第五章新材料之納米材料

第五章納米材料牛頓力學(xué)只適用于低速的宏觀物體，高速運(yùn)動只能用相對論來解釋;在納米層次，許多原來在宏觀尺度上使用的規(guī)律、定理、方式、方法，都將不再適用，世界將是另一模樣。任何材料當(dāng)尺寸進(jìn)入納米量級后，都出現(xiàn)一些新性質(zhì)新材料納米材料跟普通材料都是由同樣的原子組成，這些原子排列成了納米級的原子團(tuán)，成為新材料的結(jié)構(gòu)單元。主要內(nèi)容納米材料的定義與特性納米材料和納米技術(shù)的研究意義納米加工和納米集成納米材料和納米技術(shù)的應(yīng)用納米材料的定義與特性什么是納米材料？納米材料：晶粒尺寸為納米量級的超細(xì)材料，其基本顆粒直徑不到100nm。微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒。包括體積分?jǐn)?shù)近似相等的兩個部分：一是直徑為幾個或幾十個納米的粒子；二是粒子間的界面。界面原子占極大比例，從而構(gòu)成與晶態(tài)、非晶態(tài)均不同的一種新的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。納米材料的兩個重要特征：納米晶粒和高濃度晶界。納米晶粒中的原子排列已不能看作長程有序。高濃度晶界及晶界原子的特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致材料的力學(xué)性能、磁性、介電性、超導(dǎo)性、光學(xué)乃至熱力學(xué)性能的改變。大自然人工制造納米材料奇異性能的來源：*久保(Kubo)理論表面效應(yīng)小尺寸效應(yīng)量子尺寸效應(yīng)久保(Kubo)理論（針對金屬超微顆粒費(fèi)米面附近電子能級狀態(tài)分布而提出來的）把金屬納米粒子靠近費(fèi)米面附近的電子狀態(tài)看作是受尺寸限制的簡并電子態(tài)，進(jìn)一步假設(shè)它們的能級為準(zhǔn)粒子態(tài)的不連續(xù)能級，認(rèn)為相鄰電子能級間距δ和金屬納米粒子的直徑d的關(guān)系為：

N為金屬納米粒子的總導(dǎo)電電子數(shù)，EF為費(fèi)米能級。隨著納米粒子的直徑減小，能級間隔增大。能隙變寬到一定的程度，金屬導(dǎo)體將變?yōu)榻^緣體。

電子能級的不連續(xù)性納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后，引起性質(zhì)的變化。納米材料的表面效應(yīng)粒徑<10nm，表面原子的比例迅速增加。粒徑<1nm，表面原子數(shù)約90%以上，原子幾乎全部集中到納米粒子的表面。由于納米粒子表面原子數(shù)增多，表面原子配位數(shù)不足和高的表面能，使這些原子易與其它原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來，故具有很高的化學(xué)活性。納米材料的小尺寸效應(yīng)當(dāng)超細(xì)粒子的尺寸與光波波長、德布羅意波長、超導(dǎo)態(tài)的相干長度或與磁場穿透深度相當(dāng)或更小時，晶體周期性邊界條件被破壞，導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱力學(xué)等特性呈現(xiàn)新的小尺寸效應(yīng)。如，光吸收顯著增加，磁有序態(tài)向磁無序態(tài)的轉(zhuǎn)變，超導(dǎo)相向正常相轉(zhuǎn)變，聲子譜發(fā)生變化，金屬熔點(diǎn)降低，增強(qiáng)微波吸收等。*用高倍率電子顯微鏡對金微粒(2nm)的結(jié)構(gòu)非穩(wěn)定性進(jìn)行觀察，實(shí)時記錄顆粒形態(tài)的變化，發(fā)現(xiàn)顆粒形態(tài)可以在單晶與多晶、孿晶之間連續(xù)地轉(zhuǎn)變。當(dāng)納米粒子的尺寸下降到某一值時，金屬粒子費(fèi)米面附近電子能級由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級；納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)的分子軌道能級和最低未被占據(jù)的分子軌道能級，能隙變寬現(xiàn)象等均被量子尺寸效應(yīng)。納米材料的量子尺寸效應(yīng)對納米微粒，所包含原子數(shù)N值很小，導(dǎo)致能級間距有一定值。當(dāng)能級間距大于熱能、磁能、靜磁能、靜電能、光子能量或超導(dǎo)體的凝聚能時，會導(dǎo)致納米微粒磁、光、聲、熱、電以及超導(dǎo)電性與宏觀特性有著明顯的不同。如：納米微粒的比熱、磁化率與所含的電子的奇偶性有關(guān)、光譜線的頻移、催化性質(zhì)與所含的電子奇偶性有關(guān)，導(dǎo)體變絕緣體等。納米材料的微結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

