納米科學(xué)和技術(shù)的二次浪潮

1、納米科學(xué)和技術(shù)的二次浪潮納米科學(xué)和技術(shù)的二次浪潮摘要:在過去的十年里納米科學(xué)的首次浪潮澎湃而過。在此期間，國際、國內(nèi)以及香港的學(xué)者已向世人證實(shí)他們可以采用“buildup”或“builddown”的辦法制造大量的納米管、納米線以及納米團(tuán)簇。這些努力已經(jīng)表明，如果納米結(jié)構(gòu)能夠低廉地制造，那我們就會(huì)有更豐碩的收獲。尺度小于20納米的結(jié)構(gòu)會(huì)展現(xiàn)非經(jīng)典的性質(zhì)，這提供給我們一個(gè)用全新的想法來制造功能器件的基礎(chǔ)。在半導(dǎo)體工業(yè)，制造結(jié)構(gòu)尺寸小于70納

2、米器件的能力允許器件的持續(xù)微型化。在下一個(gè)10年中，納米科學(xué)和技術(shù)的另次浪潮將可能來臨。在這個(gè)新時(shí)期，科學(xué)家和工程師需要展示人們對納米結(jié)構(gòu)的期待功能以及證實(shí)他們的進(jìn)一步的潛力，擁有在納米結(jié)構(gòu)實(shí)際器件的尺寸、組份、有序和純度上的良好控制能力將實(shí)現(xiàn)人們期望的功能。在本文中，我們將討論納米科學(xué)和技術(shù)在新時(shí)期里發(fā)展所面對的困難和挑戰(zhàn)。一系列新的方法將被討論。我們還將討論倘若這些困難能夠被克服我們可能會(huì)有的收獲。關(guān)鍵詞：納米科學(xué)納米技術(shù)納米管納米

3、線納米團(tuán)簇半導(dǎo)體NanoscienceNanotechnology–theSecondRevolutionAbstract:Thefirstrevolutionofnanosciencetookplaceinthepast10years.InthisperiodresearchersinChinaHongKongwldwidehavedemonstratedtheabilitytofabricatelargequantitiesofna

4、notubesnanowiresnanoclustersofdifferentmaterialsusingeitherthe“buildup”“builddown”approach.Theseefftshaveshownthatifnanostructurescanbefabricatedinexpensivelytherearemanyrewardstobereaped.Structuressmallerthan20nmexhibit

5、nonclassicalpropertiestheyofferthebasisfentirelydifferentthinkinginmakingdeviceshowdevicesfunction.Theabilitytofabricatestructureswithdimensionlessthan70nmallowthecontinuationofminiaturizationofdevicesinthesemiconductind

6、ustry.Thesecondnanosciencenantechnologyrevolutionwilllikelytakeplaceinthenext10years.Inthisnewperiodscientistsengineerswillneedtoshowthatthepotentialpromiseofnanostructurescanberealized.Therealizationisthefabricationofpr

7、acticaldeviceswithgoodcontrolinsizecompositionderpuritysothatsuchdeviceswilldeliverthepromisedfunctions.Weshalldiscusssomedifficultieschallengesfacedinthisnewperiod.Anumberofalternativeapproacheswillbediscussed.Weshallal

8、sodiscusssomeoftherewardsifthesedifficultiescanbeovercome.“buildup“的優(yōu)點(diǎn)是個(gè)體納米部件的制備成本低以及工藝簡單快捷。有多種方法如氣相合成以及膠體化學(xué)合成可以用來制備納米元件。目前，在國內(nèi)、在香港以及在世界上許多的實(shí)驗(yàn)室里這些方法正在被用來合成不同材料的納米線、納米管以及納米團(tuán)簇。這些努力已經(jīng)證明了這些方法的有效性。這些合成方法的主要缺點(diǎn)是材料純潔度較差、材料成份難以控制

9、以及相當(dāng)大的尺寸和形狀的分布。此外，這些納米結(jié)構(gòu)的合成后工藝再加工相當(dāng)困難。特別是，如何整理和篩選有著窄尺寸分布的納米元件是一個(gè)至關(guān)重要的問題，這一問題迄今仍未有解決。盡管存在如上的困難和問題，“buildup“依然是一種能合成大量納米團(tuán)簇以及納米線、納米管的有效且簡單的方法?？墒沁@些合成的納米結(jié)構(gòu)直到目前為止仍然難以有什么實(shí)際應(yīng)用，這是因?yàn)樗鼈內(nèi)狈?shí)用所苛求的尺寸、組份以及材料純度方面的要求。而且，因?yàn)橥瑯拥脑蛴眠@種方法合成的納米結(jié)

