纳米技术考试复习题.docx
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1.晶体管（transistor）的基本工作原理.微电子集成电路中提到的摩尔Moore定律面临哪些物理前技术上的挑战.
2.请举例说明什么是量子限域效应（QuantumConfinement）.
3.请简述三类碳基纳米材料的制备方法和电学输运特性.什么是碳纳米管的手性,其与电学性质有何关联？
4.如何用实验方法测量单分子体系的电导？
5.请简述染料分子,CdS纳米颗粒，Ag纳米粒子的光学行为的不同物理机制.
6.什么是光子晶体？
简述光子晶体和电子晶体的异同之处.
7.普通光学显微镜和近场光学显微镜的工作原理有何不同？
8.举例说明半导体纳米颗粒和贵金属纳米颗粒的应用前景.
9.列举几种纳米材料的气相、液相制备方法，并以一种方法为例简述其方法和原理.
10.简述纳米材料尺寸和形貌的表征方法.
12.简要说明几种纳米材料尺寸表征方法的异同.
13.简述扫描电子显微镜和透射电子显微镜的基本原理和应用.
14.列举几种纳米加工方法及其原理。
15.论述自组装方法的应用前景。
1.晶体管（transistor）的基本工作原理.微电子集成电路中提到的摩尔Moore定律面临哪些物理和技术上的挑战
场效应晶体管（FET）是利用外加电压产生电场作用改变导电沟道的宽窄来控制载流子运动的一种有源器件，在计算机中起非常关键的作用，它既有开关作用，又具备增益的功能，以维持电路中电信号正常的电平。
典型的有机场效应管的结构包括电极（栅极、源极、漏极）、绝缘层、半导体层。
当栅极有一定的电压时，便产生垂直半导体层的电场,在源极和漏极之间的半导体层中形成导电沟道，在一定漏极电压下，源极和漏极之间就有电流通过。
通过调节栅极电压，就可以调节其产生的电场强度，从而影响半导体层中导电沟道宽度和流经源漏极的电流。
芯片上元件的几何尺寸总不可能无限制地缩小下去，这就意味着，总有一天，芯片单位面积上可集成的元件数量会达到极限。
问题只是这一极限是多少，以及何时达到这一极限。
业界已有专家预计，芯片性能的增长速度将在今后几年趋缓。
一般认为，摩尔定律能再适用10年左右。
其制约的因素一是技术，二是经济。
从技术的角度看，随着硅片上线路密度的增加，其复杂性和差错率也将呈指数增长，同时也使全面而彻底的芯片测试几乎成为不可能。
一旦芯片上线条的宽度达到纳米（10-9米）数量级时，相当于只有几个分子的大小，这种情况下材料的物理、化学性能将发生质的变化，致使采用现行工艺的半导体器件不能正常工作，摩尔定律也就要走到它的尽头了。
原理方面：
量子隧穿效应，沟道掺杂原子无序涨落效应，短沟效应，互连延迟，功耗
摩尔定律遇到的挑战：
从技术的角度看，随着硅片上线路密度的增加，其复杂性和差错率也将呈指数增长，同时也使全面而彻底的芯片测试几乎成为不可能。
物理角度，一旦芯片上线条的宽度达到纳米（10-9米）数量级时，相当于只有几个分子的大小，这种情况下材料的物理、化学性能将发生质的变化，热量噪音和噪音许可极限这二个因素将使采用现行工艺的半导体器件不能正常工作。
而晶体管间越来越细的的连线也会影响到晶体管的处理信号能力
2当材料尺度减小到几个纳米时，材料内部电子结构会表现为分立能级,这就是所谓的量子限域效应当量子点的尺寸接近其激子波尔半径时，随着尺寸的减小，其载流子（电子、空穴）的运动将受限，导致动能的增加，原来连续的能带结构变成准分立能级，并且由于动能的增加而使得量子点的有效带隙增加，相应的吸收光谱和荧光光谱发生蓝移，而且尺寸越小，蓝移程度越大，这就是量子限域效应。
例如半导体材料或金属的尺寸降低到纳米尺寸时，特别是小于或者等于该材料的激子玻尔半径时，由大块金属中的能级组成的接近连续的能带此时转化为离散的能级，因此对于半导体材料来说，可以通过改变颗粒的尺度来调整其带隙的大小，从而改变了对某些成本很高的半导体材料的依赖。
