纳米材料在微电领域应用技术

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1、纳米材料在微电领域的应用摘要：纳米电子学是纳米技术的重要组成部分,其主要思想是基于纳米粒子的量子效应来设计并制备纳米量子器件。它包括纳米有序(无序）阵列体系、纳米微粒与微孔固体组装体系、纳米超结构组装体系。纳米电子学的最终目标是将集成电路进一步减小，研制出由单原子或单分子构成的在室温能使用的各种器件。目前，利用纳米电子学已经研制成功各种纳米器件。并且具有奇特性能的碳纳米管的研制成功为纳米电子学的发展起到了关键作用。本文从纳米材料的基本特性到纳米电子材料的原理与应用做了介绍，着重介绍了碳纳米管在微电领域的应用。关键词：纳米材料；碳纳米管；电子陶瓷；微电子1、纳米材料的基本

2、特性1.1小尺寸效应当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小了，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应。1.2表面效应纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比例。1.3量子尺寸效应当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。这会导致纳米微粒磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特

3、性有着显著的不同。1.4量子隧道效应8/8微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。量子尺寸效应、隧道效应将会是未来微电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件中进一步微型化的极限。2、纳米电子材料的特殊电性能2.1电导、电阻是常规金属和合金材料的两个重要的性能。纳米材料的出现，使人们对电导（电阻）的研究又进入了一个新的层次。目前对纳米材料电导（电阻）的研究尚处于初始阶段。Gleiter等对纳米金属Cu、Pd、Fe块体的电阻与温度关系，电阻温度系数与颗粒尺寸的关系进行了系统的研究，上述三种纳米晶材料的晶粒尺寸都在6~25nm。纳米Pd试样的总金属杂质质量分数≤0.5%，氧

4、的质量分数为0.3%~1%，碳质量分数约1%。纳米Cu和Fe中孔洞率为1%~10%，而纳米Pd晶体只含有很少的孔洞（小于0.1%）。图1示出了不同晶粒尺寸Pd块体的比电阻与测量温度的关系（图中黑方块、黑三角、叉号、十字和白方块分别代表10nm、12nm、13nm、25nm和粗晶），由图中可看出，纳米Pd块体的比电阻随粒径的减小而增加，所有尺寸（10~25nm）的纳米晶Pd试样比电阻比常规材料的高，同时还可看出，比电阻随温度的上升而上升。图2示出了纳米晶Pd块体的直流电阻温度系数随粒径的变化，很明显，随颗粒尺寸减小，电阻温度系数下降。由上述结果可以认为纳米金属和合金材料的

5、电阻随温度变化的规律与常规粗晶基本相似，其差别在于纳米材料的电阻高于常规材料，电阻温度系数强烈依赖于晶粒尺寸。当颗粒小于某一临界尺寸（电子平均自由程）时，电阻温度系数可能由正变负。例如，Ag粒径和构成粒子的晶粒直径分别减小至等于或小于18nm和11nm时，室温以下的电阻随温度上升呈线性下降，即电阻温度系数由正变负如图3所示，而常规金属与合金为正值，即电阻和电阻率与温度的关系满足Matthissen关系：2.2介电和介电特性是材料的基本特性之一。纳米半导体的介电行为（介电常数、介电损耗）及压电特性同常规的半导体材料有很大不同，概括起来主要有以下几点：8/82.2.1纳米半

6、导体材料的介电常数随测量频率的减小呈明显上升趋势，而相应的常规半导体材料的介电常数较低，在低频范围内上升趋势远远低于纳米半导体材料8/82.2.2在低频范围中，纳米半导体材料的介电常数呈现尺寸效应，即粒径很小，其介电常数较低，随粒径增大，介电常数先增加然后下降，在某一临界尺寸呈极大值；2.2.3介电常数温度谱及介电常数损耗谱特征：纳米TiO2半导体的介电常数温度谱上存在一个峰，而在其相应的介电常数损耗谱上呈现一损耗峰。一般认为前者是由于离子转向极化造成的，而后者是由于离子弛豫极化造成的；2.2.4压电特性：对某些纳米半导体而言，其界面存在大量的悬键，导致其界面电荷分布发

7、生变化，形成局域电偶极矩。若受外加压力使偶极矩取向分布等发生变化，在宏观上产生电荷积累，从而产生强的压电效应，而相应的粗晶半导体材料粒径可达微米数量级，因此其界面急剧减小（小于0.01%），从而导致压电效应消失。3、纳米电子陶瓷3.1纳米电子陶瓷的分类电子陶瓷是指应用于电子技术领域的各种功能陶瓷，由于电子科学与技术的飞速发展，特别是向微型化和集成化方向的发展，对电子陶瓷的性能要求越来越高。要满足这些要求可以从两个方面来考虑：一种方法是研制出新的性能卓越的陶瓷材料，但从电子陶瓷研究周期来看，这一方法很难立即起作用。8/8另一种方法是对现有的