第七章3纳米科技课件.ppt

1、第七章第七章 纳米电子学纳米电子学 第三节第三节 纳电子技术发展概况纳电子技术发展概况 以微电子器件为基础的计算机和自动化电器进入社会各个领域，成为发达国家的主要经济支柱之一。微电子器件发展的小型化趋势引导人们关注纳米技术，这是微电子器件小型化的必然趋势，也是纳米电子器件的诱人应用前景召唤。第七章第七章 纳米电子学纳米电子学 第三节第三节 纳电子技术发展概况纳电子技术发展概况 目前，研究纳米电子器件有两条途径：一是微电子器件逐渐小下去的方法，称为“自上而下”路线；二是利用有机/无机分子组装功能器件，称为“自下而上”路线。现在的研究侧重于后者。第七章第七章 纳米电子学纳米电子学 第三节第三节 纳

2、电子技术发展概况纳电子技术发展概况 考虑到计算机主要机构分为动态随机处理器和永久存储器，因此一般研究包含两个方面：一是单电子现象和单电子功能器件结构；二是超高密度数字存储。近几年来，在这方面取得的进步很快，取得了很多可喜成果。第七章第七章 纳米电子学纳米电子学 第三节第三节 纳电子技术发展概况纳电子技术发展概况 2000年12月英特尔公司宣布，最新研制成功30nm晶体管，这一突破将使电脑芯片速度在今后5到10年内提高到10倍。2001年4月美国IBM公司科学家宣布，他们用纳米碳管制造出了第一批晶体管，这种晶体管只有现有硅晶体管的500分之一，并发明了可以大量制作的技术。同年英特尔公司宣布，他们

3、已经在实验室研制出只有20nm的晶体管；第七章第七章 纳米电子学纳米电子学 第三节第三节 纳电子技术发展概况纳电子技术发展概况 朗讯贝尔实验室用一个单一的有机分子制造出接近1nm的纳米晶体管，这种纳米晶体管以碳为基础，以包含氢和硫的有机半导体分子为晶体管材料，以金原子层为电极。2001年8月IBM宣布研制成功全球首个单一分子芯片，向着发展功能更强大、耗电量更少的下一代电脑迈出了新的一步。IBM研制成功的“是非门”，其功能是令输出和输入状态相反，它是电脑中最基本的逻辑电路之一。第七章第七章 纳米电子学纳米电子学 第三节第三节 纳电子技术发展概况纳电子技术发展概况 2001年7月，科学周刊报道，一

4、种能在室温下正常工作的单电子晶体管在荷兰实验室诞生。这种晶体管以纳米碳管为基础，依靠一个电子来决定“开”和“关”的状态，它只有1nm宽、20nm长，整体上还不足人的头发丝直径的500分之一。由于它具有微型化和低耗能的特点，因而可成为分子计算机的理想材料。第七章第七章 纳米电子学纳米电子学 第三节第三节 纳电子技术发展概况纳电子技术发展概况 2001年2月21日，以北威洲纳米研究联合会和埃森大学为首的多家德国科研机构，在利用单个电子作为纳米电路开关的研究中取得初步进展。由55个金原子在平面分布形成的所谓“纳米簇”同样可以达到通过电路的接通和断开代表二进制中的“1”和“0”。第七章第七章 纳米电子

5、学纳米电子学 第三节第三节 纳电子技术发展概况纳电子技术发展概况 英国利物浦大学的科学家在英国自然杂志上报告说，他们使用硫醇分子作为纳米电路的导线。这种分子呈链状，硫醇基位于分子末端。每个硫醇基都能与一个金原子发生反应，与其稳固地结合。第七章第七章 纳米电子学纳米电子学 第三节第三节 纳电子技术发展概况纳电子技术发展概况 美国科学促进协会评出的2001年十大科学技术突破中，连接纳米晶体管、纳米导线和纳米开关的分子水平电路荣登榜首。专家们说，今年在分子水平计算技术的飞跃有可能为未来诞生微小但极端高速、功能强大的机器铺平道路，例如制造可“钻”进人体内诊断疾病的微装置。如果纳米电路能被应用到更复杂的

6、仪器中，将无疑成为今后几十年科技突破的动力之一。第七章第七章 纳米电子学纳米电子学 第三节第三节 纳电子技术发展概况纳电子技术发展概况 日本继2000年底开发成功由4个单电子晶体管构成的加法运算电路后，NTT公司最近又研制出“硅单电子移动元件”，把3个硅电极用20nm粗细的硅连线连接起来，通过改变电压控制单个电子在细线内移动。它所消耗的电能是现有电子元件的十万分之一，但目前工作温度为-284?粸C，与工业水平尚有距离。第七章第七章 纳米电子学纳米电子学 第三节第三节 纳电子技术发展概况纳电子技术发展概况 日本理化研究所开发纳米布线技术也取得了进展。科学家在石墨板上制作了联乙炔化合物膜，然后用扫

