82纳米技术.PDF

8.2 纳米技术 8.2.1 概述 1．纳米 纳米（nanometer）实际上是长度单位，nano 是十亿分之一的意思，1 纳米是 1 米的十 亿分之一，记作nm。纳米可以度量微观世界：1 纳米相当于 10 个氢原子一个挨一个排成一 列；20 纳米相当于1 根头发丝的三千分之一。 3．纳米技术的概念提出 1959 年 12 月，美国著名的物理学家、诺贝尔奖金获得者理查德·费曼（R.FEYNMAN） 在美国物理学会年会上发表了一篇题为《在末端处有足够的空间》的讲演，被公认为是纳米 技术思想的来源。他认为：能够用宏观的机器来制造比其体积小的机器，而这较小的机器又 可制作更小的机器，这样一步步达到分子线度。费曼幻想在原子和分子水平上操纵和控制物 质。物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物质的可能性，并表示：“我深信不移， 当人们能操纵细微物质的时候，将可获得极其丰富的新的物质的性质。”费曼对纳米技术的 最早梦想，成为一个光辉的起点，人类开始了对纳米世界的探求。 3．纳米科学 纳米科学（nano-science）是研究纳米尺度范围内的物质所具有的特异现象和特异功能 的科学。纳米科学技术主要包括:纳米材料、纳米电子学、光电子学和磁学、纳米医学等。 4．纳米技术 纳米技术（nano-technology）是指用数千个分子或原子制造新型材料或微型器件的科 学技术。它以现代科学技术为基础，是现代科学和现代技术结合的产物。纳米技术的诞生是 随着20 世纪80 年代新型显微镜(STM)的出现，人们能看清1 纳米大小的物质，于是才真正 出现了纳米技术即毫微米技术。 科学家发现，在纳米的世界里，物质发生了质的飞跃。比如硅晶体是不发光的，但纳米 硅却会发光；陶瓷在通常情况下是很硬、很脆的，如果采用纳米粉体制成纳米陶瓷，它也可 以具有韧性；纳米材料还具有超塑性，室温下的纳米铜丝经过轧制，其长度可以从1cm 延伸 到100cm，其厚度可以从1mm 减小到0.01mm。 人物链接：1965 年，理查德·费曼（R.FEYNMAN）和朱利安·薛温格、朝永振一郎共同 获得了诺贝尔物理奖。主要贡献在于对量子电动力学的理解。该学科研究光和带电粒子之间 的相互作用，特别是光和电子之间的相互作用，同时他在弱核反应和超导研究方面也作出了 巨大的贡献。因此，很多物理学家把理查德·费曼称为“新的”物理学之父，而爱因斯坦是 “早先的”物理学之父。 8.2.2 显微技术 显微技术是把原子一个接一个按各种稳定的模式组装起来，从一个小零件直到整体结构 的一种技术。 1．势垒和隧道效应 在两块导电物体之间夹一层绝缘体，若在两个导体之间加上一定的电压，通常是不会有 电流从一个导体穿过绝缘层流向另一导体的，即：两个导体之间存在着势垒，像隔着一座山 一样。假如这层势垒的厚度很窄只有几个纳米，由于电子在空间的运动呈现波动性，根据量 子力学的计算，电子将穿过而不是越过这层势垒，从而形成电流。如同在山腰部打通了一条 隧道而火车通过隧道那样，这种现象称为隧道效应。如图8-2 所示。 1981 年，美国 IBM 公司在瑞士苏黎世的实验室里，物理学家葛·宾尼希(G.Binnig)和 海·罗雷尔(H.Rohrer)发明了新式显微镜，称为“扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope)”，简称STM 。由于STM 的出现，才使人类第一次能够实时地观察单个原子物 质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质，被国际公认为20 世纪80 年代 世界十大科技成就之一。因此，两人共同获得 1986 年诺贝尔物理奖。 图8-2 势垒和隧道效应 2．STM 的原理 STM 工作原理，如图8-3 所示。 将针尖和样品表面作为两个电极，当其间距离足够小时，在电场的作用下，电子会穿过 电极间的绝缘层，形成“隧道电流”隧道效应。STM 工作时就是利用针尖扫描样品表面，通 过隧道电流获取图像。 探针表面和样品表面电子云重叠，由于隧道效应逸出电子，探针与样品间加电压形成隧 穿电流： I UeC/ As 由于隧穿电流对表面间距异常敏感，因此，可以通过探测物质表面的隧道电流就可以分 辨其表面特征。