章-低维半导体材料
（物理化学专业论文）低维（VIa族化合物）半导体纳米材料的制备及表征
⑧浙江大学博十学位论文第一章绪论纳米是一种长度度量单位，即米的十亿分之一。
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（１一１００ｍ）或者由它们作为基本单元构成的材料。
广义地说，纳米材料是泛指含有纳米微粒或纳米结构的材料。
１．１．１纳米材料的诞生及其发展早在】８世纪６０年代，随着胶体化学的建立，科学家们就开始了对纳米微粒体系（胶体）的研究。
到２０世纪５０年代末，著名物理学家，诺贝尔奖获得者理查德·费曼首先提出了纳米技术基本概念的设想。
他在１９５９年１２月美国加州理工学院的美国物理年会上做了一个富有远畿鬈０意黑２＝：盏：篙翼盎：见性的报告，并做出了美妙的设想：如果有一天可以按人的意志安排一个个原子，那将会产生怎样的奇迹？理查德·费曼先生被称为“纳米科技的预言人”。
随后，１９７７年美国麻省理工学院的学者认为上述设想可以从模拟活细胞中生物分子的研究开始，并定义为纳米技术（ｎａｎｏｔｃｃｈｎｏｌｏｇｙ）。
１９８２年Ｂｉｎｉｎｉｎｇ和Ｒｏｈｒｅｒ研制成功了扫描隧道显微镜（ｓ１Ｍ），从而为在纳米尺度上对表面进行改性和排布原子提供了观察工具。
１９９０年美国ＩＢＭ公司两位科学家在绝对温度４Ｋ的超真空环境中用ｓＴＭ将Ｎｉ（１１０）表面吸附的ｘｅ原子在针尖电场作用下逐一搬迁，⑧浙江大学博士学位论文电子既具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。
近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。
量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。
例如，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，经典电路的极限尺寸大概在Ｏ．２５ｕｍ。
目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件。
低维材料及其应用技术
低维材料及其应用技术
低维材料就是指原子、分子或基本单位的维度很低的材料，它们包括
纳米结构材料、分子材料和低维半导体材料。
这些材料拥有独特的机械性
能和功能，可以用于在微纳尺度上制造新型材料，从而极大的改善材料的
外观、性能和功能。
第一，低维材料的应用技术大致可以分为三种：多尺度材料处理技术、微纳米计算技术、介观材料组装技术。
多尺度材料处理技术可以将材料调节到特定的结构，以实现具有特定
功能的材料。
现代材料学和工程越来越探索多种尺度处理技术的发展，如
金属有机框架态材料（MOFs）和金属-有机复合物（MOCs），以提高材料
的制备效率和加工成型性能。
微纳米计算技术可以利用有机内分子的特性来计算和模拟复杂的材料
结构和性能。
通过分析样品的原子结构，以便提出相应的构造方案，进而
可以设计新的结构材料，例如金属-有机配合物（MOFs）和金属有机骨架
金属（MOMs），还可以研究它们的物理性质、化学性质和生物活性。
介观材料组装技术可以组装特定的结构元素构成新型材料。
低维半导体材料的制备及其性质研究
低维半导体材料的制备及其性质研究一、引言半导体材料是一类常见的电子材料，在现代电子技术和信息技术领域广泛使用。
在这一领域，低维半导体材料具有广阔的应用前景。
低维半导体材料是指在两个或三个维度上具有特殊性质的半导体材料，如二维（2D）材料和纳米线等。
本文将从低维半导体材料的制备方法、其物理和化学特性、及其在电子学和光学等领域的应用等方面进行深入探讨。
二、低维半导体材料的制备方法低维半导体材料的制备方法总结起来主要有以下几种：1. 手动剥离法手动剥离法是将单层的低维半导体材料从高质量晶体中用机械剥离的方法获取。
这种方法需要具有高质量单晶材料、宽带隙和可裂性等特殊性质。
2. 化学气相沉积法化学气相沉积法可以通过将低维半导体材料的前体化合物转化为气体形式，然后在衬底上沉积固体材料来制备低维半导体材料。
这种方法可以控制低维半导体材料的厚度、晶体质量和晶格取向等参数。
3. 海绵法海绵法是一种通过电势屏蔽、光化学反应或热化学反应等方法，将低维半导体材料以薄层的形式沉积在未处理衬底上的方法。
这种方法具有制备过程简单、成本低、适用于大面积制备等特点。
