电子晶体管 共振隧穿晶体管 固态纳米光子器件 …… 传感器 …… …… 1.4 纳米材料和器件的制备、测量以及表征 1 新材料是新技术的基础 Ge、Si和GaAs的出现带来半导体器件、集成电路的迅猛发展，将人 类带入信息社会。 纳米材料的出现必将带来以固态纳米器件为主导的新技术。 2 电子薄膜材料及薄膜器件是目前研究的主流 金属化薄膜：铜互联 低介电常数薄膜： 高介电常数薄膜：薄膜电容器 纳米薄膜：光子器件 薄膜技术的发展依赖于超高真空技术和有机金属化合物技术的进步。 MOCVD PECVD MBE ALE 3 纳米材料的测量和表征技术 纳米材料的发现和研究同先进的现代显微镜技术密切相关。 x射线衍射技术 原子分辨电子显微分辨技术 x射线光电子能谱 x射线俄歇电子能谱 扫面探针显微分析技术 扫描探针显微镜 原子力显微镜 微米尺度 光学显微镜1000x 纳米尺度 SEM 亚纳米尺度 TEM HRTEM STM