1、第一章 納米材料的基本概念 1.1 納電子器件基本概念與特點1.2 納米材料基本概念和內涵 1.3 納米結構單元1.4 納米材料的新發展知識鋪墊與視野拓展1.1 納電子器件基本概念與特點1. 納米技術在信息技術中的地位信息技術重點基礎技術11.5重大專項電子信息材料與元器件技術微電子技術光電子技術主流核心技術計算機技術通信技術控制技術軟件技術網絡技術廣播電視技術前沿技術超導技術生物技術納米技術虛擬技術有關信息的獲取、傳輸、處理控制的設備和系統的技術，3C技術是核心。注：C5I：指信息獲取、通信、處理、控制、對抗（collection,communicationComputing, contro

2、l,countermeasure, intelligence ) 信息技術是一種綜合技術，是一個多層次、多專業的體系 納米技術是信息技術的前沿技術之一！2007-2010年國家獎（1）相互關系NT 、BT 、IT一起被美國政府科學顧問委員會推薦為21世紀重點發展的三大技術。著名美籍華人，美國加州大學前校長田長霖博士，明確地告訴人們：對21世紀產生巨大影響的關鍵技術為信息技術、生命科學、納米技術。有人稱為3T技術：信息技術 ：Information Technology，IT生物技術 ：Biology Technology，BT納米技術： Nano-Technology，NT IT BT NTN

3、T是IT,BT重要的技術支持和基礎。IT,BT的進步,對NT起作很好的牽引,促進和推動作用。生物、信息、納米科技是本世紀內發展的主流！英刊評出十大對未來影響巨大的發明ITETEnergy + Environment生物科學技術對基因的認識，產生了轉基因生物技術，可以治療頑癥，也可以創造出自然界不存在的生物。 信息科學技術使人們可以坐在家中便知天下大事，因特網幾乎可以改變人們的生活方式。 納 米 科 學 技 術：William J. Clinton， January 21 , 2000In 2000, President Clinton chose Caltechthe site of the

4、historic Feynman speechas the venue to announce the creation of the National Nanotechnology Initiative (NNI), a coordinated Federal program to fund nanotechnology research and development:“My budget supports a major new National Nanotechnology Initiative, worth $500 million the ability to manipulate

5、 matter at the atomic and molecular level. Imagine the possibilities: materials with ten times the strength of steel and only a small fraction of the weight - shrinking all the information housed at the Library of Congress into a device the size of a sugar cube - detecting cancerous tumors when they

6、 are only a few cells in size. Some of our research goals may take 20 or more years to achieve, but that is precisely why there is an important role for the federal government.”細胞內的多個基因改變導致癌癥，納米技術將實現更早期的發現和預防2015 10m Year X 現在 過去 mm早期發現和診斷惡性腫瘤和轉移Prevention發現和診斷現狀目標 挑戰: 減少癌癥的病痛和死亡 2015 “A Vision Not

7、a Dream!” by using nanotechnology, A v. Eschenbach, NCI手段/方法？ 靶向藥物、饑餓療法 、熱療法治療癌癥（2）國外基礎研究計劃中對IT、BT、NT的關注A（1）人類對客觀世界的認識逐漸發展為兩個層次一、宏觀領域：肉眼可見的物體 ，無限大到宇宙天體二、微觀領域：以原子分子為最大起點，下至無限領域在兩者之間為介觀2.納米電子器件概念的提出微米m（10-6米） 亞微米（10-7米）納米nm（10-9米） 包括納米范圍通常1100nm ，納米科技 研究的尺寸范圍0.1100nm。納米尺度的圖片概念 mm um um nm nm 功能元件組裝，更新

