1、原子力显微镜及其应用原子力显微镜及其应用n原子力显微镜的基本原理n原子力显微镜微悬臂偏转的检测方法n原子力显微镜获得的原子图像n原子力显微镜的纳米加工技术原子力显微镜的基本原理原子力显微镜的基本原理nSTM只能在导电材料的样品表面上分辨出单个的原子并得到原子结构的三维图像。对于非导电材料，STM将无能为力。为了弥补STM的不足，达到分辨不导电物体表面上的单个原子，1986年，Binnig等发明了原子力显微镜（Atomic Force Microscopy,AFM)。AFM是一种类似于STM的显微技术，它的许多元件与STM是共同的，如用于三维扫描的压电陶瓷系统以及反馈控制器等。AFM与与STM的
2、差别的差别nAFM与STM主要不同点是用一个对微弱力极其敏感的易弯曲的微悬臂针尖代替了STM的隧道针尖，并以探测悬臂的微小偏转代替了STM中的探测微小隧道电流。正是因为AFM工作时不需要探测隧道电流，所以它可以用于分辨包括绝缘体在内的各种材料表面上的单个原子，其应用范围无疑比STM更加广阔。但从分辨率来看，AFM要比STM略微低些。AFM的工作原理的工作原理nAFM 的核心部件是对微弱力极其敏感的微悬臂，它的一端被固定，另一端则有一微小的针尖。AFM在图像扫描时，针尖与样品表面轻轻接触，而针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力（10-810-6牛顿），这个力会使悬臂产生微小偏转。这种偏
3、转被检测出来，并用作反馈来保持力的恒定，就可以获得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的图像。原子力显微镜的纳米加工技术原子力显微镜的纳米加工技术n在现代超大规模集成电路芯片的光刻生产加工中，目前广泛应用于实际生产，精度最高的是深紫外光光刻技术。它加工的最小线宽为130 nm，其理论极限是 100 nm。由于最小线宽决定了集成电路中晶体管尺寸的大小,因此发展 100nm以下的刻蚀技术是未来更大规模集成电路加工的基础。n AFM与STM一样，在纳米结构加工的方面具有很强的应用背景。由于它不受材料种类的限制，在各种材料的纳米加工中得到了更加广泛的应用。同时，AFM所具有的原子分
4、辨的能力，使它在尺寸小于100nm 的结构加工中具有十分明显的优越性。（a）在Si材料的表面上沉积有一层厚度为65 nm的抗刻蚀聚合物材料；（b）受到电子束的激励后，抗刻蚀聚合物材料发生聚合反应而形成一层特殊的抗刻蚀层；（c）将没有受到电子束激励的其余聚合物材料移去并暴露出Si材料的表面；（d）直接在Si材料上刻蚀出特定的结构。这个结构将和用电子束在聚合物材料上预先制作的结构完全相同。硅材料表面上纳米细线的刻蚀步骤硅材料表面上纳米细线的刻蚀步骤硅材料表面上纳米细线的刻蚀硅材料表面上纳米细线的刻蚀光刻的工艺流程 1、清洁处理：清洁的表面才能与光刻、清洁处理：清洁的表面才能与光刻胶有良好的粘附；胶
5、有良好的粘附；2、涂胶：在待光刻的硅片表面均匀地、涂胶：在待光刻的硅片表面均匀地涂上一层光刻胶。要求粘附良好，均匀；涂上一层光刻胶。要求粘附良好，均匀；3、前烘：使光刻胶干燥，以增强胶膜、前烘：使光刻胶干燥，以增强胶膜与硅片表面的粘附性和胶膜耐磨性，同与硅片表面的粘附性和胶膜耐磨性，同时使曝光时能进行充分的光化学反应；时使曝光时能进行充分的光化学反应；4、曝光及显影：在曝过光的硅片表面的胶、曝光及显影：在曝过光的硅片表面的胶膜上显影出与掩膜版相同（正性光刻胶）或相膜上显影出与掩膜版相同（正性光刻胶）或相反（负性光刻胶）的图形，显影后的硅片必须反（负性光刻胶）的图形，显影后的硅片必须严格检查，以