3.碳纳米管制备方法主要有：
1电弧放电法2催化裂解法（化学气相沉积法）3激光表击法4其他方法（1.热解聚合物法2.燃烧法3.离子（电子束）辐射法4.固体酸催化法5.微孔模板法6.太阳能法7、辉光放电8固相热解法
碳纳米管的导电性能
碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域兀键，由于共轨效应显著，碳纳米管具有一些特殊的电学性质。
碳纳米管具有良好的导电性能，由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。
理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。
当CNTs的管径大于6nm时，导电性能下降；当管径小于6nm时，CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。
有报道说Huang通过计算认为直径为0.7nm的碳纳米管具有超导性，尽管其超导转变温度只有1.5X10-4K,但是预示着碳纳米管在超导领域的应用前景。
石墨烯制备.1剥离法2化学气相沉积法.3氧化石墨还原法4石墨层间插层剥离法5高温处理SiC法
石墨烯的电学性质
稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。
石墨烯是由碳原子排布在蜂窝状格栅上的单层纯碳材料物质，与所有其他已知材料不同的是，石墨烯的性能不随温度变化，高度稳定，即使被切成1mm宽的元件，导电性也很好。
石墨烯中电子是没有质量的，而且是以恒定的速率移动，石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。
碳纳米管的手性：
碳纳米管分为3类，armchair型（扶手椅型），zigzag型（锯齿形），chiral型（手性型），不同类型可根据一个碳纳米管单胞来解释，碳纳米管有金属性和半导体之分,所有的armchair型都是金属性的，手性和锯齿型纳米管中部分为金属，部分为半导体性的，随半导体纳米管直径的增加带隙变小，在大直径情况下，带隙为零。
4.如何用实验方法测量单分子体系的电导？
（写加粗的就可）
1力学可控劈裂法，将单分子（C6H4s2）化学吸附在两个金电极上，测量结果表明在电压很小时，无电流流过分子，当电压增加时，电导增加并呈现出平台特征
2分子共振隧穿二极管和分子的极化效应制备出分子三极管，实现电流增益作为最小的分子H2分子，实验发现，它能在钳或杷电极之间形成稳定的分子桥，其电导几乎等于单位量子电导，为单通道电子输运过程。
3通过在相互交叉的两个电极的交叉点处形成和消除原子桥实现了量子化电导的原子开作为最小的分子H2分子，实验发现，它能在钳或杷电极之间形成稳定的分子桥，其电导几乎等于单位量子电导，为单通道电子输运过程。
在室温和空气中，这种原子开关可以在小的工作电压下（600mV）以1MHz的频率在“开”与“关”状态之间进行转换，两个电极之间的间隔约为Inm左右。
4胶体法Dadosh等人将含两端带有硫醇基的分子与金胶体按低于1:
10的比例混合在溶液中，先合成由一个分子连着两个金胶体颗粒的二聚体，然后将二聚体颗粒从附带产生的单体和多聚体颗粒中分离出来，再利用静电捕获的方法将其放置在两电极间进行测量
5.请简述染料分子,CdS纳米颗粒,Ag纳米粒子的光学行为的不同物理机制
染料分子的光学行为是分子轨道的高能级至低能级间的电子跃迁，释放出能量以光的形式发射出来;CdS纳米颗粒是半导体材料，其光学行为是导带与价带之间的电子跃迁，电子从高能级的导带底部，在外加电场的作用下，跳进价带顶部的空轨道，多余的能量以光的形式发出;Ag纳米粒子的光学行为是由于粒子尺寸不一样，其发光原理是量子限域效应引起的表面等离子体共振造成的，由于几何效应而使得不同大小的粒子发光颜色不同.
