纳米线无结晶体管
所有现存的晶体管都是基于使用向半导体材料当中引入掺杂原子后构成的半导体结来制作完成的。随着现代器件当中的半导体结之间的距离降低到10nm以下，超出以往的的高掺杂浓度梯度已经变得非常必要。由于扩散定律和掺杂区域的统计学原理的诸多限制，半导体业在制造这种半导体结上勉励着越来越重大的困难。在这篇文章当中，我们提出并描述一种新型的晶体管，这种晶体管没有PN结也没有掺杂浓度梯度。这种器件拥有全部的CMOS 功效并采用硅纳米线构成。他们拥有接近理想的亚阈值坡度，极低的泄漏电流，在栅压和温度条件下比经典的晶体管结构在迁移率方面有更小的退化。
所有现存的晶体管都是基于PN结结构制作的。PN结根据所加的偏置实现允许电流通过和阻止电流的功能。他们的结构是由两块极性相反的半导体相接触构成的.最常见的结就是PN结，它是由富含空穴的P型硅和富含电子的N型硅的接触构成的。每一本关于半导体器件物理的书都包含一章讲解PN结，通常是处在讲解半导体材料基础的介绍性章节和详细介绍不同种类的晶体管的章节之间。其他种类的结包括金属和硅组成的肖特基结和异质结，它是一种由两种不同的半导体材料组成的PN结。双极晶体管包含两个PN结，MOSFET 晶体管也是如此。结型晶体管只有一个PN结，MESFET晶体管包含一个肖特基晶体管。
第一个有关晶体管原理的专利是由奥匈帝国物理学家Julius Edgar Lilienfield于1925年10月22日在加拿大注册的。他在几年之后用“Device for controlling electric current”的名字在美国注册了这种器件。但是他从来没有发表过任何关于这种器件的研究文章。这个Lilienfield晶体管是一个场效应晶体管，有点像现代的金属氧化物场效应晶体管。它的结构是这样的：一个薄的半导体薄膜放置在一个薄的绝缘层上，这个结构又放置在一个金属电极上。最后的这个金属电极就像一个器件的栅极一样去工作。工作的时候，电阻中的电流在两个接触的电极之间流动，就像现在的MOS晶体管中在源极和漏极之间的漏极电流一样。这个Lilienfield器件就是一个简单的电阻，应用到的这个门电压可以使半导体薄膜里的载流子耗尽，从而改变它的导电性。理想的状态下，应该可以去完全的去耗尽半导体薄膜中的载流子，这种情况下器件的电阻值近似无穷大。
Lilienfield晶体管，与其他类型的晶体管不同，它不包括任何结。尽管不带任何半导体结的晶体管的想法可能会显得非主流，可是晶体管的这个名字也的确没有表明半导体结的存在。晶体管是一个固态活动的晶体管，它可以控制电流，并且晶体管这个词也是一个可变和电阻器的合成词。从技术上讲，Lilienfield晶体管是一个门控的可变电阻器。也就是说，它是一个有一个控制载流子密度（或者说电流）的门的电阻。它是最简单和首个被申请专利的晶体管结构。但是不幸的是，在Lilienfield的时代可用的技术不足以制造一个可利用的器件。
图一
图一展示了一个无结纳米线门控电阻器的结构图。无结是一个巨大的进步。现代的晶体管尺寸已经达到了如此小的数量级以至于在半导体结中高精度的掺杂浓度梯度被需求：非常典型的例子便是掺杂浓度在几纳米的范围内必须从N型的193
?转换到P型的
110cm-
183
?。这给热累积的处理和昂贵的毫秒退火技术的应用强加了严格的限制。与此不110cm-
同的是，在无结的门控电阻中，沟道的掺杂浓度与源极和漏极的完全相同。因为源极和沟道、漏极和沟道的掺杂浓度梯度为零，不会发生扩散，这就消除了昂贵的快速退火技术的需求并且允许器件的结构中应用更短的沟道。
制作一个无结的门控电阻的关键就是在器件关闭时允许载流子全耗尽的足够薄且窄的半导体层的制作。半导体也需要重掺杂来保证在器件开启时有一个合理的电流值。把这两个条件组合在一起就引出了纳米级结构和高掺杂浓度的应用。这种门控电阻的工作状态已经于最近被一些组织通过模拟的方式探索了出来。这其中包括Technische Universitat Munchen, Carnegie Mellon University, IMEC and the Tyndall National Institute等高校。不同的团队为他们的器件起了不同的名字：垂直狭缝场效应晶体管（VeSFET），纳米线开关场效应晶体管，还有无结多栅场效应晶体管，但是所有的这些器件都有相同的工作原理。更普遍意义上来说，纳米线节后正在逐渐被认同为未来纳米级晶体管结构的最佳的选择。
一个极其简单的晶体管结构描述
图二
绝缘体上硅结构可以被用来生产高质量的只有几纳米厚度的单晶硅薄膜。使用商业的SOI硅片和电子束印制技术，我们已经可以制造并定义几十纳米宽和十纳米厚的纳米线硅。在生长了10nm厚的栅氧化层之后，纳米线被用离子注入均匀地掺杂，使用砷来掺杂N型的器件，使用BF2来掺杂P型的器件。植入杂质的能量和剂量被准确的选择来精确的量产掺杂浓度从19
210
?atoms 3
cm-到19
cm-不等的硅圆片。这样高浓度的掺杂水平
?atoms 3
510
从早就被选用为CMOS器件的源极和漏极区域的标准浓度。在门控电阻中，高掺杂被需要来确保较高的电流驱动和好的源漏接触电阻。它也规定使用足以使通道区域完全耗尽的几何尺寸足够小的纳米线，这对于器件的完全关闭是必要的。门栅是在550摄氏度的低压化学气相淀积LPCVD反应器中用无定形硅淀积制造而来，它的厚度有50nm。在经过了剂量在142
210cm-
?的硼或砷离子的P型栅或N型栅的重掺杂之后，这些样品在氮气环境下退火30分钟来激活掺杂的杂质并将无定形硅的门栅材料转化为多晶硅。在这之后门栅电极被放在反应离子刻蚀器中被刻蚀。图二展示的是电学显微镜下的五个并联硅门控电阻，他们的结构是纳米线外加一个常见的多晶硅栅电极。一个单个纳米线器件的放大图像也被展示了出来，在这张图里单个的硅原子阵列可以被观察到。为了获得阈值电压的描述性数值，我们在N型器件中使用P型掺杂的多晶硅栅，在P沟道的器件中使用N型掺杂的多晶硅栅。在门
栅设置完毕之后，在其上再放置一层保护性的二氧化硅层。刻蚀出互连的孔，然后使用一个
经典的TiW-Al 金属化制程来给这些器件提供电学互连。在门栅布置完成之后就不再进行掺杂。使得源漏极终端保持与沟道完全相同的掺杂类型和浓度。这种器件是一个多栅的结构，这就意味着门栅电极包裹着器件的三个面（纳米线的左，上，右三面）。经典的三栅场效应晶体管在另外的硅圆片上构建来与纳米线门控电阻进行比较，它的构建制程基本上与建造门控电阻的制程完全相同，但是有以下几点除外：沟道的左侧要么就是不进行掺杂，要么就是掺杂P 型杂质使浓度达到173210cm -?（我们在这里默认是N 沟道的器件）。N 型掺杂的多晶硅被用作门栅材料,在门栅位置固定形成源漏PN 结之后在15keV 的能量控制下以142210cm -?的剂量向门栅中注入砷离子来形成N 型掺杂的多晶硅栅。
与其他最佳的MOS 晶体管比较特性
门控电阻的电流电压特性与一个正规的MOSFET 晶体管相比相当相似，基本上是一样的。图三展示的是在正负1V 的漏电压和沟道宽度30nm 、沟道长度1um 的N 型和P 型器件的前提下栅电压V G 控制下的漏极电流I D 的情况。我们发现门栅控制电阻器截止电流值小于测量系统的探测精度（15110A -?）。在栅电压0G V =和G V =1V ±之间的导通电压与截止电流的比值比6110?还要大。这清楚地给了我们这样的概念那就是通过静电条件下耗尽沟道中的载流子的工作效果跟通过关闭一个反向偏置的PN 结在关闭器件上达到了相同的效果。图四向我们展示了栅控电阻器的实验输出特性。这些特性显著的近似于正规的MOSFET 晶体管显现的特性。
