新型纳米材料在微电子技术中的应用探究

分类：论文范文 发表时间：2021-04-23 08:40

　　摘要：针对特征尺寸减小给微电子技术带来的问题，简述了纳米材料的几种量子效应；着重介绍了新型纳米半导体材料（碳纳米管和石墨烯）在后摩尔时代的微电子技术中的应用；探讨了碳纳米管和石墨烯在纳电子器件、集成电路，以及太赫兹技术、量子信息学中的可能应用。

　　关键词：碳纳米管；石墨烯；纳米材料；微电子技术

　　１引言

　　摩尔定律一直是指导微电子行业发展速度的准则之一。根据摩尔定律，以硅材料为主的微电子器件的集成度越来越高，器件的特征尺度越来越小，从而使集成电路的性价比越来越高。然而，根据美国半导体工业协会（ＳＩＡ）的报告［１］，当最小特征尺寸达到１０ｎｍ时，微电子器件将达到物理极限，摩尔定律不再成立。这是因为当微电子器件的特征尺寸在１０ｎｍ以下时，微观下的物理效应，例如量子效应、表面效应等，将变得不可忽略［２］，器件的工作机理、材料和工艺技术都将不同于特征尺寸大于１０ｎｍ的传统器件。因此，研究半导体纳米材料（颗粒大小在１～１００ｎｍ范围）及其微观尺度下的特殊性质，对于解决特征尺寸不断缩小给微电子技术带来的问题具有十分重要的意义。

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　　２新型纳米材料

　　２．１纳米材料简述

　　纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级（１０－９ｍ）的超细材料，其结构包括粒子和粒子间界面两个部分，粒子具有长程序晶状结构，而粒子间界面则为无序结构［３］。另外，纳米材料微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般为１～１００ｎｍ。

　　２．２纳米材料特性

　　２．２．１表面效应研究表明，当粒子直径减小时，纳米材料粒子表面积急剧增大［８］。因此，当粒子直径处在１０ｎｍ以下时，随着粒子直径的减小和内部原子所处环境的不同，表面原子数将迅速增加，导致表面原子配位数不足和表面能较高，从而使这些原子容易与其他原子结合，故具有很高的化学活性。以纳米金颗粒为例，由于表面效应，１００ｎｍ以下的金颗粒具有较高的表面能，从而吸引溶液中的阳离子Ａｕ３＋，而集聚的阳离子将会继续吸引阴离子，最终溶液达到过饱和，使金颗粒在溶剂中均匀分布，形成金溶于水的现象。

　　２．２．２量子尺寸效应纳米材料因尺寸减小而带来的重要性质是量子尺寸效应。根据能带理论，对于宏观物体包含无限个原子的情形（导电电子数Ｎ→∞），有：

　　３新型纳米材料

　　３．１碳纳米管

　　碳纳米管（ＣａｒｂｏｎＮａｎｏＴｕｂｅ，ＣＮＴ）是由石墨碳原子层卷曲而成，管上的碳原子相互之间以碳－碳键结合，形成由六边形组成的蜂窝状结构，作为碳纳米管的骨架。管子在半径方向非常细，只有纳米尺度，而在轴方向则可长达数十到数百微米。几万根碳纳米管并起来也只有一根头发丝宽，碳纳米管的名称也由此而来。

　　３．２石墨烯

　　石墨烯（Ｇｒａｐｈｅｎｅ）是平面多环芳香烃原子晶体，其命名来自英文的ｇｒａｐｈｉｔｅ（石墨））和－ｅｎｅ（烯类后缀）。

　　石墨烯可想象为由碳原子和其共价键所形成的原子网格，碳原子排列与石墨的单原子层相同，是碳原子呈蜂巢晶格排列构成的单层二维晶体。

　　４石墨烯在电子技术中的应用

　　由于石墨烯所具有的奇特性质，它被认为是后摩尔时代硅的接替者［１７－１９］，可用于制作单分子的气体传感器、太赫兹谐振器、量子计算机等［２０－２２］。

　　４．１集成电路

　　石墨烯具备作为优秀的集成电路电子器件的理想性质。石墨烯具有极高的载流子迁移率和极低的噪声，可以用作场效应晶体管的沟道。目前的问题是单层的石墨烯制造困难，更难做出合适的基板。

　　４．２量子计算机

　　由于石墨烯的二维性质，科学家认为石墨烯会发生电荷分数化（低维物质的单独准粒子的表观电荷小于单位量子）。因此，石墨烯很有可能是制造量子计算机所需要的任意子元件的合适材料［２４，２５］。

　　５结束语

　　自２０世纪８０年代以来，纳米技术研究一直处于方兴未艾的阶段。半导体纳米材料因其具有量子效应而可能在后摩尔时代中发挥巨大作用。尽管根据当前的研究，由新型纳米半导体材料制作的器件和集成电路仍然存在与金属接触性能不好、与传统工艺技术不兼容、难以量产等问题，但是，从长远看，前景仍然是广阔的。在微电子领域，在太赫兹技术、量子信息学等比较新的电子信息学科中都有纳米材料的身影。因此，在学科交叉日益密集的今天，电路设计人员也有必要了解纳米材料。

　　参考文献：

　　［1］马洪磊，薛成山．纳米半导体［Ｍ］．北京：国防工业出版社，２００９．

　　［2］ＳＨＡＲＭＡＶ，ＰＡＲＫＫＷ，ＳＲＩＮＩＶＡＳＡＲＡＯＭ．Ｃｏｌｌｏｉｄａｌｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｏｆｇｏｌｄｎａｎｏｒｏｄｓ：ｈｉｓｔｏｒｉｃａｌｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｏｐｔｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｓｅｅｄ－ｍｅｄｉａｔｅｄｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，ｓｈａｐｅｓｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｙ［Ｊ］．ＭａｔｅｒＳｃｉＥｎｇｉｎｅｅｒＲｅｐｏｒｔｓ，２００９，６５（１－３）：１－３８．

　　［3］ＳＨＡＲＭＡＰ，ＧＡＮＴＩＳ．Ｓｉｚｅ－ｄｅｐｅｎｄｅｎｔＥｓｈｅｌｂｙ＇ｓｔｅｎｓｏｒｆｏｒｅｍｂｅｄｄｅｄｎａｎｏ－ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇｓｕｒｆａｃｅ／ｉｎｔｅｒｆａｃｅｅｎｅｒｇｉｅｓ［Ｊ］．ＪＡｐｐｌＭｅｃｈａｎｉｃｓ，２００４，７１（５）：６６３－６７１

　　赵四化

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