纳米电子材料与器件 图1.3.5利用STM技术将Xe原子排列成“IBM”字符 NANOTECHNOLOGY Research 图1.3.6纳米专业刊物 1991年日本NEC的 S lijima在电镜下发现碳纳米管,随后人们致力于长短不一、排列取 向、单壁和多壁的各种生长控制技术研究,由此,掀起了碳的应用热潮,大有取代支撑了半个 世纪微电子的硅材料的趋势。迄今,STM的发明和碳纳米管的发现,这两项最重大的进展极 大地加快了纳米技术的研究步伐。图1.3.7为单壁和多壁碳纳米管。 iQ的 (a)单壁管 (b)多壁管 图1.3.7单壁和多壁碳纳米管 1998年荷兰 Delft理工大学的 Ceec Dekker研究小组发明了碳纳米晶体管。如图1.3.7 和图1.3.8所示,在场碳纳米管(CNT)形成的效应晶体管(FET)结构上加电压可以控 制沟道电子的运动,有明显的ⅠV变化
第1章纳米技术概论 纳米管 源(Au) 漏(Au) So=\ 氧化(SiO2) OWENI ET原理图 CNT的FET结构 FET的V曲线 图1.3.8碳纳米管场效应晶体管 1999年Rice大学的 James M.Tour和Yale大学的 Mark a.Reed从理论上阐明单个分 子可以成为分子开关。如图1.3.9所示,选用几十纳米的特殊大分子,两端施加电压后分子 发生形变,出现高阻和低阻两种状态,也即反映了断开和导通的特性。 控制电压 HY氢 高阻态 图1.3.9分子开关示意图 2000年美国政府宣布正式实施 National Nanotechnology Initiative计划(NNI),在 2001年为纳米技术提供4.95亿美元的资助,美国提出到2010年要培养80万真正懂得纳米 技术的人才,要培养百万产业工人;日本国会正式提出发展纳米科技是它在21世纪前20年 的立国之本;欧盟也提出了NIO计划等。从而促使纳米技术的前景更加乐观。 美国当时的总统 Bill clinton在加州理工学院的演讲中说:“想一下这样的可能性:强度 为钢10倍的材料而重量只有钢的儿分之一,把国会图书馆的所有信息压缩进一个只有一块 方糖大小的器件中,能检测出只有几个细胞大小的肿瘤。有些目标可能在20年后才能实现, 但这正是联邦政府应该承担的重要责任。” 自此,全世界掀开了纳米技术研究的应用热潮。不过近期(10年)纳米技术发展主要 是以纳米材料及其应用为主,远期(10~20年)则将是以纳米器件及应用为主。 其实,自然界中早就存在天然的纳米材料,如蜜蜂、螃蟹、海龟、细菌等中都有帮助动 物确定方位的磁性纳米材料,人的牙齿中也存在强度极高的纳米晶磷化物,即便在天然矿 石、火星陨石等中都先后发现有纳米条状和纳米颗粒的无机氧化物。图1.3.10为自然界中 存在的纳米结构
纳米电子材料与器件 (a)昆虫中的纳米磁性粒子 (b)火星陨石中的纳米晶Fes (c)高岭土矿中的纳米条 图1.3.10自然界中存在的纳米结构 1.4纳米技术的应用 纳米技术在电子信息、生物医学、化工冶金、航空航天等中有广泛的应用,其作用 方面是改造和提升这些传统领域的技术水平,另一方面是构造新的原理、应用新的效应、 发明新的材料,从本质上改变这些领域的研究范畴。下面主要介绍在电子、生物和微机 械中的应用 1.在电子技术中的应用 纳米技术中最重要的一个分支领域是纳米电子学( Nanoelectronics)。它是微电子学技 术向纵深发展的直接结果。 在信息社会中,电子学的应用显得越来越重要。信息的获取、放大、存储、处理、传 输、转换和显示,任何一样都离不开电子学。电子学技术早已经成为人类经济的命脉。电子 学未来的发展,将以“更小,更快,更冷”为目标。“更小”是进一步提高芯片的集成度; “更快”是实现更高的信息运算和处理速度,而“更冷”则是进一步降低芯片的能耗。只有 在这三方面都得到同步的发展,电子学技术才能取得新的重大突破。 美国国防高等技术研究署( DARPA),不久前提出的超电子学( Ultra electronics)研究计 划,要求未来的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
第1章纳米技术概论 而能耗则只有现有器件能耗的2%。最终希望达到“双十二”,即10位的存储器容量 (1 Terabit)和每秒102次的运算器速度(1000亿次/s),且廉价而节能。要实现这一目标,电 子器件的尺寸将必然进入纳米技术的尺度范围,即要小于100m,如图1.4.1~1.4.4所示。 来源 Hitachi Cambridge Research laboratories 芯片中整个有效电子数决 定LSI的功耗 年代 晶体管数 个晶体管中 有效电子数 工作原理 大量电子平均少量电子精确控制 行为控制 单电子器件 图1.4.1一块芯片中晶体管数和一个晶体管中有效电子数的变化趋势 Au纳米粒子气相传感器 Snow NRL. MSISAWTEK 碳纳米管FED显示:Zhou,UNC 传输 超晶格; Honeywell GMR读写头;IBM 存储 磁记录过程 碳纳米管 FET: Avouris,BM 图1.4.2纳米电子材料在信息获取、传输、显示、处理、存储中的应用
纳米电子材料与器件 4RTD RID 图1.4.3纳米共振隧道效应器件(RTD) CMOS 光波导光探测器自旋器件 BICMOS 光调制 RTDS+功能器件 或0村底 光纤 分子器件 图1.4.4多芯片组件(MCM)促进纳米器件的系统集成 要实现纳米电子器件及其集成电路,有两种可能的方式。一种是将现有的集成电路进 步向微型化延伸,研究开发更小的最小线宽加工技术来加工尺寸更小的电子器件。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。由于现行的微电子器件(如场效 应晶体管,即FET)能耗较大,它无法满足未来对器件“更冷”的要求。同时,现行的光 刻技术能够加工的最小线宽为130nm,也不能满足纳米电子器件的加工要求。而且,传统 的光刻技术正面临着它的物理极限的限制,使得它必将被更先进的加工技术所取代,如采用 STM和AFM纳米加工技术等。 另一种方式是研制与当代集成电路完全不同的,利用纳米结构的量子效应而构成的全新 量子结构体系,它包括新型的量子器件,如单电子晶体管、自旋电子存储器、单原子开关 等,以及可能用于量子系统的零维的量子点( Quantum Dot),一维的量子线( Quantum Wire)和二维量子阱( Quantum Well)等 因此,纳米量子学技术的主要研究内容包括:发展先进的纳米结构加工技术和开发具有 量子效应的纳米电子器件及其集成技术