1、會(huì)計(jì)學(xué)1納米技術(shù)納米技術(shù)(n m j sh)與納米電子學(xué)資料與納米電子學(xué)資料第一頁(yè)，共46頁(yè)。n4、納米組裝技術(shù)第1頁(yè)/共46頁(yè)第二頁(yè)，共46頁(yè)。圖10.1 典型(dinxng)的幾種納米材料 第2頁(yè)/共46頁(yè)第三頁(yè)，共46頁(yè)。第3頁(yè)/共46頁(yè)第四頁(yè)，共46頁(yè)。n 第4頁(yè)/共46頁(yè)第五頁(yè)，共46頁(yè)。r/2當(dāng)顆粒小于某臨界尺寸時(shí)，將會(huì)在明顯低于塊材的熔點(diǎn)溫度(wnd)下熔化。圖10.3即為金熔化溫度(wnd)與顆粒尺寸的關(guān)系。 第5頁(yè)/共46頁(yè)第六頁(yè)，共46頁(yè)?；蚪贤夤忸l段n超微粒子中的電子能級(jí)間距隨尺寸減小而增加。通常導(dǎo)致光吸收峰向短波方向位移，稱(chēng)之為“藍(lán)移”。第6頁(yè)/共46頁(yè)第七頁(yè)，共46

2、頁(yè)。n 低溫超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)結(jié)束表明，對(duì)于Al、In等材料，隨著顆粒尺寸變小，Tc的確有所增加。第7頁(yè)/共46頁(yè)第八頁(yè)，共46頁(yè)。dv /2/1/1F0212( )( )/ (/ )pii 23232/2/ppFvd 第8頁(yè)/共46頁(yè)第九頁(yè)，共46頁(yè)。的Eg增大，波長(zhǎng)減小，即其吸收帶發(fā)生藍(lán)移。n 處于分離的量子化能級(jí)中的電子波動(dòng)性還如場(chǎng)致發(fā)光、載流子的量子約束和量子輸運(yùn)、導(dǎo)體變成絕緣體等系列反常4/3FEN第9頁(yè)/共46頁(yè)第十頁(yè)，共46頁(yè)。n 步微型化的極限。如電路尺寸接近電子波長(zhǎng)時(shí)，電子就通過(guò)隧道效應(yīng)而溢出器件，使器件無(wú)法工作。第10頁(yè)/共46頁(yè)第十一頁(yè)，共46頁(yè)。n 由于庫(kù)侖堵塞效應(yīng)的存在，電流隨

3、電壓的上升不再(b zi)是直線(xiàn)關(guān)系，而是在I-V曲線(xiàn)上呈現(xiàn)鋸齒形狀的臺(tái)階。n 單電子器件第11頁(yè)/共46頁(yè)第十二頁(yè)，共46頁(yè)。介電限域效應(yīng)導(dǎo)致介電常數(shù)增加，同樣引起紅移；第四項(xiàng)為有效里德伯能。RygErerhrErE248. 0/786. 12/)()(2222第12頁(yè)/共46頁(yè)第十三頁(yè)，共46頁(yè)。圖10.7 納米結(jié)構(gòu)制備(zhbi)的兩種思路 第13頁(yè)/共46頁(yè)第十四頁(yè)，共46頁(yè)。目前，采用外延生長(zhǎng)(shngzhng)最常見(jiàn)的納米集成電路用硅基半導(dǎo)體材料有絕緣體上硅(SOI)材料和鍺硅(SiGe)異質(zhì)材料。第14頁(yè)/共46頁(yè)第十五頁(yè)，共46頁(yè)。除上述兩種方法以外，金屬有機(jī)化學(xué)(huxu)汽

4、相沉積（MOCVD）、原子層外延（AEE）、化學(xué)(huxu)束外延（BE）等外延技術(shù)也能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)精度要求，如外延層組分、厚度、摻雜濃度和電學(xué)均勻性等，故可用于生長(zhǎng)高質(zhì)量的超晶格量子阱材料。 第15頁(yè)/共46頁(yè)第十六頁(yè)，共46頁(yè)。用分子自組裝合成的納米結(jié)構(gòu)主要包括納米棒、納米管、多層膜和介孔材料。第16頁(yè)/共46頁(yè)第十七頁(yè)，共46頁(yè)。第17頁(yè)/共46頁(yè)第十八頁(yè)，共46頁(yè)。備技術(shù)來(lái)生長(zhǎng)納米半導(dǎo)體材料，主要有：在圖形化襯底和不同(b tn)取向晶面上選擇外延生長(zhǎng)技術(shù)。如利用不同(b tn)晶面生長(zhǎng)速度不同(b tn)的V型槽生長(zhǎng)技術(shù)，解理面再生長(zhǎng)技術(shù)。高指數(shù)面生長(zhǎng)技術(shù)；在納米碳管中，通過(guò)物理或化學(xué)

