纳米电子材料与器件

纳米电子学诞生是微电子学发展到今天的必然，纳米电子器件是继微电子器件之后的下一代固体电子器件，纳米电子材料与器件是纳米电子学的基础和关键。本书较为系统地阐述了纳米尺度的电子学的理论基础和实验研究现状，全书共分八章，内容包括：纳米电子学的诞生和发展综述；纳米材料及其电子学性质；纳米硅基CMOS器件；纳米电子学基础；固态纳米电子器件；纳米光电子材料和器件；纳米表征和纳米制造技术；碳纳米管场致发射显示器。.
本书适合于电子学领域科研人员和电子学高年级本科生及研究生使用，同时也适合物理、化学和材料学科领域从事纳米科学技术的科研工作者进行阅读。...

第一章 绪论.
1．1 纳米科学技术的诞生及其潜在影响
1．1．1 纳米科学技术的起源和发展
1．1．2 纳米科学技术对人类的潜在影响
1．2 从微电子学到纳米电子学
1．2．1 微电子器件发展的摩尔定律
1．2．2 纳米电子学的诞生
1．2．3 纳米电子学的研究基础
1．3 纳米电子材料和器件
1．3．1 纳米电子材料及其应用
1．3．2 电子器件的发展
1．3．3 纳米电子器件及其研究内容
1．4 纳米尺度材料和器件的制备、测量及其表征
1．4．1 电子材料和器件发展过程中的相互作用
1．4．2 电子薄膜材料及其多层化薄膜器件是目前研究的主流
1．4．3 纳米测量和表征及其基本特点
小结
参考文献
第二章 纳米材料及其电子学性质
2．1 纳米电子材料

