纳米电子学课件
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纳米电子学PPT课件
6
硅材料表面上纳米细线的刻蚀步骤
（a）在Si材料的表面上沉积有一层厚度为65 nm 的抗刻蚀聚合物材料； （b）受到电子束的激励后，抗刻蚀聚合物材料 发生聚合反应而形成一层特殊的抗刻蚀层； （c）将没有受到电子束激励的其余聚合物材料 移去并暴露出Si材料的表面； （d）直接在Si材料上刻蚀出特定的结构。这个 结构将和用电子束在聚合物材料上预先制作的结 构完全相同。
7
硅材料表面上纳米细线的刻蚀
8
光刻的工艺流程
1、清洁处理：清洁的表面才能与光刻 胶有良好的粘附；
2、涂胶：在待光刻的硅片表面均匀地 涂上一层光刻胶。要求粘附良好，均匀；
3、前烘：使光刻胶干燥，以增强胶膜 与硅片表面的粘附性和胶膜耐磨性，同 时使曝光时能进行充分的光化学反应；
9
4、曝光及显影：在曝过光的硅片表面的胶 膜上显影出与掩膜版相同（正性光刻胶）或相 反（负性光刻胶）的图形，显影后的硅片必须 严格检查，以保证光刻的质量；
28
微电子学技术除了在光刻加工技 术上存在着急待突破的技术限制 以外，它还受到了器件内电子行 为的限制和器件功耗过大的限制。
29
首先以芯片微处理器为例来讨论电子行 为对微电子学技术限制。
芯片微处理器是通过逻辑“门”的开或
关来工作的，而“门”的开或关的状态，取
决于有无电流流过。目前，微处理器中的逻
27
没 有 束 斑 直 径 和 平 行 度 要 求 的 STM 和 AFM纳米加工技术将来极有可能成为未来超 大规模集成电路加工的首选工具，扮演非常 重要的角色。在第二和第三章中，我们介绍 了使用STM和AFM人们可以加工出各种不同 尺度的纳米结构。从加工的精度来说STM和 AFM优于现行的任何光刻技术和电子束刻蚀 技术，因为STM和AFM可以加工小到单个原 子的结构（0.3nm）。但是，用STM和AFM 来加工未来的集成电路，同样必须解决加工 速度的问题。
硅材料表面上纳米细线的刻蚀步骤
（a）在Si材料的表面上沉积有一层厚度为65 nm 的抗刻蚀聚合物材料； （b）受到电子束的激励后，抗刻蚀聚合物材料 发生聚合反应而形成一层特殊的抗刻蚀层； （c）将没有受到电子束激励的其余聚合物材料 移去并暴露出Si材料的表面； （d）直接在Si材料上刻蚀出特定的结构。这个 结构将和用电子束在聚合物材料上预先制作的结 构完全相同。
7
硅材料表面上纳米细线的刻蚀
8
光刻的工艺流程
1、清洁处理：清洁的表面才能与光刻 胶有良好的粘附；
2、涂胶：在待光刻的硅片表面均匀地 涂上一层光刻胶。要求粘附良好，均匀；
3、前烘：使光刻胶干燥，以增强胶膜 与硅片表面的粘附性和胶膜耐磨性，同 时使曝光时能进行充分的光化学反应；
9
4、曝光及显影：在曝过光的硅片表面的胶 膜上显影出与掩膜版相同（正性光刻胶）或相 反（负性光刻胶）的图形，显影后的硅片必须 严格检查，以保证光刻的质量；
28
微电子学技术除了在光刻加工技 术上存在着急待突破的技术限制 以外，它还受到了器件内电子行 为的限制和器件功耗过大的限制。
29
首先以芯片微处理器为例来讨论电子行 为对微电子学技术限制。
芯片微处理器是通过逻辑“门”的开或
关来工作的，而“门”的开或关的状态，取
决于有无电流流过。目前，微处理器中的逻
27
没 有 束 斑 直 径 和 平 行 度 要 求 的 STM 和 AFM纳米加工技术将来极有可能成为未来超 大规模集成电路加工的首选工具，扮演非常 重要的角色。在第二和第三章中，我们介绍 了使用STM和AFM人们可以加工出各种不同 尺度的纳米结构。从加工的精度来说STM和 AFM优于现行的任何光刻技术和电子束刻蚀 技术，因为STM和AFM可以加工小到单个原 子的结构（0.3nm）。但是，用STM和AFM 来加工未来的集成电路，同样必须解决加工 速度的问题。
《纳米技术》PPT课件
纳米技术
h
1
纳米
“纳米”是长度单位，1nm=10-9m
即1纳米等于十亿分之一米，大约等于10个氢原子并排起 来的长度，相当于万分之一头发的粗细。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，被称为介观世界。
h
2
纳米技术
纳米科学技术是研究在千万分之一米(10-8m)到亿分之一米 (10-9m)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学 问；同时在这一尺度范围内对原子、分子或原子团、分子 团进行操纵和加工使其形成所需要的物质称为纳米技术。
费曼对纳米技术的最早梦想，成为一个光 辉的起点，人类开始了对纳米世界的探求。
h
6
科学家发现，在纳米的世界里，物质发生了质的飞 跃。比如硅晶体是不发光的，但纳米硅却会发光；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，其长度可以从1cm延伸到 100cm，其厚度可以从1mm减小到0.01mm。
h
14