目前納米材料的結(jié)構(gòu)研究主要集中在界面結(jié)構(gòu)、晶粒結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等方面。*界面結(jié)構(gòu)界面占有可與顆粒相比的體積百分?jǐn)?shù)。界面結(jié)構(gòu)包含大量缺陷，影響甚至決定了材料的性能。界面結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，與材料的制備方法和制備歷史有關(guān)。對于多孔固體，在總的孔隙率達(dá)到一定值后，若孔尺寸足夠小，也會表現(xiàn)出孔的尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，從而產(chǎn)生一系列異于體相的性質(zhì)。這種固體稱為納米介孔固體(meso-poroussolid)。納米介孔固體由于其巨大的內(nèi)表面積和均勻的孔尺寸，使其在催化和分離科學(xué)中有重要的應(yīng)用。關(guān)于界面結(jié)構(gòu)的兩派觀點(diǎn)早期格萊特等人利用多種結(jié)構(gòu)分析手段(如X射線衍射、中子散射、穆斯堡爾譜、EXAFS、正電子湮沒等)對納米材料的界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究后，認(rèn)為納米晶界面具有較為開放的結(jié)構(gòu)，原子排列具有隨機(jī)性，原子間距較大，原子密度較低。晶界結(jié)構(gòu)既非晶態(tài)的長程有序，也不是非晶態(tài)的短程有序，是一種類似于氣態(tài)的更無序的結(jié)構(gòu)。托馬斯(Thomas)和西格爾等人認(rèn)為納米材料的界面結(jié)構(gòu)與普通多晶材料在本質(zhì)上沒有太大差別。他們利用高分辨電鏡(HREM)對納米晶樣品進(jìn)行細(xì)致觀察，發(fā)現(xiàn)納米晶體的晶界與普通大角晶界非常相似。*晶粒結(jié)構(gòu)（由于界面組分在納米材料中占有很大的比例，因而在結(jié)構(gòu)和性能分析時，往往忽略晶粒而只考慮界面的作用）。但一些研究表明：納米尺寸的晶粒結(jié)構(gòu)與完整晶格也有很大差異。納米晶粒由于尺寸超細(xì)，在一定程度上表現(xiàn)出晶格畸變效應(yīng)。由非晶晶化形成的納米晶Ni3P和Fe2B化合物的點(diǎn)陣常數(shù)研究表明，納米尺寸晶粒的點(diǎn)陣常數(shù)偏離了平衡值。這表明納米尺寸晶粒發(fā)生了嚴(yán)重的晶格畸變，而總的單胞體積有所膨脹。在純單質(zhì)納米晶體Se樣品中也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)晶粒尺寸小于10nm時，晶格膨脹高達(dá)0.4％。納米材料的微結(jié)構(gòu)特點(diǎn)納米材料的熱穩(wěn)定性1）熔點(diǎn)將大大下降，如：Au的熔點(diǎn)：由1100℃（塊體）降為320℃（顆粒~2nm），為難熔金屬的冶金提供了新工藝。2）降低材料的燒結(jié)溫度，如：納米SiC的燒結(jié)溫度可從2000℃降到1300℃。3）由于在納米晶晶界存貯大量自由能，形成了晶粒長大的驅(qū)動力。Gunther等發(fā)現(xiàn)純納米晶Cu、Ag和Pd在比重結(jié)晶溫度低得多的溫度下開始長大。Getsmant和Birringer把納米晶Cu材料在室溫下放置一個月，觀察到了晶粒的異常生長。長出的粗晶粒尺寸分布很廣，大多數(shù)小于1um，但有些大于2um。包圍著粗晶粒的納米晶粒尺寸在10-50nm。4）納米晶的熱穩(wěn)定性與材料的結(jié)構(gòu)特性密切相關(guān)，如晶粒尺寸和分布、晶粒組織結(jié)構(gòu)、界面特征、三結(jié)點(diǎn)(triplejunction)、樣品中的孔隙等。

