第二章纳米科技的典型研究方向课件.ppt

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1、纳米材料,第一章 纳米材料与纳米科技概述第二章 纳米科技的典型研究方向第三章 纳米材料的性能与制备方法第四章 纳米材料的测试与表征技术第五章 纳米材料在电子信息领域的应用第六章 纳米材料在航空航天领域的应用第七章 纳米材料在能源环保领域的应用第八章 纳米材料在生物医学领域的应用,纳米科技的典型研究方向,第二章,纳米科技的分类 纳米电子学纳米物理学 纳米化学纳米生物学纳米机械学纳米表征学,2.1 纳米电子学2.2 纳米微机械技术(MEMS),第二章 纳米科技的典型研究方向,2.1 纳米电子学（nanoelectronics),- 纳米技术中最重要的一个分支领域,微电子学与微米技术：,以微电子学为

2、代表的微米技术，是20世纪第二次工业革命技术应用的标志。,什么是微电子技术？在半导体单晶材料（主要是硅单晶）薄片上，利用微米和亚微米技术，研制由成千上万个晶体管和电子元件构成的微缩电子电路（芯片），并由不同功能的芯片组装成各种微电子仪器、仪表和系统的总称。,集成度：,50年代,106个,80年代：,100个,70年代,105个,60年代,100 1000个,20年代,微电子领域发生的两次重大技术革命：,晶体管取代真空电子管；集成电路取代传统的导线连接线路。,微电子学的意义： 使人类进入了计算机和通讯网络的新时代，不仅缩短了人类的空间距离，而且极大地发展了生产力。,电子材料与计算机科学的进步,微

3、米电子学技术及超大规模集成电路已给人类带来的巨大影响：,1 催生出一个巨大的产业：计算机工业；2 孕育出一个崭新的时代：信息时代,纳米电子学是微电子学继续向微小世界、更微小世界不断发展的自然延伸。,芯片的集成技术,集成电路的集成度与最小线宽的关系：集成度越高，电路中的晶体管尺寸越小。最小线宽表示电路的制程精度。,电子学未来的发展目标-,更小：进一步提高芯片的集成度更快：具有更高的信息运算和处理速度更冷：进一步降低芯片的功耗,只有在这三方面得到同步的发展，电子学技术才可能取得大的突破： 1）用较低的成本提高现有产品的性能；2）可以设计原来不可能的产品（如万能翻译机）。,美国国防高等技术研究厅根据

4、此要求作出的超电子研究计划（ultra electronics）:,未来的纳电子器件要比现有的微电子器件的存储密度高5100倍，速度快10100倍，而功耗要小于现在器件的2%。 最终达到“双十二”：1012位的存储器容量，每秒1012的运算器速度，价廉且节能。 要实现这一目标，电子器件必然进入纳米技术的尺度范围。,2.1 纳米电子学（nanoelectronics),2.1.1 摩尔定律的挑战与纳米电子学的研究内容2.1.2 纳米电子器件的加工技术2.1.3 纳米电子器件2.1.4 纳米计算机,象上了发条的时钟一样得到应验的 摩尔（Moore，英特尔的创始人）定律,每隔18个月，新芯片的集成度

5、将提高一倍，同时性能提高一倍。,按照该定律，2010年微电子器件的尺寸和最小线宽都将达到100nm，进入纳米电子时代。,纳米电子时代将带来什么变化？,2.1.1 摩尔定律的挑战与纳米电子学的研究内容,2.1.1.1 摩尔定律遇到的严重挑战,纳米电子时代将带来什么变化？,挑战一：集成电路的加工技术为光刻法，光刻线宽的理论极限为100nm,达到这一决定线宽的物理极限后，现行的微电子学工艺很难再有所作为。挑战二：器件内电子行为的限制和器件功耗过大的限制。,纳米电子学及相关材料的研究必然掀起微型化和分子化的浪潮。由微电子器件发展为纳米电子器件将包括四个方面的进展：材料、工艺、理论和应用。,2.1.1.

