納米電子材料
發布時間:2011/8/24 10:08:45 訪問次數:2937
1．碳納米管
1)碳納米管的特性與分類
碳納米管(carbon nanotube)，又名巴基管，是碳家族中第5種同素異形體，由自然界最強的C-C共價鍵結合而成。碳納米管是一種具有特殊結構（徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級，管子兩端基本上都封口）的一維量子材料。它主要由呈六邊形排列的
碳原子構成數層到數十層的同軸圓管（見圖4.2.10）。
按照石墨烯片的層數，可分為單壁碳納米管和多壁碳納米管(見圖4.2.11)，無論是多壁管還是單壁管都具有很高的長徑比，一般為100～1000，最高可達1000～10000，完全可以認為是一維材料.
2)碳納米管的物理性質
①高強度、低密度（強皮為鋼的100倍以上，密度為鋼的1/6以下）；
②高彈性；
③優良的導體和半導體特性（量子限域所致）；
④高的比表面積；
⑤強的吸附性能；
⑥優良的光學特性；
⑦發光強度隨發射電流的增大而增強。
3)碳納米管在電子材料中的應用
(1)納米電子器件。碳納米管的電子結構可以是金屬性質，也可以是半導體性質，取決于其直徑和螺旋度。因此不同直徑和螺旋度的碳納米管可以作為功能電子器件、微型電路的導線、最小的半導體裝置、納米級的晶體三極管、邏輯門和線路的連接件，應用于微
電子器件。
(2)高性能傳感器。碳納米管特殊的力學、電子、熱學性能，可以用于制作高靈敏度、高性能傳感器。例如，碳納米管在吸附某些氣體如H2、NH3、O2和無機氣體后電阻發生迅速的突變，可以作為電化學傳感器，用作靈敏的環境監測計，監測有毒氣體含量的微弱變化和控制環境污染。
(3)作為電極材料，用于高性能電容器、鋰離子電池等領域。
(4)電子產品結構材料。由于碳納米管可制造高強度碳纖維材料，強度比鋼高100倍，但重量只有鋼的六分之一，并且具有高比模量、耐高溫、熱膨脹系數小和抵抗熱變性能強等一系列優異性能，因此用作產品的結構材料。例如，用來制作筆記本電腦外殼，不僅
可以提高結構強度，而且可以使產品微小型化和輕型化。
2．寬禁芾化合物半導體納米材料
寬禁。帶半導體材料能在可見光波段實現高效率的光電轉換，具有很好的應用前景，而化合物半導體納米材料就是一種寬禁帶半導體材料。目前進入實際應用的寬禁帶化合物半導體納米材料有氧化鋅和氮化鎵。
1)氧化鋅納米材料
Zn0作為一種壓電、壓敏和氣敏材料，很早便在電子敏感器件中應用。但納米Zn0展現出新的特殊性能，使其在激光領域嶄露頭角。利用納米Zn0可以實現短波光發射和紫外激光發射，并且容易改變光譜發射結構并增強可見光（2個量級）和紫外（1個量級）光的發射強度；利用納米Zn()的自組裝行為得到Zn0納米線陣列激光器件；制造遠紅外線反射纖維的材料等。
2)氮化鎵納米材料
GaN寬禁帶化合物半導體納米材料在信息存儲、顯示、打印等領域有著廣泛的應用前景。利用GaN材料體系，可以制備藍藍紫、紫外光IEDs以及高頻、大功率電子器件以及紫外(UV)光探測器。此外，GaN基白光LED通過多種技術改進可以提高發光效率，并且可以利用具備自聚焦透鏡作用的結構制造大功率高亮度LED芯片，是下一代固態照明光源的基石。
3．半導體超晶格材料
半導體超晶格材料是一種人造的納米級的特殊半導體材料，由于其獨特的性能可能咸為未來半導體主流技術而受到廣泛關注。
傳統半導體技術使用的是天然的晶態半導體材料，隨著半導體科技的發展，天然半導體材料的潛力已經接近枯竭，已經不能滿足電子信息技術的發展需求，人們開始嘗試“按需人造”，半導體超晶格材料應運而生。
在嚴格的技術條件下，采用各種技術措施，例如分子束外延( MBE)、化學氣相淀積(CVD)、液相外延(LPE)、金屬有機化學氣相淀積(MOCVD)、化學束外延(CBE)等方法，在晶體襯底上一層疊一層地生長出不同材料的納米級薄膜來，每層只有幾個原子層，這樣生長出來的材料叫超晶格材料。在超晶格材料中，薄膜層載流子的運動狀態由三維向二維、一維甚至零維轉變，使其具有原來天然半導體材料不具備的、十分獨特的性能。有人把這種天然到人造的轉化，形象地用“摻雜工程”到“能帶工程”轉換來概括其本質。超品格材料的出現將進一步促進半導體器件的發展，從而開辟半導體發展的新天地。
