纳米电子学与 自旋电子学
陈勇 文歧业
电子科技大学
课程简介
纳米电子学20学时，自旋电子学20学时 陈勇 文歧业 Email: yongchen@ Tel: 83206779 Add: 211大楼1102室 教材：（以讲义为主） 参考书： 《纳米电子学》 杜磊 庄奕琪 编 电子工业出版社
客观世界
世界层次 典型尺度 胀观 尺度范围 实际范围 河外星系 适用理论 尚无 1040米 3×1014光年 =1024光年 以上 1021米 =105光年 102米 10-17米= 10-15厘米 10-36米= 10-34厘米 从3亿公里到 3×1014光年 从3 ×10-6厘 米到3亿公里 从3 ×10-25厘 米到3 ×10-6 厘米 3 ×10-25厘米 以下
纳米科技的重要意义
• 1.纳米科技将促使人类认知的革命 1)在纳米尺度上有许多新现象、新规律有待发现； 2)纳米科技是对人类认知领域的新开拓。 • 2.纳米科技将引发一场新的工业革命 1)纳米科技是21世纪经济增长的发动机； 2)纳米科技将促使传统产业“旧貌换新颜”； 3)纳米科技推动产品的微型化、高性能化与环境 友好化,这将极大节约资源和能源，促进生态环境 改善,为可持续发展提供技术保证。 • 3.纳米科技将推动各门科学和技术的发展
型的大分子，装配成功能各异的新产品，为人类创造更多的 物质文明。纳米技术的诞生，使人们对非生物体，以及生物 体的微观世界运动规律进行研究应用，极大地提高了人类改 造世界的能力。
“在针尖我们还有很大的空地”
• 以上是诺贝尔物理学奖获得者理查德.费曼 （Richard Feynman）在1960年给新生一堂课的 主题。 • 过去，人类用宏观的机器来制造体积较大的机器， 再用这个较大的机器制造更小的机器，这样一步 步达到分子的限度。
• 原子确实是用肉眼无法看见的。这就需要借助仪 器来开拓我们的视野。就在80年代初期，IBM公 司在世界上第一次研制成功表面分析仪器——扫 描隧道显微镜（STM），使人类第一次能够观察 到单个原子或分子的排列状态。它给我们提供了 对纳米结构进行测量和处理的“眼睛”。 • 那么用什么来操纵原子呢？也得借助仪器来延伸 我们的双手，这就是——扫描探针。1990年，当 IBM公司的科学家成功地用“扫描探针”把35个 氙原子移动位置，按照人的意志组成了IBM三个 字母的时候，人类终于可以搬动原子了。
新能源发现： 非可燃气体
NT
可燃气体
提高能量 转化效率
热能 提高10% 电能 太阳能 >30% 电能 化学能 长寿高效 电能 氢能源利用 海底天然气利用
生物、医药
纳米的靶向药物
高效缓释药物 细胞内传感器 生物芯片 纳米生物探测技术
新材料
轻质、高强
多功能，智能，自清洁
高聚物和纳米复合物
高表面积多孔材料 净化、分离、催化 生物相容、自我调整 药物分配器
纳米材料的奇异特性
1. 表面效应 大于0.1微米的颗粒的表面效应可忽略不计,小于0.1微米 的1克超微颗粒的表面积可高达100平方米; 2. 小尺寸效应 1) 特殊的光学性质: 金属超微颗粒对光的反射率很低(低于 1%)，利用这一性质,可作高效率光热、光电转换材料， 制作太阳能电池、红外敏感、隐身元件； 2) 特殊的热学性质: 超微颗粒的熔点将显著降低，如金的 常规熔点为1064C，而到纳米尺寸时仅为327C；银的常规 熔点为670C，而超微银颗粒的熔点可低于100C； 3）特殊的磁学性质: 超微磁颗粒的矫顽力可增加1千倍，利 用此性质可做成高贮存密度的磁记录磁粉，大量用于磁 带、磁盘、磁卡；
宇观 宏观 微观
从太阳系 到银河系 从大分子 到太阳系 从基本粒 子到大分 子 基本粒子 内部
广义相对 论 牛顿力学 量子力学
渺观
超弦（尚 未建成）
纳米尺度
• 纳米是10-9米，介于“宏观”与“微观”之间，这 一领域的许多物理学特性尚未研究清楚。 • 1nm=10-9m，即1毫微米，十亿分之一米，纳米微粒 的尺度一般定义为10-7—10-10m内（0.1—100nm）； • 相当于人发直径的1/10万。 • 具有奇异的力学、光学、磁学、热学和化学等特性。 当材料晶粒的尺寸小于1 nm时，材料的性质就会出 现意想不到的变化。譬如：色、熔点、着火点…… • 它很可能成为本世纪前20年的主导技术。美国科学 技术委员会则把启动纳米技术的计划看作是下一次 的工业革命的核心。
21世纪的微电子技术
1.摩尔规律：一片硅片上的晶体管数(集成 度 24 个月翻一番，预计这一规律还要持续 10 至 15 年。 2.微电子芯片功能的增长情况：
年 份 门电路数 线宽(微米) 随机存储器 门延迟(PS) 1995 800K 0.35 64M 5.4 1997 2M 0.25 256M 3.8 1999 5M 0.18 1G 2.6 2001 10M 0.13 4G 1.8 2003 20M 0.10 16G 1.2
未来的芯片
集成度决定于微芯片上的刻线宽度。当刻线宽度小于30纳
