《納米電子材料與器件》納米電子學及納米器件概念（2學時）單電子器件（4學時）自旋電子器件（4學時）納米器件部分學習內容納米體系與納米器件文岐業微電子與固體電子學院qywen@163.com主要內容介觀體系的概念和性質納米體系基本概念和性質納米器件分類自旋電子器件：巨磁阻磁頭，存儲器單電子學與單電子器件（1）庫侖阻塞效應（2）隧道結I-V特性（3）單電子晶體管（SET）一.介觀體系一尺之槌，日損其半，萬世不竭.

《莊子·天下篇》VS銀河系鑲嵌了48個Fe原子的Cu表面。48個Fe原子形成“電子圍欄”，圍欄中的電子形成駐波？牛頓力學量子力學（原子、電子等）幾十納米到幾微米納米是多少？

介觀體系的大小介于宏觀與微觀之間，其基本特征是：粒子保持相位相干（相位記憶）的特征長度大于體系的尺度。因而量子相干效應對其輸運及其它性質有重要影響。相位相干長度依賴于溫度等因素，對于低溫下的高品質的半導體，介觀體系的尺度可以從幾十納米到幾微米。1.介觀體系基本概念相位相干長度電子波：電子是微觀粒子，具有波動性，電子在介觀體系中的輸運，在一定條件下可認為是電子波的傳播。波函數包括：振幅和相位

電子（電子波）的散射：彈性散射：電子能量不變化，對應電子波相位基本不變；非彈性散射：電子能量發生變化，電子波相位變化較大。相位相干長度：

載流子發生非彈性散射的平均距離（Lj）。在比Lj小的體系中，不發生非彈性散射，載流子的波函數保持相位記憶，其相位相干性不受影響。是否考慮波函數的相位相干性，是區分介觀系統與宏觀系統的本質差別

特征尺度:平均自由程l，相位相干長度lφ等，與體系的尺寸L,W可比較。形成了介于宏觀和微觀之間的一個特殊的物理層次。稱為介觀體系。有特定的現象和規律。

介觀物理與物理學的其他領域一樣，理論研究（或說基礎研究）與技術發展有一定的相對獨立性。但是相互的推動是肯定的。從理論的角度，有Landauer-Buttiker理論和非平衡Green函數。從技術的角度有單電子器件、自組織生長列陣研究等等。納米體系是介觀體系的一部分。介觀體系的最大尺寸：Lj≈幾十納米到1微米。

由于微加工技術的發展，各種人造介觀體系成功實現，使介觀物理的研究成為一個十分活躍的研究領域。它不僅能為新一代的介觀或納米器件提供物理基礎，而且具有重要的基礎研究意義。2.介觀體系的特殊性質介觀體系是介于宏觀體系與微觀體系之間的一種體系。實際上介觀體系在尺寸上已經是宏觀的，具有宏觀體系的特點；同時由于其中電子運動的相干性，會出現一系列與量子力學相位相聯系的干涉現象，這又與微觀體系相似。當電子波通過存在電勢或磁矢勢的空間時相位要發生變化，從而使電阻隨磁通變化而周期性振動，稱為AB效應電子波從一端進入Au圓環后分為兩個半環傳播，由于不發生相位變化，于是在另一端相遇而發生干涉：若干涉增強則電阻較低；干涉抵消則電子較高。在外加磁性（B）下，兩束電子獲得qФ/h的相位差，因此電阻隨B做周期性振動。1．Aharonov-Bohm效應(AB效應)直徑800nm，線寬和厚度40nm，垂直環平面加周期磁場；1K測試Au環R.A.Webbetal.

