10章-低维半导体材料
低维材料
低维材料的发展现状及前景—碳纳米管的制备及其应用摘要：碳纳米管具有奇异的物理化学性能，如独特的金属或半导体导电性、极高的机械强度、储氢能力、吸附能力和较强的微波吸收能力等，90年代初一经发现即刻受到物理、化学和材料科学界以及高新技术产业部门的极大重视。
应用研究表明，碳纳米管可用于多种高科技领域。
如用它作为增强剂和导电剂可制造性能优良的汽车防护件；用它作催化剂载体可显著提高催化剂的活性和选择性；碳纳米管较强的微波吸收性能，使它可作为吸收剂制备隐形材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料等。
碳纳米管被认为是一种性能优异的新型功能材料和结构材料，世界各国均在制备和应用方面投入大量的研究开发力量，期望能占领该技术领域的制高点。
关键词：碳纳米管，碳纳米管的批量制备，储氢技术一、碳纳米管的批量制备碳纳米管要实现工业应用，首先必须解决碳纳米管的低成本大量制备问题。
碳纳米管自1991年被发现以来，其制备工艺得到了广泛研究。
目前，有三种主要的制备方法，即电弧放电法、激光烧蚀法和固定床催化裂解法。
电弧放电法和激光烧蚀法制得的产物中，碳纳米管均与其他形态的碳产物共存，分离纯化困难，收率较低，且难以规模化。
第三种固定床催化裂解法由天然气制备碳纳米管具有工艺简便、成本低、纳米管规模易控制、长度大、收率较高等优点，有重要的研究价值，但该方法中催化剂只能以薄层的形式展开，才会有好的效果，否则催化剂的利用率就低，因而产量难以提高。
沸腾床催化裂解反应工艺气固接触良好，适合处理大量固体颗粒催化剂，用沸腾床催化裂解法代替固体床催化裂解法可大幅度提高碳纳米管的制备量。
在沸腾床催化裂解反应器中，原料气体以一定的流速通过气体分布板，将气体分布板上活化了的催化剂“吹”成“沸腾”状态。
催化剂颗粒一直处于运动之中，催化剂颗粒之间的距离要比固定床中催化剂颗粒之间的距离大得多，催化剂表面上易生长出直的碳纳米管，又因催化剂颗粒之间的相互碰撞，碳纳米管容易从催化剂表面脱出。
低维材料的电子性质与应用研究
低维材料的电子性质与应用研究低维材料是指纬度小于3的材料，包括一维纳米线、二维薄膜和量子点等。
这类材料因其独特的电子结构和表面效应，在应用领域具有广泛的应用前景。
在本文中，我们将介绍低维材料的电子性质与应用研究的最新进展。
一、低维材料的电子结构特点低维材料的电子结构与体材料有很大的差别。
一维纳米线和二维薄膜的电子结构中含有显著的表面态，这些表面态对于电传输和光电性质具有重要的影响。
量子点由于其尺寸小于电子波长，电子量子限制效应显著，导致其电子结构与晶体材料有很大的不同。
因此，低维材料的电子性质不同于体材料，主要表现在以下几个方面：1. 电容效应低维材料具有较大的比表面积，可以增加电容效应，从而提高电化学传感器的灵敏度和选择性。
2. 有效质量低维材料的电子有效质量较小，电子在其内部运动自由度更强，因此电子迁移率较高，这对于半导体电学性能的提升具有重要意义。
3. 电荷转移由于低维材料表面的化学性质不同于体材料，大量的表面态能够吸附物质，从而发生电荷转移，这可以用于光电催化、气敏传感等领域。
二、低维材料的应用1. 光电传感器低维材料在光电传感器方面具有广泛的应用前景。
一维纳米材料具有高灵敏度和快速响应时间，可以用于光电探测和气体传感器。
二维材料的光伏器件效率较高，可以用于太阳能电池等。
量子点具有宽广的吸收谱和尺寸调控能力，可以用于实现单光子检测等高灵敏度检测。
2. 纳米电子器件低维材料的电子传输性质与体材料有很大的不同，因此可以制备出特殊的纳米电子器件。
例如，将一维纳米线作为传感器，可以实现天线、数据传输和生物传感器等应用。
二维材料作为场效应晶体管的通道层可以实现“黑磷”、石墨烯等材料的逻辑门，这类材料还可以制备出高频谐振器、光电晶体管、量子点激光器等器件。
3. 能量转换和储存低维材料在能量转换和储存方面具有较高的效率和可控性。
一维纳米线、二维薄膜的较大的比表面积可以增加电介质的储能密度，从而制备出高容量的电容器。
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。
(完整版)半导体材料及特性
地球的矿藏多半是化合物，所以最早得到利用的半导体材料都是化合物,例如方铅矿(PbS)很早就用于无线电检波，氧化亚铜(Cu2O)用作固体整流器，闪锌矿(ZnS)是熟知的固体发光材料，碳化硅(SiC)的整流检波作用也较早被利用。