6、2 纳米电子学的研究内容,在特征长度为0.1100 nm的纳米器件中探测、识别与控制单个量子（如单个电子、单个光子、单个磁通量子、单个原子和单个分子等）、少数几个量子或量子波的运动规律（理论）；研究原子、分子人工组装和自组装而成的器件（工艺）；研究在量子点、量子线和量子点阵内单个量子、少数几个量子或量子波所表现的特征和功能，用于信息的产生、传递和交换的器件、电路和系统及其在信息科学技术中应用（应用）。,关键词：量子，人工组装和自组装器件，信息科学技术,挑战一：达到了决定线宽的集成电路光刻加工的物理极限（100nm）,现行的微电子学工艺很难再有所作为。,挑战的解决方法：,解决思路：研究开发更小的

7、最小线宽的加工技术来加工尺寸更小的电子器件，将现有的集成电路进一步向微型化延伸 。,基本方法：改进微电子学光刻技术，提高光刻精度以缩小晶体管尺寸。,什么是光刻法？,象摄影那样制出一张“底片”（称为掩膜或母版），底片上有微芯片电路所需的图案。然后将“底片”复制到微芯片的金属和半导体上：第一步：制备掩膜（这是个一次性过程，比较缓慢且成本高）第二步：利用掩膜进行复制（十分快捷、省钱） 光刻术通过摄影术中所用的缩图法，将图案的尺寸缩小。,集成电路芯片的制造：胶印板光刻原理图,一束光（如紫外光）照射在掩膜上，穿过掩膜后又穿过透镜，而透镜则使图象聚焦到硅片表面的光敏涂层（光刻胶）上。受到光照射的光刻胶被除

8、掉，使硅片暴露出来，形成与原始图象相同的图案。,检测电路板刻线的宽度和深度,2001年，该公司将纳米技术应用于芯片制造，做出了世界上大小只有20nm的硅晶体管，其中的门绝缘体只有的0.8nm厚度（约3个原子），每秒可开关变换1.5万次，是目前晶体管的10倍。基于它们可制造含10亿硅晶体管的中央微处理器（cpu) ，运行速度可达20GHz。比较： 8088：29，000个晶体管；奔腾4：4000万个晶体管，1.7GHz。,世界最大的芯片生产商英特尔公司正在将纳米技术应用于以硅为基础的芯片制造，以突破现有硅晶体管尺度限制所带来的存储和运算速度的限制：,几种能提高刻蚀精度的光刻方法,缺点：能被空气吸

9、收，只能在真空中使用，实验室研制阶段。,由于纳米加工技术的进展，可以使摩尔定律在未来30年仍然适用。但是，这种方法只是尺度上的缩小，电子器件的构造并不发生根本的改变。,挑战二（更大的挑战）：,器件内电子行为的限制和器件功耗过大的限制。,现在的电子元件是通过控制所通过的电子数量多少或有无来进行工作的。宏观上电子计算用电位的高低来表示0和1以进行存储和计算。当线宽窄到30nm时出现的量子效应将会影响硅器件的性能。,什么是量子效应？,挑战的解决方法：,把自由运动的电子囚禁在一个小 的纳米颗粒内，电子能量量子化，不再遵守欧姆定律。而是遵守-,库仑阻塞效应 (Coulomb blockade effec

10、t) ：当一个物理体系的尺寸达到纳米量级时，体系的充电和放电过程是不连续的，也就是量子化的。体系越小，电容C越小，能量Ec越大。 Ec称为库仑阻塞能，它是电子在进入或离开体系中时一个电子对后一个电子的库仑排斥力。单电子隧道效应 (Single-electron tunnel effect)：两个量子点通过一个隧道结连接起来，单个电子从一个量子点穿过势垒到另一个量子点的过程称隧道效应。这个电子必须克服电子的库仑阻塞能Ec。,库仑阻塞效应示意图,（2）在纳米颗粒内的电子数目大大减少，所有的电子被囚禁在一个深势陷阱内，只能占据不同的能量状态。,（3）库仑阻塞现象：纳米颗粒上有了一个电子后，电子间的斥