7、描隧道显微镜的微小探针施加瞬间电压，制作了宽3nm、长200300nm的“电线”，进而又利用这种纳米“电线”制造出单电子晶体管原型。第七章第七章 纳米电子学纳米电子学 第三节第三节 纳电子技术发展概况纳电子技术发展概况 日本大阪府立大学科学家用碳纳米线圈制作显示器用电子枪获得成功。这项技术不触犯美国专利，因此有可能成为日本的独特技术。这种电子枪是“场致效应显示器（FED）”的心脏。它发射出的电子能在荧光屏上显示出图像。第七章第七章 纳米电子学纳米电子学 第三节第三节 纳电子技术发展概况纳电子技术发展概况 日本产业技术综合研究所四国中心，开发出世界上最长的银纳米引线。这种银纳米引线可望用作集成电

8、路、量子器件的布线材料和场致发射显示器件的电子发射源。该纳米引线的平均尺寸为2040nm，长度数万纳米到十万纳米。这种银纳米引线的宽长比可达到2000以上，成功地实现了世界之最。第七章第七章 纳米电子学纳米电子学 第三节第三节 纳电子技术发展概况纳电子技术发展概况 我国对纳米技术的研究应用十分重视，多年来，国家自然科学基金一直重视并多渠道优先支持纳米科技，特别是纳米电子学的研究。v 在国家自然科学基金的连续资助下，1997年9月北京大学利用综合学科优势，成立“北京大学纳米科学与技术中心”。该中心目前承担以信息科学部为主立项的国家自然科学基金委跨学科重大项目“纳米电子学基础研究”等多项基金项目的

9、研究任务。第七章第七章 纳米电子学纳米电子学 第三节第三节 纳电子技术发展概况纳电子技术发展概况 我国对纳米技术的研究应用十分重视，多年来，国家自然科学基金一直重视并多渠道优先支持纳米科技，特别是纳米电子学的研究。v 纳米化学研究室刘忠范教授课题组，首先以双功能分子自组装膜为基础，用巯基为主的双功能团分子，成功的在金（Au）膜表面组装金纳米粒子；对硫化镉（CdS）纳米粒子的耦联层由双巯基分子乙二硫醇在金表面形成自组装膜，成功地构成了“单电子隧道结/纳米岛”结构。第七章第七章 纳米电子学纳米电子学 第三节第三节 纳电子技术发展概况纳电子技术发展概况v 北大顾镇南教授课题组在多年碳富勒烯研究的基础

10、上，进一步研究了碳纳米管的制备、结构和特性，掌握了有效制造和提纯碳纳米管技术，与纳米电子学研究室薛增泉教授课题组合作，把单壁碳纳米管分离切割制得的短单壁碳纳米管组装到晶态金薄膜表面，实现了单壁碳纳米管分离地站立在金膜表面。通过交叉学科的多年卓有成效的合作研究，有关超高密度信息存储膜的研究工作，得到了国内外同行专家的好评。后来与美国橡树岭国家实验室合作研究计算模拟，于1998年春季报告，关于超高密度信息存储，信号写入点达到了1.3nm，是当时国际上的最好水平，此成果被我国两院院士评为1997年我国十大科技进展之一。第七章第七章 纳米电子学纳米电子学 第三节第三节 纳电子技术发展概况纳电子技术发展

11、概况v 2001年，我国科学家研制出世界上信息存储密度最高的有机材料，在纳米级的有机薄膜材料上，一个个直径仅有0.6nm的信息存储点井然有序，从而在超高密度信息存储研究上再创“世界之最”，因而关于超高密度存储膜的研究一直被国际同行关注。第七章第七章 纳米电子学纳米电子学 第三节第三节 纳电子技术发展概况纳电子技术发展概况 组装分离的单壁碳纳米管技术，对开展碳纳米管的机构和特性的基础研究、应用开发有重大意义，主要包括如下工作：（1）制造扫描探针显微镜的针尖。首次将碳纳米管组装到扫描隧道显微镜针尖上，得到了金薄膜晶粒大晶粒和高定向石墨原子分辨像。第七章第七章 纳米电子学纳米电子学 第三节第三节 纳

12、电子技术发展概况纳电子技术发展概况（2）研究碳纳米管的电学特性。纳米导线具有显著的非线性和量子效应，通常输运的是有限个电子，这些都是研究纳米电子器件的基础。组装在STM针尖上的单壁纳米管，可以在与基底垂直的方向上进行测量，显著地减小了环境的影响，提高测量温度，将组装在金膜上的单壁纳米碳管室温下测得了具有量子特性的I-U曲线。第七章第七章 纳米电子学纳米电子学 第三节第三节 纳电子技术发展概况纳电子技术发展概况 （3）场电子显微镜（FEM）样品。用场电子显微镜研究了单壁碳纳米管的电子发射，显示了令人惊奇的纳米管开口端碳原子的排列结构，这是首次观测到的具有原子分辨能力的场电子发射像。在组装单壁碳纳

