纳米材料与纳米光电子器件-UG

1纳米材料与纳米光电子器件孙小松Mobilphone:13678017336e-mail:[e-mail]材料科学与工程学院2FAQ：物体的颜色发光体：物体的温度不发光体(透明体、不透明体)：吸收和反射??????细小的水珠、云霭超微粉体/超结构材料3自然界中五彩斑斓的颜色世界：我们身边的纳米世界4科学家的研究兴趣:茫茫宇宙:从哪里来到哪里去5科学家的研究兴趣毫厘之间的科学6•科学家研究的兴趣–宏观大尺寸物体或系统•宇宙：一百亿光年的范围–9×1025m：现有望远镜观察的最远距离–了解宇宙的变迁–微观的小尺寸物体或系统•原子及原子的结构–1×109m：现有显微镜观察的最小离距–了解原子的结构Nano-scienceandtechnology天体物理学纳米科学与技术7纳米科学与技术(nanoscienceandtechnology,NanoST)被认为是21世纪最具有突破性的研究领域。纳米科学与技术将改变几乎每一种人造物体的性能，或开发出现有物质的不为人知的／人们所期待的常规条件下的不具有的性质。纳米晶铜带的超常延展性：5100%纳米晶金属微粒：金属的特有光泽将不复存在纳米碳管：优于金属的超强度，被美国前总统克林顿预言为用于修筑从地球到月亮的天梯的材料纳米材料的特有性质：量子尺寸效应、表面效应、小尺寸效应8Thereisplentyofroomsatthebottom：Canweputtheencyclopediaonthebottomoftheneedle?一个针尖大约是1/15英寸，把它作为直径放大25000倍，放大后的面积与大英百科全书的全部页数相同，因此只要书写时缩小25000倍即可。人眼的分辨率约为1/120英寸，约等于大英百科全书印刷的一个亮/暗点。将它缩小25000倍，约8nm，可排列32个金属原子，以一个印刷点包含1000个原子计，这是可以做到的。纳米材料应用的一个精彩预言1959年费曼9纳米：nanometer，nm，一个长度单位1nm=10–9m纳米材料：材料的尺寸在某个方向上的尺寸为纳米的量级。零维纳米材料：量子点，纳米颗粒一维纳米材料：纳米管、纳米线、纳米棒二维纳米材料：超晶格结构三位纳米材料：纳米颗粒的三维周期性排列量子点纳米管、线、棒超晶格结构10波的传播：自由的转播空间，波长不受限制波的传播：有限的传播空间，波长受到限制，只有一部分波长的波存在并得以传播，导致能量的不连续性11纳米粒子内部电子运动的特征物质的一般特性：波粒二相性德布罗意波的波长：=4hme/p2能量的不连续性：微观粒子的能量：E=n22ħ2/2ma2)()()(222rrrVme波函数(r)描写微观粒子的运动12RdRdV=4R2dRV=R343原子的分布：均匀分布，原子的数量体积表面原子的数量占总原子量的百分比=表面体积占总体积的百分比=dV/V=3dR/R表面层的厚度约为dR~5Å表面原子数与材料尺寸的关系13结论：1.随着材料尺寸的减小，表面原子数占总原子数的比例增加。纳米粒子半径R15Å30Å60Å120Å表面原子/体原子(表比,D)100%50%25%12.5%宏观物体的表比：R~1mm，D1.5×10–62.宏观物体的性质主要由体原子的性质决定，纳米材料的性质主要有表面原子决定。14铜纳米粉/体材料物性的对比镍锰15纳米粉/体材料物性的对比碳的燃烧金属氧化高温和氧环境纳米碳粉的燃烧纳米金属粉氧化常温和氧环境表面性质的巨大差异16纳米材料的制备方法：原理与技术pumpingcatalystgraphitecollector物理气象沉积法制备纳米材料：电弧放电，高熔点物质C6017纳米材料的制备方法：原理与技术物理气象沉积法制备纳米材料：激光蒸发，高熔点物质LaserCollectorThermalcoupleGasoutCoolingwaterGasin18化学气象沉积法制备纳米材料：热丝CVDGasinGasoutHotfilament气相反应物纳米材料的制备方法：原理与技术19化学气象沉积法制备纳米材料：微波CVDGasinGasoutprecursors难分解的物质纳米材料的制备方法：原理与技术substrate20纳米材料的制备方法：化学法原理与技术电化学制备纳米材料：Elec-ChemEtching溶胶-凝胶法制备纳米材料：Sol-GelAPowersupply+PoroussiliconPorousAl2O3化学溶胶化学凝胶高温脱水/去处溶剂固化21纳米材料实验室制备1.CVD法制备ZnO纳米棒：制备原理纳米材料的自组装生长N2N2ZnO-graphiteSiwafers1m硅衬底ZnO纳米线ZnCOAu《半导体光电》2005.8，SUN22N2+NH3GasoutAucoatedSiwafersGalliumN2Ammonia2．