纳米电子学与纳米器件

纳米电子学与纳米电子器件

引言

电子器件是20世纪的伟大发明之一。它的诞生给人类社会带来了巨大的影响。电子器件的发展过程大致可分为三个阶段：即真空电子管、固体晶体管和正在悄然兴起的单电子管。1947年，固体晶体管的发明标志着固体电子学的开始，真空电子学的终结。半个多世纪以来，以集成电路为主要标志的微电子技术和后来的超晶格及其低维量子结构的研究使得电子科学技术发展到了一个前所未有的高度，而且这种发展趋势愈演愈烈。进入21世纪，以纳米量子器件为主攻方向的纳米电子学崭新时代已经来临！

1纳米电子学及其发展路线

1.1纳米电子学基本概念

作为微电子学的下一代，纳米电子学是指在1nm-100 nm的纳米结构(量子点)内探测、识别与控制单个量子或量子波的运动规律，研究单个原子、分子人工组装和自组装技术，研究在量子点内单个量子或量子波所表现出来的特征和功能，用于信息的产生、传递和交换的器件，电路与系统及其在信息科学技术、纳米生物学、纳米测量学、纳米显微学、纳米机械学等应用的学科，也称为量子功能电子学。它的最大特点是把半导体电子学、超导电子学、原子电子学、分子电子学等融为一体，而且高温铜氧化物超导体有可能和半导体硅、化合物半导体、生物膜等一样成为重要的纳米量子材料。

纳米电子学可分为两大类，一为单量子电子学，重点着眼于器件载流子的量子力学行为中的粒子性；二为量子波电子学，重点着眼于器件载流子的量子力学行为中的波动性。按照Moore定律，以硅材料为主的微电子技术到2011年最小尺寸为0.08微米，达到了微电子器件的物理极限，此后将是纳电子学时代。当进入纳电子时代后，在微电子学中适合的Moore定律将不再适应纳电子学。在纳米系统中失去了宏观体系的统计平均性，其量子效应和统计涨落为主要特征。纳米电子学就是讨论这些特性的规律和

利用其规律制成功能器件的学科。

1.2纳米电子学发展路线

一般认为纳米电子的由来与发展有两条路径：一条是以Si和GaAs为主的无机材料的固态电子器件尺寸和维度不断变小的自上而下的发展路径；另一条则是基于化学有机高分子和生物学材料自组装功能器件尺度逐渐变大的自下而上的发展过程，两者的交叠构成21世纪初期新型电子和光电子器件。

1.2.1自上而下的发展路线

纳米科技的提出和发展有着其社会发展强烈需求的背景。首先，来自微电子产业。1965年，英特尔公司的创始人Moore科学而及时地总结了晶体管集成电路的发展规律，提出了著名的“摩尔定律”，即芯片上晶体管数量每18个月将会增加1倍。过去20多年的实践证明了它的正确性，MOS集成电路一直严格遵循这一定律，从最初每个芯片上仅有64个晶体管的小规模集成电路，发展到今天能集成上亿个器件的甚大规模集成电路。预计到2014年，器件特征尺寸为35 nm

的集成电路将投入批量生产，此后将进入以纳米CMOS晶体管为主的纳米电子学时代。由此可见，对于微电子器件的集成度要求越来越高、器件加工工艺尺寸要求越来越小，也就是说要求微电子器件特征尺寸缩小对于纳米电子学的兴起和发展起了至关重要的作用。正是这种要求器件尺寸日渐小型化的发展趋势，促使人们所研究的对象由宏观体系进入到纳米体系。从而产生了纳米电子学。

其次，纳米电子学另一个自上而下兴起的发展历程的主要影响因素，是以超晶格、量子阱、量子点、原子团簇为代表的低维材料。该类材料表现出明显的量子特性，特别是以这类材料中的量子效应为基础，发展了一系列新型光电子、光子等信息功能材料，以及相关的量子器件。