4. 真空热蒸发法真空热蒸发法是通过将低维半导体材料的前体材料在真空蒸发的条件下，冷凝在末端衬底的表面上，从而制备薄膜。
这种方法通常需要高真空环境、高温度和长时间的加热等条件。
三、低维半导体材料的物理和化学特性1. 电学性质低维半导体材料具有优异的电学性能，如高载流子迁移率、高电感、低噪音、高速度、低功率等。
这些优异的性能使得低维半导体材料在晶体管、传感器、以及超大规模集成电路等领域具有潜在的应用前景。
2. 光学性质低维半导体材料在光学领域具有独特的性质，如高光电响应、高塞贝克系数、高量子效率等。
这些性能使低维半导体材料成为具有活性的光学元件的理想选择。
3. 热学性质低维半导体材料具有良好的热学稳定性，通常具有高热导率、低热膨胀系数和优良的热稳定性能。
这使得低维半导体材料通常用于高功率电子设备的散热材料或高温电子元件。
半导体物理学 第一章__半导体中的电子状态
The End of Preface
第一章 半导体中的电子状态
主要内容：
1.1 半导体的晶格结构和结合性质 1.2半导体中电子状态和能带 1.3半导体中电子运动－－有效质量 1.4 本征半导体的导电机构－－空穴 1.5 常见半导体的能带结构 （共计八学时）
本章重点：
*重 点 之 一:Ge、Si 和GaAs的晶体结构
晶体结构周期性的函数 uk (x) 的乘积。
分布几率是晶格的周期函数，但对每个原胞的
相应位置，电子的分布几率一样的。 波矢k描述晶体中电子的共有化运动状态。
它是按照晶格的周期 a 调幅的行波。
这在物理上反映了晶体中的电子既有共有化的 倾向，又有受到周期地排列的离子的束缚的特点。
只有在 uk (x) 等于常数时，在周期场中运动的 电子的波函数才完全变为自由电子的波函数。
硅基应变异质结构材料一维量子线零维量子点基于量子尺寸效应量子干涉效应量子隧穿效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造通过能带工程实施的新型半导体材料是新一代量子器件的基宽带隙半导体材料宽带隙半导体材料主要指的是金刚石iii族氮化物碳化硅立方氮化硼以及iivi族硫锡碲化物氧化物zno等及固溶体等特别是sicgan和金刚石薄膜等材料因具有高热导率高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点成为研制高频大功率耐高温抗辐射半导体微电子器件和电路的理想材料在通信汽车航空航天石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景
(1)元素半导体晶体
Si、Ge、Se 等元素
(2)化合物半导体及固溶体半导体
SiC
AsSe3、AsTe3、 AsS3、SbS3
Ⅳ-Ⅳ族
Ⅴ-Ⅵ族
化合物 半导体
InP、GaN、 GaAs、InSb、
低维材料的结构与性质
低维材料的结构与性质低维材料的研究在材料科学领域中扮演着重要的角色。
低维材料可以分为一维纳米晶材料、二维纳米薄膜材料以及三维纳米多孔材料。
这些材料的基本特点是具有较小的尺寸或厚度，而这种尺寸或厚度决定了它们与宏观材料的巨大差异。
因此，低维材料的结构和性质引起了广泛的关注。
一、一维纳米晶材料一维纳米晶材料的直径通常在1-100纳米之间，长度可以从微米到几毫米不等。
从结构上看，一维纳米晶材料最常见的结构类型是纳米线、纳米棒、纳米管等，其形态可以根据不同的合成条件进行控制。
与宏观材料相比，一维纳米晶材料具有更高的比表面积和更独特的物理化学性质，如光学、电学和力学性质等。
光学性质是一维纳米晶材料中最为独特的性质之一。
由于其尺寸特征与光波长相当，一维纳米晶材料会发生局域表面等离子共振现象，从而产生光学特性的变化。
纳米线材料的耦合振荡模式和纳米管材料的束缚夫琅和费衍射模式是一维纳米晶材料中最典型的光学效应。
电学性质是一维纳米晶材料中另一个值得关注的性质。
纳米线和纳米棒的电学行为主要受到材料表面与体积比的影响。
纳米材料中的载流子传输通常被局限在一维通道中，因此，其电学性质可能具有很高的导电性和应变敏感性。
二、二维纳米薄膜材料二维纳米薄膜材料具有两个平行的晶面，通常厚度小于几十纳米。
石墨烯、硼氮化物和二硫化钼等二维纳米薄膜材料在材料科学领域得到了广泛的研究和应用，其中石墨烯最为典型和重要。
石墨烯是一种由碳原子组成的单层薄片，是一个具有重要应用前景的材料。
