前言 纳米电子材料与纳米电子器件是纳米技术的核心和基础,随着纳米材料的制备方法 结构表征、性能测试技术发展到一定程度,利用其特殊的纳米效应,尤其是电磁声光热弹等 功能特性应用于电子元器件中,或研制出新的单电子器件,将极大地推动电子信息技术快 速地发展到一个真正的微纳尺度水平。为此我们深感有必要对电子信息技术中的纳米科 技问题进行归纳、整理和介绍。本书被电子科技大学审定为面向21世纪的重点教材,由电 子工业出版社组织出版。 本书根据国内外该领域的发展趋势,将目前主要的纳米电子材料的进展情况进行较为 系统的介绍,并结合纳电子学的核心-单电子器件的基本原理,对这些典型电子材料在 电子器件中的实际应用进行描述,力求构成个较为完整的纳米电了材料与器件应用的 概貌 本书由三大部分构成。第1、2章是纳米技术的基本情况,第3~7章主要是纳米电、磁、 光功能材料及其在电子元器件中的应用,第8~10章则主要是纳米电子学的基本知识。三 个部分有定的独立性联结起来又成一体。 全书由李言荣教授主编。第1、2章由李言荣教授编写,第3、4、6、7章由恽正中教授编 写,第5章由张万里副教授编写,第8、9、10章由谢孟贤教授编写,最后由李言荣对全书修 改、统稿 本书主要章节是从我们近年给高年级本科生、研究生多次讲授过的讲义内容中精选、 修改而成的,参考教学时数为60学时。可供电子科学技术、材料、物理、化工、冶金等学科 和相关技术人员使用。 由于纳米技术参考资料众多,限于篇幅,不能…一列出,在此向本书所有涉及内容的原 作者致谢。 鉴于作者水平所限,时间仓促,书中缺点错误、遗漏在所难免,恳请同行和读者批评正。 作者 2005年8月于电子科技大学
目录 第1章纳米技术概论……………………………………………… 1引言 2基本概念和内涵………………… 1.3纳米技术发展简史 .4纳米技术的应用…… ………………………………………………6 1.5纳米技术发展的主要难点… p甲,垂 主要参考文献 ………………………………………………………………14 第2章纳米电子技术基础……… 、P;,中,甲,·中,4 2.1纳米效应…………… 甲普非由D国非,、日 22纳米薄膜技术………… 2.2.1基片的选择 2.2.2制膜方法…………………………………………………………24 2.2.3成膜方法比较 2.3超晶格与低维材料 2.3.超晶格材料及其电子状态………… 33 2.3.2低维材料… …………………………………42 2.3.3多孔硅………… ………44 2.3.4纳米微品硅薄膜………………"………… 2.4纳米器件工艺概论…… ……46 主要参考文献 第3章纳米导电材料… ………………………………52 3.1纳米金属的性质与制备…… …………52 l.1纳米金属材料的主要物理性质…………………………………………52 3.1.2纳米金属固体的制备方法………5 3.1.3纳米金属膜的制备方法………………………… 54 3.1.4纳米金属的结构与形态 54 3.1.5纳米金属中的晶界和非平衡结构合金…………………………………………55 3.2纳米金属在电子工业中的应用……………………56 3,2.纳米铜… 32.2纳米导电浆料… ……58 323低渥焊料………………………………… ……60
纳米电子材料与器件 3.2.4用于传感器的纳米金属颗粒…… …………………60 3.2.5纳米金属一—介孔异质复合体 3.3纳米电磁屏蔽与吸波材料 目号国Bp由中专卓甲·, ………………6 3.3.1电磁屏蔽在信息社会中的重要性……………………………………… 3.3.2电磁屏蔽与吸波材料的工作机理 ………………………………62 3.3.3纳米材料的吸波主要机制 …………………………………………63 3.3.4纳米屏蔽与吸波材料动态 3.4纳米电极材料…………… 3.4.1纳米镍电极……………… 3.4.2纳米超级电容器电极………………"…"" 66 3.4.3纳米锂离子蓄电池电极……… 68 3.4.4纳米电极材料开发中需解决的问题………………"…… 3.5纳米金属线与纳米间轴电缆…………… ……70 1纳米金属线及其合成方法 3.5.2纳米金属线的应用…………"" 3.5.3问轴纳米电缆 ,.中,非 主要参考文献 第4章纳米电子陶瓷 4.1电子陶瓷与纳米电子陶瓷……………………………………………………75 4.1.1电子陶瓷的发展…… ,,、·;,,,·, 75 1.1.2纳米电子陶瓷的内涵及其分类…………………"" 76 4.1.3纳米电子陶瓷的性能………………"………… 4.1.4纳米电子陶瓷的发展……………………" 4.2纳米电子陶瓷的制备技术……………"""…¨ 4.2.1纳米电子陶瓷粉体制备技术……………………"""… 4.2.2纳米陶瓷粉体的团棗…………84 4.2.3纳米电子陶瓷的成型技术…………………… 4.2.4纳米电子陶瓷的烧结技术 4.3纳米介电陶瓷………………………… 4.3.1纳米绝缘电子陶瓷 4,3.2纳米压电与铁电陶瓷……… 纳米敏感陶瓷 103 4.4纳米电子陶瓷薄膜………… ………………108 4.4.1纳米电子陶瓷薄膜概述 108 4.4.2纳米压电铁电膜∵ …110 4.43用于ⅤLSI低介电常数材料纳米多孔二氧化硅……………114
