《纳米器件基础》
内容摘要
物理学家理查德·费恩曼曾提出：“来人类有可能建造一种分子大小的微型机器，可以把分子甚至单个的原子作为建筑构件在非常细小的空间构建物质，这意味着人类可以在最底层空间制造任何东西。

”而今随着一系列纳米材料的发现及制备，这类微型机器的制造已经不再是预言。

制备这一类微型机器的技术我们称之为纳米技术——研究在千万分之一米(10-7)到亿分之一米(10-9米)内原子、分子和其它类型物质进行操纵和加工的技术，把这类微型机器成为纳米器件。

关键词
纳米电子器件（nanoscale electronic devices；nanoscale electronic devices；nano electric devices）、优异性能、发展目标、现状
正文
一、纳米器件的基本信息
纳米电子器件在学术文献中的解释是器件和特征尺寸进入纳米范围后的电子器件，也称为纳米器件。

纳米技术可以使芯片集成度进一步提高，电子元件尺寸、体积缩小，使半导体技术取得突破性进展，大大提高计算机的容量和运行速度。

纳米器件之所能够拥有如此优越的性能是因为几十个原子、分子或成千个原子、分子“组合”在一起时，表现出既不同于单个原子、分子的性质，也不同于大块物体的性质。

这种“组合”被称为“超分子”或“人工分子”。

“超分子”性质，如熔点、磁性、电容性、导电性、发光性和染、颜色及水溶性有重大变化。

二、纳米器件的优异性能
（一）工作速度快。

纳米电子器件的工作速度是硅器件的1000倍，因而可使产品性能大幅度提高。

功耗低，纳米电子器件的功耗仅为硅器件的
1/1000。

信息存储量大，在一张不足巴掌大的5英寸光盘上，至少可以存储30个北京图书馆的全部藏书。

体积小、重量轻，可使各类电子产品体积和重量大为减小。

（二）纳米金属颗粒易燃易爆。

几个纳米的金属铜颗粒或金属铝颗粒，一遇到空气就会产生激烈的燃烧，发生爆炸。

因此，纳米金属颗粒的粉体可用来做成烈性炸药，做成火箭的固体燃料可产生更大的推力。

用纳米金属颗粒粉体做催化剂，可以加快化学反应速率，大大提高化工合成的产出率。

（三）纳米金属块体耐压耐拉。

将金属纳米颗粒粉体制成块状金属材料，强度比一般金属高十几倍，又可拉伸几十倍。

用来制造飞机、汽车、轮
船，重量可减小到原来的十分之一。

（四）纳米陶瓷刚柔并济。

用纳米陶瓷颗粒粉末制成的纳米陶瓷具有塑性，为陶瓷业带来了一场革命。

将纳米陶瓷应用到发动机上，汽车会跑得更快，飞机会飞得更高。

（五）纳米氧化物材料五颜六色。

纳米氧化物颗粒在光的照射下或在电
场作用下能迅速改变颜色。

用它做士兵防护激光枪的眼镜再好不过了。

将纳米氧化物材料做成广告板，在电、光的作用下，会变得更加绚丽多
彩。

（六）纳米半导体材料法力无边。

纳米半导体材料可以发出各种颜色的
光，可以做成小型的激光光源，还可将吸收的太阳光中的光能变成电
能。

用它制成的太阳能汽车、太阳能住宅有巨大的环保价值。

用纳米半
导体做成的各种传感器，可以灵敏地检测温度、湿度和大气成分的变化，在监控汽车尾气和保护大气环境上将得到广泛应用。

（七）纳米药物材料的毫微。

把药物与磁性纳米颗粒相结合，服用后，这些纳米药物颗粒可以自由地在血管和人体组织内运动。

再在人体外部施加磁场加以导引，使药物集中到患病的组织中，药物治疗的效果会大大提高。

还可利用纳米药物颗粒定向阻断毛细血管，“饿”死癌细胞。

纳米颗粒还可用于人体的细胞分离，也可以用来携带DNA治疗基因缺陷症。

目前已经用磁性纳米颗粒成功地分离了动物的癌细胞和正常细胞，在治疗人的骨髓疾病的临床实验上获得成功，前途不可限量。

（八）纳米材料的加工性。

在纳米尺寸按照人们的意愿，自由地剪裁、构筑材料，这一技术被称为纳米加工技术。

该技术可以使不同材质的材料集成在一起，它既具有芯片的功能，又可探测到电磁波(包括可见
光、红外线和紫外线等)信号，同时还能完成电脑的指令，这就是纳米
集成器件。

将这种集成器件应用在卫星上，可以使卫星的重量、体积大大减小，发射更容易，成本也更便宜。

三、纳米材料的发展目标
（1）在材料和制备行业，纳米器件致力于设计出：更轻、更强和可设计；长寿命和低维修费；以新原理和新结构在纳米层次上构筑特定性质的材料或自然界不存在的材料；生物材料和仿生材料；材料破坏过程中纳米级损伤的诊断和修复。

（2）在微电子和计算机技术行业：2010年实现100nm的芯片，纳米结构的微处理器，效率提高一百万倍；10倍带宽的高频网络系统；
兆兆比特的存储器（提高1000倍）；集成纳米传感器系统。