6光子晶体是在一维二维三维方向折射率周期性的改变，长度与可见波长相当，在合成微米尺寸的光子晶体必须有微米尺度的分辨率
光子晶体是指具有光子带隙（PhotonicBand-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG光子晶体结构。
（答案）
光子晶体即光子禁带材料，从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。
与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波…当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构。
能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。
所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。
光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处,原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件,达到控制光子运动的目的。
光子晶体（又称光子禁带材料）的出现，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。
7.光学显微镜的性能还依赖于物镜的分辨率，分辨率即能分辨两点之间的最小距离的能力（0.5um）„分辨率用方表示，5=0.61XA/N.A（人为波长），分辨率与数值孔径成正比，与波长成反比。
增大数值孔径，缩短波长可提高显微镜的分辨率，使目的物的细微结构更清晰可见。
事实上可见光的波长是不可能缩短的，只能靠增大数值孔径来提高分辨率。
当一个亚波长孔径的微小光源，在一物体的近场范围内照射物体时，照射光斑的面积只和孔径的大小有关，与波长无关，这样，在反射光或透射光中，将携带物体亚波长尺寸结构的信息、，通过扫描采集样品各“点”的信号，得到分辨率小于半波长的样品的近场图像。
8.纳米半导体材料：
例如，控制一维纳米材料的各种主要参数，包括新貌，尺寸，化学成分,结构，掺杂，使得其物理化学性质可控，从而显不出独特的光学非线性，光致发光，电学特性，在光开关，光储存，光伏电池，传感器方面有巨大的应用潜力，如，场效应晶体管，发光二极管，纳米激光器，纳米发电机。
将贵金属纳米药物充填于纳米微管中，具有缓释作用。
利用这些特点，国外已有人设想制造顺钳的纳米颗粒，并且将该纳米颗粒填人纳米微管中，如获成功，将使伯族金属抗癌药物的应用取得重大突破。
.3储氢铝、钿具有很强的以金属氢化物形式储氢的能力，纳米伯族金属管有很高的比表面积，是很理想的储氢材料。
4.传感材料纳米微粒对环境中的热、光、湿度和温度极为敏感，因此传感器是纳米颗粒最有前途的应用领域之一。
5光学材料
（1）红外反射膜材料用真空蒸镀法制成的Au、Ag及cu金属薄膜，以及Ag/TiO2制成的多层干涉膜，均为良好的纳米红外反射膜材料。
（2）光转换材料Pd/Y、Pd/La纳米复合膜已成功用作光转换材料。
9气相：
物理气相沉积法（真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜，及分子束外延）、化学气相沉积方法（低压CVD、常压CVD、亚常压CVD、超高真空CVD、等离子体增强CVD、高密度等离子体CVD、快热CVD、金属有机CVD）
液相：
液相俘获法、溶液凝胶法、水热合成法等。
液相俘获方法（Arrestedprecipitation）制备纳米材料是基于成核和生长过程中的控制沉淀技术。
在这一过程中，大量的成核中心在反应溶液激烈的搅拌和混合进程中能被迅速地产生。
根据Oswald熟化理论，在成核之后的生长过程中，尺寸较小的粒子逐渐溶解，而较大的颗粒逐渐长大。
最终，粒子的平均尺寸将随反应时间而增长，同时颗粒的总数将下降。
当粒子尺寸增大后，其溶解性降低。
为了使得纳米粒子能够稳定存在，必须使用特殊的稳定方式。
成核：
晶体的成核过程实际上是新的热力学相的萌发。
成核过程是一个物理过程。