8、穎，更復雜新材料組合1 .當大規模集成電路中元件尺寸由mm um 時，仍用傳統的技術和科學來表達。2 .從um nm將研究新的效應，新概念，新技術。3 .再進一步發展，將需要組裝功能元件。過去傳統科學技術 現在 新效應、新概念、新技術 未來 納米材料“新一代材料新一代器件新一代系統”的技術鏈（2）電子器件技術的發展趨勢一、Moore定律Intel公司創始人Gordon Moore1965年在一次講演中提出：芯片晶體管數量每18個月將會增加1倍。1996年，電子學家和企業家在美國舊金山的國際會議討論的結果認為過去20年是這樣，未來15年仍是這樣。 集成度已達到108/2 未來目標1012/2 每

9、個元件尺寸10 nm二、Moore定律影響中半導體器件 按Moore定律：到2011年，最小尺寸0.08um，微電子器件進入物理極限?當每個尺寸10nm，密度為1012b/cm2:功耗: W3w/in2 每開關一次的電子數：小于10個，逼近單電子行為，具有量子效應從粒子性電子自由程（1-100nm）與器件的物理長度相當 振幅信息電子在作為信號載流子于器件中傳輸時，將保留 相位信息從波動性材料中自由電子德布羅意波長與器件的物理長度相當：10-100nm m*：電子有效質量 ，m*0.1m0(m0-自由電子質量)E100mv 振幅信息 電子在作為信號載流子于器件中傳輸時，將保留 相位信息摩爾第二定

10、律：任何電子系統的整體效率每24個月翻一番。 這種成本將隨著器件尺度的變小作指數增長”（摩爾第二定律） IBM公司的復雜系統顧問埃爾內斯托霍夫曼（ErnestoHoffmann）解釋說：“還有另外一條不太知名的摩爾第二定律：生產芯片的設備造價每36個月就會翻一番。目前這套設備的成本已達幾十億美元，足以購買50多架波音747飛機。” 這樣以來，如果摩爾第二定律成立的話，到2030年一家新的微芯片工廠投資將可能超過整個地球的國民生產總值這可真是太昂貴了。 Moore law提出后，曾有相當一部分人認為下一代的器件是分子電子器件。其理論基礎是分子電子學。 因此，紛紛展開了分子電子學的研究，經過幾年的

11、工作逐漸認識到，在微電子器件與分子電子器件之間有一個過渡時期 納電子器件。三、Future Integrated Multichips Systems Nano-technology( spin, molecular, RTD) devices fully integrated with RF, CMOS, and optical technologiesRTD：quantum-well-resonant-tunneling diodeCMOS：complementary metal-oxide semiconductorBiCOMS：Bipolar CMOSSOI：silicon on in

12、sulator Si/SiO2的界面要非常清晰，一般采用注入氧隔離技術。 未來的目標應是綜合的組件，或SOC（system on chip）！事實上，早在1985年，G.G.Roberts統計表明：電子元件的尺寸隨年代呈指數減少的關系。A.A.Chiabrera從理論上對固體結構特性的最小尺寸（原子團）、電流電壓感應擊穿、功率耗散、熱噪聲和Heisenberg不確定原理五個方面進行了討論，給出了微電子和元件尺寸的物理極限。如:儲存16位信息的元件： 最小面積 最小原子數 最小摻雜數量 運算1次功耗 目前 1um2 109 103 10-3PJ 極限 103 10 kBT量級3.三代電子器件的比

13、較名稱真空管晶體管電子盒放大器件符號環境真空晶格隧道隙元件尺寸cmmm m控制區尺寸mm mnm自由程m0.1 m10nm材料電真空材料單晶半導體有機/無機，？材料純度高純（56個9）半導體純(89個9)？工藝電子管制造工藝光刻、摻雜技術組裝，自相似生長理論真空電子學(宏觀）半導體物理(宏觀)納電子學(局域)參量平均值平均值非平均值三代電子器件的比較（續）名稱真空管晶體管電子盒分布參量作用很小小顯著溫度敏感很小小顯著載流子數量宏觀量宏觀量有限量信號電流強度mAAnA載流子電子電子/空穴電子/空穴：金屬、半導體孤子：有機材料極化子：極化材料、有機材料放大器件控制電流電子/空穴數隧穿速率集成度分立

