第五章 纳米材料在电子信息领域的应用（课堂PPT）

第五章,纳米材料在电子信息领域的应用,1,信息技术和产品发展的粮食,什么是IT？,请描述一个用带照相功能的手机传输图象的过程。,2,手机拍照,图象复印,存储器,图象转换为电信号,发送,压缩,电信号被读取,手机通讯基地局,公共或基干网络,目的地基地局,接收人手机,服务器,因特网,个人电脑,磁存储或半导体存储,显示,3,信息技术的研究内容及其支柱材料,获取信息的装置（传感器）存储信息的装置（磁存储、磁光存储、光存储）加工和处理信息的装置（硅材料）传递和分配信息的装置（高性能光纤）接收和显示信息的装置（液晶显示、平面显像）,构筑这样一个系统，需要：,4,5,以一个简单的半导体电子组件为例，看电子材料的应用：,6,5.1材料的电学性能与纳米电子材料5.2材料的磁学性能与纳米磁性材料5.3材料的光学性能与纳米光子材料,第五章纳米材料在电子信息领域的应用,7,导电性能；介电性能；铁电与压电性；静电；超导。,5.1材料的电学性能与纳米电子材料,指材料在外加电场或电压作用下的行为及其表现出来的各种物理现象。,什么是材料的电学性能？,8,基本概念：1）电导率和电阻率,电导:真实电荷在电场作用下在介质中的迁移。电导率:衡量材料电导能力的表观物理量。电阻率是电导率的倒数。,在直流电场中，对于一定的材料，电阻R随试样尺寸变化：与试件长度L成正比，与试样面积S成反比，其比例常数即电阻率，单位为m或cm）,9,决定电导率的两个基本参数,载流子密度。,载流子：带电荷的自由粒子。电流是电荷在空间的定向运动。任何一种物质，只要存在带电荷的载流子（电子、空穴，也可以是正、负离子），就可以在电场作用下产生导电电流。研究材料的电导性就是弄清载流子品种、来源及浓度，它们在材料本体中的迁移方式及迁移率的大小。,迁移率：载流子在单位电场中的迁移速度。影响电导率的因素:A影响离子电导率的因素：温度，晶体结构，晶格缺陷B影响电子电导率的因素：温度，杂质及缺陷的影响,载流子迁移率。,10,11,能级（EnergyLevel）：在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳层上的电子具有分立的能量值，即电子按能级分布。在电子能级图上，用一条条高低不同的水平线表示。,材料的电子结构与导电性理论基础-能带论,12,电子的共有化：晶体中大量的原子集合在一起且距离很近，致使离原子核较远的壳层发生交叠，使电子不再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去。这样使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对应的能级扩展为能带。,能带（EnegyBand）是如何形成的？,以典型金属钠为例，,13,允许带：允许被电子占据的能带。禁带：允许带之间的不允许电子占据的范围。原子壳层中的内层允许带总是被电子先占满，然后再占据能量更高的外面一层的允许带。,导体或半导体的导电作用是通过载流子的运动来实现：导体中的载流子-自由电子，半导体中的载流子-电子和空穴。不同的材料，禁带宽度不同，导带中电子的数目也不同，从而有不同的导电性。,满带：被电子占满的允许带。空带：每一个能级上都没有电子的能带。价带：原子中最外层的电子称为价电子，与价电子能级相对应的能带称为价带。导带：价带以上能量最低的允许带称为导带。,14,固体理论提出：,（1）无外场作用时，无论绝缘体、半导体或导体都无电流；（2）在外场作用下，不满带导电而满带不导电。,15,半导体材料：电阻率介于典型的金属和典型的绝缘体之间的材料。在一般的条件下就具有一定的导电能力，在外场作用下更显示出千变万化的传导特性，因而广泛应用于晶体管、二极管、整流器和太阳能电池等方面。,区分导体和绝缘体的原则：固体中虽有很多电子，但如果一个固体中的电子恰好充满某一能带及其以下一系列能带，并在此之上相隔一个较宽禁带的其他能带都是空的，则为绝缘体；反之，如果电子未能填满最高的能带，或能带之间有重叠，就形成导体。,16,17,18,以硅集成电路而言，纳米粒子的宏观隧道效应确立了微电子器件微型化的极限。