第 二 章     纳米技术及其分支学科   章海军 （2013. 03. 04）.

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1 第 二 章     纳米技术及其分支学科 章海军 （ ）

2 2.1 摩尔定律—从IC的线宽极限谈起 摩尔定律（Moore’s Law）：
在每块集成芯片上能够容纳的晶体管数量，每隔18个月（一说2年）便会增加一倍（其完整表达，还 应包括每隔18个月集成电路的线宽缩小一半） 。 1965年，提出摩尔定律 1968年，合作组建Intel公司， 副董事长 1975年，董事长，CEO 1979年，董事会主席，CEO 1987年，董事会主席 之 后，董事会名誉主席

3 Moore's Law Gordon Moore made his famous observation in 1965, just four years after the first planar integrated circuit was discovered. In his original paper, Moore observed an exponential growth in the number of transistors per integrated circuit and predicted that this trend would continue. Through Intel's relentless technology advances, Moore's Law, the doubling of transistors every couple of years, has been maintained, and still holds true today. Intel expects that it will continue at least through the end of this decade. The mission of Intel's technology development team is to continue to break down barriers to Moore's Law.

4 集成芯片的晶体管数、主频及线宽之发展趋势

5 天河一号 每秒2570万亿次

6 80核CPU

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8 m 集成线宽 350 180 nm 65 45 130 >100 90 22 10um >10um

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10 摩尔定律如何继续成立？ IC线宽接近极限？

11 在传统物理学及微电子学中，  0.1 m即100 nm是一个需要跨越的极限 ！  解决之道  纳米电子学  纳米技术。
极限 (Deep ultraviolet Photolithography) 物理极限：物理、化学、电子学性能改变。 例如：铜片——可塑性50倍，导电性，能耗，量 子化、电子波的相干性影响。  解决之道  纳米电子学  纳米技术。

12 2.2 纳米技术及其分支学科 纳米技术（Nanotechnology，简称Nanotech）是一门以现代科技为基础的前沿科学技术，是现代科学（量子力学、分子生物学等）和现代技术（微电子技术、计算机技术、高分辨显微术、核分析术等）相结合的产物，它在0.1～100nm的尺度研究利用原子、分子现象及其结构信息，由此推动现代科技、现代工业生产及人类社会各个重要领域的进步。 21世纪三大关键科技之一 （信息、生物、纳米）

13 新华社杭州2008年2月9日电（记者 张乐）埃科学研究
浙江加州国际纳米技术研究院 浙江大学纳米研究中心 浙江大学微系统中心 浙江大学埃科学研究中心 新华社杭州2008年2月9日电（记者 张乐）埃科学研究 中心近日在浙江大学成立。

14 过去 m mm m mm  m nm 现在 nm  m mm 将来

15  纳米技术的主要分支学科 纳米 技术 纳米 物理学 纳米 化学 纳米 电子学 纳米 生物学 纳米 材料学 纳米 量测学 纳米 光子学
机械学 医学 其他 纳米 电子学 纳米 技术 纳米 生物学 纳米 材料学 纳米 量测学

16 2.3 纳米电子学(Nanoelectronics)
Definition of Nanoelectronics It's a vague definition, it refers to any electronic device that is smaller than one micron. Since the measurement below micro is nanometer, that's where the word comes from.

17  更小：进一步提高集成度，提高存储容量。  更快：实现更高的运算处理速度。
电子学是信息时代经济发展的命脉，微电子技术或半导体技术是当今高技术的核心。 更 快 微电子学的发展方向： 更 小 更 冷  更小：进一步提高集成度，提高存储容量。  更快：实现更高的运算处理速度。  更冷：进一步降低芯片的能耗。