图四
亚阈值坡度值SS 被定义为阈值电压下的漏极电流与栅电压比值的log 对数值的负值。它的单位是-1mVdec ，我们用这个值来表现晶体管开关转换的灵敏度。他有一个理论最优值B SS = (k T/q) ln(10)，在300K 的温度下它的数值近似于60-1mVdec 。典型的单个MOS 晶体管有一个接近80-1mVdec 的亚阈值坡度。最好的三栅SOI 晶体管接近于理论最优值
63-1mVdec 。这里所描述的门控电阻器在300K 温度下亚阈值坡度的测量值为64-1mVdec ，在225K 到475K 的温度下的也有仅与最优值相差几个百分点的表现。
传统的MOS 晶体管的结构就像一个半导体的三明治，不是NPN 模式的N 沟道器件就是PNP 模式的P 沟道器件。在这些器件当中，源漏极之间的电流在一个反型层的沟道里面流动。在绝缘体上硅结构中，尤其是使用三栅结构的时候我们可以实现积累层的MOSFET 器件。传统的积累模式MOSFET 器件是由一个++n nn 三明治样式的N 沟道器件和++
p pp 样式的P 沟道器件来体现的。在一个积累型的器件中，沟道的极型与它所在的半导体区是相同的。在这方面来讲，无结栅控电阻器与积累型器件就像亲姐妹一样。然而，他们之间有一个很重要的不同点。积累型的MOSFET 晶体管的沟道区域是轻掺杂的，也因此，电阻很大。为了能够让这个器件驱动一个比较大的电流，需要一个足够大的栅电压来使硅产生接触栅氧化层一侧的积累层。这个积累层有一个高的载流子浓度。这样就会在源极和漏极之间产生一
个低阻通道，可以驱动一个比较大的电流来流过。反型层载流子和积累型载流子在这个方面表现的相同：他们都被由栅电压产生的电场挤压在接触栅氧化层的硅一侧的一个小薄层中。载流子都被硅和氧化层之间的粗糙接触表面和栅氧化层及半导体接触表面的电荷陷阱分散和阻挡。随着栅电压的增长，这种分散和阻挡作用会越来越大，而这也就会减弱了载流子的移动性，也就是说，漏端电流。
在一个栅控电阻器中，沟道区是中性的并且处在纳米线的中心，并且由于载流子是处在中性的硅（这里指的是未耗尽的硅）中的，并且在垂直于电流的方向上是零点场，当器件完全导通时，为简单起见我们假设一个低的漏端电压、整个沟道区域是中性的且是在平带电压条件下。在这个时候沟道很有效的扮演了一个电阻的角色，它的电导为D =q N σμ。这个时候的迁移率就是载流子在纯硅中的迁移率。电子在高掺杂的N 型硅中的迁移率是2-1-1100cm V s ；迁移率在19-2110cm ?到20-2110cm ?的掺杂浓度之间变化很小。与此相近的
是，在相同的掺杂浓度的情况下的P 型的硅中空穴的迁移率基本上是在2-1-140cm V s 。这些
迁移率的值可能显得非常小，但是他们应该被放在当代的短沟道MOSFET 晶体管的情况下来考虑。在非应变硅条件下，单个MOSFET 晶体管的有效沟道迁移率从0.8um 的特征尺寸下的2-1-1400cm V s 降到0.13um 特征尺寸下的2-1-1100cm V s 。与此相类似的是，据报道在FinFET 中当栅长度从0.9um 减小到0.11um 时峰值迁移率从2-1-1300cm V s 降低到
2-1-1140c m V s ，如果不是引入应变技术，在45nm 的特征尺寸下电子的迁移率将会降到2-1-1100cm V s 以下。这些应变技术可以像应用到反型模式的晶体管中的情况一样被应用到门控电阻器中。
在MOSFET 晶体管中，载流子被局限在一个反型层的沟道里，在沟道当中载流子散射效果随着栅电压和频率的增长影响也一并增大，也即减少了跨导和电流的大小。在高掺杂的门控电阻器当中，漏端电流是流过整个纳米线区域的，而不是仅仅被局限在一个表面的沟道里。图五向我们展示了在从器件夹断电压到平带电压条件不同的栅电压值下载N 型无结栅控电阻器对应的电子浓度。在途中很清晰的展现了导电沟道处在接近纳米线中间的位置，而不是在硅-SiO 2接触表面附近。这就允许电子以在纯硅中的迁移率在硅中移动，这使得在栅控无结电阻器中的载流子受到的散射作用要远小于正规晶体管中的表面载流子所受到的散射作用。如果我们需要将漏端电流进一步的增大，通过增加栅电压使它超过平带电压我们可以产生接触表面积累型沟道。因为栅控电阻器是在整个硅体积内传递而不是在沟道条件下传递载流子，所以当栅电压在增加时它的跨导减小的要更加慢一些，也因此，在栅控电阻器中会有更高的电流、更快的速度。
栅控电阻器的阈值电压随温度的变化率与一般的MOSFET 相类似，在我们实验中这个数值接近11.5o mV C --。有趣的是，栅控电阻器中的载流子迁移率随温度减小的情况要小于三栅场效应晶体管中的情况。在一个轻掺杂的场效应晶体管中，载流子的迁移率受杂志散射的影响非常小倾向于声子受限，所以她能表现出一种很强的温度依赖性。另一方面，在高掺杂的栅控电阻器中载流子迁移率受杂质散射的影响但不受声子散射的影响，载流子迁移率随温度的变化要小很多。举例来说，在室温下，我们测量出三栅的场效应晶体管和栅控电阻器中的载流子迁移率分别为1300o mV C -和1100o mV C -。当温度升高到200o
C ，三栅场效应晶体管中的载流子迁移率减少了36%，然而栅控电阻器中的载流子迁移率减小了6%。
CMOS 逻辑工作角度
尽管栅控电阻器的电学特征与正规的晶体管中的电学特性极为相同，但是他们之间有一个最基本的不同点。MOSFET 晶体管是关常态器件，因为如果在源极和漏极之间没有产生沟道那么漏级PN 结是反向偏置的因此阻止任何电流的工作。为了将器件导通，我们需要增大栅极电压来产生一个反型沟道。在这种器件中的漏极电流的值是由下面的公式给出的： 2()si D ox DD TH W I C V V L
μ≈- 在这里si W 指的是器件的宽度，L 是栅的长度，DD V 是电源电压，ox C 是栅氧化层的电容。栅电极的电容C ，大小由这个式子给出ox si C C W L ≈，对应的器件的本征延迟时间为τ，由下面的式子确定大小：
2
2(/)()ox si DD ox si DD TH DD
C W LV CV L I C W L V V V τμμ=≈≈- 器件工作的速度也因此可以通过减小栅长或者增加载流子迁移率来提高。也即可以使用应变硅来提高MOSFET 晶体管的性能。有意思的是τ是与栅氧化层的厚度无关的。我们减小栅氧化层的厚度可以增大电流的大小也因此提高了器件的速度的同时，也增加了电容C ，这减小了器件的速度。
然而门控电阻器，基本上是一个开常态的器件在栅电极和硅纳米线的之间的功函数差将平带电压和阈值电压改变为正值。当器件开启时并且在平带电压条件下，他就表现的像个电阻，漏端电流的值为si si D D DD T W I q N V L
μ≈，在式子当中si T 指的是硅的厚度，D N 指的是掺杂浓度。我们发现电流与栅氧化层电容之间是独立的。电流可以通过简单的增加器件的掺杂浓度而增大。它这栅电极的电容与正常的MOSFET 的栅电极电容是相同的。因此这个本征延迟时间有如下的公式给出：2(/)ox si DD ox D si si DD D si
C W LV C L CV I q N T W L V q N T μμ≈ 。与正规的MOSFET 完全不同的是当栅控电阻器的栅氧化层的厚度增加时它的本征延迟时间会减小。所以，没有必要像MOSFET 晶体管中减小栅氧化层的厚度来提高性能。图六中展示的是在MOSFET 晶体管中和栅控电阻器中的本征延迟时间随栅长的变化情况。对于所有的栅控电阻器来说有效栅氧化层都等于1nm ，这里我们可以认为si T L =。我们可以清楚的发现在栅控电阻器中随着掺杂浓度的增加性能能够得到持续的提高。