目前国际上最窄线宽已为130nm，在十年以内将达到极限(小于100nm)。如果将硅器件做的更小，电子会隧穿通过绝缘层，造成电路短路。,19,20,（1）“从上到下”的光刻法：,纳米技术在电子信息领域中的应用实例,在光刻法制作的集成电路中利用双光子光束技术，有可能将器件的极限缩小至25nm。,21,“从上到下”的扫描探针法或SPM针尖法,纳米技术在电子信息领域中的应用实例,扫描探针法制造纳米导线原理：通过对基板上有机分子膜或硅施加电压脉冲，利用分子的连锁聚合来制造纳米导线。,22,（2）“从下到上”法：将分子或原子组装成纳米结构。,典型应用：a.新一代的纳米器件：蛋白质二极管、单电子晶体管等，替代硅材料。“后硅元件时代”。b.纳米银导线（一种类似于“蜘蛛吐丝”的方法制造。关键问题：导线的位置和长度控制问题。）c.碳纳米管导线（通过催化生长的工艺可制作出长的纳米碳管。关键问题：有意识地分别制造具有半导体和金属性质的CNT。）,纳米技术在电子信息领域中的应用实例,23,纳米尺度单电子管的一个实例,“从下到上”的量子点法：,24,“从下到上”法的纳米碳管-场效应晶体管（利用CNT的半导体性质）,25,芯片的发展与计算机科学的进步：,没人知道今后最先进的电子计算机会是什么模样，它们是如何组装的？有两点可以明确：相比今天的计算机，它们更小、更快、威力更大；是用化学方法组装的。这是一种趋势。,26,纳米金属与合金在电学性能上的新性能：,纳米晶Pd的电阻温度系数与晶粒尺寸的关系,纳米金属和合金材料的电阻高于常规材料；电阻温度系数强烈依赖于晶粒尺寸；随颗粒尺寸减小,电阻温度系数下降。,27,当颗粒小于某一临界尺寸(电子平均自由程)时,电阻温度系数可能由正变负。例如：,28,纳米Pd块体的比电阻随粒径的减小而增加；纳米晶Pd试样比电阻比常规材料的高；比电阻随温度的上升而上升。,纳米金属与合金在电学性能上的新性能：,29,30,2）材料的介电性（交变电场作用下的电学性能）,电容与介电常数-表征电介质储存电能能力的大小。,电容C0=Q0/V=0A/l,r=C/C0=/0,0称真空介电常数，r称相对介电常数,31,介电常数可看成介质中电介质极化强度的宏观量度。,32,层压电容器,电容器：手机、个人电脑、汽车等几乎所有内藏电路的日常生活用品使用的重要电路元件。纳米技术使得进一步增大单位体积电容器的静电容量成为可能，满足了电子产品小型化、高容量化的需求。,纳米技术在电子信息领域中的应用实例,33,纳米半导体材料的介电常数随测量频率的减小呈明显上升趋势。在低频范围中,纳米半导体材料的介电常数呈现尺寸效应。介电常数温度谱及介电常数损耗谱特征的不同。压电特性的不同。,纳米金属与合金在电学性能上的新特性：,纳米技术在电子信息领域中的应用实例,34,同样的趋势表现于纳米TiO2和SiO2等材料。,在介电性上的新性能：,35,介电常数温度谱及介电损耗频率谱具有特殊特征：,纳米TiO2的介电损耗频率谱与介电常数温度谱,纳米TiO2半导体的介电常数温度谱上存在一个峰,而在其相应的介电常数损耗谱上呈现一损耗峰。一般认为前者是由于离子转向极化造成的,而后者是由于离子弛豫极化造成的。,36,纳米材料由于表面电荷分布变化造成的局域电偶极矩引起的压电特性,由于纳米半导体界面存在大量的悬键,导致其界面电荷分布发生变化,形成局域电偶极矩。若受外加压力使偶极矩取向分布等发生变化,在宏观上产生电荷积累,会产生强的压电效应,而相应的粗晶半导体材料粒径可达微米数量级,界面急剧减小,没有压电效应。,37,某些物质当冷却到临界温度以下时，同时产生零电阻和排斥磁场的能力，被称为超导电性，这类材料称为超导材料。,什么是超导材料/超导体？,3）超导电性,超导态的两个独立的基本属性：零电阻效应和完全抗磁性。,38,1911年，荷兰科学家昂内斯用液氦冷却水银，当温度下降到.K时发现水银的电阻完全消失，这种现象称为超导电性。,超导体是如何被发现的？,普通金属（Cu）与超导金属（Hg）,39,超导材料的分类：,有哪些超导材料？,常规超导体：超导元素Ti、V、Nb、Ta等；超导合金Nb-Ti、Nb-Zr等；超导化合物Nb3Sn、V3Ga等,高温常规超导体：一些复杂的氧化物陶瓷如钇系、铋系和铊系氧化物,其它类型超导体：非晶态超导体、复合超导体、有机超导体和碱金属掺杂的C60超导体。