第二章-纳米科技的典型研究方向-1课件.ppt
- 【下载声明】
1. 本站全部试题类文档,若标题没写含答案,则无答案;标题注明含答案的文档,主观题也可能无答案。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
2. 本站全部PPT文档均不含视频和音频,PPT中出现的音频或视频标识(或文字)仅表示流程,实际无音频或视频文件。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
3. 本页资料《第二章-纳米科技的典型研究方向-1课件.ppt》由用户(三亚风情)主动上传,其收益全归该用户。163文库仅提供信息存储空间,仅对该用户上传内容的表现方式做保护处理,对上传内容本身不做任何修改或编辑。 若此文所含内容侵犯了您的版权或隐私,请立即通知163文库(点击联系客服),我们立即给予删除!
4. 请根据预览情况,自愿下载本文。本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
5. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007及以上版本和PDF阅读器,压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第二 纳米 科技 典型 研究 方向 课件
- 资源描述:
-
1、q第一章 纳米材料与纳米科技概述q第二章 纳米科技的典型研究方向q第三章 纳米材料的性能与制备方法q第四章 纳米材料的测试与表征技术q第五章 纳米材料在电子信息领域的应用q第六章 纳米材料在航空航天领域的应用q第七章 纳米材料在能源环保领域的应用q第八章 纳米材料在生物医学领域的应用纳米科技的分类纳米科技的分类 纳米电子学纳米电子学纳米物理学纳米物理学 纳米化学纳米化学纳米生物学纳米生物学纳米机械学纳米机械学纳米表征学纳米表征学纳米科技的典型研究方向纳米科技的典型研究方向 纳米电子学纳米电子学(nanoelectronics) )- 纳米技术中最重要的一个分支领域纳米技术中最重要的一个分支领域
2、微电子学与微米技术: 以以微电子学微电子学为代表的为代表的微米技术微米技术,是,是20世纪世纪第二次工业革命第二次工业革命技术应用的标志。应用的标志。什么是微电子技术?什么是微电子技术?在半导体单晶材料(主要是在半导体单晶材料(主要是硅单晶)薄片上,利用微米和亚微米技术,研制由硅单晶)薄片上,利用微米和亚微米技术,研制由成千上万个晶体管和电子元件构成的微缩电子电路成千上万个晶体管和电子元件构成的微缩电子电路(芯片),并由不同功能的芯片组装成各种微电子(芯片),并由不同功能的芯片组装成各种微电子仪器、仪表和系统的总称。仪器、仪表和系统的总称。微电子领域发生的两次重大技术革命微电子领域发生的两次重
3、大技术革命:l晶体管取代真空电子管;晶体管取代真空电子管;l集成电路取代传统的导线连接线路。集成电路取代传统的导线连接线路。微电子学的微电子学的意义: 使人类进入了计算机和通讯网络的新时代,不仅缩短了人类的空间距离,而且极大地发展了生产力。电子材料与计算机科学的进步电子材料与计算机科学的进步微米电子学技术及超大规微米电子学技术及超大规模集成电路已给人类带来模集成电路已给人类带来的巨大影响:的巨大影响:l1 催生出一个巨大的产业:催生出一个巨大的产业:计算机工业;计算机工业;l2 孕育出一个崭新的时代:孕育出一个崭新的时代:信息时代信息时代纳米电子学是微电子学是微电子学继续向微小世界、更微继续向
4、微小世界、更微小世界不断发展的自然小世界不断发展的自然延伸。延伸。芯片的集成技术芯片的集成技术集成电路的集成度与最小线宽集成电路的集成度与最小线宽的关系:的关系:集成度越高,电路中的晶体管集成度越高,电路中的晶体管尺寸越小。最小线宽表示电路尺寸越小。最小线宽表示电路的制程精度。的制程精度。电子学未来的发展目标- 更小:进一步提高芯片的集成度更快:具有更高的信息运算和处理速度更冷:进一步降低芯片的功耗 只有在这三方面得到同步的发展,电子学技术只有在这三方面得到同步的发展,电子学技术才可能取得大的突破:才可能取得大的突破: 1)用较低的成本提高现有产品的性能;)用较低的成本提高现有产品的性能;2)