6、保证光刻的质量；严格检查，以保证光刻的质量；5、坚膜：使胶膜与硅片之间紧密粘附，防、坚膜：使胶膜与硅片之间紧密粘附，防止胶层脱落，同时增强胶膜本身的抗蚀能力；止胶层脱落，同时增强胶膜本身的抗蚀能力；6、腐蚀：以坚膜后的光刻胶作为掩蔽层，、腐蚀：以坚膜后的光刻胶作为掩蔽层，对衬底进行干法或湿法腐蚀，使之得到与光刻对衬底进行干法或湿法腐蚀，使之得到与光刻胶膜图形相应的图形；胶膜图形相应的图形；7、去胶：以干法或湿法去除光刻胶膜。、去胶：以干法或湿法去除光刻胶膜。第五讲第五讲 纳米电子学纳米电子学引言微电子技术及超大规模集成电路的发展限制单电子晶体管单电子存储器纳纳米米电电子子学学 美国一美国一家研
7、究家研究所在所在“杀人杀人蜂蜂”背背上粘上上粘上微芯片微芯片和红外和红外发射器发射器以追踪以追踪监视监视MOS场效应晶体管结构场效应晶体管结构引言引言n纳米技术中最重要的一个分支领域是纳米电子学技术。n在信息社会中，电子学的应用显得越来越重要。信息的获取、放大、存储、处理、传输、转换和显示，哪一样都离不开电子学。电子学技术早已经成为人类经济的命脉。n电子学未来的发展，将以“更小，更快，更冷”为目标。“更小”是进一步提高芯片的集成度，“更快”是实现更高的信息运算和处理速度，而“更冷”则是进一步降低芯片的功耗。电子管计算机时期（电子管计算机时期（19461959），），1946年，第一台电子计算机
8、“埃尼阿克”问世。第一台电子计算机叫“埃尼阿克”，它，它长长30.48米，宽米，宽1米，占地面积为米，占地面积为70平方米，有平方米，有30个操作台，约相当于个操作台，约相当于10件普通房间的件普通房间的大小，重达大小，重达30 吨，耗电量为吨，耗电量为150千瓦，造价是千瓦，造价是48万美元。万美元。“埃尼阿克埃尼阿克”使用使用18000个电个电子管、子管、70000个电阻、个电阻、10000个电容、个电容、1500个继电器和个继电器和6000多个开关，每秒执行多个开关，每秒执行5000次加法或次加法或400次乘法运算，是继电器计算机的次乘法运算，是继电器计算机的1000倍、手工计算的倍、手
9、工计算的20万倍。万倍。晶体管计算机时期（晶体管计算机时期（19591964），俗称为第二代计算机），俗称为第二代计算机 1959年12月18日，世界上第一台晶体管计算机IBM 7090由美国国际商业机器公司制造成功。IBM 7090，第一台晶体管计算机，使用穿孔卡片，由IBM制造。有32K内存，系统用5K，用户用27K，用户数据在内存和一台磁鼓之间切换。运算速度可以运算速度可以达到几十万次达到几十万次/秒秒 第三代第三代 中小规模集成电路计算机中小规模集成电路计算机 1965年到1970年的第三代计算机采用了集成电路，这段时期计算机被称为“中小规模集成电路计算机”。集成电路是将由几千个晶体管
10、元件构成的完整电子电路做在比手指甲还小的一个晶片上。所以，第三代计算机的体积所以，第三代计算机的体积更加小型化，而且大大降低更加小型化，而且大大降低了功耗；运算速度提高到每了功耗；运算速度提高到每秒几十万次到几百万次秒几十万次到几百万次 第四代计算机第四代计算机大规模集成电路(LSI)可以在一个芯片上容纳几百个元件。到了 80 年代，超大规模集成电路(VLSI)在芯片上容纳了几十万个元件，后来的(ULSI)将数字扩充到百万级。可以在硬币大小的芯片上容纳如此数量的元件使得计算机的体积和价格不断下降，而功能和可靠性不断增强2 微米电子学技术及超大规模集成微米电子学技术及超大规模集成电路的发展限制电
11、路的发展限制n微电子学技术及超大规模集成电路的飞速发展使得人类在计算机，电子通讯，航空航天等重大经济领域取得了突飞猛进的进展，它已经成为当代各行各业智能工作的基石。n半个世纪以来，微电子技术领域已经发生了两次重大技术革命，一是晶体管取代真空电子管，二是集成电路取代传统的导线连接电路。这两次技术革命对人类以计算机和信息技术为基础的新技术的发展起到了巨大的推动作用。特别是超大规模集成电路的出现，导致了现代计算机和通信技术翻天覆地的变化。n集成电路的集成度越高，电路中的晶体管的尺寸就越小。集成电路的制程精度一般用最小线宽来表示。莫尔定律莫尔定律n英特尔的创始人和 总裁(19751979年)莫尔在19