目录 Ⅲ 4.4纳米念刚石膜………………………………………………………………1 4.4.5纳米气敏陶瓷薄膜……………………………… 主要参考文轅… ……119 第5章纳米磁性材料……… ,普非.告卡普甲非脂自由●亲电由中《,看●导争垂 120 5.1纳米磁性材料的介观磁性与分类…………………………120 5.1,1纳米磁性材料的介观磁性………… …120 5.1.2纳米磁性材料的分类…………" 5.2磁电阻效应及材料 5.2.1基本概念……………………………………… 5.2.2巨磁电阻材料 5.2.3隧道磁电阻材料…… ……………………………………130 5.2.4庞磁电阻材料 ,,4 133 5.2.5二类磁电阻材料的比较………… 5.3GMR磁电子器件 …………………………135 5.3.1便盘读出磁头· 135 5.3.2磁性随机存储器………………………… 5.3.3GMR传感器 f磁电子器件的新发展………………… l46 5,4纳米晶软磁材料 5.4.1纳米晶牧磁材料的特性 5.4.2主要的纳米晶软磁材料…………………………………… 5.43纳米晶软磁材料的制备及应用……………………… ……153 5.5纳米晶复合永磁材料… …154 5.5.1纳米晶复合永磁材料的特征………………………………154 5.5.2常见的纳米晶复合永磁材料………………… 5.5.3纳米晶复合永磁材料制备与应用领域……………………158 5.5.4研究热点… 6磁致冷质 ……………159 5.6.1磁致冷的基本原理…… 159 56.2磁致冷【质……………………………… 7磁性液体和纳米磁记录介质材料… …………………162 7.!磁性液体· 162 5.7.2磁性液体的应用 ……,…………………165 5,7.3纳米磁记录材料… ,;4 166 主要参考文献……… …169
Ⅳ 纳米电子材料与器件 第6章低维半导体材料… 6.1低维半导体材料機述………… 6.1.1低维半导体材料……………… 国着 6.1.2纳米半导体中能谱与量子效应 甲面 6.2纳米半导体材料的制备与评价 ………………174 6.2.1半导体微结构材料牛长和精细加工相结合的制备技术…………………………174 6.2.2应变自组装纳米量子点(线)结构生长技术……… 175 6.2.3半导体纳米结构材料的其他制备技术…76 6.2.4纳米半导体的评价技术…………………………………176 6.3超晶格与量子阱材料……………………………………“""…"… 178 6.3.1超品格与量子阱的特性 …179 6.3.2·V族超晶格、量子阱材料………… 6.3,3硅基应变异质结构超品格与量子阱材料 6.3.4Ⅱ-Ⅵ族超晶格、量子阱材料…………………………………………18l 6.3.5超晶格与量子阱的主要应用…………………………………181 6.4半导体帔子线……… 6.4.1半导体量f线的制备……… ………………………183 6.4.2纳米线的主要性能……………… 6.4.3半导体量子线材料与应用 6.5量子点…………… …………………………189 6.5.1量f点的制备 卓看丶身斯号学甲中丰看 6.5.2量子点的主要性质……………………… …………………………193 6.5.3半导体了点的主要应用 6.6准…-维纳米材料…………… 6.6.1碳纳米管 ……………197 6.6.2碳纳米管的性能 ∵…199 6.6.3碳纳米管的应用 …200 6.6.4非碳纳米管准一维材料… 6.6.5准一维纳米氧化锌 主要参考文献 ………………206 第7章纳米光电材料…… ……………………208 7.】纳米发光材料………………… 7.1.1纳米发光材料的光学性质………… 非p,中 7.1,2纳米半导体发光材料………………… 7.3纳米复合发光材料…………………………………………213 7.1.4纳米稀土发光材料…………………………"… 21