我们发现阈值电压的变化量比传统的超薄反型SOI 晶体管的要更大。在模拟的一个掺杂浓度为193
110cm -?并且有效栅氧化层厚度为2nm 的器件中模拟出的/TH Si dV dT 为180mVnm -，这个值相当于两倍的轻掺杂超薄反型SOI 器件中的/TH Si dV dT 值。因为Si T σ值小于0.2nm 的薄层SOI 大硅片现在已经可以被制作出来了，那么硅片级的阈值电压变化量达到TH V σ等于20mV 就可以实现了。
结论
总结一下，我们介绍了全CMOS 功能实现的栅控电阻器，这种器件没有半导体结，并且他们是由N 型或者P 型重掺杂的硅纳米线来制作的。这种器件可以实现全CMOS 功能。但是他们不包含半导体结和浓度梯度，并且因此比起正规的CMOS 器件来说在热值问题上要不敏感得多。栅控电阻器有一个接近理想的亚阈值坡度。在常温下接近1
60mVdec -，并
且有极小的漏电流。当栅电压值增加时栅控电阻器中的载流子迁移率的减小量要小于经典的晶体管。
2009年10月30日收到稿件
2010年1月18日被认可
2010年2月21日发表于网站上
参考资料
1. Lilienfeld, J. E. Method and apparatus for controlling electric current. US patent 1,745,175
(1925).
2. Lilienfeld, J. E. Device for controlling electric current. US patent 1,900,018 (1928).
3. Weis, M. et al. Low power SRAM cell using vertical slit field effect transistor(VeSFET).
ESSCIRC Fringe P6 (2008).
4. Sore é, B., Magnus, W. & Pourtois, G. Analytical and self-consistent quantum mechanical
model for a surrounding gate MOS nanowire operated in JFET mode. J. Comput. Electron.
7, 380–383 (2008).
5. Sore é, B. & Magnus, W. Silicon nanowire pinch-off FET: basic operation and analytical
model. UltimateIntegration on Silicon Conference (ULIS) 18–20 Poster 249 (2009).
6. Lee, C. W. et al. Junctionless multigate field-effect transistor. Appl. Phys. Lett. 94,053511
(2009).
7. Cui, Y., Zhong, Z., Wang, D., Wang, W. U. & Lieber, C. M. High performance silicon
nanowire field effect transistors. Nano Lett. 3, 149–152 (2003).
8. Shan, Y., Ashok, S. & Fonash, S. J. Unipolar accumulation-type transistor configuration
implementedusingSi nanowires.Appl.Phys.Lett.91,093518(2007).
9. Lu, W., Xie, P. & Lieber, C. M. Nanowire transistor performance limits and applications.
IEEE Trans. Electron Dev. 55, 2859–2876 (2008).
10. Xiang, J., Lu, W.,Wu, Y.,Yan, H. & Lieber,C.M. Ge/Si nanowire heterostructures as
high-performance field-effect transistors. Nature 441, 489–493 (2006).
11. Doyle, B. S. et al. High performance fully-depleted tri-gate CMOS transistors. IEEE
Electron. Dev. Lett. 24, 263–265 (2003).
12. Colinge, J. P. FinFETs and Other Multi-Gate Transistors (Springer, 2007).
13. Colinge, J. P. et al. Analytical model for the high-temperature behaviour of the
subthreshold slope in MuGFETs. Microelectron. Eng. 86, 2067–2071 (2009).
14. Afzalian, A. et al. MultiGate SOI MOSFETs: accumulation-mode vs.enhancement-mode.
IEEE 2008 Silicon Nanoelectronics Workshop P1–6 (2008).
15. Jacoboni, C., Canali, C., Ottaviani, G. & Quaranta, A. A. A review of some
chargetransport properties of silicon. Solid-State Electron. 20, 77–89 (1977).
16. Thompson, S. E. et al. A 90-nm logic technology featuring strained-silicon. IEEE Trans.
Electron. Dev. 51, 1790–1797 (2004).
17. Ramos, J. et al. Experimental evidence of short-channel electron mobility degradation
caused by interface charges located at the gate-edge of triple-gate FinFETs. International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology 72–74 (2006).
18. Weber, O. et al. High immunity to threshold voltage variability in undoped ultra-thin
FDSOI MOSFETs and its physical understanding. Tech. Dig. IEDM 245–248 (2008).