5、可以设计原来不可能的产品(如万能翻译机)。)可以设计原来不可能的产品(如万能翻译机)。美国国防高等技术研究厅根据此要求作出美国国防高等技术研究厅根据此要求作出的超电子研究计划(的超电子研究计划(ultra electronics): : 未来的纳电子器件要比现有的微电子器件的未来的纳电子器件要比现有的微电子器件的存储密度高存储密度高5100倍,速度快倍,速度快10100倍,而功耗倍,而功耗要小于现在器件的要小于现在器件的2%。 最终达到最终达到“双十二双十二”:1012位的存储器容量,位的存储器容量,每秒每秒1012的运算器速度,价廉且节能。的运算器速度,价廉且节能。 要实现这一目标,电子器件
6、必然进入纳米技要实现这一目标,电子器件必然进入纳米技术的尺度范围。术的尺度范围。 纳米电子学纳米电子学(nanoelectronics) )2.1.1 摩尔定律的挑战与纳米电子学的研究内容摩尔定律的挑战与纳米电子学的研究内容2.1.2 纳米电子器件的加工技术纳米电子器件的加工技术2.1.3 纳米电子器件纳米电子器件2.1.4 纳米计算机纳米计算机象上了发条的时钟一样得到应验的象上了发条的时钟一样得到应验的 摩尔(摩尔(MooreMoore,英特尔的创始人英特尔的创始人)定律定律 每隔每隔18个月,新芯片的集成度将提高一个月,新芯片的集成度将提高一倍,同时性能提高一倍。倍,同时性能提高一倍。 按
7、照该定律,按照该定律,2010年微电子器件的尺寸和最小年微电子器件的尺寸和最小线宽都将达到线宽都将达到100nm,进入纳米电子时代。进入纳米电子时代。纳米电子时代将纳米电子时代将带来什么变化?带来什么变化?2.1.1 摩尔定律的挑战与纳米电子学的研究内容摩尔定律的挑战与纳米电子学的研究内容2.1.1.1 摩尔定律遇到的严重挑战纳米电子时代将纳米电子时代将带来什么变化?带来什么变化?挑战一:集成电路的加工技术为光刻法,光刻线宽挑战一:集成电路的加工技术为光刻法,光刻线宽的理论极限为的理论极限为100100nm,nm,达到这一决定线宽的物理极限达到这一决定线宽的物理极限后,现行的微电子学工艺很难再
8、有所作为。后,现行的微电子学工艺很难再有所作为。挑战二挑战二:器件内电子行为的限制和器件功耗过大的器件内电子行为的限制和器件功耗过大的限制。限制。纳米电子学及相关材料的研究必然掀起微型化和分子化的浪潮。由微电子器件发展为纳米电子器件将包括四个方面的进展:材料、工艺、理论和应用。2.1.1.2 1. 在特征长度为在特征长度为0.1100 nm的纳米器件中探测、识别与控制的纳米器件中探测、识别与控制单个单个量子量子(如单个电子、单个光子、单个磁通量子、单个(如单个电子、单个光子、单个磁通量子、单个原子和单个分子等)、少数几个量子或量子波的运动规律原子和单个分子等)、少数几个量子或量子波的运动规律(
9、理论)(理论);2. 研究原子、分子研究原子、分子人工组装和自组装而成的器件人工组装和自组装而成的器件(工艺)(工艺);3. 研究在量子点、量子线和量子点阵内单个量子、少数几个研究在量子点、量子线和量子点阵内单个量子、少数几个量子或量子波所表现的特征和功能,用于信息的产生、传量子或量子波所表现的特征和功能,用于信息的产生、传递和交换的器件、电路和系统及其在信息科学技术中应用递和交换的器件、电路和系统及其在信息科学技术中应用(应用)(应用)。关键词:关键词:量子,人工组装和自组装器件,信息科学技术量子,人工组装和自组装器件,信息科学技术挑战一:达到了决定线宽的集成电路光刻加工挑战一:达到了决定线
10、宽的集成电路光刻加工的物理极限(的物理极限(100100nmnm), ,现行的微电子学工艺很现行的微电子学工艺很难再有所作为。难再有所作为。挑战的解决方法:解决思路:解决思路:研究开发更小的最小线宽的加工技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,将现有的集成术来加工尺寸更小的电子器件,将现有的集成电路进一步向微型化延伸电路进一步向微型化延伸 。基本方法:基本方法:改进微电子学光刻技术,提改进微电子学光刻技术,提高光刻精度以缩小晶体管尺寸。高光刻精度以缩小晶体管尺寸。什么是光刻法?什么是光刻法? 象摄影那样制出一张象摄影那样制出一张“底片底片”(称为掩膜(称为掩膜或母版),底片