分子束外延技術是制備半導體超晶格材料的主要技術，圖4.2.12所示為MBE的結構。隨著技術的發展，現在人們已經可以利用MBE,制備材料組成的異質結和超品格。GaAs/AIGaAs材料體系、GaAs襯底上和InP襯底上的InGaAs/AIGaAs材料體系以及SiGe/Si異質結超品格是近年開發出的幾種重要的半導體超晶格，其中有的已經實現產業化應用。
4．硅基半導體納米材料
硅基半導體材料的尺寸達到納米級(納米硅晶、納米硅線，約為6nm)時，在靠近可見光波段就會有較強的發光現象。同時，硅基納米結構如Si02納米線和多孔硅的發光現象，表明硅和硅基半導體納米材料在電子和光電子器件領域的應用前景。
1)硅和二氧化硅納米線
基于量子限域效應,Si納米線(SiNWs)、Si納米管(SiNTs)以及其他Si納米結構具有特異的電學、光學、機械和化學性質，可制成一維量子線、高速場發射晶體管和小型微波發射器等功能元件。
硅納米線的量子限域效應與材料的低維度相關，襯底上生長的Si納米線有很高的表面/體積比。SiNWs具有很多潛在的應用前景，如制造高容量、小尺寸可充電電池以及用SiNWs作鋰電池的電極材料，其容量比傳統的高8倍。
2)多孔硅
近年，多孔硅在微電子及光電子學等領域，如在發光器件、大屏幕顯示等方面有較多應用。更重要的是，多孔硅可能為以硅為基底的光電子學的發展開啟新路，將多孔硅發光性能與已經高度發展的集成電路技術結合起來，具有巨大的應用前景，使多孔硅成為納米電子材料中引人注目的熱點。
多孔硅是一種具有非晶體特性的特殊材料。采用一定技術制造的多孔硅，硅層中形成許多孤立的孑L洞，當孔度達到80%時，相鄰的孔將連通，而留下一些孤立的晶柱或晶絲，稱為量子線，如圖4.2.13(a)所示，而且量子線的結構是有序的；圖4.2.13 (b)是多孔硅的結構，呈現為無規則的珊瑚狀，其中包含了一些絲狀物，這就是量子線。
多孔硅能發射很強的可見光，波長可以從紅、橙、黃直到綠色，且波長與多孔硅孔度有關。其發光機理有多種模型，如量子尺寸效應、非晶發光以及表面相關等，迄今仍處于探索階段。 L5026X1082
1．碳納米管
1)碳納米管的特性與分類
碳納米管(carbon nanotube)，又名巴基管，是碳家族中第5種同素異形體，由自然界最強的C-C共價鍵結合而成。碳納米管是一種具有特殊結構（徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級，管子兩端基本上都封口）的一維量子材料。它主要由呈六邊形排列的
碳原子構成數層到數十層的同軸圓管（見圖4.2.10）。
按照石墨烯片的層數，可分為單壁碳納米管和多壁碳納米管(見圖4.2.11)，無論是多壁管還是單壁管都具有很高的長徑比，一般為100～1000，最高可達1000～10000，完全可以認為是一維材料.
2)碳納米管的物理性質
①高強度、低密度（強皮為鋼的100倍以上，密度為鋼的1/6以下）；
②高彈性；
③優良的導體和半導體特性（量子限域所致）；
④高的比表面積；
⑤強的吸附性能；
⑥優良的光學特性；
⑦發光強度隨發射電流的增大而增強。
3)碳納米管在電子材料中的應用
(1)納米電子器件。碳納米管的電子結構可以是金屬性質，也可以是半導體性質，取決于其直徑和螺旋度。因此不同直徑和螺旋度的碳納米管可以作為功能電子器件、微型電路的導線、最小的半導體裝置、納米級的晶體三極管、邏輯門和線路的連接件，應用于微
電子器件。
(2)高性能傳感器。碳納米管特殊的力學、電子、熱學性能，可以用于制作高靈敏度、高性能傳感器。例如，碳納米管在吸附某些氣體如H2、NH3、O2和無機氣體后電阻發生迅速的突變，可以作為電化學傳感器，用作靈敏的環境監測計，監測有毒氣體含量的微弱變化和控制環境污染。
(3)作為電極材料，用于高性能電容器、鋰離子電池等領域。
(4)電子產品結構材料。由于碳納米管可制造高強度碳纖維材料，強度比鋼高100倍，但重量只有鋼的六分之一，并且具有高比模量、耐高溫、熱膨脹系數小和抵抗熱變性能強等一系列優異性能，因此用作產品的結構材料。例如，用來制作筆記本電腦外殼，不僅
可以提高結構強度，而且可以使產品微小型化和輕型化。
2．寬禁芾化合物半導體納米材料