12、65年曾对计算机芯片未来的发展趋势作了一个重要预测，认为“每隔18个月新芯片的晶体管容量要比先前的增加一倍，同时性能也会提升一倍”。这就是著名的莫尔定律。事实已经证明，在过去的40年里，莫尔定律准确地代表着芯片技术的发展趋势。但是，随着集成电路的集成度越来越高，晶体管的尺寸和集成电路的最小线宽越来越小，莫尔定律受到了极大的挑战。因为按照莫尔定律的发展趋势，不久就会达到现代微电子学光刻加工技术的极限（物理限制），使现行的半导体工艺很难再有所作为。微处理器工艺发展微处理器工艺发展1971年，年，Intel 推出的推出的4004微处理器，特征尺寸为微处理器，特征尺寸为10微米，集成微米，集成2300
13、个晶体管个晶体管1974年，年，Intel 推出的推出的8080微处理器，特征尺寸为微处理器，特征尺寸为6微米，集成微米，集成6000个个晶体管晶体管1978年，年，Intel 推出的推出的8086微处理器，特征尺寸为微处理器，特征尺寸为3微米，集成微米，集成2.9万个万个晶体管晶体管1982年，年，Intel 推出的推出的80286微处理器，特征尺寸为微处理器，特征尺寸为1.5微米，集成微米，集成13.4万个晶体管万个晶体管1989年，年，Intel 推出的推出的80486微处理器，特征尺寸为微处理器，特征尺寸为1微米，集成微米，集成120万万个晶体管个晶体管1993年，年，Intel 推出
14、的推出的Pentium微处理器，特征尺寸为微处理器，特征尺寸为0.8微米，集成微米，集成310万个晶体管万个晶体管2019年年Intel 推出的推出的Pentium II微处理器，特征尺寸为微处理器，特征尺寸为0.35微米，集成微米，集成750万个晶体管万个晶体管2019年年Intel 推出的推出的Pentium III微处理器，特征尺寸为微处理器，特征尺寸为0.18微米，集微米，集成成2,800万个晶体管万个晶体管2019年年Intel 推出的推出的Core 2 Quad微处理器，特征尺寸为微处理器，特征尺寸为45纳米，集成纳米，集成8.2亿个晶体管亿个晶体管q要实现纳米电子器件及其集成电路
15、，有要实现纳米电子器件及其集成电路，有两种可能的方式两种可能的方式n一种是将现有的集成电路进一步向微型化延伸，研究开发更小的最小线宽的加工技术来加工尺寸更小的电子器件。这种方法只是尺度上的缩小，电子器件的构造并不发生根本的改变。由于现行的微电子器件（如场效应晶体管），功耗较大，它无法满足未来对器件“更冷”的要求。同时，目前的光刻技术能够加工的最小线宽为 30nm，也不能满足纳米电子器件的加工要求。而且，传统的光刻技术正面临着它的物理极限的限制，使得它必将被更先进的加工技术所取代，如 STM和AFM纳米加工技术等。因此，采取这种方式来加工纳米电子器件及其集成电路，就要寻更加先进的加工技术，同时还
16、必须对现有的器件结构进行修改以求获得更高的效率，降低功耗。n缩小晶体管的尺寸和线宽的基本方法在于改进光刻技术，也就是使用更短波长的曝光光源，经掩模曝光，把刻蚀在硅片上的晶体管做得更小，连接晶体管的导线做得更细来实现。但是，当对集成电路最小线宽的要求达到 100 nm时，现行的光刻技术将无能为力而面临失败。在光刻加工技术中，最小线宽的加工取决于所选用的光波的波长（光刻的光斑直径等于半波长）。目前，光刻中使用的光波是深紫外光，所以现行的光刻技术也被称为深紫外光光刻技术。深紫外光波长为 240 nm，它的光刻的理论极限是100nm。也就是说，现行的光刻技术将无法加工小于 100 nm的最小线宽。n为