11、上有微芯片电路所需的图案。或母版),底片上有微芯片电路所需的图案。然后将然后将“底片底片”复制到微芯片的金属和半导体复制到微芯片的金属和半导体上:上:第一步:制备掩膜第一步:制备掩膜(这是个一次性过程,比较缓慢且成本高)第二步:利用掩膜进行复制第二步:利用掩膜进行复制(十分快捷、省钱) 光刻术通过摄影术中所用的缩图法,将图光刻术通过摄影术中所用的缩图法,将图案的尺寸缩小。案的尺寸缩小。集成电路芯片的制造:胶印板光刻原理图集成电路芯片的制造:胶印板光刻原理图 一束光(如紫外光)照射在掩膜上,穿过掩膜后又穿过透镜,而透镜则使图象聚焦到硅片表面的光敏涂层(光刻胶)上。受到光照射的光刻胶被除掉,使硅片
12、暴露出来,形成与原始图象相同的图案。检测电路板刻线的宽度和深度检测电路板刻线的宽度和深度 20012001年,该公司将纳米技术应用于芯片制造,年,该公司将纳米技术应用于芯片制造,做出了世界上大小只有做出了世界上大小只有2020nmnm的硅晶体管,其中的门的硅晶体管,其中的门绝缘体只有的绝缘体只有的0.80.8nmnm厚度(约厚度(约3 3个原子),每秒可开个原子),每秒可开关变换关变换1.51.5万次,是目前晶体管的万次,是目前晶体管的1010倍。基于它们可倍。基于它们可制造含制造含1010亿硅晶体管的中央微处理器亿硅晶体管的中央微处理器(cpu)cpu) ,运,运行速度可达行速度可达2020
13、GHzGHz。比较:比较: 8088:29,000个晶体管;个晶体管;奔腾奔腾4 4:40004000万个晶体管,万个晶体管,1.71.7GHzGHz。 世界最大的芯片生产商英特尔公司英特尔公司正在将纳米技术应用于以硅为基础的芯片制造,以突破现有硅晶体管尺度限制所带来的存储和运算速度的限制:几种能提高刻蚀精度的光刻方法几种能提高刻蚀精度的光刻方法缺点:能被空气吸收,只能在真空中使用,实验室研制阶段。 由于纳米加工技术的进展,可以使摩尔定律在未来由于纳米加工技术的进展,可以使摩尔定律在未来30年仍年仍然适用。但是,这种方法只是尺度上的缩小,电子器件的构造然适用。但是,这种方法只是尺度上的缩小,电
14、子器件的构造并不发生根本的改变。并不发生根本的改变。挑战二(挑战二(更大的挑战):更大的挑战): 器件内电子行为的限制和器件功耗过大器件内电子行为的限制和器件功耗过大的限制。的限制。 现在的电子元件是通过控制所通过的电子数量多少或有无来进行工作的。宏观上电子计算用电位的高低来表示0和1以进行存储和计算。当线宽窄到30nm时出现的量子效应将会影响硅器件的性能。什么是什么是量子效应量子效应?挑战的解决方法: 把自由运动的电子囚禁在一个小 的纳米颗粒内,电子能量量子化,不再遵守欧姆定律。而是遵守-库仑阻塞效应库仑阻塞效应 (Coulomb blockade effect) :当一个物理体系的尺寸达到
15、纳米量级时,体系的充电和放电过程是不连续的,也就是量子化的。体系越小,电容C越小,能量Ec越大。 Ec称为库仑阻塞能,它是电子在进入或离开体系中时一个电子对后一个电子的库仑排斥力。单电子隧道效应单电子隧道效应 (Single-electron tunnel effect):两个量子点通过一个隧道结连接起来,单个电子从一个量子点穿过势垒到另一个量子点的过程称隧道效应。这个电子必须克服电子的库仑阻塞能Ec。库仑阻塞效应示意图库仑阻塞效应示意图(2)在纳米颗粒内的电子数目大大减少,所有的电子被囚禁在一个深势陷阱内,只能占据不同的能量状态。(3)库仑阻塞现象:纳米颗粒上有了一个电子后,电子间的斥力将阻
16、挡下一个电子靠近,只有当这一电子通过后,下一个电子才能到达纳米颗粒上。(1)大块固体材料中的电子可以自由地在固体中运动,电子之间相互碰撞,使它们的运动速度达到平衡。 当存储器达到1024兆位时,集成电路的线宽将细到0.1微米,也就是100nm,差不多是一根头发丝的千分之一。这样细的电路,被认为是集成电路的极限,现有电子元件将失去工作的理论基础,因为-以存储器为例:以存储器为例: 电子作为一种微小粒子,具有电子作为一种微小粒子,具有“波粒二象性波粒二象性”,当电路,当电路线宽大于线宽大于0.10.1微米时,电子完全可视为粒子,而不必考虑其波微米时,电子完全可视为粒子,而不必考虑其波动性;而当电路