CVD法制备GaN纳米棒：制备原理、自组装生长的纳米材料AuparticleSisubstrate(a)Au-GaalloySisubstrateGa(c)GaGaGaSisubstrateGaNNH3GaAu-Gaalloy(d)NH3GaZ.Yu,Z.M.Yang,S.Wang,Y.Jin,J.G.Liu,M.Gong,X.S.SUN,ChemicalVaporDeposition2005,11,433纳米材料实验室制备233．CVD法制备碳纳米管：制备原理、自组装生长的纳米材料ArArExcimerlasercollector纳米材料实验室制备244.PVD法制备硅纳米线：制备原理、自组装生长的纳米材料ArArExcimerlasercollectorA.M.Morales,C.M.Lieber,Science1998,279,208;纳米材料实验室制备255.MBE法制备纳米材料：制备原理、自组装生长的纳米材料可制备的纳米材料：化合物纳米材料ZnO纳米棒TiO2，GaAs纳米材料纳米材料实验室制备266.液相法制备纳米材料：制备原理、自组装生长的纳米材料Modeldescribingthegrowthofself-assembledSiOFeYH.TangetalAdv.Mater.2005纳米材料实验室制备277.液相法制备纳米材料：纳米材料的自组装生长(unpublished)纳米材料实验室制备288.纳米材料的制备：原子级的操控技术，纳米材料的人工装生长纳米材料实验室制备29神奇的纳米世界1A．实验室中的纳米世界：Fe/Cu(111)30神奇的纳米世界1B．实验室中的纳米世界：Fe/Cu(111)F2F1OFe原子Fe原子的像312A．自然界中的纳米世界美丽的孔雀神奇的纳米世界：我们身边的纳米世界322B．自然界中的纳米世界孔雀眼的纳米结构神奇的纳米世界：我们身边的纳米世界33神奇的纳米世界：我们身边的纳米世界34神奇的纳米世界：我们身边的纳米世界35神奇的纳米世界：水上溜冰者36神奇的纳米世界：天生的蝙蝠侠37纳米材料的应用3.功能材料/复合功能材料：碳纤维/纳米碳管384.纳米电子器件设计原理电子器件的基本结构：PN结PN+------++++K电子器件的基本结构：FET结构+-纳米材料的应用395.纳米电子器件雏形+-纳米线纳米材料的应用406.单电子晶体管器件雏形电极电极绝缘层电极电极––~~~~+e–e电极电极电极电极e–2e+2–2e+2e––~~~~IIIIII–––~~~~~~纳米材料的应用417.纳米器件雏形纳米材料的应用纳米存储器与DNA开关原理纳米传动机械原理纳米微振荡装置42•纳米洗衣机•纳米冰箱•纳米布料纳米材料??纳米材料的应用43科学发现的偶然性与必然性1．碘的发现：法国化学家库特瓦(Courtois,B.1777-1838)在燃烧海藻的灰烬中发现了碘。2．溴的发现：想当然李比希和认真的巴拉尔。法国化学家巴拉尔(Balard,A.J.1802-1876)在燃烧海藻的灰烬中发现了溴(Br)。3．一代巨匠：德国化学家李比希(Liebig,U.1803-1873)染料化学和染料工业奠定基础的霍夫曼、发现卤代烷和金属钠作用制备烃的武慈、提出苯环状结构学说为有机结构理论奠定坚实基础而被誉为“化学建筑师”的凯库勒，以及被门捷列夫誉为“俄国化学家之父”的沃斯克列先斯基等。化学教育模式。44S.Iijima教授的遗憾1976年，在美国西北大学做博士后的S.Ijima…无法解释的结构45C60的发现1985年柯尔、斯莫利和克罗托46C60的发现+柯尔、斯莫利和克罗托在研究石墨电极电弧放电的产物时……47碳纳米管的发现1991年，日本NEC公司的饭岛(S.Iijima)教授用高分辨电镜研究石墨棒放电所形成的阴极沉积物时[1]，发现了直径为4-30nm，长度约为几十微米的碳纳米管，并证明碳纳米管中的石墨层可以因卷曲方式不同而具有手性。S.Ijima,Nature,1991,354,5648小结跟踪外国人学，不如学习自然纳米材料的研究方兴未艾，纳米材料的制备与应用技术层出不穷。纳米材料：材料的某一个方向的尺度在纳米的量级(~109m)纳米材料的应用：各种新型电子、光电子器件，结构材料性能改性参考书：纳米材料和纳米结构（张立德，牟季美）纳米材料和器件（朱静）纳米材料制备技术（王世敏、许祖勋、傅晶）