5、方法制備量子點(diǎn)（線(xiàn)）技術(shù)等。第18頁(yè)/共46頁(yè)第十九頁(yè)，共46頁(yè)。第19頁(yè)/共46頁(yè)第二十頁(yè)，共46頁(yè)。*2/mne2/Fnk*/Fm l k h2(/ ) 2Fehk l即滿(mǎn)足量子條件(tiojin)的電導(dǎo)率是(e2/h)因子的函數(shù)，在單電子輸運(yùn)情況中，此因子為量子化的臺(tái)階值。 對(duì)于一維體系，考慮電子的自洽屏蔽作用，則電導(dǎo)率與躍遷幾率之間關(guān)系為 2(/ )/(1)ehCTT第20頁(yè)/共46頁(yè)第二十一頁(yè)，共46頁(yè)。當(dāng)電子的彈性散射的平均自由程和體系的尺度相當(dāng)時(shí)，雜質(zhì)散射一般可以忽略，電子以彈道(dndo)輸運(yùn)為主。 2/Teh對(duì)于納米電子器件來(lái)說(shuō)，在二維的方向上，其寬度與電子波長(zhǎng)可比擬，使得單

6、個(gè)二維亞能帶進(jìn)一步分裂為一系列的一維子能帶，從而電子被限制在一維方向運(yùn)動(dòng)。這類(lèi)器件就稱(chēng)為電子波導(dǎo)，器件中電荷輸運(yùn)屬于一維彈道。目前，對(duì)碳納米管這種準(zhǔn)一維體系的彈道輸運(yùn)特性已有研究。 第21頁(yè)/共46頁(yè)第二十二頁(yè)，共46頁(yè)。當(dāng)系統(tǒng)的物理尺度(chd)小于相干長(zhǎng)度時(shí)，電子輸運(yùn)過(guò)程可能經(jīng)歷很多次彈性散射，其量子相干特性顯著，主要有A-B效應(yīng)、AAS效應(yīng)、普適電導(dǎo)漲落等。 圖10.12示出了金屬圓環(huán)中存在散射時(shí)電子被量子相干效應(yīng)的三種典型路徑。其中路徑a（實(shí)線(xiàn)）對(duì)應(yīng)AAS效應(yīng)，路徑b（實(shí)箭頭短劃線(xiàn)）對(duì)應(yīng)A-B效應(yīng)，路徑c、c(空箭頭點(diǎn)劃線(xiàn))之間的相干對(duì)應(yīng)普適電導(dǎo)漲落。 第22頁(yè)/共46頁(yè)第二十三頁(yè)，共

7、46頁(yè)。電子在磁場(chǎng)(cchng)中沿路徑L運(yùn)動(dòng)時(shí)獲得附加相位( / )LeA dL當(dāng)電子圍繞一個(gè)磁通的路徑a運(yùn)動(dòng)（即圖10.12路徑b，加、減號(hào)角標(biāo)分別代表環(huán)繞磁通的方向?yàn)轫槙r(shí)針和逆時(shí)針），獲得相位附加為 ( / )2( / )aeeA dLe 如果一束相干電子被分開(kāi)為兩束，包圍一定磁通，再重新組合成一束時(shí)，無(wú)論在路徑上有無(wú)磁場(chǎng)存在，其疊加后將出現(xiàn)振幅隨磁通量變化的振蕩，振蕩周期為磁通量子0=h/e(即/0為整數(shù))。Aharonov和Bohm的研究結(jié)果后來(lái)被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，稱(chēng)為A-B效應(yīng)。 第23頁(yè)/共46頁(yè)第二十四頁(yè)，共46頁(yè)。在觀測(cè)A-B效應(yīng)(xioyng)的實(shí)驗(yàn)中，人們發(fā)現(xiàn)其傅里葉譜上除h/

