人工物性剪裁和纳米科技
纳米科技技术的创新进展解读
纳米科技技术的创新进展解读纳米科技技术是21世纪以来一个备受关注和研究的领域。
纳米科技指的是在纳米尺度下（一纳米等于十亿分之一米），利用物质的量子、结构和性能的特殊性质来设计、制造和应用各种材料和设备。
具有独特的尺度效应和表面效应的纳米材料和纳米器件，为科学家们带来了前所未有的创新机遇。
下面将对纳米科技技术的创新进展进行解读。
首先，纳米材料的制备和性能优化是纳米科技技术的重要研究方向。
通过纳米尺度下的特殊结构和量子效应，纳米材料展现出了非常出色的性能。
例如，研究人员通过控制纳米颗粒的尺寸和形态，成功地改善了材料的力学强度、导电性能和磁性能等。
这种能够精确控制纳米尺度结构的技术为材料科学和工程提供了崭新的思路和设计方法。
其次，纳米科技技术在医疗领域的应用也取得了令人瞩目的进展。
纳米医学作为纳米科技应用的一个重要方向，已经在疾病的预防、诊断和治疗等方面展现出巨大潜力。
纳米颗粒和纳米结构可以被设计成靶向，通过与生物体的相互作用，实现精确的药物送达。
此外，纳米材料还可以用于疾病遗传信息的监测和诊断，提高了医学检测的精确性和敏感性。
纳米技术的应用不仅提高了药物治疗的效果，还降低了药物对人体的副作用。
另外，纳米科技技术的创新进展也对环境保护和能源领域带来了巨大影响。
纳米材料的独特性质为清洁能源的转化和存储提供了新的解决方案。
例如，纳米催化剂可以提高化学反应的效率和选择性，促进清洁燃料的制备和利用。
此外，纳米材料在太阳能电池、燃料电池和储能设备等能源领域中的应用，可以提高能源转换效率和储能容量。
通过纳米科技技术的创新，我们有望实现能源的可持续发展和环境的可持续保护。
除此之外，纳米科技技术在电子信息领域也取得了可喜的进展。
纳米材料的特殊性质使其成为下一代电子器件的理想选择。
例如，纳米晶体管可以实现更小的电子器件、更快的运算速度和更低的功耗。
此外，纳米光学和纳米光电子学等领域的研究，为下一代光电器件的发展提供了新的思路和可能性。
纳米科学和技术的前沿和发展趋势
纳米科学和技术的前沿和发展趋势纳米科学和技术是近年来最受关注的一个领域，因其极小尺度的研究对象和应用前景，不同于传统科技领域，被誉为“21世纪的革命性科技”。
它以纳米米（一个亿分之一米）为尺度，利用纳米颗粒、纳米结构和纳米装置等纳米材料开发出全新的产品、技术和应用，涉及硅电子、医药卫生、能源环保、材料科学和仿生学等各个领域，且不断拓展新的研究领域。
本文将从纳米材料、纳米生物技术和纳米电子三个方面探讨纳米科学和技术的前沿和发展趋势。
一、纳米材料纳米材料是纳米科技的基础。
它不仅有着普通材料所没有的新性质，如量子效应、磁性、光学性质等，还能制造出高强度、高韧性、高导电性、高导热性、高化学活性和高反应活性等特性，极大地增强了材料的性能。
近年来，石墨烯、碳纳米管等纳米材料因其独具优势的性质及广泛的前景，成为纳米材料中的热点材料。
石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维结构材料，拥有极高的电子流动性和机械强度，可应用于柔性电子、纳米电子器件、光学、催化等领域。
由于石墨烯的多功能性，学术界正在探索石墨烯在新能源开发领域的应用，如锂离子电池、超级电容器、电解水制氢等。
碳纳米管是一种纳米级管状结构的碳材料，具有较高的机械强度、导电性和导热性，而其宽窄、表面修饰、打孔等结构特点也影响其物性和应用。
目前，碳纳米管已有了很多的应用领域，包括电池、传感器制假、生物传感等等。
二、纳米生物技术纳米生物技术是一种交叉学科，将纳米科学和技术与生物学相结合，可以制备新型的生物材料、探测技术、生物医药与诊断工具，不仅可以用于治疗疾病、提高药物作用效果，还可以开发更高效、高安全的药物，可望为医学治疗带来突破性进展。