石墨烯的最大特点是它的高电导率、高热导率和高机械强度。
由于其强的共价结合和高度排列的碳原子层，石墨烯的化学稳定性和机械性能是其他纳米材料难以比拟的。
石墨烯的独特的光学性质也为其在光电子学领域中的应用打开了大门。
石墨烯的反射和折射率与波长和极化状态有着强烈的关联性，因此，它在光子学中具有重要的应用潜力。
三、三维纳米多孔材料三维纳米多孔材料以其特殊的结构设计和独特的物理化学性质被广泛地应用于催化、生物医药、环境监测等领域。
低维半导体结构的光电性能研究
低维半导体结构的光电性能研究近年来，低维半导体材料因其独特的光电性能和潜在的应用前景引起了广泛关注。
低维半导体结构包括二维材料、纳米线、量子点等，其具有较高的载流子迁移率、较强的光吸收能力和较短的载流子寿命等特点，在光电器件、太阳能电池、光催化等领域具有巨大的应用潜力。
首先，二维材料是低维半导体结构中的一类重要材料。
石墨烯作为最早被研究并发现的二维材料之一，具有优异的导电性能，因此在电子器件领域有着广泛的应用。
然而，石墨烯的零带隙限制了其在光电器件中的应用。
因此，人们开始探索其他具有较大带隙的二维材料。
例如，二硫化钼（MoS2）是一种带隙为1.8eV的二维材料，具有优秀的光电转换性能。
研究表明，将MoS2与其他半导体材料结合可以进一步提高其光电性能。
通过调节二维材料层数、掺杂和异质结构等方法，可以调控低维半导体结构的光电性能。
其次，纳米线也是低维半导体结构中的一类重要材料。
纳米线具有小尺寸效应和量子尺寸效应，可以调控其载流子输运行为。
研究发现，对于直径较小的纳米线，由于表面条件的影响，载流子的迁移率会受到限制。
因此，人们提出了利用核-壳结构纳米线来改善其光电性能的方法。
例如，将硅纳米线包覆一层硅氧化物或氧化锌壳层，可以有效提高载流子的迁移率和抑制表面态的影响，从而提高纳米线的光电转换效率。
另外，量子点也是低维半导体结构中备受瞩目的材料。
量子点具有禁带宽度可调、量子限制效应和高载流子密度等特点，对于光电转换器件具有广泛的应用前景。
研究人员通过合成不同尺寸、形态和组分的量子点，可以调控其能带结构和光学性质，实现对光电性能的精确调控。
此外，将量子点与其他传统半导体材料结合，形成量子点敏化材料也是一种提高光电转换效率的有效方法。
研究表明，使用量子点敏化太阳能电池和光催化材料可以显著提高其光电转换效率。
总之，低维半导体结构的光电性能研究是当前材料科学领域的热点之一。
通过调控二维材料、纳米线和量子点的结构和性质，可以实现对低维半导体结构的光电性能的精确控制。
低维材料的电子特性与应用前景
低维材料的电子特性与应用前景哎呀，说起低维材料，这可真是个有趣又充满惊喜的领域！咱们先来说说低维材料到底是个啥。
你可以把它想象成是一个被“压缩”了的世界。
比如说，普通的材料就像是一个大大的广场，电子们可以在里面随便乱跑。
但低维材料呢，就像是把这个广场变成了狭窄的小巷子，电子的活动范围被限制住啦。
就拿石墨烯来说吧，这可是低维材料里的大明星。
我记得有一次在实验室里，亲眼看到研究人员小心翼翼地制备石墨烯样品。
那操作，精细得就像是在雕刻一件绝世珍宝。
他们先把一块石墨放在特殊的胶带上面，然后一层一层地把石墨剥开，就好像在剥洋葱一样，最终得到了只有一层原子厚度的石墨烯。
当时我就在想，这么薄薄的一层材料，居然能有那么神奇的电子特性，简直不可思议！低维材料的电子特性那可真是与众不同。
在普通材料中，电子的运动就像是在人群中挤来挤去，杂乱无章。
但在低维材料里，电子就变得守规矩多啦，它们的运动更加有序，就像是训练有素的士兵在整齐地行进。
比如说，在一些低维半导体材料中，电子的能态是分立的，这就好比电子只能站在特定的台阶上，而不能随意处在台阶之间。
这种特性让低维材料在电子器件中的表现非常出色。
再说说低维材料在电子器件方面的应用前景吧。
想象一下，未来我们的手机可以变得超级薄、超级轻，而且电池续航能力超强，这都得归功于低维材料。
因为低维材料能够让电子器件的性能大幅提升，能耗却大大降低。
还有啊，在医疗领域，低维材料也能大显身手。
比如说，利用低维材料制造的传感器，可以非常灵敏地检测到人体内的微小变化，早早地发现疾病的迹象。
另外，在能源领域，低维材料也有望带来革命性的变化。
像是太阳能电池，如果用上了高性能的低维材料，转换效率就能大幅提高，说不定以后咱们家里的屋顶都能变成发电站呢！总之，低维材料就像是一个充满宝藏的神秘盒子，只要我们不断地去探索、去研究，就能发现越来越多的惊喜，为我们的生活带来翻天覆地的变化。