虽然纳米陶瓷还有许多关键技术需要解决，但其
优良的室温和高温力学性能、抗弯强度、断裂韧
性，使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等
诸多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强
腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作
用，具有广阔的应用前景。
返回
h
15
纳米级微电子元件
日本日立中心实验室利用半导体材料砷化镍， 率先开发新一代微电子元件。这些电子元件呈细长 的鬃状结晶形，粗仅20纳米，可使计算机的计算速 度、通讯用发光元件的效率数十、数百倍地提高。
h
16
超微型计算机
随着微电子技术的不断发展，集成度越来越 高，计算机信息存储芯片越来越小，而存储量却 越来越大，信息容量比现有光盘高100万倍，整个 美国国会图书馆的图书都能存储在一个糖块大小 的芯片中。
h
1
纳米
“纳米”是长度单位，1nm=10-9m
即1纳米等于十亿分之一米，大约等于10个氢原子并排起 来的长度，相当于万分之一头发的粗细。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，被称为介观世界。
h
2
纳米技术
纳米科学技术是研究在千万分之一米(10-8m)到亿分之一米 (10-9m)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学 问；同时在这一尺度范围内对原子、分子或原子团、分子 团进行操纵和加工使其形成所需要的物质称为纳米技术。
费曼对纳米技术的最早梦想，成为一个光 辉的起点，人类开始了对纳米世界的探求。
h
6
科学家发现，在纳米的世界里，物质发生了质的飞 跃。比如硅晶体是不发光的，但纳米硅却会发光；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，其长度可以从1cm延伸到 100cm，其厚度可以从1mm减小到0.01mm。
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14
虽然纳米陶瓷还有许多关键技术需要解决，但其
优良的室温和高温力学性能、抗弯强度、断裂韧
性，使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等
诸多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强
腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作
用，具有广阔的应用前景。
返回
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15
纳米级微电子元件
日本日立中心实验室利用半导体材料砷化镍， 率先开发新一代微电子元件。这些电子元件呈细长 的鬃状结晶形，粗仅20纳米，可使计算机的计算速 度、通讯用发光元件的效率数十、数百倍地提高。
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16
超微型计算机
随着微电子技术的不断发展，集成度越来越 高，计算机信息存储芯片越来越小，而存储量却 越来越大，信息容量比现有光盘高100万倍，整个 美国国会图书馆的图书都能存储在一个糖块大小 的芯片中。
纳米材料及其应用PPT课件
2000s
纳米材料在各个领域得到广泛应用，成为研 究热点。
1990s
纳米技术迅速发展，出现多种制备方法。
2010s至今
纳米技术不断创新，应用领域不断拓展。
02
纳米材料的制备方法
物理法
真空蒸发冷凝法
01
在真空条件下，通过加热蒸发物质，并在冷凝过程中形成纳米
粒子。
激光诱导法
02
利用高能激光束照射物质表面，通过激光能量使物质蒸发并冷
生物法
微生物合成法
利用微生物作为模板或催化剂，通过生物反应合成具有特定结构 和性质的纳米材料。
植物提取法
利用植物中的天然成分作为原料，通过提取和纯化得到纳米材料。
酶催化法
利用酶的催化作用合成具有特定结构和性质的纳米材料。
03
纳米材料的应用领域
能源领域
01
02
03
燃料电池
纳米材料可以提高燃料电 池的效率和稳定性，降低 成本。
纳米材料及其应用 ppt课件
目录
• 纳米材料简介 • 纳米材料的制备方法 • 纳米材料的应用领域 • 纳米材料面临的挑战与前景 • 纳米材料的应用案例分析
01
纳米材料简介
纳米材料的定义与特性
定义
纳米材料是指在三维空间中至少有一 维处于纳米尺度范围（1-100nm）或 由它们作为基本单元构成的材料。
凝形成纳米粒子。
机械研磨法
03
通过机械研磨将大块物质破碎成纳米级粒子，常见于金属、陶
瓷等硬质材料的制备。
化学法
化学气相沉积法
利用化学反应在加热条件下生成纳米粒子，通常需要使用气态反 应剂和催化剂。
溶胶-凝胶法
