纳米电子学复习.doc

纳米电子一章1、纳米是10-9米，纳米微粒的尺度定义在10-710-10米（0.1nm100nm）2、请叙述什么是小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应。小尺寸效应：当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应。例如：光学特性上的消光性，热学特性上的熔点降低，磁学特性上的高矫顽力，力学特性上的高强度、高韧性，其它如超导电性、介电性。表面效应：球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比。随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著地增加，颗粒表面原子所占百分数会显著增加，从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样的特性，这就是表面效应。量子效应：介于原子、分子与大块固体之间的超微颗gau粒，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽，导致微粒的声、光、电、磁、热及超导特性等呈现出反常的特性。例如：导电金属超微粒可以变成绝缘体，光谱线会产生向短波长方向的移动。宏观量子隧道效应：超微颗粒的一些物理量，会显示出隧道效应，称为宏观量子隧道效应。例如：电路尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法工作。3、什么是纳米科技？什么是纳米科技的科学意义？纳米科技是指在纳米尺度（1nm100nm）上研究物质（包括原子、分子的操纵和加工）的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学与技术。纳米科技的最终目标是直接以原子、分子及物质在纳米尺度上表现出的新颖的物理、化学和生物学特性制造出具有特定功能的产品。科学意义：a.纳米科技将促使人类认知的革命，纳米尺度上有许多新现象，新规律有待发现，是对人类人认知领域的新开拓；b.纳米科技将引发一场新的工业革命，它是21世纪经济增长的发动机，将促使传统产业“旧貌换新颜”，将推动产品的微型化、高性能化与环境友好化，将极大节约资源和能源，促进生态环境改善，为可持续发展提供技术保证；c.纳米科技将推动各门科学和技术的发展。4、纳米材料有哪些危害性？（双刃剑）纳米材料体积小，在常温下可做布朗运动，悬浮在空间或液体中，这种漂浮和弥散与普通粉尘相比更加无孔不入，对环境和生物体造成污染和损害。一切科学技术都会被用于提升战争中武器的威力和通讯的精度。纳米科技将创造出许多自然界不存在的物质结构甚至生物体，带来不可预测的风险和威胁。5、解释纳米材料熔点降低的现象由于纳米材料的小尺寸效应，晶体周期性的边界被破坏，非晶态纳米粒子表面层附近的原子密度减小，使得纳米材料的熔点降低。由于表面效应，纳米颗粒的尺寸减小，其比表面积显著增加，颗粒表面原子相对增加，从而使得表面原子具有较高的活性且极不稳定，导致熔点降低。6、纳米科学技术的发展历史1959年，理查德费恩曼提出从原子/分子尺度上加工材料，是纳米科学技术思想起源；1981年，扫描隧道显微镜发明1989年，首次在镍表面用氙原子排除“IBM”1990年，首届国际纳米科学技术会议召开，标致纳米科学技术作为一门独立学科正式诞生20世纪90年代，纳米材料制备及其基本性质的研究是纳米科学的研究焦点。并且纳米科学技术的基础科学和应用技术从星星之火走向燎原之势。21世纪初，纳米科技逐渐成为本世纪最有深远影响的高新科技之一。二章1、什么是纳米材料、纳米结构？纳米材料有哪4种维度？举例说明。纳米材料广义上讲是指三维方向上至少有一个方向上材料尺度处于纳米尺度的材料，也包括一些复合结构。纳米结构指的是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造的一种新体系，包括一维、二维、三维体系。