说不定未来的某一天，当我们回首往事时，会发现低维材料已经彻底改变了我们的世界，就像当初互联网的出现一样。
低维半导体材料及其应用研究
低维半导体材料及其应用研究近年来，低维半导体材料成为了材料科学领域里备受瞩目的研究方向。
低维半导体材料是一种在三个空间维度中至少有一维度受到了限制的材料，这种限制一般是在一维或两维中实现的。
低维半导体材料的种类较多，如二维材料中的石墨烯、硒化铜，一维半导体纳米线等。
由于这些材料本质的特性以及受到限制的量子效应，低维半导体材料在电子学、光学以及能量转换等领域中有着广泛的应用前景。
一、低维半导体材料的性质提到低维半导体材料，就不得不提它与高维半导体材料的区别。
高维半导体材料是指在三个空间维度都可以自由发展的材料，比如硅、锗等。
而低维半导体材料只有一维或两维可以自由发展。
由于受到维度限制，低维半导体材料的物理、电学以及光学性质都与高维半导体材料有所不同。
在低维半导体材料中，二维材料中的石墨烯是最为典型的一个例子。
石墨烯由单层碳原子构成，由于其呈现出的特殊的异形结构，使得石墨烯拥有了很多高峰值的声子光谱，其热导率也比其他材料高，是理论研究和实际应用的重要材料之一。
在一维半导体材料中，纳米线是常见的例子。
纳米线中电子运动受到限制，仅在一维中自由发展。
这导致了纳米线的电学性质与高维半导体材料有所不同。
同时，由于受到量子限制，纳米线中电子的能量级也发生了一些改变。
除此之外，低维半导体材料还拥有一些独特的性质，如拓扑绝缘态、量子隧穿效应、多项式波、约束及自旋电子运动等，这些性质均可以为低维半导体材料在电子学、光学以及能量转换等领域中的应用提供新的思路和方法。
二、低维半导体材料在电子学中的应用低维半导体材料在电子学中的应用通常表现在电子器件上。
石墨烯、二硫化钼等二维材料被广泛应用在场效应晶体管（FETs）中，并在电子传输方面取得显著进展。
由于石墨烯在光电领域中的优异性质，还有在集成电路、生物传感器及显示器等领域的应用。
在一维半导体材料中，纳米线被广泛应用在电子器件中，比如在纳米晶、激光二极管、场致发光器件以及传感器等领域中。
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2001年 2005年 2010年 2016年
DRAM特征线宽（nm）
130
80
45
22
DRAM存储容量（字节）
512M 2G
8G 64G
DRAM每比特价格（微美分）
7.7
1.9
0.34 0.042
DRAM栅电极长度（nm）
65
32
18
9
微处理器速度（MHz）
1684 5173 11511 28751
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• 当系统的尺寸小到可以与电子的德布罗意 波长相当时，量子效应就成为支配载流子 行为的主要因素，量子力学将成为其理论 基础。
• 现今微电子器件工作原理和理论基础是以 Boltzman输运方程为基础的理论。
• 因此微电子器件不会一直小下去，它存在 一个物理极限，这个极限即是以an 输运方程为基础的理论的适用极限。
利用MBE 或MOCVE 等技术首先生长超晶格、 量子阱器件结构材料如：AlGaAs/ GaAs 2DEG材料等，进而结合高空间分辨电子束 曝光直写，湿法或干法刻蚀和微细离子束注 入隔离制备量子线和量子点。
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• 上述方法的优点是
➢图形的几何形状和密度(在分辨率范围内) 可控
• 其缺点是
➢图形实际分辨率(受电子束背散射效应影响) 不 高(几十nm) ,横向尺寸远比纵向尺寸大
➢边墙(辐射,刻蚀) 损伤,缺陷引入和杂质沾污使器 件性能变差以及曝光时间过长等
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III. 应变自组装量子点结构生长技术
外延生长过程中，根据晶格失配和表面、界面能 不同，存在着三种生长模式：
a. 晶格匹配体系的二维层状(平面) 生长的Frank Van der Merwe 模式
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• 这个物理极限是多少？ 0.030µm ?