通过将原料溶液进行溶胶和凝胶化处理，再经过热处理得到纳米 粒子。
纳米材料在各个领域得到广泛应用，成为研 究热点。
1990s
纳米技术迅速发展，出现多种制备方法。
2010s至今
纳米技术不断创新，应用领域不断拓展。
02
纳米材料的制备方法
物理法
真空蒸发冷凝法
01
在真空条件下，通过加热蒸发物质，并在冷凝过程中形成纳米
粒子。
激光诱导法
02
利用高能激光束照射物质表面，通过激光能量使物质蒸发并冷
生物法
微生物合成法
利用微生物作为模板或催化剂，通过生物反应合成具有特定结构 和性质的纳米材料。
植物提取法
利用植物中的天然成分作为原料，通过提取和纯化得到纳米材料。
酶催化法
利用酶的催化作用合成具有特定结构和性质的纳米材料。
03
纳米材料的应用领域
能源领域
01
02
03
燃料电池
纳米材料可以提高燃料电 池的效率和稳定性，降低 成本。
纳米材料及其应用 ppt课件
目录
• 纳米材料简介 • 纳米材料的制备方法 • 纳米材料的应用领域 • 纳米材料面临的挑战与前景 • 纳米材料的应用案例分析
01
纳米材料简介
纳米材料的定义与特性
定义
纳米材料是指在三维空间中至少有一 维处于纳米尺度范围（1-100nm）或 由它们作为基本单元构成的材料。
凝形成纳米粒子。
机械研磨法
03
通过机械研磨将大块物质破碎成纳米级粒子，常见于金属、陶
瓷等硬质材料的制备。
化学法
化学气相沉积法
利用化学反应在加热条件下生成纳米粒子，通常需要使用气态反 应剂和催化剂。
溶胶-凝胶法
通过将原料溶液进行溶胶和凝胶化处理，再经过热处理得到纳米 粒子。
纳米材料及纳米技术应用PPT课件
02
03
生物检测
纳米材料可以作为药物的载体， 实现药物的精准传输和定向释放， 提高治疗效果并降低副作用。
纳米材料可以增强医学成像的效 果，提高诊断的准确性和可靠性。
纳米材料可以用于检测生物标志 物和病原体，快速、准确地诊断 疾病。
环境领域
空气净化
纳米材料可以用于空气过滤和净化，去除空气中的有 害物质和异味。
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03 纳米技术的应用领域
能源领域
高效电池
01
纳米技术可以改善电池的能量密度和充电速度，提高电池的效
率和寿命。
太阳能利用
02
纳米结构可以增强太阳能电池的光吸收和光电转换效率，降低
成本并提高发电量。
燃料电池
03
纳米材料可以提高燃料电池的效率和稳定性，降低燃料电池的
重量和体积。
医疗领域
01
药物传输
医学成像
水处理
纳米技术可以用于水处理，去除水中的有害物质和杂 质，提高水质和安全性。
土壤修复
纳米材料可以用于土壤修复，去除土壤中的重金属和 有害物质，降低土壤污染的风险。
04 纳米材料的安全与伦理问 题
纳米材料对环境和生态系统的影响
纳米材料在环境中的迁移 和转化
纳米材料在土壤、水体和大气中的分布、转 化和归趋，可能对生态系统产生影响。
2000年代以后，随着技术的不 断进步和应用领域的扩大，纳 米科技逐渐成为全球科技领域 的研究热点。
02 纳米材料的基本特性
小尺寸效应
总结词
随着纳米材料尺寸的减小，其物理、化学和机械性能发生变化的现象。
详细描述
当物质尺寸减小到纳米量级时，由于量子尺寸效应和表面效应的影响，纳米材 料的物理、化学和机械性能会发生显著变化，表现出不同于常规材料的特性。
纳米技术ppt课件
在第四个阶段中纳米计算机将得以实现。这个阶段的市场规模将 达到2000亿至1万亿美元。
在第五阶段里，科学家们将研制出能够制造动力源与程序自律化 的元件和装置，市场规模将高达6万亿美元。
.
5. 纳米技术的主要研究项目
主要有超细薄膜、碳纳米管、纳米陶瓷、金属纳米晶体和 量子点线等。
1) 超细薄膜
超细薄膜的厚度通常只有1纳米-5纳米，甚至会做成1个分 子或1个原子的厚度。超细薄膜可以是有机物也可以是无机物， 具有广泛的用途。如沉淀在半导体上的纳米单层，可用来制 造太阳能电池，对开发新型清洁能源有重要意义；将几层薄 膜沉淀在不同材料上，可形成具有特殊磁特性的多层薄膜， 是制造高密度磁盘的基本材料。
.
3) 陶瓷材料 陶瓷材料在通常情况下具有坚硬、易碎的特点，但
由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的 韧性，有的可大幅度弯曲而不断裂，表现出金属般的 柔韧性和可加工性。
.
纳米技术的内容
纳米技术包含下列四个主要方面： 1、纳米材料：
当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1—100纳米这个范围空间，物质的性 能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子， 也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺 度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。
.