13、米管的基础上，高亮度相干电子源，高效场发射电子源，极高分辨率的显示器件等有新应用前景的器件研究。从最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。第七章第七章 纳米电子学纳米电子学 第三节第三节 纳电子技术发展概况纳电子技术发展概况 西安交通大学朱长纯教授率领的小组采用新的技术途径，引导碳纳米管有序、定向生长在导电的硅片衬底上，并进而研制出功能完备的场发射像素管。在1cm2硅片上有序排列的上亿个碳纳米管在电子的“轰击”下，“CHINA”字样清晰可见。因其纯度高、有序性好，场发射性能大大提高，在碳纳米管平板显示器的实用化进程中做出了中国人的独特贡献。这种纳米管显示器不仅

14、体积小，重量轻，大大省电，显示质量好，而且响应时间仅为几微秒，从-45+85都能正常工作，因此拥有极其广阔的市场前景。第七章第七章 纳米电子学纳米电子学 第三节第三节 纳电子技术发展概况纳电子技术发展概况 国家重点基础研究规划纳米领域首席科学家张立德研究员率领的研究小组，不久前成功地合成出只有头发丝5万分之一细的纳米级同轴电缆，解决了超高密度集成电路的元件之间的连接问题。同轴纳米电缆除可用于高密度集成元件的连接外，还可作为微型工具和微型机器人的部件；其硬度和金刚石差不多，可制成钻头，是制造纳米器件的极佳工具。肉眼看不见的纳米电缆将改变我们未来生活的许多方面。我国科学家有关同轴纳米电缆的论文国际

15、引用已达几十次。第七章第七章 纳米电子学纳米电子学 第三节第三节 纳电子技术发展概况纳电子技术发展概况 2002年8月份以来，上海市地铁运营有限公司已投放了20万张渗入了“无菌纳米抗菌”高科技材料的“健康磁卡”，该种磁卡将逐步取代现有的地铁磁卡，以利乘客身体健康。这种“健康磁卡”是在磁卡的生产印刷过程中，加入了由交通大学爱克科技有限公司和华东理工现代科技发展有限公司提供的“无菌纳米抗菌粉体”材料。该材料属高效广谱抗菌剂，在很低的添加量下能对多种致病菌、真菌和霉菌有杀灭和抑制作用，对人体和环境无毒、无害，对皮肤无刺激及不良反应，具有高度的安全性和持久的长效性。经上海市疾病预防控制中心检测，该产品

16、杀菌、抑制作用明显，是非常理想的地铁磁卡卫生的“保护神”。第七章第七章 纳米电子学纳米电子学 第三节第三节 纳电子技术发展概况纳电子技术发展概况 中国科学院长春应化所已经研制成功中国第一块稀土纳米材料显示屏并于2002年9月5日在长春通过鉴定，这是一项具有创新性的成果，达到国际领先水平。中科院长春应化所研究人员通过稀土材料纳米化，作为一种新型涂屏材料均匀涂在投影屏上，投影屏视场角度增大，在接近180观察荧屏时，仍然清晰，且亮度不减，颜色鲜艳，无论站在哪个方向上，效果都很好。第七章第七章 纳米电子学纳米电子学 第三节第三节 纳电子技术发展概况纳电子技术发展概况 佳隆（烟台）实业有限公司电子材料厂

17、是一家专业从事微米、亚微米、纳米级显示器件用电子浆料研制、生产和经营的高新技术企业。他们利用自行研制的复合纳米粉体技术，成功研制、开发出显示器用、防静电、防眩光、防辐射绿色环保功能的“三防”纳米涂层材料，实现了国内从单一纳米粉体制备复合粉体在电子工业应用上的重大突破，特别是在纳米粒子的分散、分级和干燥技术方面及复合纳米粒子的浆料制备方面有特色和创新，填补了我国纯平显象管、显示管用“三防”纳米材料方面的空白，打破了美国、日本等少数国家在该领域的垄断。第七章第七章 纳米电子学纳米电子学 第三节第三节 纳电子技术发展概况纳电子技术发展概况 在纳米电子学研究的两个方面：室温单电子器件和超高密度信息薄膜研究，我国都达到国际领先水平。研究纳米电子器件，用它组建未来的计算机和自动器，成为未来科技和经济的重要基础，具有不可估量的科学意义。在这个领域中的研究，大家都处在同一起跑线上，抓住机遇，努力奋斗，有希望做出处于国际先进水平的研究工作。