这一过程成为纳米结构的合成和组装。零维纳米材料，如纳米颗粒和纳米粉体材料；一维纳米材料，如纳米线、纳米管、纳米带、纳米梨子链聚集体；二维纳米材料，如纳米薄膜，半导体量子阱和超晶格结构；纳米中孔材料，如多孔硅、分子筛。2、纳米结构的意义纳米结构的合成与组装是研究纳米科学与技术的基础；纳米结构可将纳米材料分成基本研究单元，便于学习和研究纳米材料的特性；纳米结构中的新现象、新规律为纳米材料的基础理论奠定基础；纳米结构的合成与组装为制备各种宏观纳米器件提供新的技术；通过控制纳米结构的组装来控制其性能，提供了功能纳米电子器件的设计基础。3、简述碳纳米管的制备方法，结构与形态，性能？制备方法是通过电弧放电法、模版工艺。1991年4月，日本NEC公司的饭岛澄男首次用高分辨透射电镜观察到多壁碳纳米管（MWNTS），是多层同轴管，也叫巴基管；1993年，发现单壁碳纳米管（SWNTS）。与多壁碳纳米管相比，单壁碳纳米管是由单层圆柱型石墨层构成，其直径大小的分布范围小，缺陷小，具有更高的均匀一致性。三章1、纳米CMOS器件新物理效应（沟道长度减小到一定程度后出现的物理效应）1) 影响阈值电压的短沟道效应和窄沟道效应2) 迁移率退化及载流子速度饱和效应3) 影响器件寿命的热载流子效应 Hot Carrier Effect4) 造成亚阈特性退化的漏感应势垒降低效应5) 多晶硅耗尽效应6) 源漏串联电阻的影响7) 互连集成技术的挑战2、CMOS工艺在现代半导体工业中居主流地位的原因1) CMOS逻辑电路的零静态功耗2) MOSFET能按比例缩小3、什么是CE律？CE律的优缺点，如何改善？理想的按比例缩小理论遵循三条规律：a.器件的所有横向和纵向尺寸都缩小k倍；b.阈值电压和电源电压缩小k倍；c.所有的掺杂浓度增加k倍。因为尺寸和电压同时减小，所以晶体管内部所有电场保持不变，因而成为“恒定电场按比例缩小”，简称CE律。优点：a.源漏电流ID按比例缩小k倍（*Cox增加k倍，Von缩小k倍）；b.门延迟时间tD按比例缩小k倍；c.功耗延迟积PWtD缩小了k3倍；d.器件面积缩小k2倍，集成度增加k2倍。缺点：a.阈值电压不可能无限缩小；b.源漏耗尽区宽度不可能按比例缩小；c.电源电压标准的改变会带来很大的不便；d.各种寄生效应不能按比例缩小，因此集成电路的实际性能不能等比例提高。改善：采用准恒定电场等比例缩小规则，即电源电压降低比例小于器件尺寸缩小比例，不完全等比例缩小。4、光刻技术是集成电路图形生成和复制的关键技术。主流光学光刻技术极限尺寸是6070nm，原因是提高分辨率主要靠使用缩短光源波长，即使用深紫外光，而材料对深紫外光强烈吸收，所以无法继续缩短波长。5、下一代光刻技术及待解决的问题？X射线投影光刻：一倍掩膜极紫外（软X射线）光刻：无缺陷反射式掩膜、玷污控制、多层膜、光源、真空环境电子束投影光刻：空间电荷效应、硅片表面热效应离子束投影光刻：注入能量、缺陷，分辨率可以达到30nm以下。6、纳米栅线条和超浅PN结的制作是短沟道器件研制中最困难的工艺，原因是虽然新一代光刻技术已经能够加工和复制纳米器件但是存在工艺复杂，成本高以及其他难以解决的问题。7、纳米栅线条技术有哪两大类？其方法和特点是什么？极短波长光刻以及类光刻技术：先制作超细光刻胶线条，在进行等离子体灰化得到更细的线条；特点是设备复杂、价格昂贵，且存在如X射线投影光刻掩膜版制作难、缺陷多，电子束投影光刻效率低、不能批量生产，极紫外光刻精度低等问题。侧墙图形转移技术：第一步，常规光刻制备亚微米量级的光刻胶线条；第二步，等离子体灰化减小光刻胶线条的宽度；第三步，以此光刻胶线条为掩膜刻蚀出精细栅线条。特点是设备简单、成本低、操作方便。（25nm宽）四章1、纳米结构中载流子输运的几个基本物理现象有（1）设计和研究纳米器件最基本的理论依据：电导量子化、量子隧穿、库伦阻塞效应；（2）限制纳米器件的运行机制：热导量子化、普适电导涨落、量子相干效应2、什么是库伦阻塞效应？