电科专业纳米电新新子学基础第三节

纳米电子学基础主讲人：杨红官课程内容：第一章绪论第二章纳电子学的物理基础第三章共振隧穿器件第章隧穿件第四章单电子晶体管第五章量子点器件第六章碳纳米管器件第章子子器件第七章分子电子器件第八章纳米级集成系统原理第九章纳电子学发展中的问题第六章碳纳米管器件§6.1碳纳米管的结构§6.2碳纳米管的制备62§6.3碳纳米管的性质§6.4碳纳米管的应用§6.5 碳纳米管晶体管§6.6 碳纳米管器件及电路第六章碳纳米管器件§6.1 碳纳米管的结构§6.2碳纳米管的制备62§6.3碳纳米管的性质§6.4碳纳米管的应用§6.5 碳纳米管晶体管§6.6 碳纳米管器件及电路C60及富勒烯化合物：§6.1 碳纳米管的结构X碳家族的成员1985年英国Sussex 大学的Kroto 教授和美国Slice 大学的Smalley 教授发现碳元素由12个正五边形和无定形碳晶形碳20个正六边形构成石墨富勒碳金刚石巴基球（以C60为代表）碳纳米管巴基葱（即球状多壁同心大分子）碳纳米管（CNTs ）：1991年，日本科学家饭岛（Iijima ）在《Nature 》发表文章公布了他的发现成果，这是碳的又一同素异型体。

§6.1 碳纳米管的结构X碳纳米管的结构原理分类：碳有金刚石、石墨、无定形碳以及有金刚石、石墨、无定形碳以及C60四类。

石墨碳原子纳米碳管的分类：碳Å纳米碳管的中的4个价电子只有3个成键,形成六边形的平面网状结构。

这种排列使石墨中的每个碳原子有对未成对电子,这对未成对电子围绕着这个碳环平面高速运转,因每个碳原子有一对未成对电子而使石墨具有较好的导电性。

在石墨的边缘,每个碳原子都有一个悬浮的键,这个悬浮的键就象一个伸出去的手一样,一直在寻找未成键的原子。

Å如果将石墨加热到1200℃以上,碳环就会开始重新排列,这种高能量活性边界开始卷曲,直到两个边界完美地结合在一起形成一种空心的管子,其它碳环也同时和这个管子相作用形成种帽状结构封闭管子而形成种两端封闭的管状和这个管子相作用形成一种“帽状”结构封闭管子而形成一种两端封闭的管状结构,称为纳米碳管。

1、从三维到零维的态密度态密度推导:三维：为「概括ii 抻侧鳗分布状况.引人定义为正常 中能V E 附近刺位能址间隔内的电予志散.假设在能址E-E-dE 向无限小的能量间隔内有田、个电子忘.*M «（E ＞为A *号体片侑底成偷带顶附近.尊能■近位为球形.*i 电子志 4 4空间的分布职均与的.密度为V （2X ）1. M 中V 隹品体体机. 代此。

能址E - E + dE 何的电干杰散为（分割以导带底或价借KI 为能ttTA ＞=盘1_牛二1 —三二 ‘（2K F A •2 A，我'（会）"'盹 即只白有效质量为"I •的导带电F 或价带空穴在刺但体枳内的急密度＜（£）为邮＞ =!（芸广即 ⑷⑶式《413）盘明移价宙m 成铮带成附近.能右*度陆能址注携变 It."带边£ = 0处杰密度也为0.Quantum Well 半#体#带和价带中的电干建缴洋常浦集, 彬成用连技分布.Bulk Quantum Wire Quantum Dot二维（量子阱）:6, 6, Q 2、/7 + + TT 叭％ V ，z) + /(x, y, z\f(x,y,z) = E 叭x, y, z) dy Qz ) tl f —y/(z)+ E 此)2m dz叭 x, y)=A exp{ik x x + ik Y y) E =——―—• ZmU y/(x,^) = i//(x + L,y + L )= A expz^^ + L )+k y (y + £))=J (exp i(k x x + Ze v y)exp i{k x L + 如1))= “(x, j ，)exp ，(kxl+ k y L ) v £2 mEN =——— 1 dN _ 1 d (L 2mE yU~dE~lF~dE\ltl^ t 一维（纳米。