米时，就会发生量子效应：电子可以越过导线和绝缘层，从 一个地方跳到另一个地方，甚至发生短路。 在纳米尺度下，由于有量子效应，硅微电子芯片便不能工 作。其原因是这种芯片的工作，依据的是固体材料的整体特 性，即大量电子参与工作时所呈现的统计平均规律。如果在 纳米尺度下，利用有限电子运动所表现出来的量子效应，可 能就能克服上述困难。 可以用不同的原理实现纳米级芯片，目前已提出了四种工 作机制：1）电子式纳米芯片技术；2）基于生物化学物质与 DNA的纳米计算机；3）机械式纳米计算机；4）量子波相干计 算。它们有可能发展成为未来纳米芯片技术的基础。
什么是纳米科技？
纳米科技是指在纳米尺度（1nm到100n）上研究
物质（包括原子、分子的操纵）的特性和相互作用， 以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。 纳米科技的最终目标是直接以原子、分子及物质 在纳米尺度上表现出来的新颖的物理、 化学和生物 学特性制造出具有特定功能的产品。
如今人们正试图操纵一个个纳米颗粒，任意组合成各种类
“为什么我们不可以从另一个方向出发以达到我们 的要求呢？物理学的规律不排除一个原子、一个 分子地制造物质的可能性。”
• 纳米科技正是充分运用排列组合之妙的高新技术。 就是在微观环境下，操纵原子、分子或原子团、 分子团进行重新排列组合，使其形成人们所需要 的功能各异的新物质的一种新技术。 当年，费曼 曾幻想在原子和分子水平上操纵和控制物质。而 纳米科技的诞生使费曼的幻想正在变为现实。 • 分子不变，分子的排列组合方式发生变化就会产 生新的物质。同是碳分子C，因排列组合不同可 以是硬度最高的金刚石（立方晶体），也可以构 成很软的工业原料石墨（六方片状晶体）。在高 温高压下让石墨的原子排列改变成立方晶体时， 石墨就会发生质变成为金刚石。
纳米科技的进展
• 1.分子电子学获重大进展 1)2001年8月美国IBM公司宣布,该公司用单分子碳纳米管成 功地制成世界上最小的逻辑电路。 2)2001年美国朗讯贝尔实验室用一个单一的有机分子制造 出了世界上最小的晶体管，称为“纳米晶体管”,大小接 近1纳米，在针尖大小的尺寸上可以容纳1000万个这种晶 体管。它以碳为基础，包含氢和硫的有机半导体分子为晶 体管材料，以金原子层为电极。 • 2. 2000年Intel和AMD分别成功研制出栅长为30纳米和40 纳米CMOS器件，2001~2002年又先后研制出栅长为15纳 米的CMOS器件。
神奇的 “摩尔定律”
• 1964年，著名的《电子学》(Electronics) 开辟了一 个“专家展望未来”(The Experts Look Ahead)专栏， 约请时任仙童公司研发实验室主任的摩尔应邀写了 一篇文章，题为“在集成电路中塞进更多的元 件”(Cramming more components onto integrated circuits)。正是在这篇文章中，摩尔提出了他的著 名的定律。摩尔认为，集成电路芯片上晶体管的数 日(也就是集成度)将逐年翻番。具体而言，集成度 可以表示为以2为底、幂为自然数的指数形式。
4）特殊的力学性质：纳米陶瓷材料具有良好的韧性， 纳米晶粒的金属要比原粗晶粒的金属硬3-5倍； 5）其它特殊的性质：超微颗粒还有其它的超导电性、 介电性能、声学性能及化学性能； 3. 宏观量子隧道效应 1) 量子尺寸效应:介于原子、分子与大块固体之间的 超微颗粒会呈现出反常的特性，称之为量子尺寸效应，如导 电金属超微颗粒可以变成绝缘体，光谱线会产生向短波长方 向移动； 2）宏观量子隧道效应：超微颗粒的一些物理量会显示 出隧道效应，称为宏观量子隧道效应，如电路尺寸接近电子 波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法工作。
3.芯片上的微刻技术(纳米加工技术)
刻制能源 紫外光 电子束 波长 0.193μ -12 10 米(皮米) 可刻线距 集成度 0．09μ 数千万管／片 0．08μ 数百亿管／片
4.生物芯片：比现有的芯片速度快 100 倍、 智能化程度更高。
微电子芯片科技前沿
1.芯片线宽极限: 0.035 (35纳米) 1）市售奔4芯片,用的是0.09 技术, 紫外线波长0.193, 2）目前上海中芯公司(与台湾合作)即为0.25 水平。 . 3）英特尔公司1971年生产的第一个芯片只有2300个晶体管， 2000年底推出的奔腾4芯片则集成了4200万个晶体管。 4）IBM公司称2001年8月已用单分子碳纳米管制成了世界上 最小的逻辑电路。 2.摩尔规律:还可继续10-15年,到2014-2017年达到饱和。 3.生物芯片:有两种： 1）一种是生物分子逻辑元件(如人的视网膜分子)的芯片， 这种生物芯片的速度比半导体芯片还可提高100倍； 2）另一种是医疗检测用的生物芯片。它可与人的神经相连。
制高点
n-电子学 n-加工 n-生物
基 础
n-材料
n-材料
基 础
纳米物理
纳米化学