　　微电子超大规模集成电路的特征尺寸已经从深亚微米级发展到亚100nm以内，随着电子器件集成度的进一步提高，微电子器件物理和工艺面临新的挑战。以量子输运机制为主导的一些固态纳米电子器件及其集成已经在器件物理、工艺和性能方面取得了显著的成果，显示了潜在的应用前景。毋庸置疑，纳米电子学(Nanoelectronics)是微电子学发展的下一代电子学。而且，以纳米电子学为先导的纳米科学技术已经渗透到材料、生物、化学、机械等学科领域，在基础学科、应用技术以及产业界都对纳米科学技术充满了希望。纳米电子学和其他领域的纳米科学技术的交叉、融合预示着不可估量的应用潜力。.
　　多年来，我们主要从事纳米电子材料和器件的科学研究工作，与着重于材料的制备和基本性质的研究者有所不同，我们总是在研究纳米材料的制备和结构性能的同时，试图利用所制备的纳米材料制作纳米电子器件，包括纳米薄膜传感器、碳纳米管显示器等。在电子系的本科生和研究生教学中，纳米电子材料和器件课程受到了同学们的欢迎。写这本书的初衷，是在科研和教学中，发现讲解纳米材料的制备、性质和应用知识的中文书籍较多，而对于近年来发展较为迅速的纳米电子学，包括基础理论、材料制备以及器件物理和工艺，目前并没有系统的教材或者著作。对于想了解纳米电子材料和器件研究现状或者计划在该领域从事研究工作的学生和科研工作者来说，如果有一本该方面的入门书那将是十分有益的。相对而言，国外近年来不断有该方面的作品问世，这对我们来说也提供了一些有益的素材。
　　我们在过去纳米电子材料和器件讲稿的基础上，前后花了约一年的时间写成了正式书稿。在完成书稿的过程中，发现纳米电子材料和器件所涉及的理论和实验内容十分庞杂。例如：在阐述亚100nm CMOS集成电路所面临的各种物理效应的同时，需要考虑如何在器件材料、结构和设计等方面来消除或者抑制这些影响；由于纳米材料的电子学性质受到实际微观细致形貌结构的影响，因此很难用简单的理论模型来处理；纳米电子学还处于新材料和新器件的基础研究阶段，纳米电子器件、光电子器件以及其他传感器的发展可以说是日新月异，但是到目前为止，还没有形成决定未来发展趋势的主流器件，因此综述这些器件物理和工艺方面的难度实际上远远超过了最初的想法。
　　本书努力在寻找一条贯穿纳米电子材料和器件研究及发展的主线。多年来，经过世界各国科学家、工程师在理论、实验和工艺技术方面的不懈努力，发现单电子晶体管、共振隧穿晶体管和碳纳米管晶体管等以量子输运机制为主导的固态量子电子器件最有可能实现未来的纳米电子电路，从而实现从微电子电路到纳米电子电路的发展。纳米电子器件的制造和表征技术是纳米电子学发展的关键问题，大量研究成果表明，那些与传统半导体工艺有一定继承性的、利用自底向上和自上而下两种途径相结合制造的纳米电子器件，将有可能首先步人工业应用领域。..
　　本书共分为八章。第一章绪论，主要阐述纳米科学技术的起源和发展，从微电子学到纳米电子学发展的必然趋势，并概述纳米电子材料和器件的研究内容以及纳米测量和纳米制造的一些显著特征。第二章纳米材料及其电子学性质，主要介绍包括量子点、量子线和量子阱在内的各种纳米电子材料的结构形貌及其制备方法，阐述功能纳米结构的基本特征和组装技术，在回顾体材料电子结构的基础上，对低维半导体的量子尺寸限域效应导致的电子允带量子化特性和态密度进行理论分析，并具体介绍碳纳米管这种一维材料的几何结构及其电子学性质，最后对纳米绝缘隙的量子隧穿机理进行阐述和分析。第三章纳米硅基CMOS器件，主要介绍发展到亚100nm的CMOS技术按比例缩小所面临的挑战，阐述新材料和新器件工艺、器件中的量子效应以及新结构MOS器件的研究现状。第四章纳米电子学基础，介绍纳米结构输运性质和系统尺寸的关系，对纳米结构的一些量子输运现象，主要对库仑阻塞——单电子隧穿和电导量子化这两种现象及其理论进行阐述和讨论。对于纳米电子器件来讲，量子点和隧道结等基元构成了量子输运机制的纳米功能结构，纳米电子器件的互连则由量子线构成，本章最后结合Landauer-Buttiker电导理论，阐述二端单通道和多通道纳米结构的输运模型及其电导公式。第五章固态纳米电子器件，介绍固态量子纳米电子器件中最典型的三种器件：共振隧穿晶体管、单电子晶体管和碳纳米管晶体管，对每种器件的结构、工作原理、器件特性及其应用进行简介，对器件制备和器件发展前景进行探讨。第六章纳米光电子材料和器件，重点介绍低维半导体的光学性质和异质结纳米光电子器件，包括量子阱发光二极管、量子阱／超晶格异质结激光器、量子点异质结激光器、单根量子线激光器、量子级联红外探测器等，同时对白光二极管、微系统和光乎晶体等前沿方向也作了简单介绍。第七章纳米表征和纳米制造技术，首先较为系统地阐述纳米结构的表征测量技术，其次围绕纳米电子材料和器件的制备过程，对纳米制造的基本途径：自上而下，自底向上和混合途径三种方法进行综述和分析讨论，在此基础上对先进的薄膜沉积技术、纳米结构的图形制备方法以及纳米结构的自组装技术的方法特征、应用范围、研究现状和趋势进行阐述和分析。第八章碳纳米管场致发射显示器，专门论述碳纳米管的场致发射性质及其平板显示阴极技术，在全面阐述该领域理论和实践的同时，吸收了作者在纳米电子材料和器件领域的研究成果。
　　由于作者水平有限，很难对纳米电子学中的所有新成就进行全面的论述，希望本书可以让读者了解微电子学发展到纳米尺度所面临的问题及其解决途径，并深入认识纳米电子学的基本特征和研究基础；在纳米电子、纳米光电子材料和器件学习中感受量子力学工程化进程，在先进的纳米制造和测量技术中把握纳米技术的特点及其日新月异的神奇变化。本书适合于电子学领域科研人员和电子学高年级本科生及研究生使用，同时也适合物理、化学和材料学科领域从事纳米科学技术的科研工作者进行阅读。本书内容必然有一定局限性，也难免存在错误和疏漏之处，恳请广大读者批评指正。
　　曾凡光副教授、李昕博士、刘兴辉博士、刘卫华博士为本书中碳纳米管电子学性质以及场致发射理论和实验相关内容提供了图片和有益的讨论，在此对他们表示由衷的感谢。袁寿财副教授审阅了本书第三章，李宗林同学为本书第三章的电子书稿做了大量的工作，程敏博士和姚振华博士在文献检索中给予了很大的帮助，特此致谢。...
　　作者
　　2005年11月