成核通常发生在表面的成核位。
小的悬浮粒子和气泡都可以作为成核位，这种由成核位诱导的成核过程称为异相成核（heterogeneousnucleation）。
而没有成核位诱导的成核过程，我们称之为均相成核（homogeneousnucleation）。
均相成核是自发、随机发生的，但需要介质的过热或过冷条件。
新的相界面的产生需要消耗能量，如果一个正在形成的核太小，那么，形成有序体相所释放出的能量不足以弥补产生这种新表面所消耗的能量时，新核将不会产生。
因此，核的大小必须达到一定的尺寸时，新相才能稳定存在，这一尺寸称为：
临界成核尺寸。
生长：
晶体成核之后，紧接着的过程是生长，生长过程是释放能量的过程。
晶体的生长过程比较复杂，牵扯到热力学和动力学两方面的因素。
10.根据材料颗粒的不同，既可以采用一般的光学显微镜，也可以采用电子显微镜。
光学显微镜测定范围为0.8-150同匹小于0.8|im者必须用电子显微镜观察。
扫描电镜和透射电子显微镜常用于直接观察大小在lnm-5pn范围内的颗粒，适合纳米材料的粒度大小和形貌分析。
根据需要和样品的粒度范围，可依次采用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、扫描隧道电镜（STM）、原子力显微镜（AFM）观测，直观得到单个颗粒的原始粒径及形貌
纳米材料常用的形貌分析方法主要有:
扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）。
扫描电镜和透射电镜形貌分析不仅可以分析纳米粉体材料，还可分析块体材料的形貌。
其提供的信息主要有材料的几何形貌、粉体的分散状态、纳米颗粒的大小、分布、特定形貌区域的元素组成和物相结构
12.简要说明几种纳米材料尺寸表征方法的异同.
透射电镜（结合图象分析仪）法，光子相关谱（PCS）（或称动态光散射），扫描电子显微镜，扫描探针显微镜透射电子微镜法：
透射电镜是一种直观、可靠的绝对尺度测定方法，对于纳米颗粒，它可以观察其大小、形状，还可以根据像的衬度来估计颗粒的厚度，显微镜结合图像分析法还可以选择地进行观测和统计，分门别类给出粒度分布。
如果将颗粒进行包埋、镶嵌和切片减薄制样，还可以对颗粒内部的微观结构作进一步地分析。
因此取样和制样的方法必须规范；而且要对大量的颗粒的粒径进行统计才能得到粒度分布值或平均粒径。
2、光子相关谱法（动态光散射）：
该方法是基于分子热运动效应，悬浮于液体中的微细颗粒都在不停地作布朗运动，其无规律运动的速率与湿度和液体的粘度有关，同时也与颗粒木身的大小有关。
对于大的颗粒其移动相对较慢，而小的颗粒则移动较快。
这种迁移导致颗粒在液体中的扩散，对分散于粘度为n的球形颗粒，彼此之间无交互作用时，它的扩散系数D同粒径X之间的关系满足一关系。
而当一束激光通过稀薄的颗粒悬浮液时，被照射的颗粒将会向四周散射光。
在某一角度下所测散射光的强度和位相将取决于颗粒在光束中的位置以及颗粒与探测器之间的距离。
由于颗粒在液体中不断地作布朗运动，它们的位置随机变动，因而其散射光强度也随时间波动。
颗粒越小，扩散运动越强，散射光强度随即涨落的速率也就越快；反之则相反。
光子相关谱（PCS）法这正是从测量分析这种散射光强的涨落函数中获得颗粒的动态信息，求出颗粒的平移扩散系数而得到颗粒得粒度信息的，所以又称为动态光散射法。
光子相关谱法粒度分析的范围约3nm〜lOOOnm。
测试速度快，对粒度分布集中且颗粒分散好的样品，测量结果重复性好。
该方法缺点是要求样品要处于良好的分散状态，否则测出的是团聚体的粒度大小。
13.A,SEM原理：
扫描电子显微镜的制造是依据电子与物质的相互作用。
当一束高能的人射电子轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征X-射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。
同时，也可产生电子-空穴对、晶格振动（声子）、电子振荡（等离子体）。
原则上讲，利用电子和物质的相互作用，可以获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构、电子结构和内部电场或磁场等等。
