微纳检测技术.PPT

? 纳电子技术与微电子技术的比较 微电子技术 纳电子技术 理 论 微电子学、半导体 物理 量子效应理论 材 料 高纯硅、锗、镓砷 有机、无机复合材料 工 艺 光刻、掺杂、分子束 原子操纵、纳米加工 量子点（AFM图像） ? 纳电子器件实例 量子栅栏（STM图像） 25/60 纳电子导线 l 碳纳米 管 镀金光栅与CNT Co-axis Nanowire 单电子晶体管 （Single electron transistor, SET） 将一个微结构用隧道结与金属导线弱连结起来形成的电子器件，它利用单电子隧道效应。其中阴影线部分代表连接库仑岛与金属导线的隧道结。 AFM image of a SET 1个电子完成“开”和“关” 30/60 原子继电器 （Atom Relay，日本Y. Wada, 1993） 1014Hz 微存储器——光盘CD 浪费严重 （a）普通光盘 （b）原子光盘 1 ?m 0.1 nm 纳存储器——原子存储器的设想 100万张CD 《纳电子学与纳米系统》 ——从晶体管到分子与量子器件 戈瑟 著 西安交通大学出版社(译本) 2.4 纳米材料学(Nanomaterial Physics) 在纳米尺度，物质中电子的波动性及原子间作用将受到尺度大小的影响，使物质的性质改变。即使不改变材料的成分，纳米材料的基本性质，如熔点、电学性能、磁学性能、光学性能、力学性能和化学活性都 与传统材料不同。 纳米材料（颗粒）的特性： 不同于 物质宏 观形态 ? 表面效应 ? 小尺寸（体积）效应 ? 宏观量子隧道效应 ? 量子尺寸效应 35/60 颗粒直径 比表面积 (m2/g) 表面原子/总原子比例 10 nm 90 20％ 5 nm 180 40％ 2 nm 450 80％ 1 nm 900 99％ 一、表面效应： 球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，体积 与直径的立方成正比，比表面积（表面积/体积）与 直径成反比。表面原子数 ??? ? 球形颗粒的直径—比表面积与原子数对比 = 体积 数量1000个,表面积10倍 ? 直径减小，比表面积与表面原子数显著增大！ 如纳米TiO2 粒子直径减少到纳米级，表面原子数、比表面积、表面能都会迅速增加；表面原子有许多悬空键，具有不饱和性质，容易与其它原子相结合，故具有很大的化学活性。 21 由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应 。 特殊的光学性质——金属失色、红外吸收、隐身(消光) 特殊的热学性质——如大块金熔点1063?C ? 纳米金熔点 327?C， 大块银熔点670?C ? 纳米银熔点100?C。 特殊的磁学性质——磁铁可能变成非磁铁、非磁铁变成磁铁。 特殊的力学性质——如超强度、超硬度，陶瓷可呈现良好塑性。 又如纳米铜的超延展性。 40/60 二、小尺寸(体积)效应： 电子的粒子性、波动性——隧道电流效应。 微颗粒磁通量、磁化强度等——宏观量子隧道效应。 例如，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件或者短路。 利：SPM的基础，未来微电子、光电子器件的基础； 弊：现存的微电子器件进一步微型化的(物理)极限； 三、宏观量子隧道效应： 四、量子尺寸效应： 纳米粒子尺寸下降到一定值时，电子能级由连续能级变为分立能级的现象，这一效应可使纳米粒子具有高的光学非线性、特异催化性和光催化性质等。 如导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现。因此，对超微颗粒在低温条件下必须考虑量子效应，原有宏观规律已不再成立。 ? 纳米材料的分类 零维：纳米颗粒与团簇 ? 按 维 数 分 一维：纳米线、纳米棒、纳米管 二维：纳米薄膜、纳米涂层等 纳米金属