• 从信息技术的发展来看，为了满足无所不 在的海量智能化需要，硅微电子芯片技术 即使达到0.030µm ，也还是不能够满足信息 处理的需要。
• 当传统晶体管和集成电路最终达到它的极 限的时候，信息技术将如何发展？
纳电子器件
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宏观参量
宏观参量
量子点间的单电子，ne，量 子参量，环境参量敏感，温 度影响大，神经网特征
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• 当电子器件进一步减小时，纳电子器件之 后，将是分子电子器件，与之相应地将出 现分子电子学。
• 当前，人们直接面临的问题是纳米电子器 件的设计与制造，纳电子学已经成为电子 学研究的热点。
• 这个划分没有将纳米材料作为一个独立的 学科，是因为各个学科都与材料有关。
• 纳米材料的基本单元可按维数分为三类：
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主要半导体量子点、量子线、量子阱材料
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纳米材料的制备方法大体上可分为两种
Top-down
Bottom-up
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• 对于低维半导体材料主要应用的是 Bottom-up方法。其制备技术主要有：
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真空电子、微电子和纳电子器件的比较
种类
真空管
晶体管
单电子管（SET）
结构
符号
材料 技术 理论 特点
W,Ni,BaO,玻璃,陶瓷 Ge，Si，GaAs
?
电真空制造工艺 真空电子学
单晶生长，光刻、扩散掺杂 半导体物理
有机/无机组装，自组织生 长，？
纳电子学，？
真空中自由电子，mA 晶态半导体中电子，µA
I. MBE和MOCVD生长技术
1. MBE技术
MBE技术实际上是超高真空条件下,对分子或 原子束源和衬底温度加以精密控制的薄膜蒸 发技术。
MBE 与其它传统生长技术(LPE , VPE 等) 相 比有许多优点。
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2. MOCVD技术 MOCVD 或MOVPE 是和MBE 同时发展 起来的另一种先进的外延生长技术。
• 这个划分没有将纳米材料作为一个独立的 学科，是因为各个学科都与材料有关。
• 纳米材料的基本单元可按维数分为三类：
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➢零维纳米材料：类似于点状结构，立体空间的 三个方向均在纳米尺度，如纳米微粒，原子团 簇等。
➢一维纳米材料：类似于现状结构，立体空间的 三个方向有两个方向在纳米尺度，如纳米线、 纳米棒、纳米管等。
➢二维纳米材料：类似于面状结构，立体空间的 三个方向有一个方向在纳米尺度，如纳米薄膜、 纳米多层膜、超晶格薄膜等。
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2D
1D
0D
零维，一维，二维纳米材料称为低维材料
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• 对于半导体低维材料（基于载流子）：
➢二维超晶格、量子阱材料：载流子在二个方向
（如在x ,y 平面内） 上可以自由运动，而在另
• 纳电子学是纳米科技的一部 分，纳米科技是信息时代的高 科技，将是人类制造智能工具 的基础。
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1991 美国 Nano I
纳米科技成为独立学科领域
智能 工 具
纳
米
科
技
纳 电
纳 米
纳 米
纳 米
纳 米
纳 米
子 学
物 理
化 学
生 物
机 械
测 量
学
学学学
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• 必须指出，纳电子学是为首的，这是因为 纳电子学处于重要地位，将带领其他各学 科的发展。
MOCVD 是用氢气将金属有机化合物蒸气和气态 非金属氢化物经过开关网络送入反应室加热 的衬底上，通过热分解反应而最终在其上生 长出外延层的技术。
类似的技术还有化学束外延(CBE)，金属 有机化合物分子束外延(MOMBE) 和气态 源分子束外延(GSMBE) 。
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II. 超晶格、量子阱材料生长和精细加工相 结合的制备技术
低维半导体材料
• 电子器件是20世纪的重大发明之一 • 电子器件的发展已经经历了两个时期
真空电子管
固体晶体管
尺寸不断减小 微米 微电子器件
• 信息时代的到来，要求微电子器件的特征 尺寸越来越小，芯片集成度越来越高
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• Moore定律
SIA对半导体技术发展趋势的预测
动态随机存储器（DRAM）与微处理器
外一个方向（z）则受到约束。
d h / 2m*E
L2 DEG
h
q
2ns
➢一维量子线材料：载流子仅在一个方向可以自 由运动，而在另外两个方向则受到约束。
➢零维量子点材料：载流子在三个方向上运动都 要受到约束的材料系统，即电子在三个维度上 的能量都是量子化的。
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• 必须指出，纳电子学是为首的，这是因为 纳电子学处于重要地位，将带领其他各学 科的发展。