不同尺寸和形狀的銀納米粒子具有不同的光學(xué)性質(zhì)4nm納米棒（4nm*40nm）納米粒子的特殊性能的示例-1金納米粒子的光學(xué)性質(zhì)隨粒子的間距而變化17.5-0nm納米粒子的特殊性能的示例-2不同尺寸和形狀的金納米粒子具有不同的熔點(diǎn)500納米粒子的特殊性能的示例-3不同尺寸的鈷納米粒子具有不同的磁學(xué)性質(zhì)納米粒子的特殊性能的示例-4納米材料和納米技術(shù)的研究意義凝聚態(tài)物理中相關(guān)的有趣問題：電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)，電子和激子的強(qiáng)相互作用強(qiáng)場作用下的物理過程快過程的體系相互作用與體系的尺寸和形狀有關(guān)納米材料研究中的挑戰(zhàn)：單分散的納米粒子或納米線的可控制備：成分、尺寸、形狀、取向的精確控制定點(diǎn)生長和自組裝過程的機(jī)理和動力學(xué)過程受限的少數(shù)電子、原子或分子體系的統(tǒng)計(jì)物理時間和空間多尺度耦合的模型和理論，多種物理、化學(xué)及生物學(xué)現(xiàn)象的耦合過程和機(jī)理納米尺度內(nèi)物理、化學(xué)性質(zhì)的原位和實(shí)時測量納米材料中的科學(xué)問題與挑戰(zhàn)IT(InformationTech.)和BT(BioTech.)持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)（NanoTech.)：

支持硅芯片持續(xù)發(fā)展（≤10nm)與可能的替代技術(shù)

：納芯片

支持BT的基礎(chǔ)之一：納米尺度內(nèi)操縱基因社會和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的要求：節(jié)省材料、能源和空間

?PC數(shù)量以100%速度增長，2010年時PC年耗電

3600billionKWh=美國2000年全年發(fā)電量

?2020年中國將有3.5億臺PC大的市場和高利潤：估計(jì)在2015年，納米技術(shù)的有關(guān)產(chǎn)業(yè)將有1.5萬億美元的市場為什么要發(fā)展納米科技？納米技術(shù)正在形成巨大的（潛在）市場8000億提供創(chuàng)建新材料和新器件的機(jī)會可發(fā)現(xiàn)獨(dú)特的性質(zhì)、現(xiàn)象和過程對自然的深入理解實(shí)現(xiàn)多學(xué)科的交叉

生命體系內(nèi)存在著最復(fù)雜的納米體系、Living/non-living

體系的界面;Relevanceareasmorechances

為什么要發(fā)展納米科技？(2)納米加工和納米集成1959年，費(fèi)曼在加州理工大學(xué)發(fā)表了題為《在底部還有很大空間》的演講。他提出：人類社會目前的生產(chǎn)方式，總是“從上而下”的。為什么我們不可以從單個分子、甚至原子開始出發(fā)，進(jìn)行組裝，達(dá)到我們的要求？……物理學(xué)的規(guī)律不排除一個原子一個原子制造物體的可能。

是否可以實(shí)現(xiàn)在原子尺度上的組裝？1981年，德國科學(xué)家發(fā)明了掃描隧道顯微鏡(STM),人類從此可以直觀地觀察到單個原子。實(shí)現(xiàn)第一步！第二步就是能夠操縱原子。1990年，美國加州IBM實(shí)驗(yàn)室，將35個氙原子排布成“IBM”３個字母，總面積只有幾個平方納米。人類第一次實(shí)現(xiàn)了操縱單個原子，拉開納米科技的序幕。納米齒輪納米陶瓷量子圍欄納米陶瓷碳納米管納米軸承1993年后，我國科學(xué)家先后操縱原子寫出“中國”、“原子”、繪出中國輪廓圖?？刹倏v的原子Top-downVs.Bottom-upApproachesWiderangeoftechniquesbeingexploredprecursorsofliquid,gasandsolidphasestraditionalandnoveltechniquesTop-downvs.bottom-upassemblytechniquesSynthesis&Assembly納米加工物理學(xué)家-光刻技術(shù)化學(xué)家-自組裝Towards3DScaffoldingofNanoscaleStructures1mLocalModificationofCrystallinity,Topography,Strain,ChemistryReactivityh=15nmmDirectedAssemblyHybridSelf/GuidedAssemblyThreeDimensionalImaging/Evaluation納米材料

