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纳米电子学研究的新进展

作者：奇云

来源：《科学与财富》2011年第01期

[摘 要] 纳米电子学是纳米科技的重要组成部分。近年来，纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储存和处理信息的能力，实现信息采集和处理能力的革命性突破。本文就这些新近取得的成果作一个简要介绍。

[关键词] 纳米科技 纳米电子学 量子效应 纳米材料 纳米器件

中图分类号：R319 文献标识码：A

一、纳米电子学的的基本概念

20世纪90年代诞生的扫描探针显微镜（scanning proble microscope，SPM），将一个崭新的、充满神秘色彩的纳米科技世界展现在世人面前。纳米电子学（nano scale electronics）是纳米科技（nano science and technology，Nano ST）的重要组成部分，其主要思想是基于纳米粒子的量子效应来设计并制备纳米量子器件，它包括纳米有序（无序）阵列体系、纳米微粒与微孔固体组装体系、纳米超结构组装体系[1-5]。由于纳米量子结构中受限电子呈现出许多与他们在三维结构中十分不同的、物理内涵十分丰富的新量子现象和效应，它一直在源源不断地被人们用来研制具有新功能和新原理的电子器件，不断地从最基础的层面上为开拓电子信息技术的潜力提供新机遇。其中，准一维材料——纳米管、纳米线和分子电子功能器件成为研究热点。现代微电子学的基础是以硅为基本材料的超大规模集成电路，而其中最根本的概念是p-n结和集成。在纳米电子学的研究中，人们几年来的工作基本在围绕这两点展开，主要是纳米电子功能单元的探索，如纳米管、纳米线和纳米量子点以及器件构造与集成。 二、纳米电子学研究的新进展[6-9] （一）制造出可容纳单个电子的量子点

美国威斯康星大学于2010年制造出可容纳单个电子的量子点。在一个针尖上可容纳这样的量子点几十亿个。利用量子点可制成体积小，耗能少的单电子器件，在微电子和光电子领域将获得广泛应用。此外，若能将几十亿个量子点连结起来，每个量子点的功能相当于大脑中的神经细胞，再结合微电子机械系统方法，它将为研制智能型微型电脑带来希望。

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基于利用STM对分子、原子进行搬迁的事实，人们产生了利用该技术制造分子存储器甚至原子存储器的梦想。物体的表面，有原子的位置为“1”，没原子的位置为“0”，可以表示二进制。有人做过计算，一个分子存储器能够存储的信息，相当于100万张光盘的存储量；而一张同样大小的原子存储器的容量，将能够存入人类有史以来的全部知识。日本的Hitachi公司成功研制出单个电子晶体管，它通过控制单个电子运动状态完成特定功能，即一个电子就是一个具有多功能的器件。另外，日本的NEC研究所已经拥有制作100nm以下的精细量子线结构技术，并在GaAs衬底上，成功制作了具有开关功能的量子点阵列。目前，美国已研制成功尺寸只有4nm具有开关特性的纳米器件，由激光驱动，并且开、关速度很快。 （二）实现纳米线和纳米管的定向排列

美国普林斯顿NEC研究所和赖斯顿大学的科学家已造出了少量的纳米管，纳米管的强度比钢高100倍，重量只有其1/6，纳米管很细，5万个纳米管排列起来才只有一根头发丝那么粗。轻而柔软，结实的材料用作防弹背心。预计它是理想的导体，它的导电性很可能远远超过铜，是最佳超微导线和超微开关的首选新材料。纳米管最终可以用于纳米级的电子线路。利用单壁碳纳米管制成的晶体管可以有很高的增益以及很大的开关率，能够加工成倒向器、逻辑非门、静态随机存储器、环形电路振荡器等一系列的逻辑器件，成为制作纳米电子逻辑器件的一个新方法。

一般来说，人们对一维纳米材料进行排列都是先在溶液中分散，然后再用原子力显微镜进行操控的。这种方法难度较大、成本高、且成品率较低。研究者发展了一种利用模板进行限制的流向排列技术，可以实现纳米线/管的大面积定向排列以及各种方向的交叉排列。有序纳米线排列的方法为高效率地组装交叉纳米线p-n结以及纳米线场效应管提供了很好的实验基础，从而使得“自下而上”制造更加复杂的基本电子器件(如逻辑门电路)成为可能。目前，应用这种纳米线排列工艺制成了纳米线与门、或门、非门逻辑结构，并且可以进行基本的计算。 （三）研制出能自我修复的太阳能电池

