了得網工業技術_一維納米電子技術

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當材料體繫的尺寸進入納米量級以後，會呈現出許多相異於體材料的新穎電學、光學、化學、力學與磁學性質，這使得它們在電子、光電子、數據存儲、通信、生物、醫學、能源、交通與國家安全等領域具有潛在的重要應用。一維納米電子技術就是納米科學技術中的重要分支，其在電子、光電子、數據存儲、通信、生物、醫學、能源、交通與國家安全等領域有重要應用價值，具有很好的發展前景。本書是目前國內一本全面介紹一維納米電子技術的專著！

內容簡介

一維納米電子技術是納米科學技術中的重要分支，其在電子、光電子、數據存儲、通信、生物、醫學、能源、交通與國家安全等領域有重要應用價值，具有很好的發展前景。
本書全面、繫統地介紹了各種納米線的制備方法，納米線的生長機制，納米線的形貌特征與可控生長，納米線的電子性質，以及納米線場效應器件、納米線場發射器件、納米線傳感器件、納米線發光器件、納米線光伏器件、納米線太陽電池等*應用技術、現狀及其研究進展。
本書可供從事納米科學技術領域研究與開發的科技工作者，以及納米半導體技術、納米光電子技術和光伏器件制作的科技工作者和技術人員參考，同時可作為高等學校相關專業教師、研究生和本科生的教學參考用書。