2) 碳纳米管
碳纳米管是由碳60分子经加工形成的一种直径只有几纳米 的微型管，是纳米材料研究的重点之一。与其它材料相比， 碳纳米管具有特殊的机械、电子和化学性能，可制成具有导 体、半导体或绝缘体特性的高强度纤维，在传感器、锂离子 电池、场发射显示、增强复合材料等领域有广泛应用前景， 因而受到工业界的普遍重视。目前，碳纳米管虽仍处于研究 阶段，但许多研究成果已显示出良好的应用前景。
在第五阶段里，科学家们将研制出能够制造动力源与程序自律化 的元件和装置，市场规模将高达6万亿美元。
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5. 纳米技术的主要研究项目
主要有超细薄膜、碳纳米管、纳米陶瓷、金属纳米晶体和 量子点线等。
1) 超细薄膜
超细薄膜的厚度通常只有1纳米-5纳米，甚至会做成1个分 子或1个原子的厚度。超细薄膜可以是有机物也可以是无机物， 具有广泛的用途。如沉淀在半导体上的纳米单层，可用来制 造太阳能电池，对开发新型清洁能源有重要意义；将几层薄 膜沉淀在不同材料上，可形成具有特殊磁特性的多层薄膜， 是制造高密度磁盘的基本材料。
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3) 陶瓷材料 陶瓷材料在通常情况下具有坚硬、易碎的特点，但
由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的 韧性，有的可大幅度弯曲而不断裂，表现出金属般的 柔韧性和可加工性。
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纳米技术的内容
纳米技术包含下列四个主要方面： 1、纳米材料：
当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1—100纳米这个范围空间，物质的性 能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子， 也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺 度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。
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2) 碳纳米管
碳纳米管是由碳60分子经加工形成的一种直径只有几纳米 的微型管，是纳米材料研究的重点之一。与其它材料相比， 碳纳米管具有特殊的机械、电子和化学性能，可制成具有导 体、半导体或绝缘体特性的高强度纤维，在传感器、锂离子 电池、场发射显示、增强复合材料等领域有广泛应用前景， 因而受到工业界的普遍重视。目前，碳纳米管虽仍处于研究 阶段，但许多研究成果已显示出良好的应用前景。
3.-纳米功能材料理论基础PPT课件
局限性在于能够处理的系统的大小有限，计算所需要的CPU时间 和存储器容量随着系统中电子数的增加而急剧增加，能够处理的 原子数量一般在1000个原子以内。
只能研究尺寸较小的纳米结构，或得到局部性质，如表面/界面等。
7
-
泛函密度理论的框架
物质的电子结构由多粒子体系哈密顿函数和薛定格方程 描述
通过Born-Oppenheimer 近似，实现离子和电子自由度的 分离
ZnO纳米线激子束缚能与半径的关系(a) L=0轻空穴 (b) L=±1重空穴。
1s，2s和3s分别对应于基态，第一激发态和第二激发态的结合能。
32
-
Z方向波函数的平方在Z方向的分布
33
-
• 沿Z方向的波函数的平方 在Z方向的分布，其中的 实线代表考虑了介电失 配的结果，而虚线代表 没有考虑介电失配的结 果。
26
-
缺陷对ZnO纳米线能带结构的影响
存在VZn, Pi, Oi, PZn-2VZn, VO和 Zni缺陷时ZnO纳米线的 27 - 电子能带结构图。费米能级设定为零。
掺杂对电子结构的影响（费米面处态密度分布）
用SIESTA软件计算的Na、Ga和N掺杂ZnO纳米线在费米面附近的态 密度分布的等高面
带隙与表面原子比
近似线性关系表明带隙随纳米线直径的变化是由表面原子引 21 - 起的。Eg～d的关系可以用来调控发光波长。
Eg与纳米带度/厚度的关系
ZnO纳米带的LDA带隙宽度（EgLDA）随纳米带截面积的尺寸相关变化。 (a)点线连接具有相同宽度不同厚度的纳米带 ，A、B、C代表具有相近
截面积，但不同禁带宽度的情况
(b) 点线连接具有相同厚度不同宽度的纳米带
22
-
只能研究尺寸较小的纳米结构，或得到局部性质，如表面/界面等。
7
-
泛函密度理论的框架
物质的电子结构由多粒子体系哈密顿函数和薛定格方程 描述
通过Born-Oppenheimer 近似，实现离子和电子自由度的 分离