美国研究人员正在研制一种新式太阳能电池，通过使用碳纳米管和DNA等材料，该电池能像植物体内天然的光合作用系统一样进行自我修复，从而延长电池寿命并减少制造成本。光电化学电池可将太阳光转化为电力，使用能导电的电解液运送电子并制造出电流。传统光电化学电池一个最大弊端是其内吸收光线的染料难以更新，新技术通过不断用新染料替换被光子破坏的染料从而解决了这个问题。新设计利用了单壁碳纳米管非同寻常的电学特性。碳纳米管可包含一层到上百层石墨片，只有一层石墨片的称为单壁碳纳米管，其管径约1。5纳米左右，是一种非常理想的纳米通道，一根开口的单壁碳纳米管可以被用作“电动马达”和“发电机”。科学家在实验中将单壁碳纳米管用作“捕光电池中的分子电线”。在新电池中，碳纳米管的主要功能是固定DNA片段。科学家也对DNA进行编程，让其具有核苷酸所拥有的特定序列，使其能识别并且依附染料。一旦DNA识别出染料分子，系统就开始自我组装，完成染料更新，就像植物体内时时刻刻都在进行的自我再生。基于这种想法研制的革新性光电化学电池，只要不断向其中添加新染料，就能开足马力继续工作。

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（四）研制出高温自旋场效应晶体管

美国得克萨斯A&M大学物理学家杰罗·斯纳夫领导的一个国际科研小组在2010年12月23日出版的《科学》杂志上宣布，他们研制出了首个能在高温下工作的自旋场效应晶体管（FET），该设备由电力控制，其功能基于电子的自旋，其中包含一个与门逻辑设备。20年来，科学家一直认为，在半导体内操作电子并探测到电子自旋（突破这一点将有助于研发出自旋晶体管）很难在实验室实现。现在，新研究使用最近在自旋操作和探测上发现的量子相对论现象证实，自旋晶体管这一概念可以成为现实。为了观察电子的操作并探测自旋，该研究团队特别设计了一个平板光子二极管（同一般使用的圆极化光源相反）并将其放置在晶体管隧道附近。通过在二极管上照射光线，研究人员朝晶体管内注射了光激发电子，而不是通常的自旋极化电子。接着朝其输入门电极施加电压，通过量子相对论效应来控制电子的自旋运动。这些效应同时负责在该设备内生成横向电压（代表输出信号），其取决于晶体管管道内运动电子的自旋方向。

（五）在碳纳米管中观察到场致发光效应

德国、瑞士和波兰联合研究小组在一项新研究中首次观察到，碳纳米管中缺口间的分子在电流通过时能够发光，这种现象称为场致发光（electroluminescence）。研究发表在最近出版的《自然·纳米技术》上。一种单层的碳纳米管―分子―碳纳米管（CNT-分子-CNT）的连接固态电子设备在几年前就开发出来，但其光学性质还很难检测。碳纳米管包含了一对金属电极，在电极之间造成一个仅有几纳米宽的缺口，缺口的位置和大小不超过10纳米，并能在纳米尺度精确控制电流通过。研究人员在缺口放置了一个6纳米长的小棒型分子，当给电极施加电压时，能观察到明亮的场致发光点。根据用外部照明拍摄的图像覆盖对比，他们确定这种光来自电极之间的分子，并能通过控制电压开关来控制这些点发光。电场的特性使分子陷入一种静电陷阱中，弥补了两极之间的“线路”，电极缺口能容纳1个到3个这种小棒型分子。该研究的最大意义在于，成功将分子嵌入这种首尾对结构中制造了坚实的固态设备。碳纳米管在分子电子学方面有很多应用。研究人员正在用不同的分子制造出不同发光波长的多种设备，这一重要的基础性研究有助于制造微型化、高能高效计算机，并拓宽了分子电子学视角，比如以单分子为基础开发光电子元件。 参 考 文 献

[1]奇云.纳米科技——人类新纪元[N]，中国青年报，1993年7月3日，第7363期第3版 [2]奇云.原子尺寸的“艺术”创作[J]，发明与革新，1993（3）：21-21 [3]奇云.纳米电子学展望[J]，电子世界，1992（12）：2-3

[4]奇云.纳米电子学研究进展[J]，现代物理知识，1994，6（5）：24-25 [5]奇云.纳米科技的重要分支——纳米电子学[J]，世界科技，1994，（8）：6-8