11、力将阻挡下一个电子靠近，只有当这一电子通过后，下一个电子才能到达纳米颗粒上。,（1）大块固体材料中的电子可以自由地在固体中运动，电子之间相互碰撞，使它们的运动速度达到平衡。,当存储器达到1024兆位时，集成电路的线宽将细到0.1微米，也就是100nm，差不多是一根头发丝的千分之一。这样细的电路，被认为是集成电路的极限，现有电子元件将失去工作的理论基础，因为-,以存储器为例：,电子作为一种微小粒子，具有“波粒二象性”，当电路线宽大于0.1微米时，电子完全可视为粒子，而不必考虑其波动性；而当电路线宽小于0.1微米时，必须考虑电子的波动性。这时会出现种种新的物理现象，称为量子效应。由于此时电子波函数

12、的相关长度与体系的特征尺寸相当，这时的电子已不能被看成处在外场中运动的经典粒子，电子的波动性在输运过程中得到充分的展现。此外，纳米体系在维度上的限制，也使得固体中的电子态和各种相互作用过程表现出与三维体系十分不同的性质。,（1）逻辑门会处于不确定状态。芯片微处理器是通过逻辑“门”的开或关来工作的，门的开关状态取决于有无电流通过。目前微处理器中的逻辑门正常工作时需要数百上千个电子的电流，随着芯片集成度和速度的提高，所需电子数还会进一步提高。但是芯片内线宽的减小却会导致单位时间内通过逻辑门的电子数大幅度减小，当电子数减至数十个数量级时，逻辑门在判断开或关时就会处于不确定状态，无法正常工作。（2）器

13、件功耗过大。即使通过芯片的设计和新的制造方法在一定程度上提高集成电路的集成度，但由于微电子器件的工作电流很大，功耗也相对很大。同时功耗过大会造成芯片过热，使用寿命缩短，可靠性降低。,器件内电子行为和器件功耗过大的限制：,解决方法 ,研制全新的纳米结构量子体系和量子器件（如单电子晶体管、单电子存储器、单电子开关，以及可能用于量子系统的零维量子点、一维量子线和二维量子阱）通过控制粒子波动的相位来实现输出信号的强弱和有无。使计算机的工作速度大大提高(约可提高1000倍)，功耗大大减少(约可减少1000倍)，电路大大简化且不易发热，体积大大缩小。 电子器件的构造将发生根本的改变。,回顾：纳米电子学的研

14、究内容,在特征长度为0.1100 nm的纳米器件中探测、识别与控制单个量子（如单个电子、单个光子、单个磁通量子、单个原子和单个分子等）、少数几个量子或量子波的运动规律（理论）；研究原子、分子人工组装和自组装而成的器件（工艺）；研究在量子点、量子线和量子点阵内单个原子、少数几个量子或量子波所表现的特征和功能，用于信息的产生、传递和交换的器件、电路和系统及其在信息科学技术中应用（应用）。,2.1 纳米电子学,2.1.2、纳米电子器件的加工技术,实现纳米电子器件及其集成电路的两种可能方式： （1）“从上到下”法 （2）“从下到上”法,微电子器件发展为纳米电子器件包括以下方面的进展：材料、工艺、理论和

15、应用。,应对摩尔定律的挑战，实现纳米电子器件及其集成电路的两种可能方式-,1. 现有的集成电路进一步微型化.研究开发更小的最小线宽的加工技术来加工尺寸更小的电子器件。2.利用纳米结构的量子效应，研制全新的量子结构体系.包括新型的量子效应电子器件和零维量子点、一维量子线和二维量子阱等。,2.1.2 纳米电子器件的加工技术,研究纳米电子器件的两条路,即在一个表面上刻出纳米结构或向该表面加入大团分子。在很大程度上依赖于纳米制造学的发展，发展优质原子级薄膜制备和刻蚀技术是关键，特别是原子层外延、分子束外延、电子束和离子束刻蚀。 电子束刻印术； STM 和AFM扫描探针法浸笔式刻印术,（1）“从上到下”

16、法：,（2）“从下到上”法：将分子或原子组装成纳米结构。,a.制作纳米管b.制作量子点 量子点本身不是单电子器件，可以通过产生一个可控制的电子迁移，定义两种态操作，遵循一种相互作用规律（如读写机理），使量子点作为存储元件。）,通过催化生长的工艺可制作出长的纳米碳管,具有量子效应的纳米电子器件符合未来计算机发展的需要，可以满足对未来芯片“更小、更快、更冷”的要求，因为：工作能耗小。工作电流仅为110个电子；工作时钟频率大幅度提高,“从上到下”法,“从下到上”法,2.1.2 纳米电子器件的加工技术,定义：特征尺寸1.010nm的纳电子器件。,2.1.3、纳米电子器件,为适应电子器件微型化的需要，场