,很多，上千种。,关于超导的第一个误解。,关于超导的第一个误解。,40,超导体的发现历程：六十年代：低温超导材料及低温技术（铌钛、铌锡、钒镓、铌锗合金）；八十年代中期始：高临界温度超导材料材料（钇系、铋系的带材、块材和薄膜的研究）,41,1987年2月，美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤相继在钇钡铜氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上，突破了液氮的禁区（77K）。1987年底，铊钡钙铜氧系材料的临界超导温度的记录提高到125K。短短一年多的时间里，临界超导温度提高了100K以上，相比首次发现的超导合金铌锗合金，其临界超导温度为23.2K，该记录保持了13年。,中国人的贡献：,各种各样的超导材料,42,BCS超导电性量子理论（BCS超导微观理论）,超导电体的基本物理性质：-零电阻效应,在超低温下，超导体是如何失去电阻的呢？,在超导体中，传导电流的电子不同与通常的电子导电的单个电子，是高度有序的。即：两个具有相反旋转动量的电子结成“库柏对”互相牵制，不容易受到晶格的阻碍。这种有规律运动的电子可以毫无阻力地流过导体。,43,放大500倍的超导体的微结构,44,超导体的完全抗磁性：迈斯纳效应,45,1933年，迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现，如果把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁感应线将从超导体中排出，不能通过超导体，这种现象称为抗磁性。,什么是超导体的完全抗磁性（迈斯纳效应）？,46,超导体的三个参数：,临界温度Tc无外磁场作用下，超导体由正常态到超导态的转变温度。临界磁场Hc使超导态破坏而转变到正常态所需的磁场。临界电流Ic通过超导体的电流达到一定数值时，可使超导体破坏而转变为超导态，此时的电流为临界电流。,47,1991年4月，（美国贝尔实验室），C60掺入少量钾原子，Ts为18K；7月，（日本NEC电子公司），C60掺铯、铷，33K呈现零电阻；11月，（北京大学），C60掺锡，Ts为37K。,固态C60。是一种类似于Ga-As的半导体。在C60中掺有碱金属（K、Rb或Cs），它将转变成超导体:,纳米超导体：固态C60,48,有科学家预言，如能制成C540，它将可能成为室温超导体。由于碳很容易被加工成细纤维，所以碳系超导体的加工性能比陶瓷系超导体要好得多。,纳米超导体：C540,49,高温超导体的主要应用：,大电流应用（强电应用）发电；输电；储能。电子学应用（弱电应用）超导计算机、超导天线、超导微波器件。抗磁性应用磁悬浮列车和热核聚变反应堆等.,50,发电由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得10万高斯以上的稳态强磁场。而用常规导体做磁体，要产生这么大的磁场，需要消耗3.5兆瓦的电能及大量的冷却水，投资巨大。应用：超导发电机、磁流体发电机,输电用超导材料制作超导电线和超导变压器，可以把电力几乎无损耗地输送给用户。据统计，目前的铜或铝导线输电，约有15%的电能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力损失即达1000多亿度。若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。,51,核聚变反应堆“磁封闭体”核聚变反应时，内部温度高达1亿2亿，没有任何常规材料可以包容这些物质。而超导体产生的强磁场可以作为“磁封闭体”，将热核反应堆中的超高温等离子体包围、约束起来，然后慢慢释放，从而使受控核聚变能源成为前景广阔的新能源。,超导计算机-约瑟夫逊器件散热是超大规模集成电路面临的难题。超导计算机中的超大规模集成电路中元件间的互连线用超导器件-来制作，接近零电阻和超微发热，不存在散热问题，同时使计算机的运算速度大大提高。,52,。,超导磁悬浮列车利用超导材料的抗磁性，将超导材料放在一