第1章緒論1

1.1納米線的研究興起1

1.2納米線的材料類型2

1.3納米線的器件應用4

參考文獻5

第2章納米線的制備方法7

2.1納米線的氣相生長法7
第1章緒論1

1.1納米線的研究興起1

1.2納米線的材料類型2

1.3納米線的器件應用4

參考文獻5

第2章納米線的制備方法7

2.1納米線的氣相生長法7

2.1.1納米線的金屬催化VLS生長7

2.1.2納米線的金屬催化VS生長10

2.2納米線的溶液合成法13

2.2.1基於模板的溶液合成13

2.2.2無模板的溶液合成16

2.3納米線的固相生長法18

2.3.1納米線的氧化物輔助生長18

2.3.2納米線的SLS生長19

2.4納米線的宏量制備方法20

2.4.1熱絲化學氣相沉積法20

2.4.2超臨界流體法21

2.4.3等離子體直接氧化法22

參考文獻22

第3章納米線的生長機制24

3.1納米線的金屬催化VLS生長過程24

3.2納米線的VLS生長熱力學25

3.2.1VLS生長中的過飽和現像25

3.2.2從金屬合金液滴成核26

3.2.3過飽和極限的熱力學估計27

3.2.4繫統的相圖28

3.2.5納米線生長中的界面能作用29

3.3納米線的VLS生長動力學30

3.3.1VLS平衡動力學描述30

3.3.2直接踫撞在生長動力學中的作用31

3.3.3表面擴散在生長動力學中的作用33

3.3.4表面擴散在金屬液滴中的作用34

參考文獻35

第4章納米線的形貌特征與可控生長36

4.1納米線形貌特征與生長工藝之間相關性的唯像描述36

4.1.1金屬催化劑的影響36

4.1.2生長速率的影響37

4.1.3環境氣壓的影響38

4.2具有各種形貌特征的納米線39

4.2.1垂直排列納米線39

4.2.2交叉網絡納米線39

4.2.3絮狀纏繞納米線41

4.2.4分支分叉納米線42

4.3納米線的可控生長43

4.3.1納米線生長方向的控制44

4.3.2納米線生長直徑的控制45

4.3.3納米線生長長度的控制46

4.3.4納米線生長形貌的控制47

參考文獻48

第5章納米線的電子性質51

5.1納米線中的電子狀態51

5.1.1矩形截面納米線的電子能量51

5.1.2圓形截面納米線的電子能量52

5.1.3納米線的態密度52

5.2電子結構的性原理計算54

5.2.1性原理的計算優勢54

5.2.2性原理的計算方法54

5.3Si納米線的電子性質55

5.3.1單晶Si納米線的電子性質55

5.3.2H原子飽和Si納米線的電子性質56

5.3.3價鍵弛豫Si納米線的電子性質57

5.4Ge納米線的電子性質58

5.4.1單晶Ge納米線的電子性質58

5.4.2應變調制Ge納米線的電子結構60

5.4.3Ge(112)納米線的電子性質61

5.5GaN納米線的電子性質62

5.5.1(0001)GaN納米線的電子性質62

5.5.2具有Ga和N空位GaN納米線的電子性質63

5.5.3H原子終端(0001)GaN納米線的電子性質66

5.6ZnO納米線的電子性質66

5.6.1ZnO納米線與納米管的電子性質66

5.6.2摻雜ZnO納米線的電子性質67

5.6.3具有O空位ZnO納米線的電子性質69

5.7TiO2納米線的電子性質70

參考文獻71

第6章納米線場效應器件73

6.1NWFET中的載流子輸運73

6.1.1NWFET的場效應遷移率73

6.1.2NWFET的單電子輸運75

6.1.3NWFET的噪聲特性77

6.2NWFET的工作原理79

6.2.1NWFET的性能特點79

6.2.2NWFET的溝道電勢分布79

6.2.3NWFET的亞閾值斜率80

6.3NWFET的轉移特性81

6.3.1場效應晶體管的轉移特性81

6.3.2隧穿NWFET的轉移特性82

6.3.3多柵NWFET的轉移特性85

6.3.4肖特基勢壘NWFET的轉移特性87

6.4NWFET的器件應用89

6.4.1NWFET存儲器89

6.4.2NWFET探測器90

6.4.3NWFET傳感器92

6.5SiNWFET的器件集成93

參考文獻94

第7章納米線場發射器件97

7.1場發射的基本原理97

7.1.1場發射電子源97

7.1.2場發射電流98

7.1.3電子發射的功函數98

7.2Si與Si化物納米線的場發射特性99

7.2.1Si納米線的場發射99

7.2.2Si化物納米線的場發射102

7.3ZnO與GaN納米線的場發射特性105

7.3.1ZnO納米線的場發射105

7.3.2GaN納米線的場發射108

7.4金屬與金屬氧化物納米線的場發射特性109

7.4.1金屬納米線的場發射109

7.4.2金屬氧化物納米線的場發射112

參考文獻116

第8章納米線傳感器件120

8.1納米線傳感器的靈敏度120

8.2納米線化學傳感器122

8.2.1納米線H2傳感器122

8.2.2納米線O2傳感器126

8.2.3納米線CO傳感器128

8.2.4納米線NO2傳感器129

8.2.5納米線其他化學傳感器132

8.3納米線生物傳感器135

8.3.1Si納米線DNA傳感器135

8.3.2納米線病毒傳感器135

8.3.3納米線其他生物傳感器136

參考文獻137

第9章納米線發光器件141

9.1光學區域的電磁波譜141