17、效应晶体管的替代物充分利用了在纳米尺度下产生的量子力学效应，其共同拥有的主要结构特征是由半导体或金属组成，电子可被限制在其内部的小岛上。按照电子在岛中被限制的程度，定义了纳米电子器件的三个基本种类：量子点（QD）：岛以零维自由度限制电子；谐振隧穿器件（RTD）：岛以一维或二维自由度限制电子；单电子晶体管（SET）：岛以三维自由度限制电子。,1、量 子 点 （QD）,QD 由在三个方向上尺寸都小的岛组成，从而限制了电子具有零维自由度电子态在三个方向上都是量子化的，像点似的岛可由金属或半导体制成。纳米电子器件中的最小尺寸大约在5100nm之间。这种纳米尺度的岛上的电子体现出两个主要的量子力学效应:

18、量子力学把该电子能量局限于一个电子能级的几分之一，两个势垒之间的间距较小，间隔较宽的能量是势垒之间的势阱中电子的能级；如果势阱足够薄，占据比势垒高度低的能级的电子具有一定的可能性“隧穿”势垒达到或离开岛。,2、谐 振 隧 穿 器 件,谐振隧穿器件的进展可追溯到20世纪70年代，当时美国IBM的Esaki和他的助手第一次报道了在器件中观察到并利用了谐振隧道效应。由于谐振下电流密度较低等原因，该技术被限制了近10年，直到美国麻省理工学院林肯实验室的Sollner及其合作者用其他方法论证了谐振隧穿器件。一个准经典的谐振隧穿器件是谐振隧穿二极管(RTD)。其主要特点是，当采用两种不同材料形成异质结时，

19、将在层界面形成能带不连续性。谐振隧穿晶体管(RTT)是一种电压控制器件，小的栅压可以控制流过器件的大电流。它是通过改变第三端（栅）上的电压，把量子阱相对源的能级进行调整，谐振隧穿晶体管也能用作开关和放大器。,3、单 电 子 器 件,单电子器件具有尺寸小、结构简单、集成密度高及耗能低的特点而倍受瞩目。其典型结构是由双隧道结和库仑岛所组成的双结单电子晶体管，库仑岛是连接两个结的中心区域，由金属或半导体纳米离子形成，隧道结是由两个纳米级间距的电极和中间的绝缘介质组成，可视为漏电的电容即电阻与电容的并联，如下图所示：,用一个电子来控制的电子器件,单电子器件的应用前景,（1） 单电子能谱仪。 单电子器件

20、的一个重要应用是通过测量量子点的单电子充电能，从而得出其能级分布。（2） 灵敏静电计。 现已有很多实验小组实现了超灵敏静电计。实验表明，即使在很强的噪声下，这种超灵敏的静电计也会比目前商用的低温半导体器件灵敏三个数量级。（3） 容量存储器。 采用单电子晶体管的量子存储器，将比目前较先进的16MB DRAM存储器容量增大至少1000倍。（4） 新型高速数字集成电路。 单电子晶体管的隧道结电容可达10-18量级，可用以形成新型高速数字集成电路。（5） 高灵敏红外辐射探测器。 电导在库仑阻塞值的值附近会有极明显的变化，对于某一频率的辐射而言，当外加电压V在一定范围内时，器件会吸收光子而产生电流。这表

21、明单电子器件可用来对高频电磁辐射的检测。,单电子系统研究进展单电子超高密度存储器。 1996年春，日本日立公司在世界上率先研制成功可作为将来高性能存储器件的单电子存储器。目前，日本已研制成能在室温条件下工作的单电子存储器，将比现在最先进的16MB DRAM存储量增大1000倍，达160亿位储量，最终可增大6万倍。Ni-基超小隧道结单电子晶体管。 日本东京大学低温中心采用铁磁绝缘体隧道结技术实现Ni-基超小隧道结单电子晶体管。硅量子点晶体管。 1995年，美国明尼苏达大学Stephen Y.Chou等人在高于100K的温度下，观察到20nm硅量子点晶体管的电流振荡及它的传输方式。纳米氧化工艺。