ZnO纳米线激子束缚能与半径的关系(a) L=0轻空穴 (b) L=±1重空穴。
1s，2s和3s分别对应于基态，第一激发态和第二激发态的结合能。
32
-
Z方向波函数的平方在Z方向的分布
33
-
• 沿Z方向的波函数的平方 在Z方向的分布，其中的 实线代表考虑了介电失 配的结果，而虚线代表 没有考虑介电失配的结 果。
26
-
缺陷对ZnO纳米线能带结构的影响
存在VZn, Pi, Oi, PZn-2VZn, VO和 Zni缺陷时ZnO纳米线的 27 - 电子能带结构图。费米能级设定为零。
掺杂对电子结构的影响（费米面处态密度分布）
用SIESTA软件计算的Na、Ga和N掺杂ZnO纳米线在费米面附近的态 密度分布的等高面
带隙与表面原子比
近似线性关系表明带隙随纳米线直径的变化是由表面原子引 21 - 起的。Eg～d的关系可以用来调控发光波长。
Eg与纳米带度/厚度的关系
ZnO纳米带的LDA带隙宽度（EgLDA）随纳米带截面积的尺寸相关变化。 (a)点线连接具有相同宽度不同厚度的纳米带 ，A、B、C代表具有相近
截面积，但不同禁带宽度的情况
(b) 点线连接具有相同厚度不同宽度的纳米带
22
-
《纳米技术》课件
上形成薄膜或结构。
化学气相沉积
利用化学反应，将衬底上的材 料通过化学反应转化为固态薄
膜或结构。
纳米制造技术的应用
微电子器件制造
利用纳米制造技术可以制造出 更小、更快、更低功耗的微电
子器件。
生物医学应用
纳米制造技术可以用于药物输 送、组织工程和诊断试剂的制 备。
环境监测与治理
纳米制造技术可以用于环境监 测和治理领域，例如空气和水 的净化等。
纳米技术的研发和应用需要克服许多技术难 题，如纳米尺度下的控制和测量等。
02
01
成本问题
纳米技术的研发和应用需要大量的资金和资 源投入，成本较高。
04
03
如何应对纳米技术的挑战
加强监管
建立完善的监管体系， 对纳米技术的安全性和 伦理问题进行评估和管 理。
促进合作
加强国际合作和交流， 共同推进纳米技术的研 发和应用。
医疗领域
用于药物输送、肿瘤诊 断和治疗、生物成像等 。
环境领域
用于水处理、空气净化 、土壤修复等。
电子信息领域
用于制造高灵敏度传感 器、超高速集成电路、 高精度光学器件等。
03 纳米制造技术
纳米制造技术的定义与分类
定义
纳米制造技术是指通过控制原子、分 子等微观粒子，在纳米尺度上制造物 质和器件的工艺和技术。
利用纳米技术提高太阳能电池、燃料电池和 储能设备的效率和性能。
环境
利用纳米技术检测和治理环境污染，如水处 理和空气净化。
D
纳米技术的发展历程
1986年，扫描隧道显微镜的 发明，使科学家能够直接观 察到原子和分子的排列。
1989年，碳纳米管的发现， 为纳米材料的研究和应用开 辟了新的领域。
化学气相沉积
利用化学反应，将衬底上的材 料通过化学反应转化为固态薄
膜或结构。
纳米制造技术的应用
微电子器件制造
利用纳米制造技术可以制造出 更小、更快、更低功耗的微电
子器件。
生物医学应用
纳米制造技术可以用于药物输 送、组织工程和诊断试剂的制 备。
环境监测与治理
纳米制造技术可以用于环境监 测和治理领域，例如空气和水 的净化等。
纳米技术的研发和应用需要克服许多技术难 题，如纳米尺度下的控制和测量等。
02
01
成本问题
纳米技术的研发和应用需要大量的资金和资 源投入，成本较高。
04
03
如何应对纳米技术的挑战
加强监管
建立完善的监管体系， 对纳米技术的安全性和 伦理问题进行评估和管 理。
促进合作
加强国际合作和交流， 共同推进纳米技术的研 发和应用。
医疗领域
用于药物输送、肿瘤诊 断和治疗、生物成像等 。
环境领域
用于水处理、空气净化 、土壤修复等。
电子信息领域
用于制造高灵敏度传感 器、超高速集成电路、 高精度光学器件等。
03 纳米制造技术
纳米制造技术的定义与分类
定义
纳米制造技术是指通过控制原子、分 子等微观粒子，在纳米尺度上制造物 质和器件的工艺和技术。
利用纳米技术提高太阳能电池、燃料电池和 储能设备的效率和性能。
环境
利用纳米技术检测和治理环境污染，如水处 理和空气净化。
D
纳米技术的发展历程
1986年，扫描隧道显微镜的 发明，使科学家能够直接观 察到原子和分子的排列。
1989年，碳纳米管的发现， 为纳米材料的研究和应用开 辟了新的领域。
神奇的纳米材料PPT课件
科学新视野
19
5/23/2020
• 2001年 当时美国总统Clinton建立了 National Nanotechnology Initiative ( NNI) ，以推动和协调美国的纳米研究。
The covers of the reports from the National
Nanotechnology Advisory Panel to US President.
