第1章纳米材料与器件及其特征.pptVIP

第一章 纳米材料与器件及其特征 基本要求: 1. 了解纳米材料及其特征 2．掌握纳米材料的量子尺寸效应 3．熟知激子概念及激子效应 4. 掌握库仑阻塞和单电子器件 主讲章节： １.１　纳米材料及种类 １.２　纳米电子材料特征 １.３　激子与激子效应 １.４　库仑阻塞效应与单电子器件 量子线 通常指由尺寸小于15纳米的超微颗粒在高压力下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密型固体材料。 量子阱 指尺寸在纳米量级的晶粒（或颗粒）构成的薄膜以及每层厚度在纳米量级的单层或多层膜。 量子尺寸效应的主要影响： 1、导体向绝缘体的转变 2、吸收光谱的兰移现象 3 、纳米材料的磁化率 4、纳米颗粒的发光现象 １.３　激子与激子效应 一.激子的概念 二.激子效应的概念 三.激子效应的应用 １.４　库仑阻塞与单电子器件 一.库仑阻塞 二.单电子隧穿 三.单电子器件 库仑阻塞效应 当一个纳米微粒的尺度足够小时，它与周围外界之间的电容可以小到0.1fF量级，在这种情况下每当一个单电子隧穿进入这个纳米粒子将会使该粒子的位能增大一库仑能 e2/2C ,在低温下这个能量可能远大于该电子的热运动能量kBT。这种情况下会发生一种新的物理效应:一旦某一电子隧穿进入一纳米粒子它会对随后而来的第二个电子进入该纳米粒子起阻挡作用，称为库仑阻塞现象。只有等这个电子离开该纳米粒子后外界的第二个电子才可能再进入该纳米粒子。利用这种库仑阻塞现象可能人为的控制电子单个的穿过具有纳米结构的器件，实现单电子隧穿过程。 单电子隧穿 单电子隧穿现象（又称库仑台阶现象）是指电子在具有微小隧道结体系的输运过程中,在其热涨落能可以被忽略的情况下,由于单个电子在隧道结的隧穿所引起系统能量的变化限制了1 个电子的隧穿,从而导致宏观电学性质( I-U 特性) 呈现出某种特性。 单电子现象的主要研究对象是超小隧道结。隧道结由两个金属电极及夹在其间的绝缘介质构成。与通常的电容相比,隧道结中的绝缘介质足够的薄,同时充当着势垒的角色。因为电子具有量子属性,所以它能以一定的概率隧穿通过势垒。对于微小隧道结来说,电子在隧穿前后,结的静电能变化与背景噪声相比已经不能被忽略。若结的静电容为C ,那么一个电子在隧穿前后结的静电能量变化与1 个电子的库仑能大体相当,即EC = e2 /(2 C) 。如果结面面积为0.0001μm2 ,绝缘层厚度为1 nm ,那么将EC折算为温度,大约为100 K。当隧道结温度远小于此值时, EC 便成为确定隧穿概率的主要能量尺度。 理论和实验结果已经表明，介观电容器相当于一个隧道结, 在含有介观电容器的介观电路中会出现库仑阻塞现象：当一个电子穿过隧道结由一个极板到达另一个右极板时，必须有一个克服库仑阻力的起始阈值电压；当外加电压小于起始阈值电压时， 穿过隧道结的电流为零。这表明由于库仑力的作用使得介观电容器中存在库仑能隙，电子在介观电容器中的运动实际上是一个单电子隧穿过程。 当电路中的电容处于纳米数量级时，由于量子隧道效应开始发挥作用，电容可视为隧道结，导致电流随电压呈阶梯状上升，这就是库仑阻塞和库仑台阶现象。单电子隧穿现象的独特之处在于其物理过程只涉及一个或少数几个电子，使得人们操纵单个电子的位置和控制单个电子的运动的梦想得以实现，从而增进了人们对电子，尤其是电子输运特性和电子间相互作用的理解。 单电子器件（SED） 单电子晶体管（SET） 单电子晶体管实际上是一个栅控串连双隧道结器件，其原理如下图 基于Si纳米量子点的单电子器件 基于碳纳米管的单电子器件 基于异质结二维电子气的单电子器件 基于微小隧道结的单电子器件 基于纳米尺度Si-MOS 结构的单电子器件 单电子器件的制备 库仑阻塞现象是构想和设计单电子器件的主要物理依据。为了能够从实验上清楚地观测到这一现象，必须满足（１）电子的充电能Ｅ０必须大于热能kT；（2）隧道结电阻要远大于量子电阻RK=26K?；（3）从隧道结引出的导线杂散电容应尽可能小。这分别是为了克服热涨落、量子涨落和外界干扰等不利因素而考虑的。 量子点的制备 　　　量子点是单电子器件最基本的元素，制备高温单电子器件关键就是使其量子点尽可能小。 因而稳定、小尺度纳米结构的实现是制备高温单电子器件的关键。 　从制备方法讲，半导体量子点有自组装型、耗尽型、腐蚀型和混合型等量子点。耗尽型和腐蚀型量子点是在二维电子气的基础上经过进一步微细加工获得的。 　自组装量子点是利用异质外延中的混合模式（S-K模式）生长的。在这种模式里，淀积的异质应变层首先形成二维的