当两个导体之间的纳米绝缘隙尺度小于电子自由程时，能够发生电子隧穿现象；而由于电子库伦排斥作用，单个电子在两个初始状态为中性而且构成电容为C的两个区域间的隧穿过程，将使得系统的静电能增加e2/2c，因此在条件不满足时，单个电子的隧穿过程将被抑制，这就是单电子隧穿的库伦阻塞现象。3、请简述源岛源双隧穿结的单电子隧穿理论。由于电子的库伦排斥作用，单个电子在两个初始状态为中性而构成电容为C的两个区域间的隧穿过程，将使得系统的能量增加，如果没有外界提供能量，电子很难随传过去，这就是库伦阻塞现象。若从-e/2端有一个电子隧穿到+e/2端，则两端分别变为+e/2和-e/2，系统的能量没有增加，即使外界不提供能量也可以隧穿。所以，若在两个电极之间的绝缘层中间再做一个电极，并使该电极带e/2个电荷，则原来两个电极分别感应出半个相反符号的电荷，因此可以通过绝缘层中间那个电极上的电压来控制隧穿效应的发生。在绝缘隙中放置第三个被绝缘体包围的岛状电极，称为库伦岛、纳米岛或量子点。电子从源到漏必须经过中间的库伦岛。把金属岛看作理想导体，在充电电荷电荷达到Q时，其静电势满足Q=CeefV，Ceef为金属岛的等效电容。对于两个导体构成的电容器，若两极电位差为V，带等量异号的电荷Q，则电容器所储存的电场能为U=QV/2 ，充电过程储存在两导体上的静电能为ES=Q2/2C。对于孤立导体，电容C=40R，充电式需要做功为U=qV/2=q2/80R。所以球体半径R越小，充相同电量所需做功越大。当导体进入纳米尺度时，充放电过程很难进行，或者充放电过程将变得不再连续进行，电子不能集体运输，而是一个一个的单电子传输，即体系变得电荷量子化。而充入一个电子做功为EC=e2/80R=e2/2C，这个能量称为库伦堵塞能。所以可以利用库伦阻塞效应来实现单电子隧穿过程。在一个纳米结构体系要观察到强库伦阻塞效应及其单电子隧穿效应，必须满足一定条件。首先，为避免热能帮助电子穿透能量势垒而破坏库仑阻塞效应，所以库伦阻塞能必须大于热运动能EC= e2/80R = e2/2C KBT，所以库伦岛半径R越小，C就越小，EC就越大，允许观察的温度T就越高。其次，为了去除电子能量的不准度，将电子锁在库伦岛内，以防止破坏库伦阻塞效应，则根据海森堡测不准原理知，电子能量的不准度E与时间的不准度t的乘积，要大于普朗克常数h，即Eth。其中t=RC，R为界面电阻，C为量子点电容，所以在单电子元件中的两个隧道电阻要高到让RC时间足够长，才能控制在中央岛的电子个数。又因为希望电子能量之不准度E远小于量子点能隙e2/C，即Eh/e2=RK26k，即界面电阻应该远远大于量子点电阻。六章1、光信号相比电信号的优点。a) 传播速度快b) 频带宽，传播的信息量大c) 可以聚集成很细的光束、分辨率高d) 抗电磁波干扰能力强e) 可以实现同一空间多路信号传输f) 与有线通信相比，光纤通信的损耗低、质量小2、激光的意思是通过受激发射光扩大，产生激光需要激发来源、增益介质、共振结构。3、简述激子理论通常，把半导体材料吸收光子发生带间跃迁，看作光子将能带中价带电子激发到导带，形成电子和空穴彼此独立传导电流，且在吸收谱上形成陡峭的吸收边。实际上，光激发的电子-空穴可对因库仑力而相互束缚。光谱中，除了自由电子和空穴的连续谱外，还存在原子激发态的分离谱。电子从价带被激发，但因库伦相互作用而和价带空穴相互联系在一起的一种中性的非传导电的束缚状的电子激发态，成为激子。这种相互作用的电子-空穴对可以形成束缚态，导致禁带中导带底附近出现对应的束缚能级，本征吸收边附近出现吸收尖峰或分离谱；也可以形成非束缚态，其对应的能量在吸收边以上，导致吸收边以上连续谱带的吸收系数显著增强，发生激子效应。激子分类为弗伦克尔激子和万尼尔激子。弗伦克尔激子情况下，电子和空穴形成一个电偶极矩，电子-空穴距离与晶格常数相仿，这种激子是作为一个整体从一个原胞的位置运动到另一个原胞的位置，因此十分困难。它经常出现在绝缘体和分子晶体中，且伴随着强烈的声子-声子相互作用；万尼尔激子情况下，电子和空穴间距离远大于晶格常数，电子沿束缚或非束缚的类氢轨道绕空穴转动。它经常出现在半导体和半绝缘体中，它可以在晶体内迁移和传递能量。