纳米生物材料是拥有纳米级尺寸的生物材料，可利用其特殊的生物学、物理学和化学性质，制备出一般生物材料所无法比拟的新型生物学材料。
纳米生物材料主要包括纳米结构复合材料、纳米尺度半导体器件、生物传感器、纳米医药等领域。
生物传感器是一种对特定生物信号进行探测和检测的机器，以研究和分析生物体内发生的生物学现象。
纳米科技技术的基本原理解析
纳米科技技术的基本原理解析引言：纳米科技是目前科技领域中备受关注的一个研究领域。
作为研发人员和科技爱好者，我们应该了解纳米科技的基本原理是什么，它如何影响我们的生活。
本文将对纳米科技的基本原理进行解析，并探讨其在各个领域中的潜在应用。
一、纳米科技的定义：纳米科技是研究和应用物质的特性和行为在纳米尺度范围内的科学与技术。
纳米尺度通常被定义为1到100纳米之间，即百万分之一至十六分之一的直径。
二、纳米科技的基本原理：纳米科技的基本原理主要涉及纳米材料和纳米结构。
纳米材料在纳米尺度下具备独特的物理、化学和生物学性质，相较于宏观材料具有许多优势。
1. 尺度效应：尺度效应是纳米科技的核心原理之一。
纳米材料的尺寸在原子和分子的尺度上，因此其性质与宏观材料存在明显差异。
纳米颗粒具有更大的比表面积，可提供更多的活性位点，从而在催化、吸附等方面表现出卓越性能。
2. 表面效应：相较于宏观材料，纳米材料的表面积更大，因此有更多的原子或分子暴露在表面。
纳米粒子的表面存在着更多的能级，使得其在催化、光催化、传感等应用中表现出更高的活性。
3. 量子效应：在纳米尺度下，物质的电子和光学性质会受到量子效应的影响。
量子效应使得纳米材料在光电、光学、磁性等方面表现出独特的特性。
例如，纳米晶体的量子点可发光颜色取决于颗粒的尺寸。
三、纳米科技的应用领域：纳米科技的应用潜力广泛，涵盖了许多领域，包括医疗、能源、材料、电子、环境等。
1. 医疗应用：纳米技术在医疗领域中有着巨大潜力。
纳米粒子可以作为载体，用于传递药物、基因，以及在肿瘤治疗中的靶向治疗。
纳米传感器可以用于检测和监测生物分子，以提高疾病的早期诊断和治疗效果。
2. 能源应用：纳米材料在能源领域中有广泛的应用前景。
纳米材料的电子、光学和磁性性质特殊，适用于太阳能电池、电池、液流电池以及催化剂等能源转换和储存设备中。
3. 材料应用：纳米材料在材料领域中应用广泛，可以用于制备高强度、高韧性、高导电导热等新型材料。
材料科学中的先进技术
材料科学中的先进技术随着科技的进步，材料科学的应用范围越来越广泛。
各种各样的先进技术不断出现，既能提高生产效率，也能改善人们的生活质量。
先进的材料制备技术在材料制备方面，纳米技术、合成生物学技术、快速凝固技术等都是目前比较先进的制备技术。
其中，纳米技术应用最为广泛。
纳米科技能制造出尺寸在纳米级别的材料，这种材料具有很强的可塑性和抗腐蚀性，能够制作出更加坚固、更加轻便的材料。
比如利用纳米技术制造的防弹衣，可以有效保护士兵免受子弹伤害。
先进的材料加工技术在材料加工领域，先进的技术主要有三维打印技术、激光加工技术、电化学加工技术等等。
其中，三维打印技术最为先进。
三维打印技术能制造出更加复杂的立体零件，而且减少了人工加工的时间和成本。
这种技术在航空、汽车等制造工业中有着巨大的应用前景，能够为制造业带来更高的效益。
先进的材料分析技术在材料分析领域，先进的技术有X射线衍射分析技术、核磁共振技术、原子力显微镜等等。
其中，原子力显微镜应用最为广泛。
原子力显微镜能够通过扫描分析样品表面上的原子级别的缺陷和组织构造，能够对材料的性能进行更加精确的分析。
先进的材料性能测试技术在材料性能测试领域，现在比较先进的技术有纳米压痕技术、电子束退火技术、脉冲激光技术等等。
其中，纳米压痕技术最为先进。
纳米压痕技术是一种新兴的材料性能测试技术，在纳米级别下能够对材料硬度、弹性模量、粘附强度等性能进行测试，可以极大地提高材料的研究效率。