纳米线无结晶体管 所有现存的晶体管都是基于使用向半导体材料当中引入掺杂原子后构成的半导体结来制作完成的。随着现代器件当中的半导体结之间的距离降低到10nm以下，超出以往的的高 掺杂浓度梯度已经变得非常必要。由于扩散定律和掺杂区域的统计学原理的诸多限制，半导体业在制造这种半导体结上勉励着越来越重大的困难。在这篇文章当中，我们提出并描述一 种新型的晶体管，这种晶体管没有PN结也没有掺杂浓度梯度。这种器件拥有全部的CMOS 功效并采用硅纳米线构成。他们拥有接近理想的亚阈值坡度，极低的泄漏电流，在栅压和温 度条件下比经典的晶体管结构在迁移率方面有更小的退化。 所有现存的晶体管都是基于PN结结构制作的。PN结根据所加的偏置实现允许电流通 过和阻止电流的功能。他们的结构是由两块极性相反的半导体相接触构成的.最常见的结就是PN结，它是由富含空穴的P型硅和富含电子的N型硅的接触构成的。每一本关于半导 体器件物理的书都包含一章讲解PN结，通常是处在讲解半导体材料基础的介绍性章节和详 细介绍不同种类的晶体管的章节之间。其他种类的结包括金属和硅组成的肖特基结和异质结，它是一种由两种不同的半导体材料组成的PN结。双极晶体管包含两个PN结，MOSFET 晶体管也是如此。结型晶体管只有一个PN结，MESFET晶体管包含一个肖特基晶体管。 第一个有关晶体管原理的专利是由奥匈帝国物理学家Julius Edgar Lilienfield 于1925年 10月22日在加拿大注册的。他在几年之后用 "Device for controlling electric current ”的名字在美国注册了这种器件。但是他从来没有发表过任何关于这种器件的研究文章。这个 Lilienfield晶体管是一个场效应晶体管，有点像现代的金属氧化物场效应晶体管。它的结构是这样的：一个薄的半导体薄膜放置在一个薄的绝缘层上，这个结构又放置在一个金属电极 上。最后的这个金属电极就像一个器件的栅极一样去工作。工作的时候，电阻中的电流在两 个接触的电极之间流动，就像现在的MOS晶体管中在源极和漏极之间的漏极电流一样。这 个Lilienfield器件就是一个简单的电阻，应用到的这个门电压可以使半导体薄膜里的载流子耗尽，从而改变它的导电性。理想的状态下，应该可以去完全的去耗尽半导体薄膜中的载流子，这种情况下器件的电阻值近似无穷大。 Lilie nfield晶体管，与其他类型的晶体管不同，它不包括任何结。尽管不带任何半导体结的晶体管的想法可能会显得非主流，可是晶体管的这个名字也的确没有表明半导体结的存 在。晶体管是一个固态活动的晶体管，它可以控制电流，并且晶体管这个词也是一个可变和 电阻器的合成词。从技术上讲，Lilie nfield晶体管是一个门控的可变电阻器。也就是说，它 是一个有一个控制载流子密度（或者说电流）的门的电阻。它是最简单和首个被申请专利的 晶体管结构。但是不幸的是，在Lilienfield的时代可用的技术不足以制造一个可利用的器件。
“半导体技术”2008年第二期趋势与展望 93－高k材料用作纳米级MOS晶体管栅介质薄层（下） 翁妍，汪辉98－塑封微电子器件失效机理研究进展 李新，周毅，孙承松102－光电光窗的封接技术 李成涛，沈卓身技术专栏（新型半导体材料） 106－(Bi3.7Dy0.3)(Ti2.8V0.2)O12铁电薄膜的制备 及退火影响唐俊雄, 唐明华, 杨锋, 等109－掺Al富Si/SiO2薄膜制备及紫外发光特性研究 王国立, 郭亨群113－氧分压对锰掺杂氧化锌结构及吸收性能的影响 杨兵初, 张丽, 马学龙, 等117－升级冶金级Si衬底上ECR-PECVD沉积 多晶Si薄膜崔洪涛, 吴爱民, 秦福文, 等121－用XPS法研究SiO2/4H-SiC界面的组成 赵亮, 王德君, 马继开, 等126－Al在生长InGaN材料中的表面活化效应 袁凤坡, 尹甲运, 刘波, 等器件制造与应用 129－4H-SiC MESFET直流I-V特性解析模型 任学峰, 杨银堂, 贾护军133－6H-和4H-SiC功率VDMOS的比较与分析 张娟, 柴常春, 杨银堂, 等137－智能LED节能照明系统的设计赵玲, 朱安庆141－InP基谐振隧穿二极管的研究 李亚丽，张雄文，冯震，等144－氧化硅在改善双极型晶体管特性上的作用 王友彬，汪辉工艺技术与材料 147－低温退火制备Ti/4H-SiC欧姆接触 陈素华, 王海波, 赵亮, 等151－精密掩模清洗及保护膜安装工艺赵延峰封装、测试与设备 155－测量计算金属－半导体接触电阻率的方法 李鸿渐，石瑛160－热超声倒装过程中的建模和多参量仿真 李丽敏，吴运新，隆志力集成电路设计与开发 164－微波宽带单片集成电路二分频器的 设计与实现陈凤霞，默立冬，吴思汉167－基于分组网络结构NOC的蚁群路由算法 陈青, 郝跃, 蔡觉平171－基于ARM＋FPGA的大屏幕显示器 控制系统设计陈炳权176－新型异步树型仲裁器设计 徐阳扬，周端，杨银堂，等179－一种用于高速ADC的采样保持电路的设计 林佳明，戴庆元，谢詹奇，等技术产品专栏 183－飞思卡尔升级高品质车用i.MX应用处理器产业新闻 184－综合新闻
硅纳米线温度传感器及其特点 摘要 利用气液固相法（VLS）制备硅纳米线（SiNWs），结晶的方向和结构良好，用旋涂(SOD)法进行非原位n型掺杂。非原位掺杂过程中使用基于固态扩散的SOD 技术，该SOD技术分为涂层和驱动两个步奏。我们对含磷的硅纳米线在适当的温度和时间下进行研究，本实验取950℃保持5到60分钟。掺杂的纳米线很容易做成一个具有良好分辨率和响应速度的温度传感器。对不同掺杂浓度的SiNWs 温度传感器的校准工作已经完成。本实验测定浓度为的SiNWs传感器具有最好的分辨率（6186Ω/℃）和灵敏度。 关键词- SiNWs；VLS合成；非原位掺杂；SOD；温度传感器 I 背景 目前，硅是电子器件的重要材料。材料和工具的创新，通过“自上而下”的制造方法使电子器件的尺寸不断减小。随着尺寸的减小，“自上而下”的制造流程会出现越来越多的问题；因此，“自下而上”的制造方法更具指导意义。一维的纳米结构就是采用“自下而上”的制造方法。一维纳米结构材料硅纳米线和碳纳米管，是常用的研究纳电子学的材料，因为它们的形态、尺寸和电子的特性比整块材料优越。然而，碳纳米管材料在合成金属或半导体纳米管的控制，半导体纳米管掺杂的控制，限制了碳纳米管材料的应用。VLS制备的半导体纳米线，可以克服碳纳米管的局限性。硅纳米线(SiNWs)作为活性物质具有研究意义,因为硅纳米线可以把一维输运和传统的成熟的Si工艺制造流程组合在一起。因此，硅纳米线被认为是场效应晶体管，传感器件，光学器件等纳米电学材料的重要组成部分。 此外，硅掺杂源的选择和掺杂浓度的控制，已经在传统的集成电路工艺（固体扩散，离子注入等）中被广泛研究。然而，硅纳米线主要是在VLS法中的气相过程进行原位掺杂。但是，原位掺杂生成的硅纳米线结构难以控制；例如,常用的掺杂剂气体乙硼烷，在VLS法中用于生长SiNWs硅烷气体，会导致侧壁线额外的生长；乙硼烷浓度过高会导致非晶硅壳周围形成晶体SiNWs；这些因素会导致SiNWs轴方向的掺杂不均匀。非原位掺杂与SiNWs生长的掺杂过程分开，避免了因SiNWs侧壁生长导致掺杂剂的变化或SiNWs结构的变化。非原位扩散使用旋涂法（SOD），在硅工艺上是十分成熟的。这种方法曾在VLS法进行磷掺杂生成SiNWs实验中简单介绍过。对SiNWs进行非原位掺杂，最适合用固态旋涂法控制掺杂物，而且对硅纳米线和硅晶结构造不成损害。适当温度和时间下的固态扩散决定了SiNWs的数量。 本实验中，通过旋涂法对VLS法生长的SiNWs晶体进行非原位掺杂时，要先进行退火处理。SiNWs与不同的方向衬底结合起来；非常有益于通过传统集成电路制造流程，制造高分辨率、高灵敏度的温度传感器。SiNWs温度传感器的特性在实验中测量和报告。 II传感器的制造和实验 首先，通过VLS法并利用金作催化剂在硅基板上生成SiNWs。在洁净的p 衬底（111方向）涂金膜，然后加热使金膜蒸发溅射到纳米颗粒上形成金纳米线。