1.團(tuán)簇、納米粒子與粉體

2.納米碳管和一維納米材料

3.納米薄膜、超晶格薄膜和多孔膜

4.納米晶塊材料

問題：規(guī)模制備中的質(zhì)量控制--

均勻化、分散化、穩(wěn)定化

納米材料的制備工藝目前人們對納米材料進(jìn)行了大量研究，重點(diǎn)是三維結(jié)構(gòu)的納米固體，其次是層狀納米結(jié)構(gòu)，而對線狀納米纖維則研究得較少。納米材料的微粒尺寸一般在10-100nm之間，微?？梢允蔷w，亦可以是非晶體，故有納米晶和納米非晶之分。制備狀態(tài)多數(shù)為粉末，需壓制燒結(jié)成塊體。也可以直接是塊體或薄膜，或納米顆粒附著在載體之上。納米材料的制備工藝格萊特首次采用金屬蒸發(fā)凝聚-原位冷壓成型法制備納米晶以來，隨后發(fā)展了各種物理、化學(xué)制備方法，如機(jī)械球磨法、非晶晶化法、水熱法、溶膠-凝膠法等等。理論上任何能制造出精細(xì)晶粒多晶體的方法都可用來制造納米材料。*氣相冷凝法制備納米材料最早采用的方法。主要由納米粒子簇的制備、壓制和燒結(jié)三個環(huán)節(jié)組成，其中納米粒子簇的制備是其技術(shù)的關(guān)鍵。在一個充滿氦氣的超高真空室內(nèi)蒸發(fā)一金屬或金屬混合物，超高真空室上方有一豎直放置的放有液氮的指狀冷阱。將蒸發(fā)源加熱蒸發(fā)，產(chǎn)生原子霧，與惰性氣體原子碰撞失去動能，并在液氮冷卻棒上沉積下來，將這些粉末顆粒刮落到一密封裝置中。然后對顆粒加壓成型。得的納米固體，其原子排列接近于非晶態(tài)到晶態(tài)之間過渡。非晶晶化法將原料用急冷技術(shù)制成非晶薄帶或薄膜，然后控制退火條件，如退火時間和退火溫度，使非晶全部或部分晶化，生成晶粒尺寸保持在納米級。合金能否形成穩(wěn)定的納米晶，在于合金成分的選擇。目前這種方法大量用于制備納米Fe基、Co基、Ni基的多組元合金材料，也可以制備一些單組元成分，如Se、Si等。優(yōu)點(diǎn)：界面無孔隙，是一種致密而潔凈的界面結(jié)構(gòu)。2)工藝較簡單，易于控制，便于大量生產(chǎn)。*采用高密度脈沖電流，一些非晶成分可以在極短的時間內(nèi)獲得一些常規(guī)退火處理不易獲得的納米晶組織，對改善合金固有的脆性、抗氧化性都有一定好處。高能球磨法20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來的一種合成材料新工藝，成功制備出納米晶純金屬、不互溶體系固溶體納米晶、納米非晶、納米金屬間化合物及納米金屬-陶瓷復(fù)合材料等。用機(jī)械合金化，可以使相圖上幾乎不互熔的幾種元素制成固熔體，這是用常規(guī)熔煉方法無法作到的，如對Fe-Cu、Co-Cu體系的球磨過程。優(yōu)點(diǎn)：工藝簡單，操作成分可連續(xù)調(diào)節(jié)，并能制備出常規(guī)方法難以獲得的高熔點(diǎn)金屬或合金納米材料。缺點(diǎn)：晶粒尺寸不均勻，球磨及氧化等帶來污染。溶膠-凝膠法將易于水解的金屬化合物(無機(jī)鹽或金屬醇鹽)，經(jīng)過水解與縮聚過程而逐漸凝膠化，再經(jīng)干燥、燒結(jié)等后處理，制得所需的納米材料。優(yōu)點(diǎn)：在室溫下合成無機(jī)材料，能在分子水平上控制材料的均勻性及粒度，得到高純、超細(xì)、均勻的納米材料。例：以乙醇鋁為原料，用溶膠-凝膠法制備出較高比表面積的超細(xì)氫氧化鋁晶體粉末，在500℃和1200℃下燃燒這種粉末，可制得分散的球形和-Al2O3粉末，平均粉徑為40nm和100nm；具有良好的壓制和燒結(jié)特性。**用溶膠-凝膠法制備的納米材料，具有一種以納米晶粒、納米尺寸的骨架結(jié)構(gòu)和納米空洞均勻無規(guī)分布而成的結(jié)構(gòu)，是一種低密度的無規(guī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，更接近于納米介孔固體材料，有大的表面活性和催化作用。納米材料的制備工藝許多合成方法制備出的是結(jié)構(gòu)松散、易團(tuán)聚的納米超細(xì)微粒，要獲得納米固體，必須將納米顆粒壓實(shí)成致密的塊材。壓制工藝十分重要，如采用不同的熱(溫)壓技術(shù)對金屬粉末壓制成型，可以獲得幾乎完全密實(shí)的納米晶材料，如金屬間化合物Ti-A1，金屬復(fù)合材料Fe-Co，以及單質(zhì)金屬Pd和Cu等等。大尺寸納米晶材料的直接制備方面已有新的進(jìn)展，如利用電解沉積法可制備出厚度為100um-2mm的塊狀納米晶材料，其組織結(jié)構(gòu)均勻密實(shí)。通過液態(tài)合金的高壓淬火，抑制原子的擴(kuò)散和晶核的長大，也制備出了晶粒尺寸為30-40nm的塊狀納米晶Pd-Si合金。納米晶的制備及合成技術(shù)仍然是目前的一個主要研究方向。SiliconNanocrystalsProf.FabianPeaseStanfordMicrostructuresGroupSiliconNanocrystalsNanometersizedcrystalsofSiliconInterestingApplicationsLightamplificationusingSiliconnanocrystals（光放大）NanocrystalBasedMemory?FabricationIonimplantationofSionquartzfollowedbyhigh-temperaturethermalannealing.LPCVDusingSiH4at~580C*“Opticalgaininsiliconnanocrystals”

