第二章 纳米科技的典型研究方向-1

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：个电子；
器件内电子行为和器件功耗过大的限制：
（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。
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。
电子器件的构造将发生根本的改变。
回顾：纳米电子学的研究内容
1. 在特征长度为0.1~100 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）； 2. 研究原子、分子人工组装和自组装而成的器件（工艺）；
3. 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）。
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
？
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 effect) ：
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： 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。
2. 研究原子、分子人工组装和自组装而成的器件（工艺）；
3. 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
挑战的解决方法：
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。 解决思路：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，将现有的集成 电路进一步向微型化延伸 。
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。
（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。
（3）库仑阻塞现象：纳米颗粒上有了 一个电子后，电子间的斥力将阻挡下一 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。
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
（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，
未来的纳电子器件要比现有的微电子器件的
存储密度高5~100倍，速度快10~100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）器件功耗过大。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。
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。
几种能提高刻蚀精度的光刻方法
缺点：能被空气吸收，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。
挑战的解决方法：
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。
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
第二章 纳米科技的典型研究方向
2.1 纳米电子学 2.2 纳米微机械技术(MEMS)
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：
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此要求作出 的超电子研究计划（ultra electronics）:
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
2.1.1 摩尔定律的挑战与纳米电子学的研究内容
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，新芯片的集成度将提高一 倍，同时性能提高一倍。
以存储器为例：
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-----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。
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： 纳米电子时代将 材料、工艺、理论和应用。 带来什么变化？
2.1.1.2 纳米电子学的研究内容
1. 在特征长度为0.1~100 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）；
以微电子学为代表的微米技术，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：
>106个 >105个

工作时钟频率大幅度提高
2.1.2 纳米电子器件的加工技术
“从上到下” 法
“从下到上”法
2.1.3、纳米电子器件
定义：特征尺寸1.0~10nm的纳电子器件。
为适应电子器件微型化的需要，场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：
微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。

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.