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纳米电子学基础主讲人：杨红官课程内容：第一章绪论第二章纳电子学的物理基础第三章共振隧穿器件第章隧穿件第四章单电子晶体管第五章量子点器件第六章碳纳米管器件第章子子器件第七章分子电子器件第八章纳米级集成系统原理第九章纳电子学发展中的问题第章第三章共振隧穿器件§3.1共振隧穿现象§3.2共振隧穿器件的输运理论32§3.3共振隧穿二极管的特性分析§3.4共振隧穿二极管模型§3.5 基于RTD器件的数字电路§3.6 基于RTD器件的模拟电路第章第三章共振隧穿器件§3.1 共振隧穿现象§3.2共振隧穿器件的输运理论32§3.3共振隧穿二极管的特性分析§3.4共振隧穿二极管模型§3.5 基于RTD器件的数字电路§3.6 基于RTD器件的模拟电路§3.1 共振隧穿现象Å1969年Tsu（朱兆祥）和Esaki（江崎）首先预测到半导体超晶格势垒结构中Ga1-x As能够产生共振隧穿（Resonant Tunneling）现象。

并预言若给GaAs/Alx双势垒或多势垒结构加上偏压，会出现负微分电阻（Negative DifferentialI V特性Resistance，NDR）的电流电压I-V特性。

Å不久，分子束外延技术（MBE）的发明，使人们可以在原子精度内和背景杂质非常低的情况下，有控制地生长外延异质结层。

应用这种技术制造出来AlGaAs/GaAs/AlGaAs双势垒结构，验证了他们的设想。

Å在共振隧穿和负微分电阻的基础上，种新型的量子器件应运而生，即共振在共振隧穿和负微分电阻的基础上，一种新型的量子器件应运而生，即共振隧穿器件（Resonant Tunneling Device，RTD）。

X共振隧穿器件具有以下特点共振隧穿器件（RTD）具有以下特点：Ø(1) 高速高频。

纳米电子学基础主讲人：杨红官课程内容：第一章绪论第二章纳电子学的物理基础第三章共振隧穿器件第章隧穿件第四章单电子晶体管第五章量子点器件第六章碳纳米管器件第章子子器件第七章分子电子器件第八章纳米级集成系统原理第九章纳电子学发展中的问题第七章分子电子器件§7.1发展背景与前景71§7.2里程碑式的关键技术72§7.3各种分子电子器件§7.4聚亚苯基分子器件§7.5DNA计算机第七章分子电子器件§7.1 发展背景与前景71§7.2里程碑式的关键技术72§7.3各种分子电子器件§7.4聚亚苯基分子器件§7.5DNA计算机发背景与前景§7.1 发展背景与前景¾研究领域Å纳米电子学发展涉及的领域很广。

目前，纳电子学主要有三个发展方向：固体纳电子学：在非常小的晶体结构中电子主要遵循晶体结构中，电子主要遵循波函数规律。

固体纳电子学有一套自上而下的研究方法，来系统来实现器件的功能在分子电子学中，须考虑分子结构的特殊形态。

分子电子学是自下而上的研究方法，更深一层的研究方法是由生物技术引发的，称为生物电子学或湿电子学。

来系统来实现器件的功能。

子学是自下而的研究方法，来实现特殊功能的器件。

发背景与前景§7.1 发展背景与前景¾定义Å分子电子学研究的是分子水平上的电子学,其目标是用单个分子、超分子或分子簇代替硅基半导体晶体管等固体电子学元件组装逻辑电路,乃至组装完整的分子计算机。

它的研究内容包括各种分子电子器件的合成、性能测试以及如何将它们组装在一起以实现一定的逻辑功能。

Å分子电子器件（简称分子器件）是由具有光、电、离子、磁、热、力学和分子电子器件（简称分子器件）是由具有光电离子磁热力学和化学反应性能的单个分子或少量分子组装排列而成的有序结构，是在分子水平上完成信息和能量的检测、转换、传输、存储和处理等功能的化学和物理系统。

纳米电子学的基础理论与应用现代科技的发展中，微电子技术一度占据主导地位。

然而，随着科技的进一步发展，微电子技术已经难以满足人们对电子产品的需求。

为此，纳米电子技术应运而生。

纳米电子技术以纳米尺度为基础，将传统微电子技术中的微观世界再次细分，以更加精细的方式去构造电子元器件，从而实现更高效、更小型、更快速的电子产品。

纳米电子学作为纳米尺度中的一种应用学科，具有广泛的应用前景。

一、纳米电子学的基础理论纳米电子学的基础理论主要包括四个部分：纳米材料、纳米器件、纳米加工和纳米电路设计。

1、纳米材料纳米材料是纳米电子学研究的基础。

纳米科学家主要通过纳米化的方法制备出具有纳米级尺寸的单晶、多晶和非晶的纳米材料，其中包括碳纳米管、纳米粒子、二维材料和超晶格。

这些纳米材料具有极高的比表面积和特殊的物理特性，为纳米器件的设计和构造提供了基础。

2、纳米器件纳米器件是指采用纳米材料制造的微型电子元器件。

其中，纳米晶体管是一种研究最为深入的器件。

晶体管是电子学中最基本的元器件之一，而纳米晶体管主要是指根据纳米级结构特性设计和构造的微型晶体管。

这种晶体管具有很强的电子场效应，用于构建集成电路可以大幅度降低功耗和延长电池使用寿命。

3、纳米加工纳米加工一般分为两类：自下而上的加工和自上而下的加工。

自下而上主要采用化学合成方法来制备纳米器件，这种方法的特点是可以制备出形态多样、成分纯的纳米材料；自上而下大多采用微加工方法，如电子束光刻，以控制电子束进行器件刻蚀和表面修整，从而精度更高，适用于集成电路的制备。