总的来说，材料科学中的先进技术是推动材料发展的重要力量。
通过这些先进技术的应用，我们能够制造出更加坚固、更加轻便的材料，改善我们的生活质量，也为制造业带来了更高的效益。
通过不断研究和提高，相信材料科学中的先进技术还将不断创新，带来更多的惊喜。
人工物性剪裁和纳米科技
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（1）组分调制超晶格
在超晶格结构中，如果超晶格的重复单元是由不同半导 体材料的薄膜堆垛而成，则称为组分超晶格。在组分超晶格 中，由于构成超晶格的材料具有不同的禁带宽度，在异质界 面处将发生能带的不连续。
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按异质结中两种材料导带和价带的对准情况，江崎把异质 结分为三类： Ⅰ型异质结 : 窄带材料的禁带完全落在宽带材料的禁带中， ΔEc和ΔEv的符号相反。不论对电子还是空穴，窄带材料都是 势阱，宽带材料都是势垒，即电子和空穴被约束在同一材料中。 载流子复合发生在窄带材料一侧。 GaAlAs/GaAs和InGaAsP/InP都属于这一种。
迄今为止 , GaAs/AlGaAs 调制掺杂异质结能获得的电子 迁移率已高达1×107cm2/ V· s 。
29
30
超晶格材料——量子阱
•
▫
结构
1969年Esaki（江畸）和Tsu（朱肇祥）提出了超晶格的概 念。所谓超晶格是指两种或两种以上几个原子或纳米厚度 的不同物质的薄膜交替叠合在一起形成的多周期的结构。 超晶格材料由于在两种交替生长的方向上引入了一个远大 于原晶格常数的周期，而值又小于电子的德布罗意波的波 长，这样，在原来周期性晶格势场上再加上这样一个人为 引进的一维周期势场， 使原来的能带结构分离为许多由能 隙分开的狭窄的亚能带，使电子的共振隧穿发生了很大的 变化。在生长方向上原来边界为的布里渊区会分裂成边界 为许多微小布里渊区。
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Ⅱ型异质结（ΔEc和ΔEv的符号相同），分两种： *ⅡA类超晶格：材料1的导带和价带都比材料2的低，禁带是 错开的。材料1是电子的势阱，材料2是空穴的势阱。电子和 空穴分别约束在两材料中。超晶格具有间接带隙的特点，跃 迁几率小，如GaAs/AlAs超晶格。
纳米技术的应用与展望
纳米技术的应用与展望纳米技术是一门涉及极小尺度物质设计、制造和应用的科学技术。
随着科技的不断发展，纳米技术的应用范围也不断拓展。
本文将从纳米材料、生物医学和能源领域三个方面探讨纳米技术的应用和展望。
一、纳米材料纳米材料是纳米技术最为广泛应用的领域之一。
纳米材料的尺寸在1-100 纳米之间，具有独特的物理、化学、机械和光学性质。
纳米材料在电子、光电子、磁电子、催化、储能、降解等领域均有广泛的应用。
例如，纳米碳管是一种具有极好导电性、机械性和热稳定性的新材料，被广泛应用于导电材料和结构材料等领域。
纳米金粒子具有高度的催化活性，可被应用于制备新型触媒材料，用于清洁能源和环境保护等领域。
此外，纳米复合材料也是纳米技术的重要应用之一，可以利用不同大小的纳米材料进行混合，获得独特的物性，如高强度、高韧性、低密度等。
纳米材料的应用还可以拓展到食品、纺织、建筑材料等领域。
例如，在食品领域，纳米银粒子和纳米二氧化硅已经被应用于食品保鲜、抗菌和防腐等方面。
在建筑材料领域，纳米粉末和纳米纤维也可被应用于制备高性能水泥和增强水泥，从而提高材料的耐久性和强度。
二、生物医学纳米技术在生物医学领域也有着广泛应用。
例如，纳米技术对于肿瘤治疗具有极大的潜力。
纳米粒子可以通过改变表面性质，使其在体内好吸附在癌细胞表面，或者通过自组装形成可控释放的酵素，并可以被定向送至肿瘤细胞。