科学新视野
20
5/23/2020
3. 观察纳米世界的主要工具
• 扫描隧道显微镜（STM） • 原子力显微镜（AFM） • 扫描电子显微镜（SEM） • 透射电子显微镜（TEM）
科学新视野
21
5/23/2020
3.1 扫描隧道显微镜(STM)
扫描隧道显微镜的照片
刻蚀的钨针尖
科学新视野 5/23/2020
科学新视野
49
5/23/2020
• 1990年 首届国际纳米技术科技会议在美国 巴尔的摩（Baltimore）举办
科学新视野
50
5/23/2020
科学新视野 5/23/2020
一道习题
Klever = 2 nN/nm Ksilicon = ∞ KZnO = ? 如果纳米线长1um，直 径100nm，请计算纳米 线的弹性模量E。
碳纳米管， 各种纳米线
薄膜
科学新视野
13
5/23/2020
科学新视野
14
5/23/2020
2. 纳米的起源和发展Fra bibliotek• 1959年 美国物理学家费曼（Richard Feynman）首先提出，组装原子或分子是 可能的。
科学新视野
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5
纳米电子学
对象：0.1-100nm 的纳米结构（量子点、单个量 子或量子波） 内容：探测、识别与控制其运动规律 研究：
? 在量子点内，单个量子或量子波所表现出来的特征和 功能
? 单个原子、分子人工组装和自组装技术 ? 用于信息的产生、传递和交换的器件、电路与系统
应用：信息科学技术、纳米生物学、纳米测量学、 纳米机械学
纳米技术－纳米电子学
1
无线电电子学
1906年美国发明家德福雷斯特发明真空 电子管 电子管原理
1946年2月14日， 第一台电脑 ENIAC在 美国宾夕法尼亚大学 诞生。
2
微电子学
1947年12月23日美国贝尔实验室的肖克莱、 巴丁、布拉顿发明“点接晶体管放大器”
晶体管原理
贝尔实验室于1954年 研制成功第一台使用 晶体管的第二代计算 机TRADIC
3
微电子学
摩尔定律(Moore's Law) ：
? 集成电路基片上单位面积的晶体管数目在每一次技术改 进中（约18个月）将翻一番
? 1965年提出
下一代微处理 器的线宽只有 35nm，晶体 管有20亿只
电子在Si 中的德布 罗意波长 为10nm
4
纳米电子学
真空电子管、晶体管－－电子“数量” 单电子管－－电子的波动性、量子化 纳米电子学(Nanoelectronics)：提出于 1990年 纳电子学：信号处理时间纳秒（ns），信 号功率纳焦（nW）
14
纳米电子学研究方法
扫描隧道显微镜－－原理
? 量子隧穿效应
样品：金属或半导体 针尖：金属W、Pt-Ir 与样品间偏置电压（1V） 针尖与样品间距小于1nm 电子在针尖与样品间产生隧道电流
? 测量表面原子结构和电子结构 电流I与距离S作指数反比关系： I∝e-S
? 原子级分辨率
针尖尖端小到原子尺度 电流集中在中心区
宏观量子隧道效应
? 即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒 子仍能穿越这一势垒
? 也指波的隧穿
? 量子共振隧穿晶体管、扫描隧道显微镜 ? 在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近
电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件， 使器件无法正常工作
12
纳米电子学
纳米电子学研究方法
扫描探针显微镜SPM
扫描隧道显微镜STM
? 原子之间在不同距离时有斥力或引力作用 ? 针尖(Si3N4)原子与样品原子作用使得易弯曲悬臂起伏 ? 微小偏转由激光检测并放大 ? 工作方式：恒力法、恒高法
原子力显微镜－－纳米级加工
? 直接雕刻加工 ? 电子束光刻加工
导电探针
19
纳米电子学研究方法
高分辨透射电镜(HRTEM)
? 通过材料内部对电子的散射和干涉作用成象 ? 分辨率可达到0.1nm以下 ? 在原子尺度直观的观察材料的微缺陷和结构
原子力显微镜ATM
高分辨率透射电镜HRTEM
偏振差分反射光谱RDS
高空间分辨阴极荧光EL
13
纳米电子学研究方法
扫描探针显微镜（ Scanning Probe Microscope ， SPM）
? 利用探针针尖与表面原子间的不同种类的局域作用来测 量表面原子结构和电子结构
大家族
? 扫描隧道显微镜（Scanning Tunnel Microscope，STM） ? 原子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM） ? 磁力显微镜（MFM） ? 近场扫描显微镜（SNOM）等
9
纳米结构中电子学效应
量子尺寸效应
? 纳米结构某维度尺寸降到纳米量级 ? 电子波动性处于分离的量子化能级中，电子能
谱由准连续变为离散，表面结构和电子态急剧 变化，能隙展宽