10、構(gòu)的功能性質(zhì)相當(dāng)差。不過上述方法似乎適宜用來制造傳感器件以及生物和化學(xué)探測器，原因是垂直于襯底生長的納米結(jié)構(gòu)適合此類的應(yīng)用要求。“Builddown”方法提供了杰出的材料純度控制，而且它的制造機(jī)理與現(xiàn)代工業(yè)裝置相匹配，換句話說，它是利用廣泛已知的各種外延技術(shù)如分子束外延(MBE)、化學(xué)氣相淀積（MOVCD）等來進(jìn)行器件制造的傳統(tǒng)方法?！癇uilddown”方法的缺點(diǎn)是較高的成本。在“builddown”方法中有幾條不同的技術(shù)路徑來制造納

11、米結(jié)構(gòu)。最簡單的一種，也是最早使用的一種是直接在襯底上刻蝕結(jié)構(gòu)來得到量子點(diǎn)或者量子線。另外一種是包括用離子注入來形成納米結(jié)構(gòu)。這兩種技術(shù)都要求使用開有小尺寸窗口的光刻版。第三種技術(shù)是通過自組裝機(jī)制來制造量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。自組裝方法是在晶格失配的材料中自然生長納米尺度的島。在StranskiKrastanov生長模式中，當(dāng)材料生長到一定厚度后，二維的逐層生長將轉(zhuǎn)換成三維的島狀生長，這時(shí)量子點(diǎn)就會(huì)生成。業(yè)已證明基于自組裝量子點(diǎn)的激光器件具有比量子

12、阱激光器更好的性能。量子點(diǎn)器件的飽和材料增益要比相應(yīng)的量子阱器件大50倍，微分增益也要高3個(gè)量級。閾值電流密度低于100Acm2、室溫輸出功率在瓦特量級（典型的量子阱基激光器的輸出功率是550mW）的連續(xù)波量子點(diǎn)激光器也已經(jīng)報(bào)道。無論是何種材料系統(tǒng)，量子點(diǎn)激光器件都預(yù)期具有低閾值電流密度，這預(yù)示目前還要求在大閾值電流條件下才能激射的寬帶系材料如III組氮化物基激光器還有很大的顯著改善其性能的空間。目前這類器件的性能已經(jīng)接近或達(dá)到商業(yè)化器

13、件所要求的指標(biāo)，預(yù)期量子點(diǎn)基的此類材料激光器將很快在市場上出現(xiàn)。量子點(diǎn)基光電子器件的進(jìn)一步改善主要取決于量子點(diǎn)幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。雖然在生長條件上如襯底溫度、生長元素的分氣壓等的變化能夠在一定程度上控制點(diǎn)的尺寸和密度，自組裝量子點(diǎn)還是典型底表現(xiàn)出在大小、密度及位置上的隨機(jī)變化，其中僅僅是密度可以粗糙地控制。自組裝量子點(diǎn)在尺寸上的漲落導(dǎo)致它們的光發(fā)射的非均勻展寬，因此減弱了使用零維體系制作器件所期望的優(yōu)點(diǎn)。由于量子點(diǎn)尺寸的統(tǒng)計(jì)漲落和位置的隨機(jī)

14、變化，一層含有自組裝量子點(diǎn)材料的光致發(fā)光譜典型地很寬。在豎直疊立的多層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)中這種譜展寬效應(yīng)可以被減弱。如果隔離層足夠薄，豎直疊立的多層量子點(diǎn)可典型地展現(xiàn)出豎直對準(zhǔn)排列，這可以有效地改善量子點(diǎn)的均勻性。然而，當(dāng)隔離層薄的時(shí)候，在一列量子點(diǎn)中存在載流子的耦合，這將失去因使用零維系統(tǒng)而帶來的優(yōu)點(diǎn)。怎樣優(yōu)化量子點(diǎn)的尺寸和隔離層的厚度以便既能獲得好均勻性的量子點(diǎn)又同時(shí)保持載流子能夠限制在量子點(diǎn)的個(gè)體中對于獲得器件的良好性能是至關(guān)重要的。很清