这些技术可以提高治疗的效果，同时降低药物的副作用。
此外，纳米技术还可被应用于生物成像和诊断。
例如，纳米磁性材料可以帮助构建基于磁共振成像的新型诊断方法，同时听见某些离子相互作用的光谱品稀紫外线可以快捷地鉴定出血液和尿液中的一些疾病征象。
三、能源领域纳米技术在能源领域的应用也不断拓展，如太阳能电池、储能材料、清洁燃料等方面都可以应用到纳米技术。
纳米结构材料的特异性质具有产生增加太阳能电池的大量性，或使用如纳米颗粒、纳米有机气体选择性感应膜等结合方式纳米复合能效产生订单级别的直接提高。
新材料研究中的前沿技术
新材料研究中的前沿技术随着科技不断的进步，我们对材料的需求逐渐增加。
材料不仅要经济实用，还要兼顾环保等因素。
新材料的研究因此显得尤为重要。
在新材料的研究中，前沿技术扮演着重要的角色。
在本文中，我们将谈论一些在新材料研究中的前沿技术。
一、纳米技术纳米技术是指通过对原材料的物理和化学性质进行改变，制造尺寸在1-100纳米之间的物质的一系列技术。
在实现纳米技术的过程中，需要使用一些原子级别的器械，如扫描探针显微镜。
纳米材料的表面积相对于其体积较大，因此具有很多特别的性质。
纳米技术的应用范围非常广泛，它可以制造出用于太阳能电池、电子传感器、飞行器和生物医学设备的先进材料。
二、3D打印技术3D打印技术是指通过使用数字模型直接制造出三维空间实体的一种方法。
在3D打印技术中，使用的原材料可以是塑料、金属、混合材料等。
3D打印技术的应用范围越来越广泛，它可以制造出工业零件、骨骼支架、人工器官、食品产品等等。
由于3D打印技术可以直接制造出物体，因此可以实现不再需要多次加工的目标，同时还可以有效减少废弃物的产生。
三、材料模拟技术材料模拟技术是指通过使用计算机模拟方法，模拟材料的物理和化学性质的技术。
在材料模拟技术中，科学家可以改变原材料的结构和组成，进行多次模拟，以确定材料最终的特性和性能。
材料模拟技术可以帮助科学家预测材料的性能和结构，而且在设计新材料时也具有很大的帮助。
材料模拟技术还可以加快材料研究的速度，同时降低生产成本。
四、生物仿生技术生物仿生技术是指通过从自然界中学习生物研究成果，以设计、制造和应用人造材料的方法。
在生物仿生技术中，科学家可以学习自然界中的各种生物系统，以推导出材料的最佳特性和性能。
生物仿生技术的应用范围非常广泛，如开发高效能源材料、高强度金属、高尔夫球、医用支架和工业机器人等。
五、石墨烯技术石墨烯是由碳原子单层构成的强度很高、导电性和导热性很好的物质。
石墨烯技术是指通过化学合成、机械剥离、化学气相沉积等方法制造出石墨烯片的一系列技术。
幼儿园小朋友们的纳米科技教育指南
幼儿园小朋友们的纳米科技教育指南幼儿园的纳米科技教育是一项旨在启发和培养幼儿对纳米科学的兴趣和理解的教育活动。
通过提供积极的学习环境和创造性的体验，幼儿园为小朋友们打开了一扇尖端科技的大门。
下面是一份全面详细的幼儿园纳米科技教育指南，以帮助教师和家长更好地指导和支持幼儿的学习。
第一部分：纳米科技介绍1. 什么是纳米科技？纳米科技是一门研究和应用物质的科学，其关注点是微小到纳米尺度的物质特性和现象。
纳米尺度指的是一米的十亿分之一，相当于头发丝宽度的五千分之一。
2. 为什么纳米科技重要？纳米科技在许多领域中都有广泛的应用，如医学、电子、材料科学等。
通过探索纳米世界，我们可以发现许多新奇的物性和应用，同时也为未来创新提供了无限可能。
3. 纳米科技对幼儿的意义纳米科技教育可以培养幼儿对科学的兴趣和好奇心，为他们未来的学习打下坚实的基础。
通过纳米科技的教育，幼儿能够培养创造力、观察能力和解决问题的能力。
第二部分：纳米科技学习活动1. 怎样向幼儿介绍纳米科技？可以使用简单有趣的绘本、图片和实物来介绍纳米科技的概念，并引导幼儿通过观察和探索来理解纳米尺度和纳米材料。