激子效应对半导体器件起决定性的影响，尤其对半导体结构的光电子学性质影响尤为重要。激子是电子-空穴组成的双粒子体系，能量为E(k)=Ee+Eh，准动量或波矢为k=ke-kh，质量为M=m*e+m*h。激子运动分为，激子质心运动和激子中电子-空穴的相对运动，总能量为En(k)=Eg+h2k2/2M-R*/n2，其中Eg+h2k2/2M为质心运动能量，-R*/n2电子-空穴相对运动能量，也称为激子束缚能，R*为激子的等效李德伯能量。七章1、表征技术是指物质结构与性质及其英勇的有关分析、测试方法，也包括测试、测量工具的研究与制造；2、表征的内容包括材料的组成、结构和性质等。3、可见光的反射与X射线的反射的区别：可见光的反射仅限于物体的表面，而X射线的反射是受到X射线照射的所有原子（包括晶体内部）的散射线干涉而成。可见光的反射无论入射光线以任意的入射角入射都会产生，而X射线只有在满足布拉格公式的某些特殊入射角才能“反射”。良好的镜面对可见光反射可达100%，而X射线反射后，变化很大。4、电子束分析方法包括透射电子显微镜（TEM）、电子衍射、扫描电子显微镜（SEM）。5、透射电子显微镜（TEM）的工作原理，和光学显微镜的区别原理：电子枪产生的电子束经聚光透镜会聚均匀照射在试样某待观察微小区域上。因试样很薄，大部分电子穿透试样，其强度分布与所观察试样区的形貌、组织、结构一一对应。透射出的电子经三极磁透镜放大在荧光屏上，荧光屏将其转变为人眼可见的光强分布。于是在荧光屏上就显出与试样形貌、组织、结构相对应的图像。区别：a.光学显微镜用可见光作照明源，TEM用电子束作照明源；b.光学显微镜用玻璃透镜成像， TEM用磁透镜聚焦成像；c.因电子波的波长很短，与物质作用遵守Bragg方程，可产生电子衍射现象，使得TEM具有高分辨率的同时，还有结构分析的功能。而光学显微镜则不能。6、扫描电子显微镜（SEM）的工作原理，特点，用途，与TEM的区别原理：由热阴极电子枪发射的电子，在电场作用下加速经过23个电磁透镜的作用，在样品表面聚焦成极细的电子束，电子束在双偏转线圈作用下在样品表面扫描，激发样品产生各种物理信号，其强度随样品表面特征而变化。样品表面不同的特征信号被按顺序、成比例地转换为视频信号。通过视频放大和信号处理在CRT荧光屏上获得能反映样品表面特征的扫描图像。特点：a.可观察1030mm的大块试样，制样方法简单；c.场深大，适于粗糙表面和断口的分析观察，图相富立体感、真实感，易于识别和解释；c.放大倍数变化范围大，便于低倍下的普查和高倍下的观察分析；d.具有较高的分辨率，一般为36nm；e.可通过电子学方法控制和改善图像质量;f.可进行多功能分析；g.可使用加热、冷却和拉伸等样品台进行动态试验，观察各种环境条件下的相变和形态变化等。用途：a.三维形貌的观察和分析；b.观察分析纳米材料的形貌；c.直接观察大样品的原始表面。区别：a.成像方式不同：SEM是用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像的；b.试样形状不同：SEM试样为块状或粉末颗粒；c.成像信号不同：SEM以二次电子、背散射电子、吸收电子成像。其中二次电子是最主要的成像信号。7、表面分析技术有二次离子质谱（SIMS）、X射线电子谱（XPS）、俄歇电子谱（AES）。8、什么是二次离子质谱？SIMS是利用质谱法分析初级离子入射靶面后，溅射产生的二次离子而获取材料表面信息的一种方法。SIMS是一种重要的材料成分分析方法，在微电子、 光电子、材料科学、催化、薄膜和生物领域有广泛应用。9、什么是X射线光电子谱？XPS 是用X射线光子激发原子的内层电子发生电离，产生光电子，这些内层能级的结合能对特定的元素具有特定的值，因此通过测定电子的结合能和谱峰强度，可鉴定除H和He（因为它们没有内层能级）之外的全部元素以及元素的定量分析。在实验时样品表面受辐照损伤小，具有很高的绝对灵敏度。因此是目前表面分析中使用最广的谱仪之一。10、什么是俄歇电子谱？入射电子束或X射线使原子内层能级电子电离，外层电子产生无辐射俄歇跃迁，发射俄歇电子，用电