录 7.2纳米透明导电氧化物薄膜材料… 216 7.2.1透明导电氧化物(]CO)薄膜…………… 216 7.2.2化铟锡透明导电薄膜……… ……217 2.3Sn()2透明导电薄膜………… 7.2.1摻铝氧化锌透明导电薄膜 7.2.5纳米透明导电薄膜的进展…………… 219 7.3纳米光一电转换材料…………………… 7.3.1太阳能电池………… 中垂甲 7,3.2薄膜太阳能电池 7.3.3纳米结构电化学太阳能光电池 甲·、甲、中,中、甲,由;中、平 7.3.4纳米太阳能电池的进展……………… 7.4纳米非线性光学材料 ……………………227 7.4.]非线性光学材料概述…………………………… 227 7.4.2纳米半导体材料的三阶光学非线性成因 7.4.3…些纳米颗粒的非线性光学性质… 7.4.4半导体/介质纳米镶材利的非线性光学性质…………… 7.4.5纳米二阶非线性光学材料 232 主要参考文献……………… 第8章纳米体系中的电子波和电子波器件… ……234 8.1电子波和介观体系… 234 8.I.1电子波和电子波函数的相位相关性… 8.1.2介观体系的特殊性质……… 237 8,1.3二维电子气的量子Ha应简介………………"…… 239 8.1.4介观体系的电导涨落效应、非局域性效应和持续电流效应… 8.L.5弹道的量子化电导效 8.2量子十涉…… ,·.·中甲·卡中,、 218 8.2.1电子波干涉程度的表示……………………………………………248 8.2.2实现量十涉的条件…………… 249 8.2.3相位破的机理……………………… 8.2.4能否满足量子下涉条件 3电波器件… 1电子波干涉计型器件……… 8.3.2电子波导型器件… 8.3.3电子波衍射器件………………………………… 8.3.4谐振隧穿(RT)器件……………… 8.3.5量子线沟道FET……………………………… 26l
Ⅵ 纳米电子材料与器件 8.3.6速度调制晶体管(VMT)………… …………262 8.3.7平面超晶格FFT………………… 主要参考文献……………………………………………………………… 第9章单电子学和单电子器件……………………… 9.1 Coulomb阻塞效应…………… 中、,,布 9.J.1电导振荡…- Coulomb振荡现象……………………… 266 9.1,2 Coulomb阻塞效应… 3电流偏置下单个隧道结的}V特性…… 9.1.4超导态的 Coulomb阻塞效应 272 9.2单电子器件… 276 921单电子静电计…………………………………………………276 9.2.2半导体量子点旋转门… 76 9.2.3单电子品体管(SFT)…………… 9.2.4单电子类CMOS倒相器………………… 286 9.2.5单电子晶体管存储器……… 287 6单电子品体管逻辑电路举例………………… 289 2.7量子网络自适应器件(QCA)………………………………………………289 主要参考文献… 290 第10章纳米集成电路概论……… 10.传统CMS结构的纳米器件………………………………292 l0.2纳米量子电子器件…… Q.3纳米集成电路中的连接线…………………………………………294 10.4纳米集成电路设计中的问题………………………… 10.5纳米集成电路的设计方法学—持续收敛方法学 主要参考文献
第1章纳米技术概论 当前,尽管电子信息、生物医学、癌症防治和导弹防御系统依然是全世界科技发展的重 点,但不可否认,纳米技术止在成为科学研究屮最活跃的领域,形成了21世纪最重要的3T 技术时代,却IT(信息技术)、BT(生物技术)和NT(纳米技术)。 998年美国总统科技顾问 Ncal lane讲:如果现在有人问我仆么技术在未来会有突破 性进展,我会毫不犹像地说:是纳米技术。诺贝尔奖获得者 Rohrer讲:20世纪70年代重 视微米技术的国家如今都成为发达同家,现在重视纳米技术的国家很可能成为21世纪的先 进国家。的确,从18世纪中叶到现在,人类经历∫三次人的产业革命,每次革命都是从 主导的技术引发并造就一个当时在国际上经济发展速度最快,随后也成为了最发达的国家, 如蒸汽机的出现让英国成为当时最强大的经济强国,电汽化技术的使用先后造就了两大强 ,德图和美国。微米技术的以起让第二次世界大战后经济面临崩溃的旧本一跃成为世界 第二大经济强冈。在20世纪末和21世纪初,人们对新世纪的支撑技术进行了许多预测,结 果…致认为:信息技术仍是21世纪的核心技术,但纳米技术则是信息技术中的主导技术 IBM首席科学家 Armstrong说:正如20世纪70年代徵电子产生了信息革命一样,纳米技 术将成为21世纪信息时代的核心。 