现代材料制备技术 期末报告 姓名：翁小康 学号：12016001388 专业：材料工程 教师：朱进 2017年6月24日
Si纳米线的制备方法总结及其应用 摘要：Si纳米线是一种新型的一维纳米半导体材料，具有独特的电子输运特性、场发射特性和光学特性等。此外，硅纳米线在宽波段、宽入射角范围内有着优异的减反射性能以及在光电领域的巨大应用前景。传统器件已不满足更快更小的要求，因此纳米线器件成为研究的热点。关于硅纳米线阵列的制备方法，本文主要从“自下而上”和“自上而下”两大类出发，分别阐述了模板辅助的化学气相沉积法、化学气相沉积结合Langmuir-Blodgett技术法和金属催化化学刻蚀法等方法。最后介绍了Si纳米线在场效应晶体管、太阳能电池、传感器、锂电池负极材料等方面相关应用。 关键词：Si纳米线；阵列；制备方法；器件应用 0 引言 近年来，Si纳米线及其阵列的制备方法、结构表征、光电性质及其新型器件应用的研究，已成为Si基纳米材料科学与技术领域中一个新的热点课题。人们之所以对Si纳米线的研究广泛关注，是由于这种准一维纳米结构具有许多显著不同于其他低维半导体材料的电学、光学、磁学以及力学等新颖物理性质，从而使其在场发射器件、单电子存储器件、高效率激光器、纳米传感器以及高转换效率太阳电池等光电子器件中具有重要的实际应用[1]。 硅纳米线阵列( silicon nanowires arrays，简称SiNWs阵列) 是由众多的一维硅纳米线垂直于基底排列而成的，SiNWs阵列与硅纳米线之间的关系如同整片森林与单棵树木一样，它除了具有硅纳米线的特性外，还表现出集合体的优异性能：SiNWs阵列独特的“森林式”结构，使其具有优异的减反射特性，在宽波段、宽入射角范围都能保持很高的光吸收率，显著高于目前普遍使用的硅薄膜。例如，对于波长300—800 nm的光，在正入射的情况下，硅薄膜的平均光吸收率为65% ，而SiNWs阵列的平均光吸收率在80% 以上；在光入射角为60°时，硅薄膜的平均光吸收率为45%，而SiNWs阵列的平均光吸收率达70%［2］。这对于硅材料在太阳能高效利用方面，具有十分重要的意义。本文将对国内外关于硅纳米线阵列的制备及其在光电领域应用的研究进展进行系统阐述。 1 Si纳米线阵列的制备方法 近年来，为制备有序的SiNWs阵列，研究者先后开发出多种制备方法，这些方法大体上可分为两类：“自下而上( bottom-up )”和“自上而下( topdown)”。前者是从原子或分子出发控制组装成SiNWs阵列；而后者则是从体硅(硅片)出发，经化学刻蚀制得。 1.1 自下而上 目前，“自下而上”的制备方法，主要是激光烧蚀沉积，化学气相沉积法( chemical vapor deposition，CVD)与有序排列技术相结合及热蒸发等。CVD法是利用气态或蒸气态物质在气相或气固界面上反应生长固态沉积物的方法。该法直
学年论文 ` 题目：一维纳米材料的制备方法概述 学院：化学学院 专业年级：材料化学2011级 学生姓名：龚佩斯学号：20110513457 指导教师：周晴职称：助教
2015年3月26日 成绩 一维纳米材料制备方法概述 --气相法、液相法、模板法制备一维纳米材料 材料化学专业2011级龚佩斯 指导教师周晴 摘要：一维纳米材料碳纳米棒、碳纳米线等因其独特的用途成为国内外材料科学家的研究热点。然而关于如何制备出高性能的一维纳米材料正是各国科学家所探究的问题。本文概述了一维纳米材料的制备方法：气相法、液相法、模板法等。 关键词：一维纳米材料；制备方法；气相法；液相法；模板法 Abstract: the nanoscale materials such as carbon nanorods and carbon nanowires have become the focus of intensive research owing to their unique applications. but the question that how to make up highqulity one-dimentional nanostructure is discussing by Scientists all around the world. This parper has reviewed the preparation of one dimention nanomaterials ,such as vapor-state method, liqulid -state method ，template method and so on. Key words: one-dimention nanomaterials ; preparatinal method ; vapor-state method liqulid-state method ; template method 纳米材料是基本结构单元在1nm ~100nm之间的材料，按其尺度分类包括零维、一维、二维纳米材料。自80年代以来，零维纳米材料不论在理论上和实践中均取得了很大的进展；二维纳米材料在微型传感器中也早有应用。[1]一维纳米材料因其特殊的结构效应在介观物理、纳米级结构方面具有广阔的应用前景，它的制备研究为器件的微型化提供了材料基础。本文主要概述了近年来文献关于一维纳米材料的制备方法。 1 一维纳米材料的制备方法 近几年来，文献报导了制备一维纳米材料的多种方法，如溶胶-凝胶法、气相-溶液-固相法、声波降解法、溶剂热法、模板法、化学气相沉积法等。然而不同制备方法的纳米晶体生长机制各异。本文按不同生长机制分类概述，主要介绍气相法、液相法、模板法三大类制备方法。 1.1 气相法 在合成一维纳米结构时,气相合成可能是用得最多的方法。气相法中的主要机
纳米材料习题答案 1、简单论述纳米材料的定义与分类。 答：最初纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。 现在广义: 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围，或由他们作为基本单元构成的材料。 如果按维数，纳米材料可分为三大类： 零维：指在空间三维尺度均在纳米尺度，如：纳米颗粒，原子团簇等。 一维：指在空间有两处处于纳米尺度，如：纳米丝，纳米棒，纳米管等。 二维：指在三维空间中有一维处在纳米尺度，如：超薄膜，多层膜等。 因为这些单元最具有量子的性质，所以对零维，一维，二维的基本单元，分别又具有量子点，量子线和量子阱之称。 2、什么是原子团簇谈谈它的分类。 3、通过Raman 光谱中任何鉴别单壁和多臂碳纳米管如何计算单壁碳纳米管直径 答：利用微束拉曼光谱仪能有效地观察到单臂纳米管特有的谱线，这是鉴定单臂纳米管非常灵敏的方法。 100-400cm-1范围内出现单臂纳米管的特征峰，单臂纳米管特有的环呼吸振动模式；1609cm-1，这是定向多壁纳米管的拉曼特征峰。 单臂管的直径d与特征拉曼峰的波数成反比，即d = 224/w d：单壁管的直径，nm；w：为特征拉曼峰的波数cm-1