? 电导量子、电子的弹道输运、库仑阻塞 ? 场致发光、光吸收带蓝移、导体绝缘化、顺磁体
反磁化
10
纳米结构中电子学效应
纳米级器件中的电子流动不再是连续的，欧姆定律不适用
15
纳米电子学研究方法
扫描隧道显微镜－－测试方法
? 工作模式
模式 维持条件 测量 结果
使用电压
恒流法 电流I
?H 从?H算出?h，得到形貌图 0.01～0.1V
恒高法 总高恒定 I 从logI得到形貌图
0.01～0.1V
? 结果表示
灰度像
线扫描像
计算机模拟三维图像
16
纳米电子学研究方法
扫描隧道微镜－－纳米级加工
6
纳米电子学
纳米结构电子学效应
小尺寸效应
表面效应
量子尺寸效应
库仑堵塞效应
宏观量子隧道效应
7
纳米结构中电子学效应
表面效应
纳米微粒尺寸 d（nm） 10 4 2 1
包含总原子数
3×104 4×103 2.5×102
30
表面原子所占比例 （％） 20 40 80 99
表面原子增多 ->原子配位不足，表面能升高 ->表面原子活性上升 ->纳米粒子表面原子输 运和构型变化，表面电子自旋和电子能谱 变化
? 单原子操纵
高真空下，平行式、垂直式 针尖和样品表面之间施加电压脉冲（数伏电压、数十毫秒 ） 吸附原子将会在强电场109～1010V/m的蒸发下被移动或提取 STM针尖上原子在强电场下蒸发、沉积到样品表面
? 阳极氧化法
电化学反应：针尖为阴极，试件表面为阳极 吸附在试件表面的水分子起电解液作用
17
纳米电子学研究方法
扫描隧道显微镜－－工作条件
? 振动隔离
STM单元尽可能坚固 减少环境振动对STM单元的传递
? 工作环境
大气、惰性气体、超高真空或液体
? 精度
针尖到样品的位置控制优于分辨率
? ?z＝0.01nm，?x、?y＝0.1nm
扫描范围
? Z方向0.1-1μm，X、Y方向0.1-1μm
18
纳米电子学研究方法
原子力显微镜－－原理
8
纳米结构中电子学效应
小尺寸效应
? 小：与光波波长（百nm）、德布罗意波长、玻尔半径 （0.1nm）、相干长度（几nm）、穿透深度相当
? 内部晶体周期性边界条件改变 ? 特征光谱、磁序改变，超导相破坏、非热力学结构相
改变 ? 电、磁、声、光、热等物理性质变化
磁：颗粒变小 ->磁畴由多畴变为单畴 ->反转磁化 方式由畴壁位移变为磁畴转动 ->矫顽力显著增长 -> 制备永磁粉体
库仑堵塞效应
? 20世纪80年代发现 ? 物理体系小至纳米量级时，其充、放电不连续 ? 若一个电子隧穿进入库仑岛，它会阻止第二个
电子再次进入，以保持系统能量稳定 ? 电荷隧穿经过隧道结就像水龙头滴水
库仑堵塞能
? 充入一个电子所需的能量，电子进入或离开 体系中时前一个电子对后一个的库仑排斥能
11
纳米结构中电子学效应
纳米电子学
对象：0.1-100nm 的纳米结构（量子点、单个量 子或量子波） 内容：探测、识别与控制其运动规律 研究：
? 在量子点内，单个量子或量子波所表现出来的特征和 功能
? 单个原子、分子人工组装和自组装技术 ? 用于信息的产生、传递和交换的器件、电路与系统
应用：信息科学技术、纳米生物学、纳米测量学、 纳米机械学
纳米技术－纳米电子学
1
无线电电子学
1906年美国发明家德福雷斯特发明真空 电子管 电子管原理
1946年2月14日， 第一台电脑 ENIAC在 美国宾夕法尼亚大学 诞生。
2
微电子学
1947年12月23日美国贝尔实验室的肖克莱、 巴丁、布拉顿发明“点接晶体管放大器”
晶体管原理
贝尔实验室于1954年 研制成功第一台使用 晶体管的第二代计算 机TRADIC
3
微电子学
摩尔定律(Moore's Law) ：
? 集成电路基片上单位面积的晶体管数目在每一次技术改 进中（约18个月）将翻一番
? 1965年提出
下一代微处理 器的线宽只有 35nm，晶体 管有20亿只
电子在Si 中的德布 罗意波长 为10nm
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纳米电子学
真空电子管、晶体管－－电子“数量” 单电子管－－电子的波动性、量子化 纳米电子学(Nanoelectronics)：提出于 1990年 纳电子学：信号处理时间纳秒（ns），信 号功率纳焦（nW）
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纳米电子学研究方法
扫描隧道显微镜－－原理
? 量子隧穿效应
样品：金属或半导体 针尖：金属W、Pt-Ir 与样品间偏置电压（1V） 针尖与样品间距小于1nm 电子在针尖与样品间产生隧道电流
? 测量表面原子结构和电子结构 电流I与距离S作指数反比关系： I∝e-S
? 原子级分辨率
针尖尖端小到原子尺度 电流集中在中心区
宏观量子隧道效应
? 即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒 子仍能穿越这一势垒
? 也指波的隧穿
? 量子共振隧穿晶体管、扫描隧道显微镜 ? 在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近