4、纳米电路设计纳米电路设计与传统微电子电路设计相比，更需考虑器件尺寸、纳米级别的能带结构和表面效应等因素。

纳米电路设计的核心是利用纳米级物理效应构建出功能元件，然后通过电路连接实现功能的综合利用。

二、纳米电子学的应用纳米电子学的应用范围非常广泛，如人工智能、生物医学、量子信息和新能源等领域。

1、人工智能人工智能技术需要大量的计算和存储资源，而这种资源往往需要占用大量的空间、耗费大量的能源和金钱。

电科专业纳⽶电⼦学基础第四章纳⽶电⼦学基础主讲⼈：杨红官课程内容：第⼀章绪论第⼆章纳电⼦学的物理基础第三章共振隧穿器件第章隧穿件第四章单电⼦晶体管第五章量⼦点器件第六章碳纳⽶管器件第章⼦⼦器件第七章分⼦电⼦器件第⼋章纳⽶级集成系统原理第九章纳电⼦学发展中的问题第四章单电⼦晶体管第章§4.1单电⼦传输理论42§4.2单电⼦隧道结§4.3电容耦合单电⼦晶体管43§4.4电阻耦合单电⼦晶体管§4.5 单电⼦器件§4.6 单电⼦电路第四章单电⼦晶体管第章§4.1 单电⼦传输理论42§4.2单电⼦隧道结§4.3电容耦合单电⼦晶体管43§4.4电阻耦合单电⼦晶体管§4.5 单电⼦器件§4.6 单电⼦电路单电传输论§4.1 单电⼦传输理论X测控条件对单电⼦效应的实验观测和单电⼦器件及电路性能的测量，必须满⾜若⼲基本条件，通常是指三个克服。

I. 克服热扰动E T=k B T。

要想克服热扰动，单电⼦隧道结（single electron tunneling junction, SETJ）的结⾯积必须在纳⽶尺度，使其结电容C 尽可能的⼩，从⽽保证结的充电能量E C=e2/2C（或静电能）远远⼤于环境温度T引起的热扰动能量E T=k B T，即有E C>>E T，为了能在室温下观测到单电⼦隧穿效应，结电容必须⼩⾄10-19~10-18F。

II. 克服量⼦扰动能E Q=h/R T C。

要克服量⼦扰动能，SETJ的隧道电阻必须远⼤于电⼦量⼦R k h/e25.813k?。

如果SETJ是超导基的，电阻量⼦为R kh/4e =2≈=2≈6.45k?。

根据量⼦⼒学的测不准关系，能量的不确定性为ΔE~E Q=h/R T C，如果E Q超过了SETJ的充电能量E C就会掩盖单电⼦隧穿效应，为此，必须满⾜条件E C>>E Q或者E T>>E k。

第二章纳米微粒的基本理论§2.1 电子能级的不连续性（需重新整理）§2.2 量子尺寸效应定义：当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能隙变宽现象均称为量子尺寸效应．影响：当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，这时必须要考虑量子尺寸效应，这会导致纳米微粒磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性有着显著的不同．§2.3 小尺寸效应定义：当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应．人们曾用高倍率电子显微镜对超细金颗粒(2nm)的结构非稳定性进行观察，实时地记录颗粒形态在观察中的变化，发现颗粒形态可以在单晶与多晶、孪晶之间进行连续地转变，这与通常的熔化相变不同，并提出了准熔化相的概念．纳米粒子的这些小尺寸效应为实用技术开拓了新领域．应用：1、例如，纳米尺度的强磁性颗粒(Fe—Co合金，氧化铁等)，当颗粒尺寸为单磁畴临界尺寸时，具有甚高的矫顽力，可制成磁性信用卡、磁性钥匙、磁性车票等，还可以制成磁性液体，广泛地用于电声器件、阻尼器件、旋转密封、润滑、选矿等领域．2、纳米微粒的熔点可远低于块状金属。