17、了提高光刻的精度，人们在不断探索和开发具有更短波长的稳定光源。目前，美国和日本的多家芯片制造公司正在开发使用超紫外光激光光源的光刻技术。因为，超紫外光的波长更短，它的使用有望使光刻的最小线宽达到 70 nm以下。但是，由于超紫外光能够被空气吸收，只能在真空中使用，这对大规模工业应用来说，无疑是一个极不利的因素。超紫外光光刻技术目前还处在实验室研制阶段。n随着光刻精度的提高，它也需要相应提高硅片（基板）和光刻掩模板的表面平整度，以及二者之间的极高的平行度。这些十分苛刻的条件，无疑也将成为提高光刻精度的另一个“瓶颈”。n电子束刻蚀技术的束斑直径可以做得很小，其刻蚀的精度可以满足10 nm最小线宽的
18、要求，刻蚀时它也不需要掩模板，因而不存在硅片和掩模板之间的平行度问题，但是电子束刻蚀的致命缺陷是刻蚀速度太慢，无法满足大规模生产的需要。n没有束斑直径和平行度要求的STM和 AFM纳米加工技术将来极有可能成为未来超大规模集成电路加工的首选工具，扮演非常重要的角色。在第二和第三章中，我们介绍了使用STM和AFM人们可以加工出各种不同尺度的纳米结构。从加工的精度来说STM和AFM优于现行的任何光刻技术和电子束刻蚀技术，因为STM和AFM可以加工小到单个原子的结构（0.3nm）。但是，用STM和AFM来加工未来的集成电路，同样必须解决加工速度的问题。n微电子学技术除了在光刻加工技术上存在着急待突破的
19、技术限制以外，它还受到了器件内电子行为的限制和器件功耗过大的限制。n首先以芯片微处理器为例来讨论电子行为对微电子学技术限制。n芯片微处理器是通过逻辑“门”的开或关来工作的，而“门”的开或关的状态，取决于有无电流流过。目前，微处理器中的逻辑门正常工作时需要数百上千个电子的电流，而随着芯片集成度和时钟速度的进一步的提高，所需的电子数还会进一步增加。但是，芯片内线宽的减小却会导致单位时间内流过逻辑门的电子数大幅度减少，当电子数减至数十个数量级时，逻辑门在判断“开”或“关”时就会处于不确定状态，无法正常工作。n器件功耗过大也是微电子学技术进一步发展的一个主要限制。n当今的微电子器件（如场效应晶体管），
20、由于本身的功耗太大，已经很难适应更大规模集成的需要。特别是随着芯片的集成度和时钟速度大幅度提高后，电子在电路中流动的速度越来越快，功耗也会成倍增大，并最终导致芯片不能正常工作。同时，功耗太大出现的芯片过热还会造成芯片的使用寿命缩短，可靠性降低等问题。所以，能够满足“更冷”要求的低能耗芯片技术的开发是芯片得以进一步发展的当务之急。由 IBM公司发展的芯片 SOI技术可以在一定程度上降低芯片的能耗。nSOI技术已经应用于英特尔公司的 Pentium4芯片和美国 AMD公司在2019年中上市的计算机芯片中。当然，采用这些新技术还是无法从根本上解决微电子器件所面临的功耗过大的困境。n具有量子效应的纳米
21、电子器件的工作能耗极小，因为其工作电流仅为110个电子。与目前的超大规模集成电路中微电子器件相比，其功耗将会大幅度降低。n纳米电子器件的另一个显著优点是工作时钟频率也可以得到大幅度提高。所以，纳米电子器件的出现，给未来的计算机芯片的发展带来了令人欣喜的曙光，因为它们可以满足人类对未来芯片“更小，更快，更冷”的要求。基于目前的发展和对未来的预测，如果将主要纳米电子器件进一步分类，纳米CMOS器件主要有：绝缘层上硅MOSFET即(SOI-MOSFET)、硅-锗异质结MOSFET、低温MOSFET、双极MOSFET、本征硅沟道隧道型MOSFET等；n量子效应器件包括：量子干涉器件、量子点器件和谐振隧
22、道器件，而谐振隧道器件又包括：横向谐振遂道器件、谐振隧道晶体管(RTT)，谐振隧道场效应晶体管(RTEET)、双极量子谐振隧道晶体管(BiQuaRTT)、谐振隧道热电子晶体管(RHET)、纵向谐振隧道器件和隧道势垒调制晶体管等；n单电子器件主要包括：单电子箱、电容耦合和电阻耦合单电子晶体管、单电子神经网络晶体管、单电子结阵列、单电子泵浦、单电子陷阱和单电子旋转门等n单原子器件和单分子器件包括：单电子开关、单原子点接触器件、单分子开关、分子线、量子效应分子电子器件、电化学分子电子器件等。n纳米传感器将包括：量子隧道传感器和纳米生物传感器；n纳米集成电路包括纳米电子集成电路和纳米光电集成电路。n纳