寬禁。帶半導體材料能在可見光波段實現高效率的光電轉換，具有很好的應用前景，而化合物半導體納米材料就是一種寬禁帶半導體材料。目前進入實際應用的寬禁帶化合物半導體納米材料有氧化鋅和氮化鎵。
1)氧化鋅納米材料
Zn0作為一種壓電、壓敏和氣敏材料，很早便在電子敏感器件中應用。但納米Zn0展現出新的特殊性能，使其在激光領域嶄露頭角。利用納米Zn0可以實現短波光發射和紫外激光發射，并且容易改變光譜發射結構并增強可見光（2個量級）和紫外（1個量級）光的發射強度；利用納米Zn()的自組裝行為得到Zn0納米線陣列激光器件；制造遠紅外線反射纖維的材料等。
2)氮化鎵納米材料
GaN寬禁帶化合物半導體納米材料在信息存儲、顯示、打印等領域有著廣泛的應用前景。利用GaN材料體系，可以制備藍藍紫、紫外光IEDs以及高頻、大功率電子器件以及紫外(UV)光探測器。此外，GaN基白光LED通過多種技術改進可以提高發光效率，并且可以利用具備自聚焦透鏡作用的結構制造大功率高亮度LED芯片，是下一代固態照明光源的基石。
3．半導體超晶格材料
半導體超晶格材料是一種人造的納米級的特殊半導體材料，由于其獨特的性能可能咸為未來半導體主流技術而受到廣泛關注。
傳統半導體技術使用的是天然的晶態半導體材料，隨著半導體科技的發展，天然半導體材料的潛力已經接近枯竭，已經不能滿足電子信息技術的發展需求，人們開始嘗試“按需人造”，半導體超晶格材料應運而生。
在嚴格的技術條件下，采用各種技術措施，例如分子束外延( MBE)、化學氣相淀積(CVD)、液相外延(LPE)、金屬有機化學氣相淀積(MOCVD)、化學束外延(CBE)等方法，在晶體襯底上一層疊一層地生長出不同材料的納米級薄膜來，每層只有幾個原子層，這樣生長出來的材料叫超晶格材料。在超晶格材料中，薄膜層載流子的運動狀態由三維向二維、一維甚至零維轉變，使其具有原來天然半導體材料不具備的、十分獨特的性能。有人把這種天然到人造的轉化，形象地用“摻雜工程”到“能帶工程”轉換來概括其本質。超品格材料的出現將進一步促進半導體器件的發展，從而開辟半導體發展的新天地。
分子束外延技術是制備半導體超晶格材料的主要技術，圖4.2.12所示為MBE的結構。隨著技術的發展，現在人們已經可以利用MBE,制備材料組成的異質結和超品格。GaAs/AIGaAs材料體系、GaAs襯底上和InP襯底上的InGaAs/AIGaAs材料體系以及SiGe/Si異質結超品格是近年開發出的幾種重要的半導體超晶格，其中有的已經實現產業化應用。
4．硅基半導體納米材料
硅基半導體材料的尺寸達到納米級(納米硅晶、納米硅線，約為6nm)時，在靠近可見光波段就會有較強的發光現象。同時，硅基納米結構如Si02納米線和多孔硅的發光現象，表明硅和硅基半導體納米材料在電子和光電子器件領域的應用前景。
1)硅和二氧化硅納米線
基于量子限域效應,Si納米線(SiNWs)、Si納米管(SiNTs)以及其他Si納米結構具有特異的電學、光學、機械和化學性質，可制成一維量子線、高速場發射晶體管和小型微波發射器等功能元件。
硅納米線的量子限域效應與材料的低維度相關，襯底上生長的Si納米線有很高的表面/體積比。SiNWs具有很多潛在的應用前景，如制造高容量、小尺寸可充電電池以及用SiNWs作鋰電池的電極材料，其容量比傳統的高8倍。
2)多孔硅
近年，多孔硅在微電子及光電子學等領域，如在發光器件、大屏幕顯示等方面有較多應用。更重要的是，多孔硅可能為以硅為基底的光電子學的發展開啟新路，將多孔硅發光性能與已經高度發展的集成電路技術結合起來，具有巨大的應用前景，使多孔硅成為納米電子材料中引人注目的熱點。
多孔硅是一種具有非晶體特性的特殊材料。采用一定技術制造的多孔硅，硅層中形成許多孤立的孑L洞，當孔度達到80%時，相鄰的孔將連通，而留下一些孤立的晶柱或晶絲，稱為量子線，如圖4.2.13(a)所示，而且量子線的結構是有序的；圖4.2.13 (b)是多孔硅的結構，呈現為無規則的珊瑚狀，其中包含了一些絲狀物，這就是量子線。
多孔硅能發射很強的可見光，波長可以從紅、橙、黃直到綠色，且波長與多孔硅孔度有關。其發光機理有多種模型，如量子尺寸效應、非晶發光以及表面相關等，迄今仍處于探索階段。 L5026X1082
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