18 英特尔45纳米微处理器晶圆

19 Megabyte Gigabyte Terabyte
近期发展目标 美国国防高等技术研究厅提出，未来的电子器件要比现有的微电子器件：  存储密度：提高5 ～ 100倍。（1012 bit）  运算处理速度：快10～ 100倍。（1012次/秒）  器件的功耗：降低为2%。 即要达到 双“T”（双十二技术） MB, GB, TB Megabyte Gigabyte Terabyte

20  微电子领域的两次飞跃 第一次飞跃： 真空电子管  晶体管。 第二次飞跃： 导线连接电路  集成电路。 第三次飞跃：
微电子技术  纳电子技术。 How 第三次飞跃：更小、更快、更冷 ？ 集成线宽必须 < 100 nm

21  常用芯片的刻蚀法技术参数 刻蚀方法 刻蚀精度 芯片刻蚀速度 深紫外光刻 (Photo-lithography) 100 nm 
1～ 5 min X射线刻蚀 50 nm （真空 ）2 min 电子束刻蚀 10 nm 24 hr  20/60

22 问题：技术极限— 刻蚀加工技术限制。 物理极限— 物理规律限制。如逻辑“门” 解决方法？ 纳米电子学

23 纳电子器件工作电流仅需1～10个电子，功耗 
 纳米电子学的研究内容 纳米结构的纳米加工技术；具有量子效应的纳米电子器件的开发。包括： – 单电子晶体管 – 单原子/单电子存储器 – 单原子开关 – 零维量子点（quantum dot） – 一维量子线（quantum wire） – 二维量子阱（quantum well）等等。 纳电子器件工作电流仅需1～10个电子，功耗 

24 现有/预期集成电路制造技术的最小线宽： 台积电——28 nm 三 星——20 nm 英特尔——22 nm（P1207，2011年） 14 nm（P1272，2013年） 10 nm（P1274，2015年） 硅的理论极限10nm

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29 IBM公司—— 9 nm技术(碳纳米管晶体管)

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31  纳电子技术与微电子技术的比较 微电子技术 纳电子技术 理 论 材 料 工 艺 微电子学、半导体 物理 量子效应理论 高纯硅、锗、镓砷
理 论 微电子学、半导体 物理 量子效应理论 材 料 高纯硅、锗、镓砷 有机、无机复合材料 工 艺 光刻、掺杂、分子束 原子操纵、纳米加工

32  纳电子器件实例 量子点（AFM图像）

33 量子栅栏（STM图像）

34 镀金光栅与CNT 纳电子导线 l 碳纳米 管

35 Co-axis Nanowire

36 （Single electron transistor, SET）
单电子晶体管 （Single electron transistor, SET） 将一个微结构用隧道结与金属导线弱连结起来形成的电子器件，它利用单电子隧道效应。其中阴影线部分代表连接库仑岛与金属导线的隧道结。

37 AFM image of a SET

38 1个电子完成“开”和“关”

39 原子继电器 （Atom Relay，日本Y. Wada, 1993） 1014Hz

40 微存储器——光盘CD 浪费严重

41 100万张CD 纳存储器——原子存储器的设想 （a）普通光盘 （b）原子光盘 1 m 0.1 nm

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43 《纳电子学与纳米系统》 ——从晶体管到分子与量子器件 戈瑟 著 西安交通大学出版社(译本)

44 2.4 纳米材料学(Nanomaterial Physics)
在纳米尺度，物质中电子的波动性及原子间作用将受到尺度大小的影响，使物质的性质改变。即使不改变材料的成分，纳米材料的基本性质，如熔点、电学性能、磁学性能、光学性能、力学性能和化学活性都 与传统材料不同。 纳米材料（颗粒）的特性： 不同于 物质宏 观形态  表面效应  小尺寸（体积）效应  宏观量子隧道效应  量子尺寸效应

45 与直径的立方成正比，比表面积（表面积/体积）与 直径成反比。表面原子数 
一、表面效应： 球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，体积 与直径的立方成正比，比表面积（表面积/体积）与 直径成反比。表面原子数   球形颗粒的直径—比表面积与原子数对比 颗粒直径 比表面积 (m2/g) 表面原子/总原子比例 10 nm 90 20％ 5 nm 180 40％ 2 nm 450 80％ 1 nm 900 99％