硒(Se)是最早发现并被利用的元素半导体，曾是固体整流器和光电池的重要材料。
元素半导体锗（Ge）放大作用的发现开辟了半导体历史新的一页，从此电子设备开始实现晶体管化。
中国的半导体研究和生产是从1957年首次制备出高纯度(99.999999％～99.9999999％) 的锗开始的。
采用元素半导体硅（Si）以后，不仅使晶体管的类型和品种增加、性能提高，而且迎来了大规模和超大规模集成电路的时代。
以砷化镓(GaAs)为代表的Ⅲ－Ⅴ族化合物的发现促进了微波器件和光电器件的迅速发展。
半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。
按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体。
元素半导体：在元素周期表的ⅢA族至ⅦA族分布着11种具有半导性的元素，下表的黑框中即这11种元素半导体,其中C表示金刚石。
C、P、Se具有绝缘体与半导体两种形态;B、Si、Ge、Te具有半导性；Sn、As、Sb具有半导体与金属两种形态。
P的熔点与沸点太低,Ⅰ的蒸汽压太高、容易分解，所以它们的实用价值不大。
As、Sb、Sn的稳定态是金属，半导体是不稳定的形态。
B、C、Te也因制备工艺上的困难和性能方面的局限性而尚未被利用。
因此这11种元素半导体中只有Ge、Si、Se 3种元素已得到利用。
Ge、Si仍是所有半导体材料中应用最广的两种材料。
无机化合物半导体：四元系等。
二元系包括：①Ⅳ-Ⅳ族:SiC和Ge-Si合金都具有闪锌矿的结构。
②Ⅲ-Ⅴ族:由周期表中Ⅲ族元素Al、Ga、In和V族元素P、As、Sb组成，典型的代表为GaAs。
它们都具有闪锌矿结构,它们在应用方面仅次于Ge、Si,有很大的发展前途。
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 材 料 与 相 变 现 象 简 介
低维材料与相变现象简介(一) 低维材料：某些特殊材料的晶体结构含有异向性一维的线性链或二维的平面，这种材料即俗称为低维度材料(low-dimensional materials)。
由于这些材料晶体结构的特异性，故而造成许多低维度材料展现非常奇特的物理现象。
例如，这些材料中的电子被限制在一维的线性链或二维的平面上做传输，故他们的导电性会在某一(或二)晶格方向特别好，而在其它方向导电性明显较差。
那么立刻可能的问题是我们平时常见的铜线或金泊，是不是他们的导电性就只会在铜线线的方向或金泊平面的方向较好呢?答案是否定的。
因为在微小电子的世界，铜线或金泊仍然是三维的，电子的传输方向仍然是遵循古典的统计法则而四面八方都有可能。
除非铜线的直径或金泊的厚度小于电子的平均自由程(mean-free-path)，那么量子的效应才会显现出来。
低维度材料中，一维(或准一维)材料由于其特殊不对称的晶体结构，因而多种此类材料会随着温度的变化展现出各式各样有趣的相变(phasetransition)现象。
(二) 相变与临界现象：相变是有序和无序两种倾向矛盾斗争的表现。
相互作用是有序的起因，热运动是无序的来源，而系统永远趋向于最大乱度与最低能量。
在缓慢降温的过程中，每当一种相互作用的特征能量足以和热运动能量kBT 相比时，物质宏观状态可能发生变化。
换句话说，每当温度低到一种程度，以致热运动不再能破坏某种特定相互作用造成的秩序时，就可能出现一个新的相(phase)。
多种多样的相互作用，导致形形色色的相变现象。
愈是走向低温，更为精细的相互作用就得以表现出来。
而新相总是突然出现的，同时伴随着许多物理性质急剧变化。
譬如说，水(液态)在一大气压下于摄氏零度就会发生一相变现象而变成了冰(固态)，或于摄氏一百度变成了水蒸气(气态)。
对于水来说摄氏零度(或一百度)这一特殊温度我们称为临界温度(critical temperature)，而在临界温度时物质因相变而产生物理状态变化的现象称为临界现象(critical phenomena)。
低维纳米材料总结解读
低维纳米材料的制备与性能研究创新实践课徐成彦材料科学与工程学院微系统与微结构制造教育部重点实验室课时安排共32学时，授课及讨论20学时，实践教学12学时2-9周授课：周四、周六，A513 实践课：微纳米中心(科学园B1栋314)联系方式办公室：材料楼502房间电话：86412133E-mail: cy_xu@Homepage: /pages/cyxu一.纳米材料导论1.纳米：长度计量单位，1nm=10-9 m。