L.Pavesi,etal.Nature408,440-444(23Nov2000)?"NarrowChannelMOSFETMemorybasedonSiliconNanocrystalsandChargeStorageCharacteristics",Y.Shietal,Proc.of57thDeviceRes.Conf.USA,p.136,1999ProblemsandChallenges

Howtogrownanocrystalsatadesiredlocationoveralargearea?Someviableapproaches:Patterning&Re-crystallizationChemicalNanotemplating（模板）andgrowthGraphoepitaxy（圖形外延）Nano-imprintLithography(NIL)納米印刷EmbossamoldpatternontheresistAnisotropicetchtotransferthepatternSub-10nmresolution–moldmadebyE-beamParallelProcess

Source:/~chouweb/newproject/page3.htmlNanocrystalsbyNIL（納米印刷）NILbasedpatterningDepositthinlayerofamorphousSionasubstrateTransferpatternsusingNILMetalInducedCrystallization–Nickel（金屬誘導(dǎo)晶化）Deposit5-10nmthickNifilmonthepatternedsubstrateHeattreatmentat500CinanitrogenambientRef:T.I.Kaminsetal.“PositioningofSelf-AssembledSingleCrystalGeIslandsbySiliconNanoimprinting",ApplPhysLett74(12),1773,1999SinglePointNucleationMethods單點(diǎn)成核法ImprintTechnologyDeposita-SionoxidePressNicoatedSitipsat0.15MPa560CannealinN2ambientfor7hrs.FocusedIonBeamSi+,

