《新材料簡介》 教學(xué)課件

半導(dǎo)體納米技術(shù)的發(fā)展歷史

經(jīng)過20多年的發(fā)展，現(xiàn)今半導(dǎo)體器件在其組件的特征尺寸在不斷減小，小到納米尺寸將引起質(zhì)變。集成度不斷提高的發(fā)展趨勢，將電子器件逼進(jìn)了納米電子器件的領(lǐng)域。

其中納米半導(dǎo)體的制備技術(shù)經(jīng)歷了三個階段：第一階段：單一材料和單相材料。第二階段：納米復(fù)合材料。第三階段：納米組裝體系、納米尺度的圖案材料。半導(dǎo)體納米技術(shù)的發(fā)展歷史現(xiàn)在我們著重來講第三階段。它的基本內(nèi)涵是納米顆粒以及納米絲、管為基本單元在一維、二維及三維空間之中組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系（如右圖）。其中包括納米陣列體系、介空組裝體系、薄膜鑲嵌體系。納米顆粒、絲、管可以有序的排列而不同于第一、第二階段中帶有一定程度的隨機性質(zhì)。半導(dǎo)體納米技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

半導(dǎo)體納米科技是指把納米技術(shù)應(yīng)用到半導(dǎo)體材料上面，并通過物理法，化學(xué)法，綜合法這三種制備方法制造出的有特定的聲、光、電、磁、熱性能的特殊材料。當(dāng)半導(dǎo)體材料的尺度縮小到納米范圍時，其物理、化學(xué)性質(zhì)將發(fā)生顯著變化，并呈現(xiàn)出由高表面積或量子效應(yīng)引起的獨特性能。它們在多個領(lǐng)域的應(yīng)用已呈現(xiàn)出誘人的前景。半導(dǎo)體納米技術(shù)目前存在的問題1、苛刻的工作條件2、苛刻的材料要求3、納米Si基量子異質(zhì)結(jié)加工4、分子晶體管和導(dǎo)線組裝納米器件5、超高密度量子效應(yīng)存儲器6、SPM納米器件加工技術(shù)效率7、納米半導(dǎo)體器件的制備、操縱、設(shè)計、性能分析模擬環(huán)境納米半導(dǎo)體的制備技術(shù)1、物理制備方法2、化學(xué)制備方法3、物理化學(xué)方法納米半導(dǎo)體的制備技術(shù)1、物理制備方法早期的物理制備方法是將較粗的物質(zhì)粉碎，如低溫粉碎法、超聲波粉碎法、沖擊波粉碎法、蒸氣快速冷卻法、蒸氣快速油面法、分子束外延法等等。分子束外延法分子束外延的英文縮寫為ＭＢＥ這是一種在晶體基片上生長高質(zhì)量的晶體薄膜的新技術(shù)。在超高真空條件下，由裝有各種所需組分的爐子加熱而產(chǎn)生的蒸氣，經(jīng)小孔準(zhǔn)直后形成的分子束或原子束，直接噴射到適當(dāng)溫度的單晶基片上，同時控制分子束對襯底掃描，就可使分子或原子按晶體排列一層層地“長”在基片上形成薄膜。

分子束外延法優(yōu)點：1、源和襯底分別進(jìn)行加熱和控制，生長溫度低；2、生長速度低，可以利用快門精密的控制摻雜、組合和厚度，是一種原子級的生長技術(shù)，有利于生長多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)；3、MBE生長是一個動力學(xué)過程，因此可以生長一般熱平衡生長難以得到的晶體；4、生長過程中，表面處于真空中，可以進(jìn)行即時觀測，分析、研究生長過程、組分、表面狀態(tài)等。缺點：1、分子束外延設(shè)備昂貴而且真空度要求很高，所以需要大量的液氮，因而提高了日常維持的費用；2、MBE能對半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)進(jìn)行選擇摻雜，擴展了摻雜半導(dǎo)體所能達(dá)到的性能和現(xiàn)象的范圍。但同樣對與平滑度、穩(wěn)定性和純度有關(guān)的晶體生長參數(shù)提出了嚴(yán)格的要求；3、生長異質(zhì)結(jié)時，由于大量的原子臺階的界面呈原子級粗糙，因而容易導(dǎo)致器件的性能惡化；納米半導(dǎo)體的制備技術(shù)2、化學(xué)制備方法其中化學(xué)制備方法又包括固相法、氣相法和液相法。

氣相法氣相法在納米微粒制造技術(shù)中占有重要地位，利用此法可以制造出純度高、顆粒分布性好、粒徑分布窄而細(xì)的納米超微粒。該法主要包括：(1)真空蒸發(fā)(冷凝法)：在高純惰性氣氛下(Ar、He)，對蒸發(fā)物質(zhì)進(jìn)行真空加熱蒸發(fā)，蒸氣在氣體介質(zhì)中冷凝形成超細(xì)微粒。(2)高壓氣體霧化法：利用高壓氣體霧化器將-20℃～40℃的氫氣和氬氣以3倍于音速的速度射入熔融材料的液體內(nèi)，熔體被破碎成極細(xì)顆粒的射流然后急劇驟冷得到超微粒。采用此法可得到粒度分布窄的納米材料。(3)高頻感應(yīng)加熱法：以高頻感應(yīng)線圈作熱源,使坩堝內(nèi)的物質(zhì)在低壓惰性氣體中蒸發(fā),蒸發(fā)后的金屬原子與惰性氣體原子相碰撞,冷卻凝聚成顆粒。該法的優(yōu)點是產(chǎn)品純度高,粒度分布窄,保存性好,但成本較高,難以蒸發(fā)高沸點的金屬。納米半導(dǎo)體的制備技術(shù)3、物理化學(xué)方法物理化學(xué)方法又包括熱等離子體法、激光加熱蒸氣法、電解法和輻射合成法等。

硅納米結(jié)構(gòu)近年來，以硅量子點和硅納米線為代表的硅納米結(jié)構(gòu)及相關(guān)技術(shù)的研究受到了廣泛重視，并成為當(dāng)今半導(dǎo)體納米科技最活躍的研究領(lǐng)域之一。這一領(lǐng)域研究受到廣泛重視的原因主要在于：（1）現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)是基于硅基器件的微電子技術(shù)。（2）正如目前的單晶硅片，硅納米結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是未來構(gòu)成納/微電子器件的基本單元。（3）硅納米結(jié)構(gòu)的尺寸小到一定范圍時，將會出現(xiàn)量子限域效應(yīng)、尺寸效應(yīng)及表面效應(yīng)等許多新的效應(yīng)，從而使它呈現(xiàn)出諸多新穎性質(zhì)。

硅納米結(jié)構(gòu)硅納米結(jié)構(gòu)已經(jīng)在作為檢測各種不同物質(zhì)的納米傳感器、納米晶體管和集成電路元件方面獲得了一系列進(jìn)展。隨著器件尺寸的減小,量子限制效應(yīng)、庫侖阻塞效應(yīng)等新穎性能就會越來越明顯,將會從更深層次揭示納米半導(dǎo)體材料的新現(xiàn)象、新性能,為實現(xiàn)納米器件的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。C納米管C納米管是由碳原子形成的石墨烯片層圍成的一種管狀結(jié)構(gòu)，它們的直徑很小，基本都在納米尺度。在理想情況下，僅僅包含一層石墨烯的納米管稱為單壁納米碳管；包含兩層以上的石墨烯片層的納米碳管稱為多壁碳納米管，片層之間的距離為0.34～0.36nm。C納米管碳納米管具有獨特的金屬或半