14、1012b/cm2加工模式模擬bitqubit加工網分立元件數字網類神經網構造儀器無線電、雷達計算機計算機、自動器、信息網（1）孤子(Soliton)反式聚乙炔有兩個能量最低的二聚化狀態(基態)A相和B相，其結構對稱，為基態簡并準一維體系。若A、B兩相共存于同一分子鏈，兩相交接處的疇壁被稱為孤子。若孤子左側的單鍵與其相鄰的雙鍵交換位置，則孤子向左發生了移動。如此移動可以連續向左進行,但系統的總能量不變，孤子在分子鏈中可以自由地運動(向右運動也一樣)。帶電孤子在電場的作用下將會發生遷移，荷電的孤子是載流子。（2）極化子（polaron)電子的自陷在離子晶體或分子晶體中，電子在運動時受到其他電荷的

15、影響，會吸引正離子，使它靠近電子，排斥負離子使它遠離電子，從而產生離子的位移極化，導致所在區域內電子靜電勢下降，稱電子自陷。 這情況在離子晶體中更為明顯。電子帶上它運動的極化區域可以看為一種“準粒子”，稱極化子，即電子+晶格畸變。極化子的尺度取決于電子（或空穴）周圍晶格畸變區域的大小。畸變區域尺度大于晶格常數時，稱大極化子。當畸變區域尺度與晶格常數同量級時，稱小極化子。極化子的形成有機材料： 在有機材料中存在最低的未占用分子軌道（Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUMO,相當于無機材料中的導帶）和最高被占用分子軌道（Highest Occupied M

16、olecular Orbital, HOMO，相當于無機材料中的價帶），由于有機分子的鏈結構容易變化，當有電子進入，將引起周圍分子鏈的某種結構擾動，而形成一種電子周圍環繞著被擾動分子鏈的粒子，稱為“極化子”。電子進入此能級易注入：電子或空穴12evEF導帶價帶0.1-0.5evEFHOMOLUMO12ev（1）隧道結和量子點的量子隧道效應。其效應靈敏，可觀測到單電子行為。隧道結和量子點是單電子器件（Single electron devices）的基本單元。（2）載流子的波動性顯著，在相位相干長度范圍內，不丟失載流子的相位信息。當系統尺寸與特性散射自由程相當時，載流子輸運為彈道式的，有顯著的干

17、涉、衍射效應。（3）超高密度集成的行為與微電子器件將有不同，信號載流子除電子空穴之外，還會有孤子、極化子等，呈現陣列的各向異性行為，在不同方向有不同的隧穿特性（載流子輸運的空間相關和時間相關）。（4）環境影響顯著，主要是電路的分布參量（如L，C等）。（5）溫度影響顯著。要觀測單電子行為必須滿足的荷電能e2/2CKBT。4.納電子器件的主要特點名 稱量子化維數器件工作機理器件端數I-V特性共振隧穿器件，量子線一維或二維量子化量子共振隧穿效應兩端或三端單電子晶體管三維皆納米量級，但皆未量子化庫侖阻塞效應三端量子點器件三維都量子化，島由量子點構成量子化效應兩端電子共振隧穿器件、單電子器件、量子點器件

18、 納米器件分類 納米光電器件 納米磁性器件 納米級CMOS器件 納電子機械系統 其它納米器件（量子干涉器件等） 共振隧穿器件 量子點器件 固體納米電子器件 單電子晶體管（SET) 納米電子器件 單電子器件 單電子儲存器（SEM) 量子效應分子電子器件 分子電子器件 電機械分子電子器件 前沿內存器中的納米材料!因此,新器件（納器件）:不遵守傳統的操作規律，具有明顯量子效應和統計漲落特性，并將出現一系列的新效應。一代新器件的誕生要以三方面的發展為基礎新理論：研究量子效應和統計漲落占支配地位地工作原理新材料：有限個原子組成的納米材料（表面、界面、電子結構） 新技術：制備、剪裁、自組裝成為功能器件，及