2. 幼儿园纳米实验室创设一个小型的纳米实验室，提供安全的实验设备和材料供幼儿自由尝试。
有针对性的实验活动，如纳米颜料的制作、纳米材料的属性比较等，可以帮助幼儿直观地了解纳米科技。
3. 纳米艺术创作鼓励幼儿用纳米材料进行艺术创作，如使用纳米颜料进行绘画、利用纳米贴纸制作手工艺品等。
这样的活动可以培养幼儿的艺术创造力和对纳米材料的理解。
4. 纳米材料图书馆在幼儿园图书馆中设置一个专门面向纳米材料的角落，展示有关纳米科技的图书和绘本。
教师可以选择适合幼儿阅读的纳米科普书籍，帮助他们理解纳米材料的奇妙世界。
第三部分：纳米科技教育的重要性及应用1. 培养科学兴趣纳米科技教育可以激发幼儿对科学的兴趣和求知欲。
通过实践和观察，幼儿能够亲身体验纳米世界的奇妙之处，培养科学思维和解决问题的能力。
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E = E (kz) + ħ2/2m (kx2+ky2)
在xy平面内电子的动能是连续的，
z方向附加周期势场使电子的能
A
量分裂为一系列子能带。
B
不连续点的kz值满足: kz =±n /D，D为超晶格周期。
2020/11/8
超晶格的分类
1、一种材料交替以n型和p型杂质 2、两种晶格匹配的材料交替成层→得到周期变化
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5.2 光学双稳态器件
• 光学双稳态器件可能成为全光逻辑和计算机中的关键 元件。发展半导体光学双稳态器件的目标是小型化、快 速、低功率和高温工作。
• 利用纯GaAs体材料做的光学双稳态器件室温下工作时 要求光脉冲高达10kW，而利用超晶格和量子阱结构的激 子饱和吸收做的光学双稳态器件要求的输入功率仅在 100mW以下。
• 介电受限效应
• 电光效应 (1)弗朗兹—凯尔迪什效应 (2)弗朗兹—凯尔迪什振荡
2020/11/8
纳米科技
• 纳米微粒 • 纳米固体 • 纳米材料的特性 (1)小尺寸效应 (2)表面与界面效应 (3)量子尺寸效应 (4)库仑阻塞效应
纳米科技发展的意义
新型人造周期性半导体结构的材料。
优点: (1)任何一种半导体材料只要很好 控制掺杂类型都可以做成超晶格。 (2)多层结构的完整性非常好，由 于掺杂量一般较小，所以杂质引 起的晶格畸变也较小。因此，掺 杂超晶格中没有像组分超晶格那 样明显的异质界面。 (3) 掺杂超晶格的有效能隙可以 具有从零到未调制的基体材料能 量隙之间的任何值，取决于对各 分层厚度和掺杂浓度的选择。
2020/11/8
瓦尼尔—斯塔克阶梯
• Bloch振荡→电子的运动产生了局域化→瓦尼尔预 言：准连续的能带在电场F的作用下，分裂成一系 列等能量间距为eFd的的能态→瓦尼尔—斯塔克态。
2020/11/8
电荷密度波与超晶格
• ρ(x)=ρ0+ρ1cos(Qx+ѱ) • 超晶格的晶格常数d与CDW的周期相同，则超晶
V
(
x)
0
0 z W z 0 or z W
（3-1）
有效质量方程分析（前提：势 能在空间缓变，即要求阱宽远 大于晶体的晶格常数）
2 [ 2m
(
2 x
2 y
)
2 2m
2 z
V
(z)]
(x,
y,
z)
E
(x,
y,
z)
（3-2）
2020/11/8
Stark效应
• 原子或分子在外电场作用下能级和光谱发生分裂 的现象。具体地讲，就是在电场强度约为100万 伏/厘米时，原子发射的谱线的图案是对称的，其 间隔大小与电场强度成正比。在此之前，塞曼等 科学家也做过此类研究，但都失败了。斯塔克在 凿孔阴极后仅几毫米处放置了第三个极板，并在 这两极之间加了2万伏/厘米的电场，然后用分光 计在垂直于射线的方向上测试，观察到了光谱线 的分裂。