Phys.Rev.Lett.54,2696(1985)C.P.Umbachetal.Phys.Rev.B30,4048(1984)1mm2．普適電導漲落(UCF)(1)一般特征a.與時間無關的非周期漲落，不是熱噪聲(和時間有關)。b.這種漲落是樣品特有的(sample-specific),漲落花樣可重復(pattern)。c.漲落大小是e2/h量級(～4x10－5S),普適量。與樣品的材料、尺寸、無序程度無關，與樣品的形狀和空間維度只有微弱的關系，只要求樣品具有介觀尺度，并處于金屬區：即普適電導漲落的存在反映了介觀體系和宏觀體系本質上的差別REPRODUCIBILITYOFTHECONDUCTANCEFLUCTUATIONS

MEASUREDINAGOLDRINGS.WashburnandR.A.WebbAdv.Phys.35,375(1986)(2)物理解釋從樣品一邊到另一邊的透射幾率幅是許多通過樣品的費曼路徑相應的幾率幅之和。在金屬區電子通過樣品時經歷多次與雜質的散射，其費曼路徑是無規行走式的準經典“軌道”，不同的費曼路徑之間的相位差是不規則的隨機干涉效應(Stochasticinterference)，使電導呈現非周期的不規則漲落。INTERFERENCEBETWEENTWOPOSSIBLE

ELECTRONPATHSWHICHPROPAGATEALONGTHESAMEARMOFTHERINGn’m’mnTWODIFFERENTTRANSMISSIONPATHSTHROUGHADISORDEREDSAMPLE由統計力學，邊長為L的宏觀體系物理量x的相對漲落為：<…>系綜平均，LC是某一關聯長度，d是體系的維度L→∞，x的相對漲落趨于零經典自平均行為(self-averaging)對于普適電導漲落：電導的平均值滿足歐姆定律：d<4,與經典自平均行為不符d=2，電導的漲落與尺度無關（限于介觀體系，金屬區）d=1，電導的相對漲落隨L增加而增加。(3)UCF的簡單推導考慮一介觀金屬導體，設其兩端由理想導體相聯，金屬的電導：NC：總通道數目

L：導線的橫向線度，d：維度第一步：求透射幾率的漲落取系綜平均，忽略弱局域化效應:透射幾率的方差：當計算透射幾率的平方平均時，量子干涉起作用：取系綜平均：③，④兩項均等于零②項＝

在介觀導體，Wi基本相等，為1/Np小量量子干涉效應導致與之間的區別，從而導致介觀漲落：透射幾率的相對漲落的量級為100％第二步：求電導G的漲落該式的結果與不同通道的透射幾率是否存在關聯有關α→β，α’→β’，透射路徑不存在關聯：在金屬區，不同通道的透射幾率近似相同：由歐姆定律：與UCF不同！放棄不同通道透射互不關聯的假定，用反射幾率來推導定義：代表從α到β通道的反射幾率

G，R之間相差一個常數類似，反射幾率的漲落：假定與互不關聯：原因：反射過程有可能主要由少數幾次散射的過程決定，而透射過程必須經歷多次散射。(4)移動一個雜質所引起的電導漲落電子量子干涉－依賴于不同的費曼路徑→雜質位形對電導漲落有較大影響。T＝0K，使一個雜質移動距離樣品電導的漲落：對一，二維情形，移動一個雜質的效果與移動全體雜質的效果相當樣“牽一發而動全身”簡單分析：邊長L的立方體，考慮一條典型費曼路徑按Einstein關系：一條費曼路徑的體積：它與樣品總體積之比：令ni代表樣品中雜質濃度，則：一條典型的費曼路徑所通過的雜質數在總雜質數中所占的百分比，等價于通過特定雜質的費曼路徑數在總費曼路徑數中所占百分比。因此，移動一個雜質相當于改變了所有費曼路徑中百分比為f的費曼路徑。在費曼路徑獨立的情形下：PRL56,1960(1986)3．電子波的非定域效應(非局域性電導)對0.1μm的結構加上1V電壓，E～105V/cm導電機制已不能用普通的線性理論描述，而必須考慮非線性效應。電子自由程接近或超過樣品尺寸，關聯效應可遍及整個樣品。結構和結構，元件和元件之間的距離大為縮短，很難用單個分立元件的觀點來進行分析，必須考慮元件之間的相干性和合作效應。IIVVIIVV1μmabcd5．正常金屬環中的持續電流在介觀尺寸的一維非超導金屬環中，也可能通過磁場誘導持續電流。計算平衡態下的持續電流的熱力學公式：LF:自由能對一維環且沒有無序，T=0K時總電流的大小與符號由最高占據能級的電流決定。總電子數N＝奇，總電子數N＝偶，將電流展成Fourier級數：T多環實驗結果與理論比較時，涉及系綜平均問題。(T=0K)(1).變型正則系綜(Modifiedcanonicalensemble)N>>1個彼此獨立的環，每個環的總電子數固定不變，但不同的環除總電子數可以不同外，其他參數(如）均相同。對不同總電子數的系綜的平均(2).變型巨正則系綜(Modifiedgrandcanonicalensemble)