Ge,PtetcTemperature~200-300CMakihira&Asano,“Enhancednucleationinsolid-phasecrystallizationofamorphousSibyimprinttechnology”

Appl.Phys.Lett,19June2000,pp.3774-3776.ChemicalTemplatingandGrowth-CTGSelfAssembledMonolayers(SAM)Molecularassembliesformedbyadsorptionofanactivesurfactant（表面活化劑）onasolidsurface.Orderedconfirmationattainedtominimizesurfaceenergyandintermolecularinteractions.Headandtailgroupscanbetailoredaccordingtotheapplication.SAMs-Templatefor

NanocrystalGrowthDesignoftheSAMSubstrateforlowtemperaturegrowthofcrystalsSpacingandlatticeoftheSAMTransferSAMTemplatesNILonaresistContactPrintingCrystallizationCalciteCrystalsAcid/Methyl-terminatedSAMsSource:Aizenbergetal“Controlofcrystalnucleationbypatternedself-assembledmonolayers”Nature

398,495-498(08Apr1999)NanocrystalsbyGrapho-EpitaxyEtchlinesintoasubstrateUseNILtotransferthepatternO2RIEEtchDepositamorphoussiliconCrystallizeusingLaserorStripHeaterOvenT.Kanataetal,“GraphoepitaxialgrowthofGermaniumbylasercrystallization”J.Appl.Phys.66(10),15Nov1989Grapho-EpitaxyIslandsofcrystallineSiliconCreatesurface-reliefgratingsbyRIE（ReactiveIonEtching）

onafusedsilicasubstrateDeposita-SionthesubstrateCrystallizationLaserAnnealArIonLaser,6W,scan1cm/secStripHeaterovenCarbonsheets,heatedbypassinghighcurrents1100-1300Cheatingfor20sec

Source:M.W.Geis"GraphoepitaxyofSilicononFusedSilicausingSurfaceMicropatternsandLaserCrystallization",J.Vac.Sci.Technol.16,1640(1979).Comparisons

NIL納米印刷CTG化學(xué)模板生長GE圖形外延ProcessingTemperature~500C

<200C

~1000C

Bottle-necksSingleCrystal?DesignSAMImproveResolutionCostHighLowHighConclusion

ControlledgrowthofnanocrystalsVariouspossiblesolutionsTrade-offs（折衷）tobedeterminedBiggerchallengeCharacterizethenanocrystalsBuildactivedevicesonnanocrystalsBigGains!Increasedfunctionality,athigherspeeds,withreducedpowerconsumption納米材料和納米技術(shù)的應(yīng)用主要經(jīng)歷５個階段：1）準(zhǔn)確地控制原子數(shù)量在１００以下的納米結(jié)構(gòu)；2）生產(chǎn)納米結(jié)構(gòu)物質(zhì)；3）大量制造復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)物質(zhì)；4）納米計(jì)算機(jī)的制造；5）研制出能夠制造動力源與程序自動化的元件和裝置。預(yù)計(jì)在未來１０年內(nèi)，納米技術(shù)可能發(fā)展到“第三階段”，超越“量子效應(yīng)障礙”的技術(shù)，從而達(dá)到實(shí)用化水平。納米技術(shù)的發(fā)展諾貝爾獎獲得者?！ち_雷爾說，“未來將屬于那些明智接受納米，并且首先學(xué)習(xí)和使用它的國家。”納米器件的主要研究對象：納電子、納光電子、納傳感器、納存儲及納顯示器件納電子器件與微電子的關(guān)系：繼承、相容、互補(bǔ)、互動Si-基MOSFET器件有超過40~50years的發(fā)展時期，它將不斷地發(fā)展技術(shù)、優(yōu)化性能、降低成本，是不可被替代的。2.發(fā)展納電子或納光電子器件必須考慮新的工作原理，實(shí)現(xiàn)高性能、低成本的目標(biāo)。納器件與相關(guān)的科學(xué)問題Moore'sLawContinues4004808080868008Pentium?Processor486?DXProcessor386?Processor286Pentium?IIProcessorPentium?IIIProcessorItanium?ProcessorGoal:Over1billiontransistorsby2005Pentium?4ProcessorItanium?2Processor