（3）在医学与健康方面：快速、高效的基因团测序和基因诊断和基因治疗技术；用药的新方法和药物“导弹”技术；耐用的人体友好的人工组织和器官；复明和复聪器件；疾病早期诊断的纳米传感器系统。

（4）在航天和航空方面：低能耗、抗辐照、高性能计算机；微型航天器用纳米测试、控制和电子设备；抗热障、耐磨损的纳米结构涂层材料。

（5）在环境和能源方面：发展绿色能源和环境处理技术，减少污染和恢复被破坏的环境；孔径为1nm的纳孔材料作为催化剂的载体；MCM-41有序纳孔材料（孔径10-100nm）用来祛除污物。

（6）在生物技术和农业方面：在纳米尺度上，按照预定的大小、对称性和排列来制备具有生物活性的蛋白质、核糖、核酸等。

在纳米材料和器件中植入生物材料产生具有生物功能和其他功能的综合性能。

，生物仿生化学药品和生物可降解材料，动植物的基因改善和治疗，测定DNA的基因芯片等。

四、现代纳米器件的现状
随着纳米技术日新月异的发展，2005年全球电子工业加工精度已达到100纳米，电子工业从此普遍进入纳米时代。

(1)纳米晶体管技术的突破
(2)生产纳米导线
研制纳米导线是制造大多数纳米器件和装置的关键因素。

(3)开发纳米计算机
纳米计算机指的是它的基本元器件尺寸在几到几十纳米范围，突破0.1微米界，实现纳米级器件。

(4)硅纳米线传感器
硅纳米线的表面积大、表面活性高，对温度、光、湿气等环境因素的敏感度高，外界环境的改变会迅速引起表面或界面离子价态电子输
运的变化，利用其电阻的显著变化可制成纳米传感器，并具有响应速度
快、灵敏度高、选择性好等特点，可实现硅纳米线在化学、生物传感中
的应用。

近两年来，硅纳米线在检测细胞、葡萄糖、过氧化氢、牛类血
清蛋白和DNA杂交方面取得了很大进展。

五、固态纳米电子器件举例
（1）共振隧穿器件
共振隧穿二极管（RTD）的基本结构是：①半导体和金属接触组成的源和漏区；②宽禁带半导体宽禁带半导体双势垒层和中间的窄禁带体构成的单阱双势垒结构。

当零偏或一个小偏置电压加在器件两端时，势垒将阻止电荷通过器件流动，随着偏置电压增加，势阱中的能态相对源区中电子的能量不断降低，当偏置电压使阱中一个未占据束缚态能级处于源区导带占据态的能量范围内时，器件处于共振态或开态，电流通过双势垒区并流出漏区；当进一步增加电压，源区导带偏离该束缚态，电流又显著减小，从而形成器件I一V曲线中的一个负微分电阻(NegativeDifferentialRessitance，NDR)区域，这时器件将处于非共振态或关态。

I-V曲线的计算可以更为深人的了解共振穿二极管的物理机理，这对器件的设计和制作来说也是必要的。

管的NDR效应是器件应用的基础，从NDR器件应用角度都希望获得一个大的峰值电流和一个小的谷值电流，
最重要的器件特性参数包括共振峰电流密度、谷电流密度、峰谷电流密度比（thePeaktotheVaIIeyCurrentDensityRatio，PVR)以及共振峰的对应电压。

在较高的温度下，器件/一V特性曲线的NDR特征或者PVR会减弱或者消失，这是由于热电子发射引起的非共振电流增加的缘故。

因此对于共振隧穿二极管来说，获得高温下的NDR特性是实用化的关键。

下图为RTD的典型输入/输出特性。

（2）单电子器件
①单电子盒
所示·单电子盒结构有一个量子点和两个电极组成，其中一个电极和量子点构成一个隧穿结；另一个电极是栅极，通过绝缘介质与量子点耦合，这个绝缘介质足够厚，以至于不允许电子以量子隧穿机制通过。

②单电子晶体管
继单电子盒之后，人们开发了三端开关器件一一单电子品体管（SingleElectronTransistor，SET)。

开关器件是UISI最基本单元，因此，单电子
晶体管有望作为未来可能替代硅集成电路的下一代电子器件。

单电子晶体管是一个三端开关器件，可以实现将电子逐一的从源区转移到漏区。

单电子晶体管的基本结构及其等效电路图如图所示。

这个结构与金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）类似，但是在单电子晶体管中，隧穿结代替了MOSFET中的pn结，纳米岛（量子点）代替了MOSFET的沟道区域。

其工作原理更是与MOSFET完全不同。

参考文献
1.朱长春、贺永宁·《纳米技术与分子器件》【J】·国防工业出版社
2.夏蔡娟·《纳米技术与分子器件》【J】·西北工业大学出版社
3.张凯·《纳米器件》【M】中南财经政法大学
4.孙玮、张晋江·《纳米器件的动力学模拟》【J】物理化学报
5.翁松涛·《纳米器件发展动态》【M】微纳电子技术。