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纳米电子材料与器件 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