【基础学科】我国"纳米电子学基础研究"取得重要进展
以微电子器件为基础的计算机和自动化电器进入社会的各个领域,成为发达国家的主要经济支柱之一。微电子器件发展的小型化趋势引导人们关注纳米科技;这是由于当电子功能元件尺寸小到纳米量级时,器件的运行机理、加工技术和材料与微电子器件有很大的不同,有着丰富的理论研究内容;同时纳米电子器件的诱人应用前景,被发达国家和国际大公司所重视。多年来,国家自然科学基金委一直重视并多渠道优先支持纳米科技,特别是纳米电子学的研究。在国家自然科学基金连续资助下,北京大学等单位的研究人员在有关纳米电子器件的材料、结构和机理研究等方面做出可喜成果。1997年9月北京大学利用综合学科优势,抓住科学发展机遇,成立"北京大学纳米科学与技术中心"。该中心设立纳米电子学、纳米化学、纳米生物学等五个研究室,著名科学家师昌绪院士任学术委员会主任,吴全德院士任中心主任。该中心目前承担以信息科学部为主立项的国家自然科学基金委跨科学部重大项目"纳米电子学基础研究"等多项基金项目的研究任务。
目前研究纳米电子器件有两条途径:一是微电子器件尺寸逐渐小下去的方法,称为自上而下路线;二是利用有机/无机分子组装功能器件,称为自下而上路线。该中心的研究侧重于后者。考虑到计算机主要结构分为动态随机处理器和永久存储器,该中心的基础研究包含两个方面:一是单电子现象和单电子功能器件结构;二是超高密度数字存储。近两年在国家自然科学基金的资助下取得重要进展。
单电子现象是纳米电子器件的基本特征。探索如何改进电子器件结构、抑制环境电磁参量、组装设计新型结构等成为室温下检测单电子现象的重要基本问题。纳米化学研究室刘忠范教授课题组进行了创新性研究,首次以双功能分子自组装膜为基础,用疏基为主的双官能团分子,成功地在金(Au)膜表面组装金纳米粒子;对硫化镉(CdS)纳米粒子的耦联层由双疏基分子已二硫醇在金表面形成自组装膜,成功地构造了"单分子隧道结/纳米岛"结构。不仅将Au、CdS纳米粒子组装在站立于基底的线状分子上,而且还可组装到扫描探针显微镜的针尖上。在此技术基础上,对所用分子材料、纳米粒子尺寸与单电子现象进行了系统研究;用多种结构重复测量了室温单电子现象。在进一步组装二维阵列结构中,系统地研究了室温库仑阻塞台阶效应。该项研究达到国际领先水平,为系统地检测、表征纳米材料和器件特性,建立了有特色的纳米加工技术、局域光电测量表征技术,开创针尖化学理论和实验研究的新方向,研究成果引起国内外同行的关注。
在室温测量单电子特性方面,纳米电子学研究室薛增泉教授课题组取得重要进展。为了实现室温测量单电子特性,尽量减小环境参量的影响,一种可能的方法是将所研究的结构与基底取竖直状态。北大顾镇南教授课题组在多年碳富勒烯研究的基础上,进一步研究了碳纳米管的制备、结构和特性,掌握了有效制造和提纯单壁碳纳米管技术,目前纯度达到90%。与纳米电子学研究室薛增泉教授课题组合作,把单壁碳纳米管分离、将切割制得的短单壁碳纳米管组装到晶态金薄膜表面,实现了单壁碳纳米管分离地站立在金膜表面。用扫描隧道显微镜观测了直径为1.4nm,高约12nm碳纳米管站立在金膜表面的二维像、三维像并测量了纳米管尺寸分布和电流分布。
组装分离的单壁碳纳米管技术,对开展碳纳米管的结构和特性的基础研究、应用开发有重大意义,他们做了如下工作:(1)制造扫描探针显微镜的针尖。首次将单壁碳纳米管组装到扫描隧道显微镜针尖上,得到了金薄膜晶粒大景深像和高定向石墨原子分辨像。(2)研究碳纳米管的电学特性。纳米导线具有显著的非线性和量子效应,通常输运的是有限个电子,这些都是研制纳米电子器件的基础。组装在STM针尖上的单壁碳纳米管,可以在与基底垂直方向上进行测量,显著地减小了环境的影响,提高测量温度。将组装在金膜上的单壁碳纳米管室温下测得了具有量子特性的I-V曲线。(3)场电子显微镜(FEM)样品。用场电子显微镜研究了单壁碳纳米管的电子发射,显示了令人惊奇的纳米管开口端碳原子的排布结构,这是首次观测到的具有原子分辨能力的场电子发射像。在组装单壁碳纳米管的基础上,可以开展高亮度相干电子源,高效场发射电子源,极高分辨率的显示器件等有新应用前景的器件研究。在此基础上还可研制光电器件、存储器件以及构成未来纳米集成电路的各种新型器件。从最基本的单壁碳纳米管切入,开展纳米电子学研究可能是纳米科技发展的重要途径。
当存储信号的斑点为10纳米时,其存储密度为1012bits/cm2,称其为超高密度,比目前市场上的商品高4个量级。纳米电子器件的材料将是有限个原子构成的人造材料。为进行新型功能材料的研究,北京大学与中科院北京真空物理实验室的研究人员设计加工了装配有飞行时间质谱仪离子团束沉积系统。有机高分子功能材料多是陈慧英教授指导下的课题组设计、合成的;制膜和数据写读是由纳米电子学研究室和真空物理实验室课题组完成的;通过交叉学科的多年卓有成效的合作研究,有关超高密度信息存储薄膜的研究工作,得到了国内外同行专家的好评。在制备C60-TCNQ复合薄膜时,发现薄膜形成的初期结构像"海马",荷电粒子的存在是海马分形的重要因素,并在此基础上提出了荷电粒子作用模型。此成果1995年被美国材料研究学会(MRS)学报编辑评选为重要进展。后来与美国橡树岭国家实验室合作研究计算模拟,于1998年美国春季物理年会上做了邀请报告。关于超高密度信息存储,信号写入点达到了1.3纳米,是当时国际上的最好水平,此成果被我国两院院士评为1997年我国十大科技进展之一。1998年的研究又有新进展,稳定的写入斑点小于1纳米:1998年12月该项研究应邀在新加坡召开的表面和界面分析的国际学术会议上做邀请报告;关于新型超高密度存储研究又在1999年9月召开的亚澳真空与表面分析国际学术会议作"有机薄膜超高密度数据存储"报告。关于超高密度信息存储薄膜的研究较早被国际同行关注,1996年应美国东北大学化学工程中心主任D.L.Wise邀请,与国际上该领域最优秀的学者一道撰写各自最新研究成果,出版专著。陈慧英、高鸿钧和薛增泉执笔写三章,内容是"新型光学非线性和电学功能聚合物","用离子团束制备新型有机电子器件","超高密度数据存储的有机复合薄膜"。
在纳米电子学研究的两个基本方面:室温单电子器件和超高密度信息薄膜研究都达到国际领先水平。 研究纳米电子器件,用它组建未来的计算机和自动器,成为未来科技和经济的重要基础,具有不可估量的科学意义。在这个领域中的研究,大家都处在同一起跑线上,抓住机遇,努力奋斗,有希望做出处于国际先进水平的研究工作。
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