纳米技术不仅仅是尺寸的缩小、材料粒径的降低、传统显微技术的扩展,而它是人类认 认自然、改造自然能力的又一次飞跃,是在对宏观(≥102m)世界(如天体物理)的认识 到微观(≤10m)物质(如原子核物理)的研究基础上,人们向微米、介观领域步步深 入、层层逼近后自然集中和触角到纳米尺度这个薄弱,甚至盲区来展开研究了。显然,在纳 米这个尺寸范畴、存在巨大的待探索、待发现、待应用的现象、原理和效应,将充分体现出 小尺寸大世界的丰富内容。 H前,全世界投入纳米研发的年度经费约20亿美元,其中美国占1/4、欧洲占1/4、月 本占1/4,其他国家包括中国在内占1!,详见表1.1.1。各国有关初级纳米产品产值约500 亿美元,预计10年后将达到14400亿美元。从研究水平看,美国在纳米组装、生物应用上, 欧洲在纳米分散技术、表面处理上,日本在纳米器件研究土分别居国际领先水平,综合研究 能力中居美、日、法、英之后,在国际上有一席之地
纳米电子材料与器件 表1.11国际上有关纳米研发投入情况(百万美元 年度 1997 1999 2002 国家 欧洲 H本 120 135 157 215 !6 19 其他家 116 (%of1997) 00% 23% 159% 191 36 1.2基本概念和内涵 纳米科技是研究由尺寸在0.1~100nm之间物质的组成、特性、相互作用、应用及其原 子、分子操纵。因此,纳米科学是研究在上述尺度范畴内原子、分子和其他类型物质运动和 变化的科学,而纳米技术则为在同样尺度内对原子、分子等进行操纵和加工的技术 从上述概念可见,它首先确定了研究对象的特征尺寸为01~100nm,即10-10-~10-m (1m=10-°m,即十亿分之一米,相当于人头发丝直径的万分之 在纳米尺度,存在新的效应,如表面效应、小尺寸效应、宏观量子效应、界面效应、量 子尺寸效应、限域效应等。在这些新效应中,表面效应和量子效应是主要的和普遍的效应。 通过这些效应去理解和解释物质纳米化后出现的新现象,赋予固件物理中能带、费米能级 逸出功等以新的内容 纳米技术的精髓在于分子水平上逐一操纵单个原子,一日人们掌握了控制特征尺寸的方 法,就有能力提高材料和器件的性能,就会超过我们现在所知道的、甚至所想到的。 纳米技术主要分为纳米材料(金属、有机物、无机物的体、粉、膜、管、丝、棒等) 纳米检测、纳米效应,以及纳米器件及应用四部分。它涉及物理、化学、生物、电子、机械 等学科内容,是一门新的交叉综合学科,不是由哪一门学科自动外延或能独立包含的,如纳 米机械和纳米电子结合出现纳米机电学,纳米光学和电子结合出现纳米光电子学,传统的食 物、化学、药物学结合出现纳米生物技术,等等。 1.3纳米技术发展简史 1959年著名的德国物理学家 Richard Feynman(见图].3.1)在美国加州理工学院 (CIT)作了题为“1here’ s Plenty of room at the bottom”报告。预测在纳米尺度范畴还有 很大的研究和应用空间。 1974年 Nanotechnology被 Tokyo大学的 Norio taniguchi(谷口纪男)用来描述超微细 加工,他对微米级的加工和亚微米级的加工进行了区别。 1981年IBM的 Gerd binnig和 Heinrich rohrer(图1.3.2)发明了STM扫描隧道显微
第1章纳米技术概论 镜(STM)技术。该设备可以进行单原子成像,原理图如图1.3.3所示,使人类第一次可 以直接观察到原子。 H 1. 3. 1 Richard Feynmen 图1.3.2 Gerd Bining和 Heinrich Rohrer 背景电流 伺服放大 隧穿电流 放大器 波纹线 AC"」 STM软 图1.3.3STM原理图 1986年美国CIT的K. Eric drexler(如图1.3.4所示)出版了 Engines of Creation”,该书对纳米技术进行了科普介绍。可惜当时 他的科学幻想不被人理解,一度被认为是伪科学。 1989年IBM的 Donald m. Eigler利用STM技术将35个 xenon 原子排列成了“IBM”的字符广告(如图1.3.5所示),是人类第 次能够操纵单个原子。 1990年7月在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科技会议, 正式把纳米材料作为材料科学的一个新的分支公布于世,并出版了纳 米专业刊物(如图1.3.6所示) K 1. 3. 4 K. Eric Drexler