9.2LED的工作原理與性能參數142

9.2.1LED的工作原理142

9.2.2LED的特性參數143

9.3GaN和ZnO材料的物理性質145

9.3.1GaN的物理性質145

9.3.2ZnO的物理性質145

9.4InGaN/GaN納米線發光器件146

9.4.1InGaN/GaN納米線白光LED146

9.4.2InGaN/GaN納米線綠光LED148

9.4.3InGaN/GaN納米線藍紫光LED149

9.4.4GaN納米線激光器150

9.5ZnO納米線發光器件152

9.5.1ZnO納米線LED152

9.5.2ZnO納米線激光器155

9.5.3ZnO納米線光探測器155

9.6GaAs納米線發光器件157

參考文獻157

第10章納米線光伏器件161

10.1太陽電池的光伏參數161

10.1.1短路電流密度162

10.1.2開路電壓162

10.1.3填充因子162

10.1.4轉換效率162

10.1.5載流子收集效率163

10.2納米線的光伏特性163

10.2.1高效能量轉換性能163

10.2.2低反射率特性163

10.2.3直線電子輸運性質164

10.3Si納米線太陽電池164

10.3.1Si納米線的低反射率特性164

10.3.2Si納米線徑向pn結太陽電池165

10.3.3大面積Si納米線pn結太陽電池168

10.3.4Si納米線/聚合物混合太陽電池170

10.3.5Si納米線/肖特基結太陽電池172

10.4ZnO納米線太陽電池173

10.4.1ZnO納米線混合異質結太陽電池173

10.4.2ZnO納米線染料敏化太陽電池175

10.5TiO2納米線染料敏化太陽電池178

10.5.1有序單晶TiO2納米線染料敏化太陽電池178

10.5.2復合結構TiO2納米線染料敏化太陽電池180

10.6InP納米線太陽電池182

參考文獻183

中英文名詞對照表187

前言

發端於20世紀末的納米科學技術，歷經20年的蓬勃發展，已經取得了令世人矚目的成就。如同20世紀60年代崛起的信息科學技術一樣，納米科學與技術不僅有力地促進了當代科學技術的迅速發展，而且正在深刻地改變著人們的社會生活面貌。毫無疑問，隨著時間的不斷推移，它對科技進步和社會變革所產生的深遠影響將會進一步凸顯出來。

我們知道，當材料體繫的尺寸進入納米量級以後，會呈現出許多相異於體材料的新穎電學、光學、化學、力學與磁學性質，這使得它們在電子、光電子、數據存儲、通信、生物、醫學、能源、交通與國家安全等領域具有潛在的重要價值。發展納米科學技術的目的，就是通過對納米尺度物質的操縱，獲得具有各類物理與化學功能的材料、器件、裝置與繫統，並使其造福於人類。
發端於20世紀末的納米科學技術，歷經20年的蓬勃發展，已經取得了令世人矚目的成就。如同20世紀60年代崛起的信息科學技術一樣，納米科學與技術不僅有力地促進了當代科學技術的迅速發展，而且正在深刻地改變著人們的社會生活面貌。毫無疑問，隨著時間的不斷推移，它對科技進步和社會變革所產生的深遠影響將會進一步凸顯出來。

我們知道，當材料體繫的尺寸進入納米量級以後，會呈現出許多相異於體材料的新穎電學、光學、化學、力學與磁學性質，這使得它們在電子、光電子、數據存儲、通信、生物、醫學、能源、交通與國家安全等領域具有潛在的重要價值。發展納米科學技術的目的，就是通過對納米尺度物質的操縱，獲得具有各類物理與化學功能的材料、器件、裝置與繫統，並使其造福於人類。

納米電子學或納米電子技術是納米科學技術的一個重要側面，旨在研究各類納米結構與材料的制備方法、物理與化學性質及其在各種納米器件中的應用。這些器件主要包括以單電子器件、量子點器件、單光子器件等為主的低維量子器件。而一維納米電子技術則是研究各類一維納米材料與結構，如納米線、納米棒、納米帶、納米管的制備生長及其在納米電子器件與納米光電子器件中應用。這些器件主要包括：納米線場效應器件、納米線場發射器件、納米線傳感器件、納米線發光器件以及納米線光伏器件等。

我國的納米科學技術是與國際同步發展起來的。我國政府與科技界，從一開始就充分認識到發展納米科學技術的重

要性，相繼啟動了多項與納米技術相關的重大研究計劃，並取得了具有國際領先水平的原創性成果。但是，由於整體實力還較弱，因此在納米電子技術研究方面與世界先進水平相比仍有較大差距。

為了提升我國在一維納米電子技術方面的研究與發展水平，我們依據自己近年在這方面的一些研究成果，並參考了國內外新文獻編寫了此書。全書共由10章組成：第1章簡要介紹了納米線的研究興起、材料類型和器件應用；第2章主要介紹了基於金屬催化的納米線氣相沉積生長和基於模板的納米線溶液合成；第3章從動力學和熱力學角度出發，分析並討論了納米線的生長與合成機制；第4章主要介紹了各類納米線的形貌特征與可控生長；第5章主要介紹了Si、Ge、GaN、ZnO及TiO2納米線的電子性質；第6~10章分門別類地介紹了各種納米線器件的工作原理與器件性能，如納米線場效應器件、納米線場發射器件、納米線化學傳感器、納米線發光器件以及納米線太陽電池等。

碳納米管也是一類重要的一維納米材料。鋻於它的制備方法與器件應用的研究已有專門書籍進行了具體介紹，本書將不再涉及與討論。

由於時間緊迫，書中不妥之處在所難免，懇請同行、專家批評指正。

編著者

2015年5月

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