23、米存储器包括：超高容量纳米存储器、超高密度数据存储器、隧道型静态随机存储器、单电子硅基MOS存储器、单电子存储器、单电子量子存储器；纳米纳米CMOSn纳米CMOS混合电路包括：纳米CMOS电路和-V族化合物半导体共振隧道效应电路，纳米CMOS电路和单电子纳米开关电路，纳米CMOS电路和超导单磁通量子电路，纳米CMOS电路和碳纳米管电路，纳米CMOS电路和人造原子电路与人造分子电路，纳米CMOS电路和DNA电路，n纳米CMOS电路和纳米金属基自旋电路等主流电路的联姻，为纳米电子学开创了全新的发展。纳米-V族化合物半导体器件和电路是指振隧道二极管和谐振隧道晶体管与电路，它在高速、高频和光电子领域有
24、强大的潜力，科学家预测，21世纪纳米电子器件、纳米光电子器件、纳米集成电路、纳米光电子集成电路是最有发展前途的 纳米场效应管纳米场效应管量子效应器件在当今半导体行业中，有两大轮子推动半导体产业链不断地向前发展，一个是不断地缩小芯片的特征尺寸；另一个是不断地扩大晶圆尺寸。不断缩小芯片的特征尺寸(或半导体器件的几何尺寸，如下同)将产生尺寸效应，当芯片的特征尺寸处于微米尺度时，其中的电子在波粒二重性中主要呈粒子性，目前大多数半导体器件只利用了电子的粒子性；当芯片的特征尺寸处于纳米尺度时，尤其当特征尺寸与电子的德布洛意波长()或电子的平均自由程，比拟或更小时，其中的电子在波粒二重性中主要呈波动性。这种
25、电子的波动性就是一种量子效应。所谓量子效应是电子的能量被量子化，电子的运动在某个方向上受到约束。Emhd2n金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据分子轨道，能隙变宽的现象均称为量子效应，出现量子效应的判据是EgKB丁，其中Eg为能隙，KB丁为热起伏能。所以，人们把利用电子的某种量子效应原理制作的器件称为量子效应器件或量子器件，如利用量子共振隧穿效应制成共振隧穿器件；利用量子化效应制成量子点器件等。n目前量子效应器件可分成：n(1)共振隧穿器件(含共振隧穿二极管RTD和共振隧穿晶体管RTT)；n(2)量子点器件(QD)。n相对
26、比较成熟的量子效应器件是共振隧穿二极管。RTD的特点：(1)高频高速，理论预计RTD峰谷间转换频率可达1.52.5THz，1991年国外RTD的，m。已达712GHz，2019年国外最短开关时间为1.5ps；(2)低工作电压和低功耗，典型RTD工作电压为0.20.5V，一般工作电流为mA量级，如在材料生长中加入预势垒层，工作电流可降至A量级；(3)负阻、双稳和自锁特性；(4)用很少的RTD可完成一定的逻辑功能。共振隧穿器件量子阱器件nAlferov和Kroemer因为发明了基于半导体层状异质结构的快速光电子和微电子元件，获得了本届诺贝尔物理奖。利用这种半导体层状异质结构技术制造的快速晶体管和激
27、光二极管，分别在卫星无线电通信和移动电话通信以及条形码阅读仪和光盘播放机等技术上得到了广泛应用。同时，用该技术制造的发光二极管在未来的汽车刹车灯，交通灯以及家用电灯等领域也将得到极大的应用。Kilby则因在发明和开发集成电路芯片中所作的杰出贡献而同时获得诺贝尔物理奖。我们知道，集成电路的发明，使微电子元件成为现代技术的基础。nIf you create a system made of a stack of layers of GaAs and AlAs as shownnElectrons prefer to be in the GaAs layers.nAn electron is thu
28、s confined in a square potential well created by a layer of GaAs sandwiched between two layers of AlAs.Al AsG aAs100 A量子阱器件Why call this Quantum Well?nElectrons are confined in a narrow region bounded by two walls.This is just like the problem of particle in a potential box(well)in quantum mechanics
