高等半导体物理Chapter6纳米电子学基础.pdf

第六章 纳米电子学基础 6.1. 纳米技术的发展 6.2. 纳米结构材料的基本特性 6.3. 纳米结构中的介观现象 6.4. 单电子器件和电路 6.5. 未来可能的发展 第六章 纳米电子学基础 6.1. 纳米技术的发展 6.2. 纳米半导体材料的基本特性 6.3. 纳米结构中的介观现象 6.4. 单电子器件和电路 6.5. 未来可能的发展 1. 纳米技术的发展 近年来，随着计算机技术和纳米电子学的飞速发展，电 子器件中电路及器件的小型化和高集成度趋势越来越显著， 近年来已达到了原子尺度的量级。当电路的尺寸小到和电子 的相干长度可以比拟的时候，电路本身的量子效应就会出现。。 如今的芯片光刻工艺已经使光刻线的分辨率达到亚微米量 级，例如大家熟知的Intel Pentium 4 Prescott处理器和AMD Athlon 64 Winchester处理器为90nm工艺，即两导线之间的 距离只有90nm,下一步将发展为65nm、40nm 、32nm，甚至 更小。 1. 纳米技术的发展 美国半导体协会预计：到2010年，半导体器件的尺寸将达 到0.1 μm （100 nm）极限，由于量子效应, 小于这一尺寸的 所有芯片就不再保持原有的性能, 需要按新的原理来设计，要 突破这一极限，我们就得研究纳米尺度中的理论问题和技术问 题。 -9 ““纳米”是长度单位，1nm=10 m, 即1纳米等于十亿分之一 米米，相当于头发丝万分之相当于头发丝万分之一的粗细的粗细。纳米研究的范围是纳米研究的范围是11到到100100纳纳 米，正好处于原子、分子为代表的微观世界和以人类活动空间为 代表的宏观世界的中间地带代表的宏观世界的中间地带，称之为称之为介观世界介观世界。 1. 纳米技术的发展 人类对纳米技术的研究已有了40多 年的历史年的历史。年，，美国著名的物理美国著名的物理 学家、诺贝尔奖金获得者理查德·费 曼曼认为认为：：能够用宏观的机器来制造比能够用宏观的机器来制造比 其体积小的机器，而这较小的机器又 可制作更小的机器可制作更小的机器，，这样这样一步步达到步步达到 分子线度。 费曼费曼幻想在原子和分子水平上操纵和控制物质幻想在原子和分子水平上操纵和控制物质。他认为他认为：： “物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物质的可能 性性”，，并表示并表示：： “我深信不移我深信不移，，当人们能操纵细微物质的时当人们能操纵细微物质的时 候，将可获得极其丰富的新的物质的性质。” 1. 纳米技术的发展 科学家发现，在纳米的世界里，物质的性质发生了质的飞跃。 比如比如硅晶体是不发光的晶体是不发光的，但纳米但纳米硅却会发光却会发光；；陶瓷在通常情况陶瓷在通常情况 下是很硬、很脆的，如果采用纳米粉体制成纳米陶瓷，它也可 以具有韧性；纳米材料还具有超塑性，室温下的纳米铜丝经过 轧制轧制，其长度可以从其长度可以从11cm延伸到延伸到100100cm，其厚度可以从其厚度可以从11mm减减 小到0.01mm 。 19 81年年，美国IBM公司苏黎世实实验室Bining 和Rohrer教授教授发 明了扫描遂道显微镜 （Scanning Tunnelling Microscope，STM ） 用于观察和操纵原子用于观察和操纵原子，是目前为止进行表面分析的最精密仪器是目前为止进行表面分析的最精密仪器， 分辨率0.1 nm （横向）×0.01 nm （纵向）（1986年获Nobel Prizee ），），对对一些纳米微粒的结构些纳米微粒的结构、、形态和特性进行了比较系统形态和特性进行了比较系统 的研究，并在用量子尺寸效应解释其某些特性时获得成功。 1. 纳米技术的发展 科学家使用STM观测物质的纳米结构 STMSTM针尖针尖 1. 纳米技术的发展 扫描隧道显微镜（STM ）工作原理 I I t