1.2.2自下而上的发展路线

纳米结构的自组装体系是指通过微弱的和较小方向性的非共价键，如氢键、范德瓦耳斯键弱的离子键协同作用把原子、离子或分子连接在一起构建成一个纳米结构或纳米结构的花样。自组装过程的关键不是大量原子、离子、分子之间弱作用的简单叠加，而是一种整体的、复杂的协同作用。原子和分子是组成物质的最小结构单元，许多有机物质都具有超分子结构和多极性结构特征，而这些特征都与被称为“分子自组装”的概念有关。研究证实，要完成一个确定的分子自组装过，首先要建造基本模块。通常是在溶剂中及合适的溶液条件下，由原子或分子形成确定组分的原子团、超分子、分子集合体、纳米粒子以及其他尺度的粒子基元，而这一过程需要系统中存在不同层次的相互作用，由这些相互作用的差异、协同、分子识别以及热力学驱动完成整个自组装过程。分子自组装的最主要应用则是利用该技术制作具有特定功能的纳米量子器件，这无疑是一条纳米电子学的自下而上的发展路径。发展纳米电子学的另外一条重要途径就是由无机材料构成的纳米微粒、纳米薄膜和纳米固体的研究。1986年，德国的著名材料物理学家格莱特教授率先采用物理方法制备了由纳米晶粒和晶粒间界两种组元形成的纳米固体材料，在世界范围内引起了轰动。其后，人们纷纷采用各种工艺，如分子束外延法、激光烧蚀沉积法、磁控溅射法、等离子体化学气相沉积法、凝胶--溶胶法和高能离子注入等沉积生长了各类薄膜材料，并制作了一系列低维量子器件。

2纳米电子学基本原理

纳米电子学是纳米技术的重要组成部分，其主要理论思想是基于纳米粒子的量子效应来设计并制备出纳米器件，即正是由于各种量子化效应的出现，才导致了具有不同量子功能纳米量子器件的诞生。

在不同的纳米结构与器件中，其量子化效应的物理体现也是多种多样的。如“短沟道量子化效应”、“库仑阻塞效应”、“量子尺寸效应”、“自旋极化电子输运”、“电导呈量子化效应”等。其中“量子尺寸效应”是设计量子点光电子器件的重要物理基础。它所表现的物理现象是：当半导体材料由体相转变为纳米结构后，会导致其带隙的加宽和量子化能级的出现，从而由于晶体中平移对称性的丧失使得动量守恒定律要求的禁戒跃迁放松约束，其结果是无声子参与的直接跃迁几率大大增加，因而有效地改善了其发光特性。此外，量子尺寸效应还体现在：低维纳米体系具有较大的激子束缚能和锐化的态密度，这对量子点激光器的设计十分有利。

“库仑阻塞效应”是指如果一个量子点与它周围外界之间的电容为10-16~10-18量级时，则进入该量子点的单个电子引起系统静电能的增加等于

e2/2C，此时就会出现一个有趣的现象：一旦有一个电子隧穿进入量子点，它所引起的静电能增加足以阻止随后第二个电子再进入到同一量子点。因为这样的过程要导致系统总能量的增加，这就是人们早已熟知的库仑阻塞现象。目前人们研究的单电子器件，就是基于这种物理效应而设计的。有关其他量子化效应的理论及器件中的物理体现，在此不一一叙述，有兴趣者可以参考纳米电子学理论书。

3纳米器件

纳电子学在传统的固态电子学基础上，借助于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的概念来构造电子器件和系统。纳电子器件的发展必然要以材料(无机/有机复合材料)、工艺(分子尺度上的自组装和裁剪技术)、理论(纳器件的量子统计理论)为其基础。纳电子学的发展将基于纳米尺寸显著的物理特性。

目前人们认识到，纳米材料的特性除材料本身固有的特性外，还与维数和尺寸有密切关系。材料中自由电子具有粒子性和波动性，即一定能量的电子，在传输中表现出波的形式，成为德布洛意波。对于半导体中接近导带底的电子，通常能量小于100 MeV，电子波长为100 nm量级。这正是纳米功能器件的物理长度。在纳米物理长度内，出现了一些量子效应，主要有量子相干效应、A-B效应，即弹性散射不破环电子相干性、量子霍尔效应、普适电导涨落特性、库仑阻塞效应以及海森堡不确定效应等。这些效应是纳米电子器件运行的基础，是纳米电子学研究的主要内容。在纳米体系中失去了宏观体系的统计平均性，以量子效应和统计涨落为主要特征。纳米电子学就是讨论这些特性的规律和利用其规律制成功能器件的学科。

现在研究较多的纳米结构有二维电子气、一维量子线和零维量子点。利用这些结构和特性研制纳电子器件，目前主要有[4][10]：(1)电子共振隧穿器件(2)量子点单电子器件(3)量子点阵耦合器件(4)逻辑/存储器件(5)超高密度信息存储等。特别是单电子器件，它的简单工作原理是控制在小的隧道结构体系中单电子的隧穿过程，并利用它设计各种功能器件。研究单电子器件的驱动力主要来自两方面：一是对纳米结构中的单电子现象进行深入研究，可以揭示低维量子系统中具有的许多新颖物理性质，这对蓬勃发展的凝聚态物理学具有重要意义；二是单电子器件及其集成电路在未来的海量信息存储、快速逻辑运算、复杂数据处理以及量子计算中都具有广阔的应用前景。