22、日本松本等的工作开辟了精确制备室温单电子晶体管的新领域。,纳米尺度单电子管的一个实例,分子和原子尺度的单电子晶体管：中心岛分别是C60、纳米碳管和单个原子,单电子存储器-,支撑IT产业的纳米技术：移动硬盘；掌上电脑；数码相机等等。,人们对信息存储设备的要求越来越高：高密度、低能耗。,在普通的硅芯片半导体电路中，实现微晶体二极管通过电路的接同和断开（即代表二进制中的“1”和“0”）这样一个过程需要10万个电子。 德国科学家把55个金或钯原子在平面分布形成所谓的“纳米簇”可达到同样的功能，而实现电路的接通和断开只需要一个电子。当把“纳米簇”置于两个铂电极之中并加以特定电压时，只要一个电子就可以实现

23、晶体二极管的特性。,单电子纳米开关：,分子开关 将纳米级的金属丝在微观世界中编制、组装，甚至自组装起来，开发可控的分子开关。意义：应用于纳米计算机。 由HP实验室Stan Williams制作； HP实验室与加州大学洛杉矶分校合作研制全新的芯片结构； HP特制的STM能自组装金属丝，分子开关。,分子开关的原理,4. 纳米计算机,计算机领域的“登月”计划,IBM宣布两项有着巨大商业应用潜力的科技突破：应用纳米技术制成体积更小、速度更快的计算机；具有自我运行能力的计算机。“爱莉莎”（Eliza）计划，又称计算机领域的登月计划。,计算机的运算速度取决于其中逻辑电路的设计及大小，如何将现有的半导体组件

24、缩小而维持低功率的消耗，是科学家与工程师们努力研究的方向。 从分子电子学(molecularelectronics)的角度，使用具有高介电常数的材质作为绝缘体，可以制造出以碳纳米管为导电通路的场效晶体管及逻辑电路，为计算机电路纳米化提供了希望。,如何实现计算机电路的纳米化？,纳米管质地坚固，有着极强的导电性。纳米管束依碳化时使用的钴镍混合物而可具有各种电子性能，把性能不同的纳米管连接成五角形或七角形可复制出微型芯片元件。用这种方法连接的纳米管可用作芯片元件，发挥电子开关、放大和晶体管的功能。,但目前还没有大批量低成本生产纳米管的方法。不仅如此，科学家对如何把它们拣起来和移动、连接还没有把握。尽

25、管生产出纳米级的碳基电子装置可能需要很多年，但肯定是正确的方向。,-突破性的晶体管技术：碳纳米管未来1020年间最有可能和硅芯片一争高下的计算机芯片的新材料。,碳纳米器件,（由碳纳米管组成的晶体管阵列比硅晶体管要小500倍） 。,纳米碳管虽体积较芯片小，但在电晶体应用方面却远胜目前的产品。现在微电子产品中的硅片电晶体，存量不过是纳米碳管电晶体的1130。,英特尔目前正研究把4200万个电晶体压缩在奔腾4芯片内，这意味着需要付出高昂的开发成本，但性能却不会大幅度突破。若使用纳米碳管，硅片便可以储存数十亿条的纳米碳管（4，200万130），大大提升处理器的容量。,2.1.4 纳米计算机,然而，电子

26、计算机的下一个目标不仅在小型化，还在于找出新方法组织新的电脑结构，主要包括：分子计算机；光计算机；生物计算机（DNA计算机）；量子计算机。,工作原理：由于视紫红质具有特异的热、光、化学物理特性和很好的稳定性，并且其奇特的光学循环特性可用于储存信息，可起到代替当今计算机信息处理和信息存储的作用。 在整个光循环过程中，视紫红质可经历几种不同的中间体过程，伴随相应的物质结构变化，因此具有潜在的并行处理机制和用作三维存储器的潜能。通过调谐激光束，将信息并行地写入细菌视紫红质立方体，并从立方体中读取信息，并且其三维存储器可提供比二维光学存储器大得多的存储空间。,分子计算机,应用几种生物分子制造分子计算机