4、论述碳纳米管的生长机理（图）。 答：碳纳米管的生长机理包括V-L-S机理、表面（六元环）生长机理。 （1）V-L-S机理：金属和碳原子形成液滴合金，当碳原子在液滴中达到饱和后开始析出来形成纳米碳管。根据催化剂在反应过程中的位置将其分为顶端生长机理、根部生长机理。 ①顶端生长机理：在碳纳米管顶部，催化剂微粒没有被碳覆盖的的部分，吸附并催化裂解碳氢分子而产生碳原子，碳原子在催化剂表面扩散或穿过催化剂进入碳纳米管与催化剂接触的开口处，实现碳纳米管的生长，在碳纳米管的生长过程中，催化剂始终在碳纳米管的顶端，随着碳纳米管的生长而迁移； ②根部生长机理：碳原子从碳管的底部扩散进入石墨层网络，挤压而形成碳纳米管，底部生长机理最主要的特征是：碳管一末端与催化剂微粒相连，另一端是不含有金属微粒的封闭端； （2）表面（六元环）生长机理：碳原子直接在催化剂的表面生长形成碳管，不形成合金。 ①表面扩散机理：用苯环坐原料来生长碳纳米管，如果苯环进入催化剂内部，会被分解而产生碳氢化合物和氢气同时副产物的检测结果为只有氢气而没有碳氢化化物。说明苯环没有进入催化剂液滴内部，而只是在催化剂表面脱氢生长，也符合“帽式”生长机理。 5、论述气相和溶液法生长纳米线的生长机理。 （1）气相法反应机理包括：V-L-S机理、V-S机理、碳纳米管模板法、金属原位生长。 ①V-L-S机理：反应物在高温下蒸发，在温度降低时与催化剂形成低共熔液滴，小液滴相互聚合形成大液滴，并且共熔体液滴在端部不断吸收粒子和小的液滴，最后由于微粒的过饱和而凝固形成纳米线。 ②V-S机理：首先沉底经过处理，在其表面形成许多纳米尺度的凹坑蚀丘，这些凹坑蚀丘为纳米丝提供了成核位置，并且它的尺寸限定了纳米丝的临界成核直径，从而使生长的丝为纳米级。 ③碳纳米管模板法：采用碳纳米管作为模板，在一定温度和气氛下，与氧化物反应，碳纳米管一方面提供碳源，同时消耗自身；另一方面提供了纳米线生长的场所，同时也限制了生成物的生长方向。 ④金属原位生长： （2）溶液法反应机理包括溶液液相固相、选择性吸附。 ①S-L-S机理：SLS 法和 VLS 法很相似，二者的主要差别在于 SLS 法纳米线成长的 液态团簇来源于溶液相，而 VLS 法则来自蒸气相。
太阳能电池的量子效率是指太阳能电池的电荷载流子数 目与照射在太阳能电池表面一定能量的光子数目的比率。因此，太阳能电池的量子效率与太阳能电池对照射在太阳能电池表面的各个波长的光的响应有关。 外量子效率(External Quantum Efficiency, EQE)， 太阳能电池的电荷载流子数目与外部入射到太阳能电池表 面的一定能量的光子数目之比。 内量子效率(Internal Quantum Efficiency, IQE)，太 阳能电池的电荷载流子数目与外部入射到太阳能电池表面 的没有被太阳能电池反射回去的，没有透射过太阳能电池的，一定能量的光子数目之比。 硅纳米线太阳能电池 基于硅纳米线太阳能电池的金属箔进行了阐述【foil - 铝箔】。此类设备的 主要优点是讨论，通过光的反射率，电压，电流和外部量子效率数据一个单元的设计，采用薄非晶硅层上沉积形成的纳米线阵列P - N结。一 个有前途的1.6 mA/cm2的电流密度为1.8平方厘米电池获得，并广阔的外部量 子效率测定的最大值为12％，在690纳米。“。2007年美国物理研究所。 近年来，一直存在一个显着的，复活在可再生能源系统的兴趣。太阳能转换 特别感兴趣，因为是丰富的源。今天的绝大多数鈥檚商业太阳能电池模块是基于 晶体硅，但有越来越多的薄膜的兴趣，所谓的第二代太阳能电池，以及第三代高 效率/低成本太阳能电池，一些需要使用的纳米结构的概念。基于纳米线净重的 太阳能电池是一种很有前途的阶级由于几个性能和光伏太阳能设备处理启用的 利益，包括直接路径这样的几何形状所带来的电荷传输纳米结构。【photovoltaic - 光伏】 纳米线和纳米棒，定义中的应用这里有宽高比5:1太阳能电池已试图在几个设备的配置和材料系统。纳米线/棒功能的太阳能电池的最新展示
第24卷 第10期 电子测量与仪器学报 Vol. 24 No. 10 2010年10月 JOURNAL OF ELECTRONIC MEASUREMENT AND INSTRUMENT · 969 · 本文于2010年8月收到。 * 基金项目: 安徽省自然科学基金(编号: 090414199)资助项目; 中央高校基本科研业务费专项资金(编号:2010HGZY0004, 2010HGXJ0224)资助项目。 DOI: 10.3724/SP.J.1187.2010.00969 碳纳米管场效应晶体管设计与应用* 许高斌1,2 陈 兴1,2 周 琪3 王 鹏1,2 (1. 安徽省微电子机械系统工程技术研究中心, 合肥 230009; 2. 合肥工业大学电子科学与应用物理学院, 合肥 230009; 3. 合肥工业大学材料科学与工程学院, 合肥 230009) 摘 要: 碳纳米管具有一些独特的电学性质, 在纳米电子学有很好的应用前景。随着纳米技术的发展, 新的工艺技术也随之产生。纳米器件的“由下至上”制作工艺, 是在纳米技术和纳米材料的基础之上发展起来的, 在新工艺基础之上, 可以利用纳米管、纳米线的性质制作成各种新的电子器件。由于碳纳米管可以和硅在电子电路中扮演同样的角色, 随着基于碳纳米管的纳米电路研究的深入发展, 电子学将在真正意义上从微电子时代进入纳电子时代。从分析碳纳米管分立场效应晶体管典型结构特点入手, 分析阐述了碳纳米管构建的典型纳米逻辑电路结构特征及碳纳米管在柔性纳米集成电路方面的应用。 关键词: 碳纳米管；场效应晶体管；纳米逻辑门电路；柔性纳米集成电路；纳米电子学 中图分类号: O484 文献标识码: A 国家标准学科分类代码: 430.4030 Design and application of carbon nanotube FETs Xu Gaobin 1,2 Chen Xing 1,2 Zhou Qi 3 Wang Peng 1,2 (1. Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province, Hefei 230009, China; 2. School of Electronic Science & Applied Physics, Hefei 230009, China; 3. School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China) Abstract: Carbon nanotube has many extraordinary electrical properties and extensive application foreground on nano electronics. With the development of nanotechnology, new process technique is generated. And the bottom-up fabri-cation process is developed based on nano technique and nano materials, then various new electron devices is constructed by using the properties of nanotubes and nanowires. Since the CNTs can act same roles in electronic circuit as Si material, and with the profound development of research of nano-ICs based on CNTs, the electronics will turn into the nanoelec-tronic era truly from the microelectronic era. In this paper, the feature of typical structure of nano electronic devices based on CNTs, CNTs field effect transistor (FET), is discussed, the characteristic of typical structure of logic-gate circuits based on CNT-FETs is represented, and the application of CNTs on flexible nano ICs is also described. Keywords: carbon nanotube; FETs; nano logic-gate circuit; flexible nano-ICs; Nano electronics 1 引 言 自1991年S. Iijima 发现碳纳米管后[1] , 由于其独特的物理、化学性质及其机械性能, 具有径向量子效应、超大比表面面积、千兆赫兹的固有振荡频率等特点[2] , 碳纳米管(carbon nanotubes, CNTs)引起了人们的极大关注。