2.纳米结构：通常是指尺寸在100nm以下的微小结构。
3.纳米技术：在纳米尺度上对物质和材料进行研究处理的技术称为纳米技术。
纳米技术本质上是一种用单个原子、分子制造物质的科学技术。
4.团簇：Clusters denotes small, multiatom particles. As a rule of thumb, any particle of somewhere between 3 and 3x107 atoms is considered a cluster. (a few Å ~ a few hundreds Å)5.量子点：A quantum dot is a portion of matter (e.g., semiconductor) whose excitons are confined in all three spatial dimensions. Consequently, such materials have electronic properties intermediate between those of bulk semiconductors and those of discrete molecules. (typically, 5 ~ 50 nm)6.纳米材料Nanomaterials:refers to materials having unique properties derived from features present in them whose dimensions are on the nanoscale (less than 100 nm).Nanostructures: 1-D nanostructures, specially nanowires, nanorods, nanotubes Nanomaterials: parallel to nanoscience, nanotechnologyNanocrystals (NCs)Nanostructured Materials: ref to bulk materials7.低维结构材料：有时也称为量子工程材料，通常指除三维体材料以外的二维、一维和零维材料。
AdvancedScience综述：低维材料光电探测器中的photogating效应
AdvancedScience综述：低维材料光电探测器中的photogating效应材料合成技术的发展和微纳加工水平的进步为纳米器件的研究制备提供了契机。
近十多年来，低维半导体材料（包括纳米线、纳米片、二维材料等）的发展引人注目，尤其是以二维材料为典型代表的低维材料体系展现出了非同寻常的物理性质，一系列高性能电子、光电、光子器件被研究报导。
在光电探测方面，传统的薄膜半导体（如Si、GaN、InGaAs、InSb、HgCdTe等）一直占据着市场的主导地位。
下一代光电探测器正朝着室温、多波段、超灵敏、超小像元、超大面阵的方向发展，迫切需要新材料和新结构。
以二维材料和纳米线为典型代表的低维材料迎来了发展机遇，很多室温高灵敏低维材料光电探测器被先后制备出来，甚至已经实现了388´288的室温短波红外焦平面成像（Nat. Photon., 2017, 11, 366）。
我们知道，相比较于成熟的薄膜半导体，低维材料由于至少存在一个维度的尺寸远小于光波长而使得光吸收不充分，比如纳米线的光吸收截面很小，原子层厚的二维材料透光率很高。
是什么物理机理导致人们仍然可以获得如此性能优越的低维材料光电探测器呢？这类器件的工作机理值得探索和总结。
近期来自中科院上海技术物理研究所的胡伟达课题组的邀请综述文章“Photogating in Low Dimensional Photodetectors”阐述了低维材料光电探测体系中的photogating效应，通过总结该机制的来源、具体实际表现，并结合已报导的文献进展，强调了photogating 在低维材料光电探测器中的重要作用。
Photogating目前还没有标准的中文翻译，可以简单地字面理解为光诱导的类栅极电场调控（相当于光诱导浮栅）。
文章以光导增益为切入点，首先比较了photogating和传统光导增益的异同。
尽管二者光增益均可以表示为少子寿命与载流子渡越时间之比，但是photogating诱导的净光电流有着更为独特的表现，可以表达为晶体管的跨导和光诱导电势的乘积(Iph=gm´∆Vg)。