納米材料在微電領(lǐng)域應(yīng)用技術(shù)

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1、納米材料在微電領(lǐng)域的應(yīng)用摘要：納米電子學(xué)是納米技術(shù)的重要組成部分,其主要思想是基于納米粒子的量子效應(yīng)來(lái)設(shè)計(jì)并制備納米量子器件。它包括納米有序(無(wú)序）陣列體系、納米微粒與微孔固體組裝體系、納米超結(jié)構(gòu)組裝體系。納米電子學(xué)的最終目標(biāo)是將集成電路進(jìn)一步減小，研制出由單原子或單分子構(gòu)成的在室溫能使用的各種器件。目前，利用納米電子學(xué)已經(jīng)研制成功各種納米器件。并且具有奇特性能的碳納米管的研制成功為納米電子學(xué)的發(fā)展起到了關(guān)鍵作用。本文從納米材料的基本特性到納米電子材料的原理與應(yīng)用做了介紹，著重介紹了碳納米管在微電領(lǐng)域的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：納米材料；碳納米管；電子陶瓷；微電子1、納米材料的基本

2、特性1.1小尺寸效應(yīng)當(dāng)超細(xì)微粒的尺寸與光波波長(zhǎng)、德布羅意波長(zhǎng)以及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，晶體周期性的邊界條件將被破壞；非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面層附近原子密度減小了，導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱、力學(xué)等特性呈現(xiàn)新的小尺寸效應(yīng)。1.2表面效應(yīng)納米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相當(dāng)大的比例。1.3量子尺寸效應(yīng)當(dāng)粒子尺寸下降到某一值時(shí)，金屬費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)的現(xiàn)象和納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道能級(jí)，能隙變寬現(xiàn)象均稱為量子尺寸效應(yīng)。這會(huì)導(dǎo)致納米微粒磁、光、聲、熱、電以及超導(dǎo)電性與宏觀特

3、性有著顯著的不同。1.4量子隧道效應(yīng)8/8微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力稱為隧道效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)、隧道效應(yīng)將會(huì)是未來(lái)微電子器件的基礎(chǔ)，或者它確立了現(xiàn)存微電子器件中進(jìn)一步微型化的極限。2、納米電子材料的特殊電性能2.1電導(dǎo)、電阻是常規(guī)金屬和合金材料的兩個(gè)重要的性能。納米材料的出現(xiàn)，使人們對(duì)電導(dǎo)（電阻）的研究又進(jìn)入了一個(gè)新的層次。目前對(duì)納米材料電導(dǎo)（電阻）的研究尚處于初始階段。Gleiter等對(duì)納米金屬Cu、Pd、Fe塊體的電阻與溫度關(guān)系，電阻溫度系數(shù)與顆粒尺寸的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，上述三種納米晶材料的晶粒尺寸都在6~25nm。納米Pd試樣的總金屬雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.5%，氧

4、的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%~1%，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)約1%。納米Cu和Fe中孔洞率為1%~10%，而納米Pd晶體只含有很少的孔洞（小于0.1%）。圖1示出了不同晶粒尺寸Pd塊體的比電阻與測(cè)量溫度的關(guān)系（圖中黑方塊、黑三角、叉號(hào)、十字和白方塊分別代表10nm、12nm、13nm、25nm和粗晶），由圖中可看出，納米Pd塊體的比電阻隨粒徑的減小而增加，所有尺寸（10~25nm）的納米晶Pd試樣比電阻比常規(guī)材料的高，同時(shí)還可看出，比電阻隨溫度的上升而上升。圖2示出了納米晶Pd塊體的直流電阻溫度系數(shù)隨粒徑的變化，很明顯，隨顆粒尺寸減小，電阻溫度系數(shù)下降。由上述結(jié)果可以認(rèn)為納米金屬和合金材料的

5、電阻隨溫度變化的規(guī)律與常規(guī)粗晶基本相似，其差別在于納米材料的電阻高于常規(guī)材料，電阻溫度系數(shù)強(qiáng)烈依賴于晶粒尺寸。當(dāng)顆粒小于某一臨界尺寸（電子平均自由程）時(shí)，電阻溫度系數(shù)可能由正變負(fù)。例如，Ag粒徑和構(gòu)成粒子的晶粒直徑分別減小至等于或小于18nm和11nm時(shí)，室溫以下的電阻隨溫度上升呈線性下降，即電阻溫度系數(shù)由正變負(fù)如圖3所示，而常規(guī)金屬與合金為正值，即電阻和電阻率與溫度的關(guān)系滿足Matthissen關(guān)系：2.2介電和介電特性是材料的基本特性之一。納米半導(dǎo)體的介電行為（介電常數(shù)、介電損耗）及壓電特性同常規(guī)的半導(dǎo)體材料有很大不同，概括起來(lái)主要有以下幾點(diǎn)：8/82.2.1納米半

6、導(dǎo)體材料的介電常數(shù)隨測(cè)量頻率的減小呈明顯上升趨勢(shì)，而相應(yīng)的常規(guī)半導(dǎo)體材料的介電常數(shù)較低，在低頻范圍內(nèi)上升趨勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于納米半導(dǎo)體材料8/82.2.2在低頻范圍中，納米半導(dǎo)體材料的介電常數(shù)呈現(xiàn)尺寸效應(yīng)，即粒徑很小，其介電常數(shù)較低，隨粒徑增大，介電常數(shù)先增加然后下降，在某一臨界尺寸呈極大值；2.2.3介電常數(shù)溫度譜及介電常數(shù)損耗譜特征：納米TiO2半導(dǎo)體的介電常數(shù)溫度譜上存在一個(gè)峰，而在其相應(yīng)的介電常數(shù)損耗譜上呈現(xiàn)一損耗峰。一般認(rèn)為前者是由于離子轉(zhuǎn)向極化造成的，而后者是由于離子弛豫極化造成的；2.2.4壓電特性：對(duì)某些納米半導(dǎo)體而言，其界面存在大量的懸鍵，導(dǎo)致其界面電荷分布發(fā)

7、生變化，形成局域電偶極矩。若受外加壓力使偶極矩取向分布等發(fā)生變化，在宏觀上產(chǎn)生電荷積累，從而產(chǎn)生強(qiáng)的壓電效應(yīng)，而相應(yīng)的粗晶半導(dǎo)體材料粒徑可達(dá)微米數(shù)量級(jí)，因此其界面急劇減?。ㄐ∮?.01%），從而導(dǎo)致壓電效應(yīng)消失。3、納米電子陶瓷3.1納米電子陶瓷的分類電子陶瓷是指應(yīng)用于電子技術(shù)領(lǐng)域的各種功能陶瓷，由于電子科學(xué)與技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是向微型化和集成化方向的發(fā)展，對(duì)電子陶瓷的性能要求越來(lái)越高。要滿足這些要求可以從兩個(gè)方面來(lái)考慮：一種方法是研制出新的性能卓越的陶瓷材料，但從電子陶瓷研究周期來(lái)看，這一方法很難立即起作用。8/8另一種方法是對(duì)現(xiàn)有的