目前，已公开的器件有单电子量子开关件、量子能级存储器、标准DC电流源、小超灵敏静电计、红外辐射接收器和几种数字电路等。其中世界上第一个单电子晶体管是2000年5月由日本科学家成功研制出的。单电子器件和电路由于超高灵敏度、超微功耗和极限密度集成使其在纳电子领域中具有独特的地位。

4纳电子学的现实意义

纳米电子学的最终目标是将微电子集成电路进一步减小、研制出由单原子或单分子构成的在室温工作的各种器件。目前，利用纳米电子学已经成功研制出各种纳米器件。如单电子晶体管，红、绿、蓝三基色可调谐的纳米发光二极管以及利用纳米丝、巨磁阻效应制成的超微磁场探测器。碳纳米管的研制成功，为纳米电子学的发展起到了重要的作用。

碳纳米管是由石墨碳原子层卷曲而成，径向尺层控制在几纳米以下。电子在碳纳米管运动时，径向上受到限制，表现出典型的量子限制效应，而在轴向上则不受任何限制。清华大学的范守善教授利用碳纳米管为模子来制备一维半导体量

子材料，将气相反应限制在纳米管内进行，从而生长出半导体纳米线。美国威斯康星大学已制造出可容纳单个电子的量子点，在一个针尖上可容纳这样的量子点几十亿个。利用量子点可制成体积小、耗能少的单电子器件，在微电子和光电领域将获得广泛应用。此外，若能将几十亿个量子点连结起来，每个量子点的功能相当于大脑中的神经细胞，再结合微电子机械系统（MEMS）方法，它将为研制智能微电脑带来希望。

纳米技术是一个多层次、多学科的和综合性的研究范畴。纳米电子学追求的目标是突破微电子的各种极限限制，研制出单个原子或单个分子的器件，而且能在室温环境中工作。利用量子隧道效应，制成量子功能器件，从而实现超高速、超容量、超微型、超低功耗的廉价产品。

纳米电子学使微电子与光电子紧密结合，如果将纳米计算机用于雷达，它可以把信息处理能力提高10倍甚至几百倍，从而可以获得超高分辨率。纳米电子学的进展可以用来提高激光器、光探测器和传感器的性能。纳米电子学与纳米生物学相结合可研制生物分子器件。科学家们发现，一种蛋白质分子是制作生物芯片的理想材料，正在研制的生物分子器件有：开关器件、逻辑电路、存储器和传感器、集成电路等。利用分子器件可以制成模仿人的视觉、味觉、触觉、听觉、嗅觉的各种传感器。纳米电子技术可以显著地提高光电能转换效率，为廉价利用太阳能开辟了一条“高速路”，将为解决下个世纪的能源危机和环境污染找到一种有效途径。纳米医疗电子器械可以在分子和细胞水平上对患者进行手术治疗，它既可以进入循环系统，甚至细胞内部，并实时检测人体内各种参数，也能识别病变细胞，并释放药物杀死病变的细胞等。2009年8月17日《人民日报》第014版报道美国研究人员利用脂膜纳米导线开发出一种融入生物成分的纳米电子装置，这种生物纳米电子装置不但可以改善诊断工具的性能，而且可以提高神经修复技术的水平。总之，纳米电子学因其新颖、奇异和独特等性能，从开始诞生就引起了世界各国的普遍重视。

5总结和展望

尽管单电子器件（包括单电子晶体管和单电子存储器）早在10多年前已经研制成功，而且制备常温下工作的单电子器件也没有克服不了的困难，但要实现单电子器件的大规模集成，还有很长的路要走。碳纳米管是纳米电子学的主导材料，有着很高的沟道电子迁移率，但其手性难以控制和寄生效应使其难以高频工作。最近，哥伦比亚大学的Chen等人在一个长1.5微米的单壁碳纳米管上制造了包含5个CMOS反转级的环形振荡器，工作频率超过了52 MHz，比以前有分立碳纳米晶体管间连接电路的速度快10万倍，但与CMOS相比，仍然相差很远。此外，如何将无序碳纳米管有序地排列和互联起来构成一个功能强大的电路，目前尚无良策。