46 数量1000个,表面积10倍 体积 =  直径减小，比表面积与表面原子数显著增大！ 如纳米TiO2

47 21 粒子直径减少到纳米级，表面原子数、比表面积、表面能都会迅速增加；表面原子有许多悬空键，具有不饱和性质，容易与其它原子相结合，故具有很大的化学活性。

48 二、小尺寸(体积)效应： 特殊的光学性质——金属失色、红外吸收、隐身(消光)
由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应 。 特殊的光学性质——金属失色、红外吸收、隐身(消光) 特殊的热学性质——如大块金熔点1063C  纳米金熔点327C， 大块银熔点670C  纳米银熔点100C。 特殊的磁学性质——磁铁可能变成非磁铁、非磁铁变成磁铁。 特殊的力学性质——如超强度、超硬度，陶瓷可呈现良好塑性。 又如纳米铜的超延展性。 40/60

49 微颗粒磁通量、磁化强度等——宏观量子隧道效应。
三、宏观量子隧道效应： 电子的粒子性、波动性——隧道电流效应。 微颗粒磁通量、磁化强度等——宏观量子隧道效应。 利：SPM的基础，未来微电子、光电子器件的基础； 弊：现存的微电子器件进一步微型化的(物理)极限； 例如，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件或者短路。

50 四、量子尺寸效应： 纳米粒子尺寸下降到一定值时，电子能级由连续能级变为分立能级的现象，这一效应可使纳米粒子具有高的光学非线性、特异催化性和光催化性质等。 如导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现。因此，对超微颗粒在低温条件下必须考虑量子效应，原有宏观规律已不再成立。

51  纳米材料的分类 零维：纳米颗粒与团簇  按 维 数 分 一维：纳米线、纳米棒、纳米管 二维：纳米薄膜、纳米涂层等 纳米金属 纳米晶体
 纳米材料的分类 零维：纳米颗粒与团簇  按 维 数 分 一维：纳米线、纳米棒、纳米管 二维：纳米薄膜、纳米涂层等 纳米金属 纳米晶体  按化学成份分 纳米陶瓷 纳米玻璃 纳米高分子 等

52 纳米半导体材料  按材料物性分 纳米非线性光学材料 纳米铁磁体材料 纳米超导体材料 等 纳米电子材料 纳米光电子材料
纳米磁性材料 纳米半导体材料  按材料物性分 纳米非线性光学材料 纳米铁磁体材料 纳米超导体材料 等 纳米电子材料 纳米光电子材料  按应用领域分 纳米生物医学材料 纳米敏感材料 纳米储能材料 等 例: 薄膜、OLED

53  纳米材料的制备方法  几种典型的纳米材料及其应用 – 物理方法：真空冷凝法、机械球磨法等
 纳米材料的制备方法 – 物理方法：真空冷凝法、机械球磨法等 – 化学方法：气相沉积、化学沉淀、水热、凝胶法等  几种典型的纳米材料及其应用 – 纳米颗粒型材料：如催化剂、磁粉、电极、隐形飞机 – 纳米固体材料：如纳米陶瓷、陶瓷复合材料（如航天 飞机隔热瓦) – 纳米颗粒膜材料：如光传感器、光电池、气体传感器 – 纳米碳管：如碳管微导线、碳管秤、微开关、晶体管 纳米碳管针尖等 45/60

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55 碳纳米管 制备法 直流 放电法 气相 层积法 激光 蒸发法 太阳能 蒸发法 火焰 燃烧法 等离 子体法 水热法 超临界流体法 固相 复分解
其他 激光 蒸发法 碳纳米管 制备法 太阳能 蒸发法 火焰 燃烧法 等离 子体法