19、分析、測試手段納電子器件發展的路徑圖硅技術： 由um nm分子組裝技術：由原子分子水平nm相結合B1.2 納米材料基本概念和內涵1.定義：三維空間尺寸中至少有一維處于納米量級（1-100nm）的尺度范圍內或由此作為基本單元構成的材料。2.分類主要按材料的幾何形狀特征分類。（1）零維納米材料：指空間三維尺度均在納米尺度，如納米微粒或團簇（量子點）。零維的納米材料粒子（PbS納米粒子）（2） 一維納米材料：指空間二維處于納米尺度，如納米量子線、絲、棒、管（量子線）。納米線納米陣列具有超延展能力的納米晶銅帶二次氧化獲得的氧化鋁模板的SEM照片 （a）樣品正面；（b）樣品反面（未通孔）；（c）樣品反面

20、（通孔） 在氧化鋁模板中生長的碳納米管的SEM照片 a）樣品的斜截面;（b）模板經NaOH部分溶解后形成的碳納米管束 納米管慶典禮花用物理氣相沉積（PVD）法制備的ZnO納米棒的SEM圖象森林直立在Au薄膜上的單壁碳納米管的STM圖像2007年最佳納米級顯微圖像揭曉：量子森林托斯藤-茲歐姆巴在德國實驗室中捕獲，它展示了鍺硅量子點：高15nm，直徑70nm。使用靜電力顯微鏡獲取直徑為18nm的碳納米管發出的電荷。圖中明亮的光暈是由納米管帽發射出的電荷所產生的，放電時，納米管則變暗 。 （3）二維納米材料：指空間一維處于納米尺度，如超薄膜、多層膜、超晶格（量子阱）。納米單層與多層薄膜15層超晶格（

21、4） 三維納米固體材料：指由納米基本單元構成的塊體材料，如納米晶塊體材料（納米陶瓷、納米結構材料）、納米復合材料、納米多孔材料（多孔碳，分子篩）納米陶瓷納米固體單元沸石的籠結構沸石的籠中相嵌成多納米孔結構納米多孔材料（如SiO2 ）納米晶結構材料的剖面示意圖（實心球表示體相原子，空心球表示界面原子）650 750 800 晶化后 晶化前（5）按材料學科體系可分為：納米金屬材料、納米陶瓷材料、納米高分子材料、納米復合材料；按應用分：納米電子材料、納米磁性材料、納米生物材料、納米隱身材料、納米催化劑材料（6）納米材料也存在于自然界中，但為數不多自然界的納米現象與納米材料1.基本單元： （1）.團簇

22、（cluster） （2）.納米微粒（Nano fine particle） （3）.人造原子（artificial atoms） （4）.納米管、納米棒、納米絲 （5）.納米微觀結構（晶粒、疇）1.3 納米結構單元與納米體系物理2.為什么把“納米晶”作為納米結構的基本單元？ 納米顆粒 長寬高任意納米化 納米薄膜 三維尺寸的納米化 納米絲 傳統材料（塊材） 長寬高三維尺寸不變，而內部晶粒尺寸發生變化 大顆粒 納米晶材料 薄膜 晶粒尺寸納米化 塊材 納米化電、磁、聲、光、熱、力等有顯著變化:納米晶交換耦合稀土永磁材料具有高的Br、高的（BH ）max納米晶軟磁合金具有極高的飽和磁感應強度Bs、低的矯頑力Hc納米晶陶瓷具有超塑性. 納米尺度效應是指普通材料納米化而產生的奇妙物理化學特性。 晶粒納米化目前還有一種觀點，即使材料三維尺寸，晶粒尺寸均不在1100nm范