17、线宽小于动性;而当电路线宽小于0.10.1微米时,必须考虑电子的波动性微米时,必须考虑电子的波动性。这时会出现种种新的物理现象,称为量子效应。这时会出现种种新的物理现象,称为量子效应。由于此时电子波函数的相关长度与体系的特征尺寸相当,这时的电子已不能被看成处在外场中运动的经典粒子,电子的波动性在输运过程中得到充分的展现。此外,纳米体系在维度上的限制,也使得固体中的电子态和各种相互作用过程表现出与三维体系十分不同的性质。(1)逻辑门会处于不确定状态逻辑门会处于不确定状态。芯片微处理器是通过逻辑芯片微处理器是通过逻辑“门门”的开或关来工作的,门的开关状态取决于有无电流通过。的开或关来工作的,门的开
18、关状态取决于有无电流通过。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,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,随着芯片集成度和速度的提高,所需电子数还会进一步提高。但随着芯片集成度和速度的提高,所需电子数还会进一步提高。但是芯片内线宽的减小却会导致单位时间内通过逻辑门的电子数大是芯片内线宽的减小却会导致单位时间内通过逻辑门的电子数大幅度减小,当电子数减至数十个数量级时,逻辑门在判断开或关幅度减小,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。时就会处于不确定状态,无法正常工作。(2)器件功耗过大器件功耗过大。即使通过芯片的设计
19、和新的制造方法在即使通过芯片的设计和新的制造方法在一定程度上提高集成电路的集成度,但由于微电子器件的工作电一定程度上提高集成电路的集成度,但由于微电子器件的工作电流很大,功耗也相对很大。同时功耗过大会造成芯片过热,使用流很大,功耗也相对很大。同时功耗过大会造成芯片过热,使用寿命缩短,可靠性降低。寿命缩短,可靠性降低。器件内电子行为和器件功耗过大的限制:器件内电子行为和器件功耗过大的限制:解决方法解决方法 研制全新的纳米结构量子体系和量子器件(如研制全新的纳米结构量子体系和量子器件(如单电子晶体管、单电子存储器、单电子开关,以及可单电子晶体管、单电子存储器、单电子开关,以及可能用于量子系统的零维
20、量子点、一维量子线和二维量能用于量子系统的零维量子点、一维量子线和二维量子阱)通过控制粒子波动的相位来实现输出信号的强子阱)通过控制粒子波动的相位来实现输出信号的强弱和有无。使计算机的工作速度大大提高弱和有无。使计算机的工作速度大大提高( (约可提高约可提高10001000倍倍) ),功耗大大减少,功耗大大减少( (约可减少约可减少10001000倍倍) ),电路大,电路大大简化且不易发热,体积大大缩小。大简化且不易发热,体积大大缩小。 电子器件的构造将发生根本的改变。电子器件的构造将发生根本的改变。1. 在特征长度为在特征长度为0.1100 nm的纳米器件中探测、识别与控制的纳米器件中探测、
21、识别与控制单个单个量子量子(如单个电子、单个光子、单个磁通量子、单个(如单个电子、单个光子、单个磁通量子、单个原子和单个分子等)、少数几个量子或量子波的运动规律原子和单个分子等)、少数几个量子或量子波的运动规律(理论)(理论);2. 研究原子、分子研究原子、分子人工组装和自组装而成的器件人工组装和自组装而成的器件(工艺)(工艺);3. 研究在量子点、量子线和量子点阵内单个原子、少数几个研究在量子点、量子线和量子点阵内单个原子、少数几个量子或量子波所表现的特征和功能,用于信息的产生、传量子或量子波所表现的特征和功能,用于信息的产生、传递和交换的器件、电路和系统及其在信息科学技术中应用递和交换的器
22、件、电路和系统及其在信息科学技术中应用(应用)(应用)。纳米电子学纳米电子学q 实现纳米电子器件及其集成电路的两种可实现纳米电子器件及其集成电路的两种可能方式:能方式: (1)“从上到下从上到下”法法 (2)“从下到上从下到上”法法微电子器件发展为纳米电子器件包括以下方面的进展:材料、工艺、理论和应用。应对摩尔定律的挑战,实现纳米电子器件及应对摩尔定律的挑战,实现纳米电子器件及其集成电路的两种可能方式其集成电路的两种可能方式-l1. 现有的集成电路进一步微型化现有的集成电路进一步微型化.l研究开发更小的最小线宽的加工技术来加工尺寸更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。小的
展开阅读全文