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•Hale Waihona Puke 超晶格的布里渊区和亚带结构▫ 用周期为a的晶体生长成周期为d的超晶格结构，由于d比a大很多， 所以在倒易空间中，超晶格的周期比晶体的周期小很多。一维晶体 的第一布里渊区(-π/a，π/a)，由于d>a，所以将使超晶格结构原布 里渊区分割成许多小区，其第一子区的范围是(-π/d，π/d)。由于 超晶格中势垒区很薄，相邻量子阱间有弱耦合，使其量子能级扩展 为窄能带，称为亚带(或子带)，带内能量几乎是连续的。
• 量子点——准零维体系，载流子在任何方向都不 能自由运动→纳米微粒→纳米科技
2020/11/8
半导体量子点中的电子态
一、电子三种典型受限情况 1、强受限 2、中等受限 3、若受限 二、忽略库仑相互作用的情况
三、考虑相互作用的情况
2020/11/8
半导体量子点玻璃的性质
• 量子尺寸效应
• 库仑阻塞效应
人工物性剪裁和纳米科技
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超晶格和量子阱的一般描述
超晶格: Esaki和Tsu（江崎和朱兆祥）在1969年提出了超晶 格概念，设想将两种不同组分或不同掺杂的半导体超薄层A和 B交替叠合生长在衬底上，使在外延生长方向形成附加的晶格 周期性。
当取垂直衬底表面方向(垂直方向)为Z轴，超晶格中的电子沿 z方向运动将受到超晶格附加的周期势场的影响，而其xy平面 内的运动不受影响。导带中电子的能量可表示为:
• D. A. B. Miller等人提出了一种新型的混合的光学 双稳态开关器件，它可在更小的光功率下工作，称为自 光效应器件（SEED）。
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自光电效应器件的外接线路图
改变外电路电压和电阻可以使开关的启动功率和 开关时间在较大范围内变动。
2020/11/8
量子线、量子点
• 量子线——载流子只能在一个空间方向上自由运 动
格周期d与原晶格周期a的比值d/a: (1)是有理数，成为公度的→晶体有周期性 (2)是无理数，称为非公度的→晶体一般无周期性
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量子限制效应(quantum confinement effect)
量子阱宽度小于电子运动的Bloch波长，电子在垂直异质结结 面的方向（z方向）的运动约束到一系列分裂的能级。 设势能
的人工长周期晶格结构
实现：依靠分子束外延技术的发展
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（1）组分调制超晶格
在超晶格结构中，如果超晶格的重复单元是由不同半导 体材料的薄膜堆垛而成，则称为组分超晶格。在组分超晶格 中，由于构成超晶格的材料具有不同的禁带宽度，在异质界 面处将发生能带的不连续。
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（2）掺杂调制超晶格 在同一种半导体中，用交替地改变掺杂类型的方法做成的
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但在小区边界上能量 不连续，并出现禁带。 这样，原来半导体的 每个导带就变成由许 多亚带组成，见图2。 这种现象称为折叠， 其小区的数量为d/a。
图2超晶格布里渊区和亚带
2020/11/8
负微分电导现象（NDC）
• 随着漏端电压的增大，漏端电流的减小，出现负 微分电导。
• 一般认为, 发生负微分电导现象是由于在器件的饱 和工作区, 硅膜内的温度升高, 迁移率下降, 使漏端 电流降低。