29、.nThe energy depth of the well can be varied over a range of about 500 meV,for example by employing an alloy AlxGa1-xAs rather than just pure AlAs for the barrier layers.n Al AsG aAs100 AElectrons confined in this regionAlAs or AlxGa1-xAsAlAs or AlxGa1-xAsn以纳米材料作为基础的纳米器件的研究已进入实验室阶段。1993年自然杂志(Nature)
30、的一位主编在分析纳术科技的前景时，曾预言以单电子隧道效应为基础的单电子晶体管、超导量子相干器件，以及微小磁场探测器是2l世纪纳术科技的核心器件。他估计单电子晶体管制作的核心问题是缩小体积，如果在室温下进行工作，其体积小于1nm，在接近绝对零度下工作其体积约为1um，如果在液氮到空温的温区内工作其体积为几十到几百纳米。n2019年，日本已成功地制备出单电子晶体管，使用的材料均为几十纳米的二氧化钛和纳米硅。美国已在实验室研制成功发光二极管，使用的材料是纳米硒化镉。十分有趣的是，他们通过控制纳米硒化镉的颗粒尺寸制备出了在可见光范围发不同颜色的一系列纳米发光二极管。实际上，这是利用了纳米小尺寸诱导的量
31、子尺寸效应这个基本原理，即通过缩小颗粒尺寸导致能隙加宽的机制从而获得发光带向短波方向移动(蓝移)的结果。显然，发红光的二极管，其纳米硒化铜的颗粒较大，控制并减小颗粒的尺寸可以依次研制出发黄、蓝、紫光的二极管。他们的工作有雄厚的纳米材料研究基础作为后盾。单电子晶体管和单电子存储器单电子晶体管和单电子存储器n单电子晶体管是基于库仑堵塞效应和单电子隧道效应的基本物理原理，而出现的一种新型的纳米电子器件。它在未来的微电子学和纳米电子学领域将占有重要的地位。n早在20世纪50年代初期，人们就发现了库仑堵塞效应和单电子隧道效应。但直到20世纪80年代后期，人们才成功地实现了利用这些效应的电子线路。n库仑堵
32、塞效应和单电子隧道效应的直接应用就是设计和制造单电子晶体管器件。单电子晶体管器件具有功耗低，高灵敏度和易于集成等突出优点，它被认为是传统的微电子器件之后最有发展前途的新型纳米器件之一。n80年代末期，在成功地观测到库仑堵塞效应和单电子隧道效应后，曾有人预言，如果能将器件的结构尺寸减小到数纳米时，就有可能造出工作在液氮温度以上的单电子晶体管。n1993年，Nature（自然）杂志的副主编在该杂志上再次发表评论时指出，以单电子隧道效应为基础的单电子晶体管很可能在2000年以后问世。可是，就在他发表评论的一年后，日本的科学家就率先在实验室里研制成功了单电子晶体管，该晶体管中使用的硅和氧化钛材料的结构
33、尺寸都达到了 10 nm左右的尺度。近几年来，单电子晶体管的研制已逐步走向成熟，成为纳米电子学器件研究的热点。美国和我国也研制出不同尺度和结构的单电子晶体管基型器件。随后，同样利用单电子隧道效应和库仑堵塞效应的单电子存储器也已经开发出来。随着纳米加工技术的飞速发展，单电子晶体管不仅在的尺寸上已经达到了数纳米的尺度，其工作温度也达到了室温的条件。不少人相信，单电子晶体管将很可能成为纳米电子学的核心器件之一。单电子晶体管的基本结构单电子晶体管的基本结构n利用电子的库仑堵塞和量子隧穿效应，可以设计出一系列单电子器件，如单电子晶体管，单电子存储器等器件，其中单电子晶体管的研制在近年来取得了很大的进展，