27、的组件，例如，细菌视紫红质。,光计算机（光脑）,工作原理：靠激光束进入由反射镜和透镜组成的阵列来对信息进行处理。特点是平行运算。,基本电子元件：一个微小的玻璃塔，其中有一层半导体。把一束激光照射在塔上，捕陷在半导体中的电子被释放出；视激光的强弱这些电子会使玻璃塔变得半透明或昏暗；继续照射，光被系统反射，反射回来的讯号就是一个位元的数位信息：是或否、开或关。,光脑元件的原形：玻璃板上排列的几千个小塔和为激光聚焦的一些透镜。,生物计算机（生物电脑）,工作原理：DNA上含有大量的遗传密码，相当于存储的数据，通过与酶的相互作用，可从某基因代码通过生物化学的反应转变为另一种基因代码，转变前的基因代码可作

28、为输入数据，反应后的基因代码可作为运算结果。,例如，人们很容易忘记许多事情，如有一台生物电脑在身，它就可以把你每天所做的事和接触的人以及处理的文字文件统统记录下来，在存储器中长期存储。当你需要回忆时，只需打开生物电脑查询。,生物计算机是人类多年来的梦想。有了它可以实现现有电脑无法实现的模糊推理功能和神经网络运算功能，是智能计算机的突破口之一。,量子计算机（量子电脑）,量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究，而研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。研究发现， 能耗会导致计算机中的芯片发热，极大地影响了芯片的集成度，从而限制了计算机的运行速度，能耗来源于计算过程中的不可逆操作。那么，是

29、否计算过程必须要用不可逆操作才能完成呢？问题的答案是：所有经典计算机都可以找到一种对应的可逆计算机，而且不影响运算能力。既然计算机中的每一步操作都可以改造为可逆操作，那么在量子力学中，它就可以用一个幺正变换来表示。,量子计算机通过利用粒子的量子力学效应，如光子的极化，原子的自旋等来表示0和1以进行存储和计算。,因此，在数学形式上，量子计算对经典计算作了极大的扩充，经典计算可看作是一类特殊的量子计算。量子计算机对每一个叠加分量进行变换，所有这些变换同时完成，并按一定的概率幅叠加起来，给出结果，这种计算称作量子并行计算。除了进行并行计算外，量子计算机的另一重要用途是模拟量子系统，这项工作是经典计算

30、机无法胜任的。,与经典计算机不同，量子计算机可以做任意的幺正变换，在得到输出态后，进行测量得出计算结果。,量子计算机：是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置，基本元件是原子和分子。它处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法。,原理：取决于量子力学一个奇异性质 任何一个粒子都可以想象成同时以许多状态存在，只有在测量的孙件，才会“迫使”它落入一个特定的状态。例如水面上的波纹。,量子的这种常人难以理解的特性使得具有5000个量子位的量子电脑，可在约30秒内解决目前超级电脑要100亿年才能解决的大数因子分解问题。虽然量子电脑的实用化还有很长的路，但它取代硅芯片电脑只

31、是时间问题。,经典计算机与量子计算机：,如何实现量子计算，方案并不少，问题是在实验上实现对微观量子态的操纵确实太困难了。目前已经提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。将来也许现有的方案都派不上用场，最后脱颖而出的是一种全新的设计，而这种新设计又是以某种新材料为基础，就像半导体材料对于电子计算机一样。,量子计算机使计算的概念焕然一新，是与其他计算机如光计算机和生物计算机等的不同之处。 量子计算机的作用远不止是解决一些经典计算机无法解决的问题。比如，分子是保持物质化学性质不变的最小单位。生物分子是很好的信息处理材料，每一个生物大分子本身就是一个微型处理器，分子在运动过程中以可预测方式进行状态变化，其原理类似于计算机的逻辑开关，利用该特性并结合纳米技术，可以此来设计量子计算机。 迄今为止，世界上还没有真正意义上的量子计算机。但是，世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。,总之，纳米计算机的问世，将会使当今的信息时代发生质的飞跃。它将突破传统极限，使单位体积物质的储存和信息处理的能力提高上百万倍，从而实现电子学上的又一次革命。,本节重点：纳米科技的分类；纳米电子学；摩尔定律及其遇到的严重挑战；典型的纳米电子器件；纳米计算机。,