不同環的化學勢可以不同，其他參數均相同。對不同化學勢的系綜的平均(1).納米體系物理學(2).納米化學(3).納米材料學(4).納米生物學(5).納米電子學(6).納米加工學(7).納米力學1．納米結構單元

零維：團簇、量子點、納米粒子一維：納米線、量子線、納米管、納米棒二維：納米帶、二維電子氣、超薄膜、多層膜、超晶格體系的某個或數個特征長度在nm量級2.納米結構的制備技術

(1).球磨和機械合金化工藝和技術(2).化學合成工藝和技術(3).等離子電弧合成技術(4).電火花制備技術(5).激光合成技術(6).生物學制備技術(7).磁控濺射技術(8).燃燒合成技術(9)噴霧合成技術……Bottom-up,Top-down二.納米體系3.納米體系的基本物理效應

(1).小尺寸效應：尺寸與光波波長、德布羅意波長以及相干長度等相當或更小時，導致聲、光、電磁、熱力學等物性呈現新的小尺寸效應。

(2).表面效應：d(nm)N表面(%)1030,0002044,0004022508013099(3).量子尺寸效應：T=1K,d=14nm(4).宏觀量子隧道效應：微觀粒子具有貫穿勢壘的能力。宏觀量：微顆粒的磁化強度，量子相干器件中的磁通量，亦具有隧道效應。Fe-Ni薄膜中疇壁運動速度在低于某一臨界溫度時基本上與溫度無關。限定了磁帶、磁盤進行信息儲存的時間極限。(5).庫侖阻塞與庫侖臺階效應：VI(6).介電限域效應：納米微粒分散在異質介質中由于界面引起的體系介電增強現象。納米粒子的光吸收帶邊移動(藍移，紅移)的Brus公式：

包括基于量子效應的納米電子器件、納米結構的光/電性質、納米電子材料的表征，以及原子操縱和原子組裝等。如現有的硅和砷化鎵器件的響應速度最高只能達到10～12秒，功耗最低只能降至1微瓦。而量子器件在響應速度和功耗方面可以比這個數據優化1000～10000倍。由于器件尺度為納米級，集成度大幅度提高，同時還具有器件結構簡單、可靠性強、成本低等諸多優點。因此，納米電子學的發展，可能會在電子學領域中引起一次新的電子技術革命，從而把電子工業技術推向更高的發展階段。三.納米電子學及納米器件

迄今為止，作為電子器件只利用了電子波粒二象性的粒子性，其次，各種傳統電子元器件都是通過控制電子數量來實現信號處理的。隨著集成度的提高，功耗、速度成為嚴重的問題。現有的硅和砷化鎵器件無論怎樣改進，其響應速度最高只能達到１０－１２秒，功耗最低只能降低到１μＷ。

利用電子的量子效應原理制作的器件稱為量子器件或納米器件。在量子器件中，控制一個電子的行為即可完成特定的功能，即量子器件不單純通過控制電子數目的多少，主要是通過控制電子波動的相位來實現某種功能的。因此，量子器件具有更高的響應速度和更低的功耗，從根本上解決日益嚴重的功耗問題。（1）納米器件概念納米電子器件：固態納米電子器件量子點器件（QD），諧振隧穿器件（RTD）單電子器件（SET），單電子存儲器（SEM）分子電子器件量子效應分子器件；電機械分子電子器件納米光電子器件：納米激光器,納米光電探測器,納米光纜

納米磁性器件：巨磁阻磁頭，存儲器，自旋晶體管

納米電子機械系統（NEMS）：（2）納米器件分類（2）納米器件制備方法

自下而上的方法（bottom－up）：從更小的單元（原子或分子等）組裝成納米結構或器件

最終目標法（Ultimate