8、e峰外，還有h/2e峰。這個(gè)以h/2e峰所表明的特征，稱(chēng)為AAS效應(yīng)(xioyng)。這種周期振蕩與相干背散射有關(guān)。其物理圖像是這樣的，當(dāng)電子波被初始散射體散射后，兩個(gè)分波分別沿順時(shí)針和逆時(shí)針路徑傳播，也就是沿著互為反演的路徑傳播，見(jiàn)圖10.12中的路徑a。盡管每次散射，振幅可能有所削弱，但對(duì)于散射體n，彈性散射過(guò)程“n”和逆過(guò)程“n”的振幅和相位的變化應(yīng)該是相同的。結(jié)果，兩個(gè)分波在回到初始散射體時(shí)振幅和相位相同，因而發(fā)生相位干涉。這是電子波局域化傾向的表現(xiàn)，導(dǎo)致了樣品電導(dǎo)的降低。當(dāng)磁通由環(huán)形路徑包圍時(shí)，沿順時(shí)針?lè)较蚵窂?，磁矢?shì)的相位改變?yōu)?，而逆時(shí)針?lè)较蛳辔桓淖優(yōu)?。兩個(gè)波在初始點(diǎn)相遇時(shí)的相位

9、差為2于是所產(chǎn)生干涉的相應(yīng)周期為h/2e，而不是h/e。 第24頁(yè)/共46頁(yè)第二十五頁(yè)，共46頁(yè)。由于費(fèi)米能的變化，載流子可能經(jīng)過(guò)不同的路徑繞道雜質(zhì)。在這些(zhxi)路徑上費(fèi)米能略有差異。 stone證明這種量子漲落是介觀系統(tǒng)中相當(dāng)普通的現(xiàn)象。而且這些漲落是與時(shí)間無(wú)關(guān)的。也就是說(shuō)，漲落的產(chǎn)生與費(fèi)米能級(jí)的變化相關(guān)，在時(shí)間上是相當(dāng)穩(wěn)定的。漲落與散射中心在樣品中精確位置分布有關(guān)。所以不同的樣品有不同的漲落。 電導(dǎo)漲落幅值的數(shù)量級(jí)是e2/h，是一個(gè)普適量，與樣品特性無(wú)關(guān)。理論研究還表明，電導(dǎo)漲落的幅值與樣品的形狀及空間維數(shù)只有微弱的依賴(lài)關(guān)系。由于電導(dǎo)漲落的幅值具有這一普適特性，故稱(chēng)為普適電導(dǎo)漲落。

10、第25頁(yè)/共46頁(yè)第二十六頁(yè)，共46頁(yè)。2DEG 電子(dinz)能量的本征值 222201222zznkkEnmm表明：電子在垂直磁場(chǎng)平面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)一種簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，以0為園頻率，能量是量子化的，這些量子化的能級(jí)稱(chēng)為朗道能級(jí)。 2(1,2,3,)xye iih朗道能級(jí)可容納電子的面密度 12leBn若2DEG的面密度為ns，定義 2/sslnnneB為朗道能級(jí)的填充因子 第26頁(yè)/共46頁(yè)第二十七頁(yè)，共46頁(yè)?？梢缘贸?d ch)，2DEG系統(tǒng)的電子密度/snieB h 填充因子v為整數(shù)，表明整數(shù)量子霍爾效應(yīng)是朗道能級(jí)被填滿(mǎn)的情況。出現(xiàn)電導(dǎo)平臺(tái)，即B或ns變化時(shí)，在一定的范圍內(nèi)，電導(dǎo)保持不

11、變。 因此量子霍耳效應(yīng)是與因無(wú)序而存在的局域態(tài)相關(guān)，而與材料無(wú)關(guān)。 又發(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)型量子霍爾效應(yīng) ，如1/3，2/3，2/7，5/9，8/3 第27頁(yè)/共46頁(yè)第二十八頁(yè)，共46頁(yè)。第28頁(yè)/共46頁(yè)第二十九頁(yè)，共46頁(yè)。n勢(shì)阱中存在電子的分離的束縛態(tài)能級(jí)Ei。n具有Ei能量的電子有較高幾率出現(xiàn)在勢(shì)阱中，以速度來(lái)回振蕩，振蕩周期為。n對(duì)雙勢(shì)壘而言，穿透整個(gè)雙勢(shì)壘-量子阱結(jié)構(gòu)的幾率可達(dá)到100%。即可實(shí)現(xiàn)諧振隧穿現(xiàn)象。/vk m 2 /L v第29頁(yè)/共46頁(yè)第三十頁(yè)，共46頁(yè)。第30頁(yè)/共46頁(yè)第三十一頁(yè)，共46頁(yè)。RTD的I-V特性存在有負(fù)阻（如圖10.14(b)所示）。因?yàn)楫?dāng)電壓使得發(fā)生諧振