56 美国密歇根州立大学教授约翰·哈特制作的纳米奥巴马

57 制作奥巴马头像模板 紫外光刻，在硅片上形成头像 高温化学反应生成碳纳米管 用SEM和AFM扫描成像

58 《纳米材料和纳米结构》 张立德 牟季美 著 北京：科学出版社，2001

59 * 纳米物理学 (Nanophysics) 例：金属的导电性，出现异常的量子输运现象，使器件的微型化受阻，即出现物理极限。 电子波的相干性
在100 nm尺度，新的物理效应出现，传统物理学遇到挑战，需要建立新的纳米物理学体系。 例：金属的导电性，出现异常的量子输运现象，使器件的微型化受阻，即出现物理极限。 电子波的相干性  原因： 纳米颗粒的能量与电荷的量子化 电阻和能耗可观等 导致的结果之一：欧姆定律不成立！ P

60  纳 米 相 铜 的 超 延 展 性 卢柯 师昌绪 22

61 * 纳米机械学 (Nanomechanics)例证
马 达 电 机 纳米马达/电机 详见微纳驱动技术章节

62 2.5 纳米量测学(微纳检测技术) 纳米测量学是纳米技术发展的重要基础，它始终贯穿与纳米技术的所有分支学科中。实际上，纳米技术的诞生正是在STM、AFM和SEM、TEM等微纳检测技术的推动下实现的。纳米测量学既是一门相对独立的学科，不断有新的理论、新的方法和新的技术得到发展，形成了规模巨大的纳米测量技术与仪器产业；同时，纳米测量学作为纳米技术的基础，为纳米技术的其他学科提供了广泛的测试技术、测试手段和测试工具。此外，考虑到纳米测量技术的应用范畴并不仅仅限于纳米尺度，实际上还扩充到微米和亚微米数量级，并在微米和亚微米尺度大量应用。因此，本课程也以“微纳检测技术”来替代“纳米测量技术”的 概念，更为确切。 55/60

63  微纳检测技术的主要分支 其他 LEED 电子 探针 ESCA 其它 SEM TEM 微纳 检测技术 STM AFM SNOM SPM

64 微纳检测技术展示的世界

65 原子表面的日出

66 分 子 算 盘

67 G. Binnig致江泽民书信摘录 许多人认为纳米科技仅仅是遥远的未来基础科学的事情，而没有什么实际意义。但我确信纳米科技已经具有与150年前微米科技所具有的希望和重要意义。150年前，微米成为新的精度标准，并成为工业革命的技术基础，最早和最好学会并使用微米技术的国家都在工业发展中占据了巨大的优势。同样，未来的技术将属于那些明智地接受纳米作为新标准、并首先学习和使用它的国家。不幸的是，目前对这一新领域持保留和怀疑态度的还大有人在。我们应当记住，微米曾同样地被认为对使用牛耕地的农民无关紧要。的确，微米与牛及耕犁毫无关系，但它却改变了耕作方式，带来了拖拉机。

68 纳米技术 又会给我们带来什么？

69 Thank you ! 周一下午13:15~16:40

70 机翼总面积： 平方米 雷达反射面积： 0.01 平方米 最大起飞重量： 吨 内部武器重量： 吨 最大飞行速度： 马赫 最大作战半径： 千米

71 — 牛顿力学 （23岁） — 麦克斯韦方程 （15岁第一篇论文） — 狄拉克方程 （量子力学大师） — 薛定谔方程 （6篇论文）
 物理学的五大方程： — 牛顿力学 （23岁） — 麦克斯韦方程 （15岁第一篇论文） — 狄拉克方程 （量子力学大师） — 薛定谔方程 （6篇论文） — 爱因斯坦相对论

72 起飞重量：13.85 吨 最大速度：2.2 马赫 实用升限：20500 米

73 纳 米 颗 粒 的 AFM 图 像

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77 纳米多孔氧化铝的SEM图像

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