碳納米管和納米電子學(xué)

出處：feng_zc 發(fā)布于：2007-04-29 10:47:45

[作者:吳全德/薛增泉]
[發(fā)布時(shí)間:20010702]
[來源:科技導(dǎo)報(bào)，1999年第12期]

摘要：目前計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的基礎(chǔ)是超大規(guī)模集成電路，但下個(gè)世紀(jì)的基本組件將是納米電子集成電路。研究納米（1-100納米）條件下，放大、振蕩、信息加工、數(shù)字存儲等新現(xiàn)象和新規(guī)律，以及采用什么新材料、新技術(shù)和新工藝，來指導(dǎo)納米電子器件和納米電子集成陣列的設(shè)計(jì)和開發(fā)。有人認(rèn)為納米電子器件的基本結(jié)構(gòu)是納米點(diǎn)和隧道結(jié)。碳納米管及其衍生物可能是有希望的材料。我國研究人員開展了單壁碳納米管的研究，經(jīng)裁剪的單壁碳納米管極易分散在水中而形成水溶膠，為進(jìn)一步進(jìn)行化學(xué)修飾、功能化和模板裝打下基礎(chǔ)。另外，利用不同的催化劑，可以制備成不同直徑的單壁碳納米管，為研究和制備以單壁碳納米管為基礎(chǔ)的納米電子器件單元提供了可選擇的原料。北大納米中心的當(dāng)前工作集中在直徑為1.4納米的短單壁碳管，短單壁碳納米管作STM針尖。另外，也可作電子顯微鏡的高亮度電子源，高效場發(fā)射電子源及高分辨率的顯示器件。因此，從基本的單壁碳納米管切入，開展納米電子學(xué)研究可能是納米科技發(fā)展的重要途徑。
一、我國亦應(yīng)重視發(fā)展納米電子學(xué)：
科技發(fā)展愈來愈快，美國政府提出信息高速公路、數(shù)字地球等新概念和規(guī)劃，影響和帶動了的發(fā)展。自東南亞出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)危機(jī)以來，美國以其高科技實(shí)力，仍顯示出強(qiáng)盛的經(jīng)濟(jì)發(fā)展態(tài)勢。1998年克林頓總統(tǒng)的研究與發(fā)展預(yù)算決定緊急加倍資助信息技術(shù)和更多的人才培養(yǎng)。美國21世紀(jì)研究與發(fā)展資助的重點(diǎn)為：生命科學(xué)、環(huán)?？萍肌⒉牧峡茖W(xué)和納米科技；納米科技中又以納米電子學(xué)為優(yōu)先資助領(lǐng)域。美國總統(tǒng)研究與發(fā)展預(yù)算強(qiáng)調(diào)了長項(xiàng)投資（1ong term investments）；1999年為2360億美元；2000年基礎(chǔ)研究占科技投資的22.8%、應(yīng)用研究占20.6%、設(shè)備裝置占3.9%、技術(shù)發(fā)展占52.7%。新預(yù)算中稱之為21世紀(jì)的信息技術(shù)中包括電子組件、計(jì)算機(jī)、通信和信息技術(shù)，2000年總預(yù)算經(jīng)費(fèi)將是366O億美元。
目前計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的基礎(chǔ)是超大規(guī)模集成電路，但下個(gè)世紀(jì)的基本組件將是納米電子集成電路。它是微電子器件發(fā)展的下一代，有自己的理論、技術(shù)和材料?，F(xiàn)在微電子器件的主要材料是硅，而下一代電子器件的材料是什么？隨著碳納米管的發(fā)現(xiàn)和深入研究，已發(fā)現(xiàn)它有很多新奇的特性，特別是有非常理想的電學(xué)特性，可能在未來的納米電子器件中起重要作用。碳元素與硅屬同一族，在地球和宇宙中更普遍地存在，因此碳可能是21世紀(jì)納米電子器件的主流材料。
二、納米電子器件：
利用載流子的各種量子特性，研究納米（1-1OO納米）條件下，放大、振蕩、信息加工、數(shù)字存儲等新現(xiàn)象和新規(guī)律，以及采用什么新材料、新技術(shù)和新工藝，來指導(dǎo)納米電子器件和納米電子集成陣列的設(shè)計(jì)和開發(fā)，這就是嶄新的納米電子學(xué)。
如果說微電子器件的基本結(jié)構(gòu)是pn結(jié)，那么，21世紀(jì)的納米電子器件的基本結(jié)構(gòu)則有待實(shí)踐解決，而文獻(xiàn)［2］認(rèn)為是：納米點(diǎn)和隧道結(jié)。納米點(diǎn)系指1-100納米的金屬或半導(dǎo)體粒子，也稱量子點(diǎn)或島。此時(shí)器件的物理尺寸與其中的電子自由程可以比擬，將出現(xiàn)介觀物理所描述的一切現(xiàn)象。在非彈性散射自由程以內(nèi)，呈現(xiàn)的主要特征有：量子電阻（Rk＝h／e2＝25.8K歐）、庫侖阻塞（隧穿結(jié)電阻RT＞Rk，納米點(diǎn)荷電能e2／C）kT，這里C是結(jié)電容）和普適電導(dǎo)漲落，并且有相位記憶效應(yīng)。納米電子器件的信號加工系統(tǒng)顯示了某些與傳統(tǒng)情況的驚人的不同。為了描述這類新現(xiàn)象，考慮簡單量子系統(tǒng)間的相互作用過程，相應(yīng)于布爾代數(shù)的0態(tài)和l態(tài)，即字節(jié)（bit），將以量子字節(jié)（qubit）來代替。由于量子系統(tǒng)中載流子的振動和相位的迭加具有多種態(tài)，因此量子字節(jié)將會多于（0，1）兩種態(tài)，這將給出更多信息?；诹孔犹匦?，納米電子器件的基本結(jié)構(gòu)是隧道結(jié)和量子點(diǎn)隧道結(jié)。北大納米中心已取得一系列室溫和大氣下的結(jié)果。為滿足今后的集成要求，所有隧道結(jié)都做在同一絕緣面上。例如在一個(gè)絕緣層上的納米粒子左右兩邊各做上一個(gè)電極，形成在一條直線上的兩個(gè)隧道結(jié)；再在9O°方向上做成第三個(gè)電極和隧道結(jié)，構(gòu)成平面型三極管，這是簡單的具有放大性能的橫向器件，有人稱之為單電子二極管；進(jìn)而可以構(gòu)成納米電子集成電路。
三、碳納米管及其特性：
微電子器件的基本材料是硅，下一代納米電子器件的材料是什么？有人認(rèn)為是有機(jī)／無機(jī)復(fù)合材料。但進(jìn)一步具體地說，目前還不清楚。碳納米管及其衍生物可能是有希望的材料。
碳納米管是日本學(xué)者飯島（Iijima）在1991年發(fā)現(xiàn)的，是碳異構(gòu)體家族中的一個(gè)新成員，它被看成是由層狀結(jié)構(gòu)的石墨片卷成的無縫空心管，有多層的，也有單層的，其直徑約在1納米至幾十納米之間；由于卷的角度和直徑不同，會出現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)，左螺旋的、右螺旋的、不存在螺旋的；結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)電特性亦不同，有的是金屬性的、有的是半導(dǎo)體性的。單層石墨片卷成的稱為單壁碳納米管，多層石墨片卷

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