12、隧穿時(shí)，通過(guò)的電流很大，而逃離(to l)諧振時(shí)電流即變得很小，從而產(chǎn)生負(fù)阻；谷值電流主要來(lái)自過(guò)剩電路（包括經(jīng)由勢(shì)壘材料高能的隧穿過(guò)程和聲子、雜質(zhì)協(xié)助的隧穿過(guò)程所形成的電流）；在電壓高于谷值電壓時(shí)，電流時(shí)熱離子電流（由越過(guò)勢(shì)壘的熱電子和經(jīng)過(guò)量子阱較高分離能級(jí)注入的電子所形成，類(lèi)似隧道而激光中的熱擴(kuò)散電流）。此外，TRD的I-V特性還存在有過(guò)個(gè)峰值和多個(gè)谷值的現(xiàn)象，這正好是對(duì)應(yīng)于勢(shì)阱中不同能級(jí)的諧振情況。第31頁(yè)/共46頁(yè)第三十二頁(yè)，共46頁(yè)。表10.1 用不同器件技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯(lu j)功能時(shí)，所需的有源器件的數(shù)目 第32頁(yè)/共46頁(yè)第三十三頁(yè)，共46頁(yè)。第33頁(yè)/共46頁(yè)第三十四頁(yè)，共4

13、6頁(yè)。第34頁(yè)/共46頁(yè)第三十五頁(yè)，共46頁(yè)。第35頁(yè)/共46頁(yè)第三十六頁(yè)，共46頁(yè)。單電子晶體管主要基于納米隧道(sudo)結(jié)的庫(kù)侖阻塞效應(yīng)來(lái)工作。它是一個(gè)柵控串連雙隧穿結(jié)三端開(kāi)關(guān)器件，電子將一個(gè)接一個(gè)地從源端轉(zhuǎn)移到漏端。SET的結(jié)構(gòu)與MOSFET的結(jié)構(gòu)幾乎相同，它采用隧穿結(jié)代替MOSFET 的pn結(jié)，采用島代替M0SFET的溝道區(qū)域。 SET工作必須滿(mǎn)足的基本條件，也是要實(shí)現(xiàn)庫(kù)侖堵塞需要滿(mǎn)足的基本條件，主要有：（1）源-漏之間的電阻量子電阻h/q226k；（2）量子島的電容要足夠?。ㄊ沟胵2/2CkT）。第36頁(yè)/共46頁(yè)第三十七頁(yè)，共46頁(yè)。圖10.18 SET的基本(jbn)結(jié)構(gòu) 這種

14、結(jié)構(gòu)可以看成是由兩個(gè)隧道結(jié)夾有一個(gè)量子(lingz)島而構(gòu)成的 圖10.19 SET的庫(kù)侖阻塞電子的隧穿過(guò)程是：若開(kāi)始量子島中N=0，則隨著電壓的上升，首先結(jié)2脫離阻塞而隧穿，然后結(jié)1脫離而隧穿，產(chǎn)生隧穿電流。因此量子島的狀態(tài)變化是N=0(-1)0(-1) 第37頁(yè)/共46頁(yè)第三十八頁(yè)，共46頁(yè)。圖10.20 SET的庫(kù)侖(kln)臺(tái)階 臺(tái)階的寬度(庫(kù)侖間隙對(duì)電荷Qp很敏感（即使有0.1q的變化，也能夠清楚的反映(fnyng)出來(lái)），從而I-V特性相對(duì)于V=0軸不對(duì)稱(chēng)，而且這種不對(duì)稱(chēng)情況可用來(lái)檢測(cè)微量的電荷。 第38頁(yè)/共46頁(yè)第三十九頁(yè)，共46頁(yè)。圖10.22 庫(kù)侖振蕩(zhndng)現(xiàn)象 實(shí)際觀察(gunch)到的各個(gè)振蕩幅度大小不一，這反映了量子點(diǎn)內(nèi)的電子能譜或狀態(tài)密度的變化情況。 第39頁(yè)/共46頁(yè)第四十頁(yè)，共46頁(yè)。圖10.23 量子點(diǎn)中的電子(dinz)數(shù)與庫(kù)侖振蕩的關(guān)系 圖10.24 磁場(chǎng)(cchng)所致的庫(kù)侖振蕩 第40頁(yè)/共46頁(yè)第四十一頁(yè)，共46頁(yè)。nSET是超導(dǎo)的，則當(dāng)其中的電子數(shù)力偶數(shù)（都是庫(kù)柏對(duì)）時(shí)，能量最低；如果通過(guò)隧