碳纳米管和纳米电子学

出处：feng_zc 发布于：2007-04-29 10:47:45

[作者:吴全德/薛增泉]
[发布时间:20010702]
[来源:科技导报，1999年第12期]

摘要：目前计算机和信息技术的基础是超大规模集成电路，但下个世纪的基本组件将是纳米电子集成电路。研究纳米（1-100纳米）条件下，放大、振荡、信息加工、数字存储等新现象和新规律，以及采用什么新材料、新技术和新工艺，来指导纳米电子器件和纳米电子集成阵列的设计和开发。有人认为纳米电子器件的基本结构是纳米点和隧道结。碳纳米管及其衍生物可能是有希望的材料。我国研究人员开展了单壁碳纳米管的研究，经裁剪的单壁碳纳米管极易分散在水中而形成水溶胶，为进一步进行化学修饰、功能化和模板装打下基础。另外，利用不同的催化剂，可以制备成不同直径的单壁碳纳米管，为研究和制备以单壁碳纳米管为基础的纳米电子器件单元提供了可选择的原料。北大纳米中心的当前工作集中在直径为1.4纳米的短单壁碳管，短单壁碳纳米管作STM针尖。另外，也可作电子显微镜的高亮度电子源，高效场发射电子源及高分辨率的显示器件。因此，从基本的单壁碳纳米管切入，开展纳米电子学研究可能是纳米科技发展的重要途径。
一、我国亦应重视发展纳米电子学：
科技发展愈来愈快，美国政府提出信息高速公路、数字地球等新概念和规划，影响和带动了的发展。自东南亚出现经济危机以来，美国以其高科技实力，仍显示出强盛的经济发展态势。1998年克林顿总统的研究与发展预算决定紧急加倍资助信息技术和更多的人才培养。美国21世纪研究与发展资助的重点为：生命科学、环保科技、材料科学和纳米科技；纳米科技中又以纳米电子学为优先资助领域。美国总统研究与发展预算强调了长项投资（1ong term investments）；1999年为2360亿美元；2000年基础研究占科技投资的22.8%、应用研究占20.6%、设备装置占3.9%、技术发展占52.7%。新预算中称之为21世纪的信息技术中包括电子组件、计算机、通信和信息技术，2000年总预算经费将是366O亿美元。
目前计算机和信息技术的基础是超大规模集成电路，但下个世纪的基本组件将是纳米电子集成电路。它是微电子器件发展的下一代，有自己的理论、技术和材料。现在微电子器件的主要材料是硅，而下一代电子器件的材料是什么？随着碳纳米管的发现和深入研究，已发现它有很多新奇的特性，特别是有非常理想的电学特性，可能在未来的纳米电子器件中起重要作用。碳元素与硅属同一族，在地球和宇宙中更普遍地存在，因此碳可能是21世纪纳米电子器件的主流材料。
二、纳米电子器件：
利用载流子的各种量子特性，研究纳米（1-1OO纳米）条件下，放大、振荡、信息加工、数字存储等新现象和新规律，以及采用什么新材料、新技术和新工艺，来指导纳米电子器件和纳米电子集成阵列的设计和开发，这就是崭新的纳米电子学。
如果说微电子器件的基本结构是pn结，那么，21世纪的纳米电子器件的基本结构则有待实践解决，而文献［2］认为是：纳米点和隧道结。纳米点系指1-100纳米的金属或半导体粒子，也称量子点或岛。此时器件的物理尺寸与其中的电子自由程可以比拟，将出现介观物理所描述的一切现象。在非弹性散射自由程以内，呈现的主要特征有：量子电阻（Rk＝h／e2＝25.8K欧）、库仑阻塞（隧穿结电阻RT＞Rk，纳米点荷电能e2／C）kT，这里C是结电容）和普适电导涨落，并且有相位记忆效应。纳米电子器件的信号加工系统显示了某些与传统情况的惊人的不同。为了描述这类新现象，考虑简单量子系统间的相互作用过程，相应于布尔代数的0态和l态，即字节（bit），将以量子字节（qubit）来代替。由于量子系统中载流子的振动和相位的迭加具有多种态，因此量子字节将会多于（0，1）两种态，这将给出更多信息。基于量子特性，纳米电子器件的基本结构是隧道结和量子点隧道结。北大纳米中心已取得一系列室温和大气下的结果。为满足今后的集成要求，所有隧道结都做在同一绝缘面上。例如在一个绝缘层上的纳米粒子左右两边各做上一个电极，形成在一条直线上的两个隧道结；再在9O°方向上做成第三个电极和隧道结，构成平面型三极管，这是简单的具有放大性能的横向器件，有人称之为单电子二极管；进而可以构成纳米电子集成电路。
三、碳纳米管及其特性：
微电子器件的基本材料是硅，下一代纳米电子器件的材料是什么？有人认为是有机／无机复合材料。但进一步具体地说，目前还不清楚。碳纳米管及其衍生物可能是有希望的材料。
碳纳米管是日本学者饭岛（Iijima）在1991年发现的，是碳异构体家族中的一个新成员，它被看成是由层状结构的石墨片卷成的无缝空心管，有多层的，也有单层的，其直径约在1纳米至几十纳米之间；由于卷的角度和直径不同，会出现不同的结构，左螺旋的、右螺旋的、不存在螺旋的；结构不同，导电特性亦不同，有的是金属性的、有的是半导体性的。单层石墨片卷成的称为单壁碳纳米管，多层石墨片卷

关键词：电子

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