34、已经成为当前研究最为广泛和较为成熟的纳米电子器件之一。量子隧穿量子隧穿单电子晶体管的基本结构单电子晶体管的基本结构n单电子晶体管由两个隧道结串联组成，与两个隧道结相连接的中间部位被称为中心岛，它的三个极分别称为源极、漏极和栅极。构成隧道电流的电子在总电势差V的作用下，一个一个地从源极穿过势垒R1，经过中心岛后再穿过势垒R2，最终流动到漏极。n隧道电流的控制，可以通过外加的栅极偏置电压U来实现；外加的栅极是通过电阻或电容耦合到中心岛上，它可以改变中心岛的电子状态，达到控制穿过势垒R1和R2的隧道电流的目的。n单电子晶体管的结构十分类似于当今集成电路中广泛应用的MOSFET器件，它们都有源极、漏极
35、和栅极。但它们的工作原理完全不同，MOSFET器件是通过由两个背对背的p-n结来控制沟道内载流子的扩散漂移运动，由大量电子流动所形成的电流是连续的；而单电子晶体管则是通过两个隧道结来控制中心岛内的单个电子的隧穿运动,电流是量子化的。纳米尺度的单电子晶体管纳米尺度的单电子晶体管n上图是晶体管的基本构造图。它的两个隧道结由两条纳米尺度的TiO2线组成，它们对电子隧穿时构成的势垒（TiOx/Ti）高度为285 meV。中心岛区域是由TiOx围住的由金属Ti材料组成的部分。在制备器件的多层材料结构中，用于隔离器件和Si基板的SiO2及用于加工器件的 Ti膜的厚度分别为100nm和 3nm。晶体管的源极
36、和漏极分别连接在金属Ti上，栅极则连接在Si基板上。这种型式的栅极被称为背向栅极。n图b是加工后的单电子晶体管实际构造。构成隧道结的TiO2线是用STM阳极氧化方法加工的，它们的长度和宽度分别为 30 nm和15nm。中心岛的尺寸为1050 nm2.分子尺度的单电子晶体管分子尺度的单电子晶体管n单电子晶体管的中心岛也可以由单个分子构成，因此其尺寸在分子的尺度。目前，用作中心岛的分子材料有很多种类，如液晶分子、碳60分子和碳纳米管等。分子尺度的单电子晶体管图分子尺度的单电子晶体管图分子尺度的单电子晶体管原理分子尺度的单电子晶体管原理n上图分别是用C60和碳纳米管构成中心岛的研究实例。图a中C60
37、 与由An（金）材料制备的源极和漏极之间的间隙可达1nm，并以此形成了两个隧道结。在图(b）中，碳纳米管生长在具有两个金属电极（如Pt）的表面上，并在碳纳米管和金属电极之间的两个接触点处形成了两个隧道结。实验结果证明，这两种分子尺度的单电子晶体管基型都可以观测到电子隧穿的库仑堵塞现象。4 纳米尺度的单电子存储纳米尺度的单电子存储n用制作单电子晶体管同样的阳极氧化加工方法，可以加工出利用单电子隧穿效应的单电子存储器。n下图是一种单电子存储器的结构原理和它的等效电路。单电子存储器的结构原理图单电子存储器的结构原理图分子电子开关-库伦阻塞效应分子开关分子开关石墨烯石墨烯2019年诺贝尔物理学奖得主英
38、国曼彻斯特大学科学家安德烈-海姆和康斯坦丁-诺沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究。石墨烯和石墨一样属于复式六角晶格，在二维平面上每个碳原子以sp2杂化轨道相衔接，也就是每个碳原子与最近邻的三个碳原子间形成三个 键。剩余的一个p电子轨道垂直于石墨烯平面，与周围原子形成键，碳原子间相互围成正六边形平面蜂窝形结构，这样在同一原子面上只有两种空间位置相异的原子。IBM的研究员展示了一种由石墨烯材料制作而成的石墨烯场效应晶体管（FET），它的运行速度可以超过100GHz。世界上最小的光晶体管问世 在受控制的模式下，利用一道激光束来让单个分子进入量子态(controlled fashion)，研究人员如此能明显的缩减或是放大第二道激光束。这种运作模式与传统的晶体管如出一辙；晶体管内的电位(electrical potential)能用来调变第二个信号。纳米发光二极管。纳米晶染料敏化太阳能电池纳米晶染料敏化太阳能电池作业作业n当今及未来电子学发展的趋势（三更）及含义n简述摩尔定律及光刻技术所遇到的“物理极限”