芯片中三極管的價(jià)格隨時間的降低$Source:WSTS/Dataquest/Intel,3/04$1000$1000$1000$1000ChipPrice8088286486奔4DARPA/KwokFutureTransistorScalingNofundamentalchangesdownto10nmtransistorsExpectnewmaterialsprocessesStructuresBelow10nmOpenmindedonoptionsNon-classicaltransistorsScalablequantumdevicesStanford/IBMNISTITRSCo-existencewithSiliconCMOSFETPresentDevelopmentofNanoelectronicsandComputingIntel10nmn-channel,2002IBM6nmp-channel,2002NEC5nmn-channel,2003Inteltri-gate,2003TheFutureofMicroelectronicsisNanoelectronics

三極管的尺寸進(jìn)一步減少可能產(chǎn)生的問題CMOS器件的若干挑戰(zhàn)性問題Si-MOSFET極限GateLength<10nm電子隧穿引起誤差線路電容的延遲熱積累引起性能惡化熱和量子漲落誤差

納米器件的集成和與微電子系統(tǒng)的聯(lián)結(jié)納米技術(shù)在陶瓷領(lǐng)域方面的應(yīng)用納米陶瓷可以克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有象金屬一樣的柔韌性和可加工性。納米陶瓷，指晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在納米量級的水平上。制備納米陶瓷要解決：粉體尺寸、粒徑分布、團(tuán)聚體的控制和分散、以及成分的控制。Gleiter指出，如果多晶陶瓷是由大小為幾個納米的晶粒組成，則能夠在低溫下變?yōu)檠有缘?，能夠發(fā)生100%的范性形變。納米TiO2陶瓷材料在室溫下具有優(yōu)良的韌性，在180℃經(jīng)受彎曲而不產(chǎn)生裂紋。解決納米陶瓷的燒結(jié)過程中抑制晶粒長大的技術(shù)問題，控制陶瓷晶粒尺寸在50nm以下，則將具有的高硬度、高韌性、低溫超塑性、易加工等傳統(tǒng)陶瓷無法相比的優(yōu)點(diǎn)。納米技術(shù)在微電子學(xué)上的應(yīng)用納米電子學(xué)的最終目標(biāo)是將集成電路進(jìn)一步減小，研制出由單原子或單分子構(gòu)成的在室溫能使用的各種器件?；诩{米粒子的量子效應(yīng)來設(shè)計(jì)并制備納米量子器件，包括納米有序（無序）陣列體系、納米微粒與微孔固體組裝體系、納米超結(jié)構(gòu)組裝體系目前，單電子晶體管，紅、綠、藍(lán)三基色可調(diào)諧的納米發(fā)光二極管，以及利用納米絲、巨磁阻效應(yīng)制成的超微磁場探測器已經(jīng)問世。具有奇特性能的碳納米管的研制成功，為納米電子學(xué)的發(fā)展起到了關(guān)鍵的作用。小資料：碳納米管碳納米管是由石墨碳原子層卷曲而成，徑向<100nm。電子在碳納米管的運(yùn)動,徑向上受到限制，表現(xiàn)出量子限制效應(yīng)，在軸向上則不受任何限制。以碳納米管為模子來制備一維半導(dǎo)體量子材料：清華大學(xué)的范守善教授將氣相反應(yīng)限制在納米管內(nèi)進(jìn)行，生長出半導(dǎo)體納米線。1)將Si-SiO2混合粉體置于石英管中的坩堝底部，加熱并通入N2。SiO2氣體與N2在碳納米管中反應(yīng)生長出Si3N4納米線，其徑向尺寸為4-40nm。2)制備出了GaN納米線。3)與斯坦福大學(xué)合作，在國際上首次實(shí)現(xiàn)硅襯底上碳納米管陣列的自組織生長，大大推進(jìn)碳納米管在場發(fā)射平面顯示方面的應(yīng)用。小資料：納米器件實(shí)例Hitachi公司成功研制出單個電子晶體管，通過控制單個電子運(yùn)動狀態(tài)完成特定功能，即一個電子就是一個具有多功能的器件。日本的NEC研究所擁有制作100nm以下的精細(xì)量子線結(jié)構(gòu)技術(shù)，在GaAs