电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件， 使器件无法正常工作
12
纳米电子学
纳米电子学研究方法
扫描探针显微镜SPM
扫描隧道显微镜STM
? 原子之间在不同距离时有斥力或引力作用 ? 针尖(Si3N4)原子与样品原子作用使得易弯曲悬臂起伏 ? 微小偏转由激光检测并放大 ? 工作方式：恒力法、恒高法
原子力显微镜－－纳米级加工
? 直接雕刻加工 ? 电子束光刻加工
导电探针
19
纳米电子学研究方法
高分辨透射电镜(HRTEM)
? 通过材料内部对电子的散射和干涉作用成象 ? 分辨率可达到0.1nm以下 ? 在原子尺度直观的观察材料的微缺陷和结构
原子力显微镜ATM
高分辨率透射电镜HRTEM
偏振差分反射光谱RDS
高空间分辨阴极荧光EL
13
纳米电子学研究方法
扫描探针显微镜（ Scanning Probe Microscope ， SPM）
? 利用探针针尖与表面原子间的不同种类的局域作用来测 量表面原子结构和电子结构
大家族
? 扫描隧道显微镜（Scanning Tunnel Microscope，STM） ? 原子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM） ? 磁力显微镜（MFM） ? 近场扫描显微镜（SNOM）等
9
纳米结构中电子学效应
量子尺寸效应
? 纳米结构某维度尺寸降到纳米量级 ? 电子波动性处于分离的量子化能级中，电子能
谱由准连续变为离散，表面结构和电子态急剧 变化，能隙展宽
? 电导量子、电子的弹道输运、库仑阻塞 ? 场致发光、光吸收带蓝移、导体绝缘化、顺磁体
反磁化
10
纳米结构中电子学效应
纳米级器件中的电子流动不再是连续的，欧姆定律不适用
15
纳米电子学研究方法
扫描隧道显微镜－－测试方法
? 工作模式
模式 维持条件 测量 结果
使用电压
恒流法 电流I
?H 从?H算出?h，得到形貌图 0.01～0.1V
恒高法 总高恒定 I 从logI得到形貌图
0.01～0.1V
? 结果表示
灰度像
线扫描像
计算机模拟三维图像
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纳米电子学研究方法
扫描隧道微镜－－纳米级加工
6
纳米电子学
纳米结构电子学效应
小尺寸效应
表面效应
量子尺寸效应
库仑堵塞效应
宏观量子隧道效应
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纳米结构中电子学效应
表面效应
纳米微粒尺寸 d（nm） 10 4 2 1
包含总原子数
3×104 4×103 2.5×102
30
表面原子所占比例 （％） 20 40 80 99
表面原子增多 ->原子配位不足，表面能升高 ->表面原子活性上升 ->纳米粒子表面原子输 运和构型变化，表面电子自旋和电子能谱 变化
? 单原子操纵
高真空下，平行式、垂直式 针尖和样品表面之间施加电压脉冲（数伏电压、数十毫秒 ） 吸附原子将会在强电场109～1010V/m的蒸发下被移动或提取 STM针尖上原子在强电场下蒸发、沉积到样品表面
? 阳极氧化法
电化学反应：针尖为阴极，试件表面为阳极 吸附在试件表面的水分子起电解液作用
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纳米电子学研究方法
扫描隧道显微镜－－工作条件
? 振动隔离
STM单元尽可能坚固 减少环境振动对STM单元的传递
? 工作环境
大气、惰性气体、超高真空或液体
? 精度
针尖到样品的位置控制优于分辨率
? ?z＝0.01nm，?x、?y＝0.1nm
扫描范围
? Z方向0.1-1μm，X、Y方向0.1-1μm
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纳米电子学研究方法
原子力显微镜－－原理
8
纳米结构中电子学效应
小尺寸效应
? 小：与光波波长（百nm）、德布罗意波长、玻尔半径 （0.1nm）、相干长度（几nm）、穿透深度相当
? 内部晶体周期性边界条件改变 ? 特征光谱、磁序改变，超导相破坏、非热力学结构相
改变 ? 电、磁、声、光、热等物理性质变化
磁：颗粒变小 ->磁畴由多畴变为单畴 ->反转磁化 方式由畴壁位移变为磁畴转动 ->矫顽力显著增长 -> 制备永磁粉体
库仑堵塞效应
? 20世纪80年代发现 ? 物理体系小至纳米量级时，其充、放电不连续 ? 若一个电子隧穿进入库仑岛，它会阻止第二个
电子再次进入，以保持系统能量稳定 ? 电荷隧穿经过隧道结就像水龙头滴水
库仑堵塞能
? 充入一个电子所需的能量，电子进入或离开 体系中时前一个电子对后一个的库仑排斥能
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纳米结构中电子学效应