从结构上来说, CNTs 可以分为单 壁碳纳米管(single-walled carbon nanotube, SWCNT)和多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotube, MWCNT)。SWCNT 是单层的, 其直径在1~5 nm; MWCNT 大约有50层, 内径在1.5~15 nm, 外径在2.5~30 nm 。MWCNT 由于结构上存在缺陷, 其纳结构在稳定性上不如SWCNT 结构。碳纳米管具有一些独特的电学性质[3], 可制备出金属性和半导体性
讲课内容——第九章纳米材料的电学性质 所谓纳米材料是指材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料。由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。1、力学性质高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。2、热学性质纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，从而有效地将太阳光能转换为热能。3、电学性质由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研制出由碳纳米管组成的逻辑电路。4、磁学性质当代计算机硬盘系统的磁记录密度超过1.55Gb/cm2，在这情况下，感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻效应为3%，已不能满足需要，而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%，可以用于信息存储的磁电阻读出磁头，具有相当高的灵敏度和低噪音。目前巨磁电阻效应的读出磁头可将磁盘的记录密度提高到1.71Gb/cm2。同时纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系，所以也可以用作新型的磁传感材料。高分子复合纳米材料对可见光具有良好的透射率，对可见光的吸收系数比传统粗晶材料低得多，而且对红外波段的吸收系数至少比传统粗晶材料低3个数量级，磁性比FeBO3和FeF3透明体至少高1个数量级，从而在光磁系统、光磁材料中有着广泛的应用。
硅纳米线的表面改性 陈扬文唐元洪*裴立宅郭池 (湖南大学材料科学与工程学院长沙 410082) 摘要硅纳米线是一种新型半导体光电材料，具有纳米材料所特有的小尺寸效应，经表面改性的硅纳米线具有不同于普通硅纳米线的特殊性质。本文主要介绍硅纳米线表面改性的进展，包括为应 用于纳米电子技术中提高电子传输率和电路布线时达到更好欧姆接触而进行的硅纳米线表面金属改 性，阐述了金属在硅纳米线中的存在形态，以及应用于纳米传感器技术中为检测特定化合物及生物基 团而进行的硅纳米线表面有机物及生物改性。 关键词硅纳米线表面改性 Surface Modification of Silicon Nanowires Chen Yangwen, Tang Yuanhong*, Pei Lizhai, Guo Chi (College of Materials Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082) Abstract Silicon nanowire (SiNW) is a new kind of optoelectronic semiconductor material. SiNWs in the nanoscale regime exhibit quantum confinement effects. The modified SiNW is highly promising because of the different properties from the normal SiNWs. Here the development of modification of SiNWs, including deposition metal nanoparticles on their surface to raise electronic conductivity and improve ohmic contacts of SiNWs, modification with organic matter, biological macromolecules applied to nanosensors and nanodetectors are introduced. Key words Silicon nanowires, Surface modification 自1991年发现碳纳米管[1]以来，纳米科学无论基础研究还是应用研究都取得了突破性进展。材料在纳米尺度范围内受量子尺寸效应的影响，其电学、光学、磁性及力学等物理特性表现出不同于体材料的性质，此外由于硅基纳米技术能很好地和当代微电子技术相兼容，因此对硅纳米线的研究吸引了物理、化学、材料科学等领域科学家的广泛关注。1998年成功大量制备硅纳米线[2,3]取得突破后，各国科学家分别采用激光烧蚀[4]、化学气相沉积(CVD)[5]、热气相沉积[6]和有机溶剂生长[7]等方法成功制备出硅纳米线，并且通过多种手段对硅纳米线进行了表征以及对其物理、化学、电学、光学等性质的研究，目前硅纳米线已开始在逻辑门和计数器[8]、纳米传感器[9]、场发射器件[10]等领域取得了一定的应用。实验室大量制备的硅纳米线直径一般都在20nm左右，受小尺寸效应影响，表面原子比例随直径的减少急剧增大引起其性质的变化，由于硅纳米线表面原子存在大量未饱和键，具有很强的表面活性，现已开始对其进行表面改性研究。当适当地对硅纳米线表面进行其它元素修饰时，硅纳米线的物理、化学性质得到进一步的改进，能够广泛应用于纳米器件中。本文对硅纳米线的表面改性影响其物理、化学性质的改进，以及改性的一些原理， 陈扬文男，26岁，硕士生，现从事硅纳米线制备以及对其改性的研究。*联系人，E-mail: yhtang@https://www.doczj.com/doc/af14944941.html, 2005-01-26收稿，2005-09-09接受
纳米材料微观结构至少在一维方向上受纳米尺度（1nm--100nm）调制的各种固体超细材料，它包括零维的原子团蔟（几十个原子的聚集体）和纳米微粒；一维调制的纳米多层膜；二维调制的纳米微粒膜（涂层）；以及三维调制的纳米相材料。 纳米固体中的原子排列既不同于长程有序的晶体，也不同于长程无序、长程有序的"气体状"固体结构，是一种介于固体和分子间的亚稳中间态物质。因此，一些研究人员把纳米材料称之为晶态、非晶态之外的"第三态晶体材料"。 正是由于纳米材料这种特殊的结构，使之产生四大效应，即表面效应和界面效应、小尺寸效应、量子效应（含宏观量子隧道效应），从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能，表现出独特的光、电、磁和化学特性。 （1）表面与界面效应 这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多。再例如，粒子直径为10纳米和5纳米时，比表面积分别为90米2/克和180米2/克。如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸
附气体等等。 （2）小尺寸效应 当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出新的物理性质的变化称为小尺寸效应。例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。利用这些特性，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等等。 （3）量子尺寸效应 当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。例如，有种金属纳米粒子吸收光线能力非常强，在1.1365千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不透明。 （4）宏观量子隧道效应
纳米材料与纳米结构复习题 1.简单论述纳米材料的定义与分类。 答：广义上讲：纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度围，或由他们作为基本单元构成的材料。 按维数，纳米材料可分为三类： 零维：指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米颗粒，原子团簇等。 一维：指在空间有两处处于纳米尺度，如纳米丝，纳米棒，纳米管等。 二维：指在三维空间中有一维处在纳米尺度，如超薄膜，多层膜等。 因为这些单元最具有量子的性质，所以对零维，一维，二维的基本单元又分别具有量子点，量子线和量子阱之称 2.什么是原子团簇? 谈谈它的分类。 答：原子团簇: 指几个至几百个原子的聚集体（粒径一般等于或小于1nm） 例如: C n H m（n与m都是整数）；碳簇（C60、C70和富勒烯等） 原子团簇的分类： a 一元原子团簇：即同一种原子形成的团簇，如金属团簇，非金属团簇，碳簇等。 b二元原子团簇：即有两种原子构成的团簇，例如Zn n P m, Ag n S m等。 c 多元原子团簇：有多种原子构成的团簇，例如V n(C6H6)m等 d原子簇化合物：原子团簇与其它分子以配位键形成的化合物。例如(Ag)n(NH3)m等。3.通过Raman 光谱中如何鉴别单壁和多臂碳纳米管? 如何计算单壁碳纳米管直径? 答：利用微束拉曼光谱仪能有效观察到单壁纳米管特有谱线，这是鉴定单壁纳米管非常灵敏的方法。100-400cm-1围出现单壁纳米管特征峰，单壁纳米管特有的呼吸振动模式；1609cm-1是定向多壁纳米管的拉曼特征峰。 单臂管的直径d与特征拉曼峰波数成反比，即：d=224/w。式中的d单壁管的直径，nm；w为特征拉曼峰的波数cm-1 4.论述碳纳米管的生长机理。 答：采用化学气相沉积（CVD)在衬底上控制生长多壁碳纳米管。原理：首先，过镀金属(Fe,Co,Ni)催化剂颗粒吸收和分解碳化合物，碳与金属形成碳-金属体；随后，碳原子从过饱和的催化剂颗粒中析出；最后，为了便于碳纳米管的合成，金属纳米催化剂通常由具有较大的表面积的材料承载。 各种生长模型 1、五元环－七元环缺陷沉积生长 2、层－层相互作用生长 3、层流生长 4、顶端生长 5、根部生长 6、喷塑模式生长 7、守善院士：13C同位素标记，多壁碳纳米管的所有层数同时从催化剂中生长出来的，证明了“帽”式生长(yarmulke)的合理性 生长机理 表面扩散生长机理：不是生长一单壁管，然后生长外单壁管；而是在从固熔体相处时，开始就形成多层管
一维纳米材料的制备方法和性质应用 纳米材料（nano materalS是指尺寸处于1-110nm之间的材料，或者更广泛的说至少有一个维度处于纳米尺寸范围的材料。一维纳米材料，指材料的空间尺寸在三维方向上有两维处于纳米尺度范围内，主要形貌包括纳米管、纳米棒、纳米线、纳米带等。一维纳米材料具有广阔的潜在应用前景,如高密度存储记忆元件、超微型纳米阵列激光器、新型电子器件带等;制备出的一维纳米材料对基础研究和应用研究具有重要意义；一维纳米材料的制备方法以及其在能量转化、激光器和传感器等方面的应用研究情况。 一维纳米材料的制备方法 目前制备一维纳米材料包括纳米电缆的方法很多，比较有代表性的有：电弧放电法、化学气相沉积法、激光溅射法、模板法。 （ 1 ）电弧放电法 电弧放电法是制备纳米碳管最原始的方法,该方法也用于制备其它一维纳 米材料。在一个充有一定压力的惰性气体反应室中,装有一大一小两根石墨棒, 其中面积大的为阴极，小的为阳极,两极间距为1 mm。EbbesenT W在直流电流为100 A,电压18 V, Ar气压66650 Pa （500 Torr 的条件下进行实验。在放电产物中获得了大量的纳米碳管。 （2）化学气相沉积法化学气相沉积法通常是指反应物经过化学反应和凝结过程,生产特定产物的方法。Yang等将MgO与碳粉作为原材料，放入管式炉中部的石墨舟内，在高纯流动Ar气保护下将混合粉末加热到约1200C ,则生成的MgO蒸气被流动Ar气传输到远离混合粉末的纳米丝生长区，制备了定向排列的MgO纳米丝。Zhang等将经过8h 热压的靶95%Si、5%Fe 置于石英管内,石英管的一端通入Ar
一维纳米材料，由于其具有沿一定方向的取向特性使其被认定为定向电子传输的理想材料，是可用于电子及光激子有效传输的最小维度结构，如场效应晶体管、共振隧道二极管、等纳米电子器件。此外，一维纳米材料所具有的独特结构也使其在陶瓷增韧技术、微机电系统等领域发挥出独特优势。一维纳米结构因集成了良好的电学、光学和化学性能而成为研究热点，并被广泛应用于各个领域。 纳米微粒由于尺寸小，表面所占的体积百分数大，表面的键态和电子态与颗粒内部不同，表面原子配位不全等导致表面的活性位置增加，这就使它具备了作为催化剂的基本条件。最近，关于纳米微粒表面形态的研究指出，随着粒径的减小，表面光滑程度变差，形成了凸凹不平的原子台阶，这就增加了化学反应的接触面。有人预计超微粒子催化剂在下一世纪很可能成为催化反应的主要角色。尽管纳米级的催化剂还主要处于实验室阶段，尚未在工业上得到广泛的应用，但是它的应用前途方兴未艾。 催化剂的作用主要可归结为三个方面：一是提高反应速度，增加反应效率；二是决定反应路径，有优良的选择性，例如只进行氢化、脱氢反应，不发生氢化分解和脱水反应；三是降低反应温度。纳米粒子作为催化剂必须满足上述的条件。近年来科学工作者在纳米微粒催化剂的研究方面已取得一些结果，显示了纳米粒子催化剂的优越性。高镀酸饺粉可以作为炸药的有效催化剂，以粒径小于0.3mm 的Ni和Cu-Zn合金的超细微粒为主要成分制成的催化剂，可使有机物氢化的效率是传统镰催化剂的10倍，超细Pt粉、WC粉是高效的氢化催化剂。超细的Fe，Ni与γ-Fe2O3混合轻烧结体可以代替贵金属而作为汽车尾气净化剂；超细Ag粉，可以作为乙烯氧化的催化剂；超细Fe粉，可在QH6气相热分解(1000-11000C)中起成核的作用而生成碳纤维。Au超微粒子固载在Fe2O3，C03O4，NiO中，在70℃时就具有较高的催化氧化活性。 近年来发现一系列金属超微颗粒沉积在冷冻的饶腔基质上，特殊处理后将具有断裂C-C键或加成到C-H键之间的能力。例如Fe和Ni微颗粒可生成Mx-CyHz 组成的准金属有机粉末，该粉末对催化氢化具有极高的活性。纳米Ti在可见光的照射下对碳氢化合物也有催化作用，利用这样一个效应可以在玻璃、陶瓷和瓷砖的表面涂上一层纳米TiO2薄层有很好的保洁作用，日本东京已有人在实验室研制成功自洁玻璃和自洁瓷砖。这种新产品的表面有一薄层纳米Tiq，在光的照射下任何粘污在表面上的物质，包括油污、细菌在光的照射下由纳米TiO2的催化作用，使这些碳氢化合物物质进一步氧化变成气体或者很容易被擦掉的物质。