例如2nm的金颗粒熔点为600K，随粒径增加，熔点迅速上升，块状金为1337K；纳米银粉熔点可降低到373K，此特性为粉末冶金工业提供了新工艺．3、利用等离子共振频率随颗粒尺寸变化的性质，可以改变颗粒尺寸，控制吸收边的位移，制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料，可用于电磁波屏蔽、隐形飞机等．§2.4 表面效应纳米微粒尺寸与表面原子数的关系表面能和一个粒子中的原子数的关系1、定义：微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应．近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。

第六章纳米电子学基础6.1. 纳米技术的发展6.2. 纳米结构材料的基本特性6.3. 纳米结构中的介观现象6.4. 单电子器件和电路6.5. 未来可能的发展第六章纳米电子学基础6.1. 纳米技术的发展6.2. 纳米半导体材料的基本特性6.3. 纳米结构中的介观现象6.4. 单电子器件和电路6.5. 未来可能的发展1. 纳米技术的发展Å近年来，随着计算机技术和纳米电子学的飞速发展，电子器件中电路及器件的小型化和高集成度趋势越来越显著，近年来已达到了原子尺度的量级。

当电路的尺寸小到和电子的相干长度可以比拟的时候，电路本身的量子效应就会出现。

Å如今的芯片光刻工艺已经使光刻线的分辨率达到亚微米量级，例如大家熟知的Intel Pentium 4 Prescott处理器和AMD Athlon64 Winchester处理器为90nm工艺，即两导线之间的距离只有90nm,下一步将发展为65nm、40nm、32nm，甚至更小。

1. 纳米技术的发展Å美国半导体协会预计：到2010年，半导体器件的尺寸将达到0.1 μm （100 nm）极限，由于量子效应, 小于这一尺寸的所有芯片就不再保持原有的性能, 需要按新的原理来设计，要突破这一极限，我们就得研究纳米尺度中的理论问题和技术问题。

Å“纳米”是长度单位，1nm=10-9m, 即1纳米等于十亿分之一米，相当于头发丝万分之一的粗细。

纳米研究的范围是1到100纳米相当于头发丝万分之的粗细纳米研究的范围是1到100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，称之为介观世界。

代表的宏观世界的中间地带称之为1. 纳米技术的发展Å人类对纳米技术的研究已有了40多年的历史。

1959年，美国著名的物理学家、诺贝尔奖金获得者理查德·费曼认为：能够用宏观的机器来制造比其体积小的机器，而这较小的机器又可制作更小的机器，这样步步达到可制作更小的机器，这样一步步达到分子线度。

纳米电子学基本原理纳米电子学是一门研究纳米尺度下材料、器件和系统的电子行为的学科。

其研究对象主要包括纳米材料的合成和表征、纳米器件的设计和制备以及纳米系统的集成与应用等方面。

本文将介绍纳米电子学的基本原理，包括纳米材料的特殊性质、纳米器件的工作原理以及纳米电子学的应用前景等内容。

一、纳米材料的特殊性质纳米材料是指具有纳米尺度（1-100纳米）的结构特征的材料。

由于其尺寸的减小，纳米材料具有许多与宏观材料不同的特殊性质。

首先，纳米材料的比表面积大大增加，使其具有更多的表面活性，有利于在界面反应、催化反应等过程中的应用。

其次，纳米材料的量子效应变得显著，如纳米颗粒的光学性质将发生明显的量子尺寸效应。

此外，由于纳米材料尺寸相对较小，其晶体结构在几何和电子结构上也会发生明显变化。

这些特殊性质为纳米器件的设计和应用提供了基础。

二、纳米器件的工作原理纳米器件是指具有纳米尺度特征的电子元器件，如纳米晶体管、纳米存储器、纳米传感器等。

与传统的微电子器件相比，纳米器件具有更高的集成度、更低的功耗和更快的工作速度等优势。

纳米晶体管是纳米电子学中应用最为广泛的器件之一，它是一种用于放大和开关电子信号的器件。

纳米晶体管的工作原理如下：当给予晶体管的栅极加上一个电压时，栅极电场会控制半导体通道中的载流子的浓度，从而调节导电性能。

通过改变栅极电场的强弱，可以控制晶体管的导通与截止。

因此，纳米晶体管可以作为电子开关，实现信号放大和开关的功能。

三、纳米电子学的应用前景纳米电子学以其独特的性能和潜在的应用领域，吸引了广泛的关注和研究。

纳米电子学的应用前景十分广阔，可应用于信息技术、生物医学、能源等领域。

在信息技术方面，纳米电子学可以推动芯片器件的微型化和超高集成度，提高计算机、通信设备等的性能和功耗效率。

纳米存储器的出现也有望解决存储器容量与速度之间的矛盾。

在生物医学领域，纳米电子学为精确诊断和治疗提供了新的工具和方法。

纳米传感器可以实现高灵敏度的生物分子检测，用于疾病早期诊断和治疗监测。