扫描电子显微镜正是根据上述不同信息产生的机理，采用不同的信息检测器，使选择检测得以实现。
如对二次电子、背散射电子的采集，可得到有关物质微观形貌的信息;对x射线的采集，可得到物质化学成分的信息。
正因如此，根据不同需求，可制造出功能配置不同的扫描电子显微镜。
SEM应用：
利用扫描电子显微镜可以进行表面样品的成像，利用扫描电子显微镜可以进行样品表面的成份分析
TEM原理：
透射电子显微镜是利用电子的波动性来观察固体材料内部的各种缺陷和直接观察原子结构的仪器。
TEM是把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。
散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可以形成明暗不同的影像。
尽管复杂得多，它在原理上基本模拟了光学显微镜的光路设计，简单化地可将其看成放大倍率高得多的成像仪器。
TEM应用：
透射电子显微镜在材料科学、生物学上应用较多。
由于电子易散射或被物体吸收，故穿透力低，样品的密度、厚度等都会影响到最后的成像质量，必须制备更薄的超薄切片，通常为50〜lOOnm。
所以用透射电子显微镜观察时的样品需要处理得很薄。
常用的方法有：
超薄切片法、冷冻超薄切片法、冷冻蚀刻法、冷冻断裂法等。
对于液体样品，通常是滴在预处理过的铜网上进行观察。
141.1.1电子束光刻
电子束光刻具有极高的分辨率，甚至可以达到原子量级，由电子束曝光制作的最小尺寸可以达到10-20nmo电子束光刻由于是无掩膜直写型的，因此具有一定的灵活性，可直接制作各种图形。
但电子束是扫描成像型的，它的生产率极低，还远未达到光学光刻所能达到的40-100片/小时的生产率，很难适用于大规模批量生产。
正因如此，目前电子束光刻一般主要用于制作高精度掩膜。
为了弥补电子束光刻的不足，目前正在研究光学光刻与电子束光刻的混合匹配曝光技术，即电路的大部分工艺由光学光刻完成，超精细图形由电子束光刻完成，结合两者的优势，弥补不足，从而实现电子束光刻的大规模批量生产。
1.1.2X射线光刻
X射线光刻用X射线曝光，波长很短，所以可获得极高的分辨率。
X射线光刻的焦深容易控制，对于O.13|Jm的光刻分辨率，其焦深也可达7|Jm°X射线曝光的视场远远大于光学光刻，可达50mmX50mm以上，而且可方便地应用单层工艺，工艺简单。
因此，X射线光刻是未来替代光学光刻的首选技术。
但X射线光刻也有一些关键技术问题尚需解决，如X射线同步辐射装置的产生、X射线聚焦和掩膜制作等。
基于X射线光刻发展起来的光刻、电镀成形及脱膜（LIGA）技术是从半导体光刻工艺中派生出来的一种加工技术。
其机理是由深度同步辐射X射线光刻、电铸成型、塑铸成型等技术组合而成的复合微细加工新技术。
利用LIGA技术可以制造出各种金属、塑料和陶瓷零件组成的三维微机电系统，并且得到的器件结构具有很高的深宽比（可达500:
1）、结构精细、侧壁垂直、表面光滑等特点，这些都是其它微加工难以达到的。
1.1.3极紫外光刻
极紫外光刻技术（EUVL）是有望突破特征尺寸达到100nm以下的新光刻技术之一。
其原理是：
用波长范围为H〜14nm的光，经过周期性多层膜反射镜照射到反射掩膜上，反射出的EUV光再经过投影系统，将掩膜图形形成在硅片的光刻胶上。
1.1.4原子光刻
原子光刻其基本原理是利用激光梯度场对原子的作用力，改变原子束流在传播过程中的密度分布，使原子按一定规律沉积在基底上（或使基底上的特殊膜层“曝光”），在基板上形成纳米级的条纹、点阵或人们所需的特定图案。
由于热原子束中原子的德布罗意波长约为0.1nm量级，其衍射极限比常规光刻中所用紫外光的衍射极限小得多。
因此，原子光刻技术在纳米器件加工、纳米材料制作等领域具有重要的应用前景[4]
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1.2纳米掩膜刻蚀加工技术
纳米掩膜刻蚀加工技术基本原理：
将具有纳米结构的材料有序排布成所需的阵列，通过转移技术转移到基片表面；利用有序排布的纳米结构
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