论文探讨了新型纳米材料在微电子技术中的应用
摩尔定律一直是指导微电子产业发展速度的标准之一。根据摩尔定律，以硅材料为主的微电子设备的集成度越来越高，设备的特度越来越小，使得集成电路的性价比越来越高。然而，根据美国半导体工业协会(SIA)当最小特征尺寸达到10时，报告[1]nm微电子设备将达到物理极限，摩尔定律将不再建立。这是因为当微电子设备的特征尺寸为10时nm下面，量子效应、表面效应等微观物理效应将变得不可忽视[2]，设备的工作机制、材料和工艺技术将与特征尺寸大于10nm传统器件。因此，研究半导体纳米材料(颗粒大小为1)100nm范围)及其微尺度下的特殊性对于解决特征尺寸缩小带来的问题具有重要意义。
2新型纳米材料
2.1纳米材料简介
纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9)m)超细材料的结构包括粒子和粒子之间的界面。粒子具有长程晶状结构，粒子之间的界面为无序结构[3]。此外，纳米材料的粒径大于原子簇，小于普通粒径，一般为1100nm。纳米材料具有纳米晶粒和高浓度晶界两个重要特征。其中，大晶体连续能带可分为接近分子轨道的能级，因此纳米晶粒的原子排列不能处理为无限长程序。纳米晶粒产生的高浓度晶界和晶界原子的特殊结构会改变材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学甚至热力学性能[46]。以金为例，当金颗粒直径小于100nm当金颗粒从金属状变为胶体时，可溶于水，溶液颜色随金颗粒直径从紫色变为红色.2纳米材料特性2.2.1表面效应研究表明，当粒子直径减小时，纳米材料的粒子表面积急剧增加8。因此，当粒子直径为10时nm下面，随着粒子直径的减小和内部原子环境的不同，表面原子数量将迅速增加，导致表面原子配位数不足，表面能量高，使这些原子容易与其他原子结合，化学活性高。以纳米金颗粒为例，由于表面效应，100nm以下金颗粒表面能较高，吸引溶液中的阳离子Au3 ，聚集的阳离子会继续吸引阴离子，最终溶液过饱和，使金颗粒在溶剂中均匀分布，形成金溶于水的现象。
2.2.2量子尺寸效应
纳米材料因尺寸减小而带来的.重要性质是量子尺寸效应。根据能带理论，宏观物体包含无限个原子导电电子数N—⑵)，有：5=4Ef/3N(1)对于纳米粒子，由于N值小，导致5较大。当能级间距为5时=量子尺寸效应在%时发生，导致纳米颗粒的声、光、电、磁、热力学等特性与宏观特性明显不同。
目前，纳米电子学是一门基于纳米粒子量子效应的新学科。将纳米技术与微电子学有机结合，旨在实现突破性创新技术，开拓新市场[9、10]。与以往的真空电子管和固态晶体电子管相比，纳电子管被认为是具有革命性特征的第三代装置。纳电子管在工作机制、加工技术和材料上与真空电子管和固体晶体电子管有很大的不同。本文主要讨论了纳米材料，如石墨烯和碳纳米管。
3新型纳米材料
3.1碳纳米管
碳纳米管(CarbonNanoTube，CNT)它是由石墨碳原子层卷曲而成的，管道上的碳原子相互作用^碳键组合形成一个由六边形组成的蜂窝状结构，作为碳纳米管的骨架。管道的半径非常薄，只有纳米尺度，轴向可以长达数十到数百微米。成千上万的碳纳米管只有一根头发很宽，碳纳米管的名字也来了。
碳纳米管结构的变化可能会改变其性质，从绝缘体到半导体，或从半导体到金属。例如，在具有金属导电性的碳纳米管中，阿哈诺夫波姆效应(A-B特别是效果)。
碳纳米管的硬度相当于金刚石，可以填充金属、氧化物和其他物质。碳纳米管也具有良好的灵活性。因此，碳纳米管可以用作具有非凡强度、热导率、磁阻等[11、12]的模具。一些碳纳米管本身也可以用作具有纳米尺度的导线。用碳纳米管或相关技术制备的微导线可以放置在硅芯片上，以制造更复杂的电路。
国际半导体技术发展路线图(ITRS)特征尺寸小于45nm在微电子技术中，传统子技术中会失效。现行设备尺寸缩小技术及相关技术VLSI在设计中，局部结构连接的尺寸接近铜电子的自由程量级，增强了杂质和粒子边界对电子的散射效应，显著增加了导体电阻。图2所示为ITRS预测的90nm线宽线下电流密度与特征尺寸的关系流密度(斜纹条形)迅速上升，明显快于互联线电流密度(实心条形)。因此，电路结点会受到强烈的电迁移和热冲击，限制电路中结点的数量[14’15]。碳纳米管具有较高的电流导通性，成为最有可能解决可靠性和热扰动问题的候选人。
3.2石墨烯
石墨烯(Graphene)它是一种平面多环芳烃原子晶体，以英文命名graphite(石墨)和-ene(烯后缀)。石墨烯可以想象为由碳原子及其共价键形成的原子网格。碳原子排列与石墨单原子层相同，是由蜂窝晶格排列的碳原子组成的单层二维晶体。
石墨烯结构非常稳定，其内部碳原子之间的连接非常灵活，碳^碳键仅为0.142nm。当外力应用于石墨烯时，碳原子表面会弯曲变形，使碳原子不需要重新排列以适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有良好的导热性。此外，当石墨烯中的电子在轨道上移动时，不会因晶格缺陷或引入外部原子而散射。
石墨烯是已知材料中最薄的一种。它可以卷成桶形作为碳纳米管，质地非常坚固。在室温下，电子传输速度比已知导体快。
石墨烯在电子技术中的应用
由于石墨烯的是后摩尔时代硅的替代品[17-19]，可用于制造单分子气体传感器、太赫兹谐振器、量子计算机等。
4.1集成电路
石墨烯是集成电路电子器件的理想特性。石墨烯具有极高的载流子迁移率和极低的噪声，可作为场效应晶体管的沟。目前的问题是单层的石墨烯制造困难，更难做出合适的基板。2011年6月，IBM研究人员宣布，他们已经成功创造了第一个_宽带无线混频器集成电路[23]基于石墨烯。未经优化，电路处理频率高达10GHz，而且能承受高达1277°C的高温。然而，由石墨烯制成的集成电路也面临着许多问题，如石墨烯与铝、金、铂等金属的连接困难，而且由于石墨烯非常薄，它是唯一的_原子宽度的薄层容易被刻蚀工艺破坏。
4.2量子计算机
由于石墨烯的二维性质，科学家们认为石墨烯会产生电荷分数化(低维物质单个准粒子的表观电荷小于单位量子)。因此，石墨烯很可能是制造量子计算机所需的任何子元件的合适材料[24、25]。4.由于单层石墨烯不寻常的低能电子结构，以及狄拉克费米（石墨烯电子和空穴）的特殊性质，石墨烯纳米带的光学响应可以在室温下调整到太赫兹频域。
基于石墨烯的两种太赫兹设备如图3和图4所示。石墨烯用于线性波导转换器的衬底和波导的中间介质。等离子体波导PN石墨烯可以在能级间反转粒子数。
纳米技术研究自20世纪80年代以来_处于方兴未艾的阶段。由于其量子效应，半导体纳米材料可能在后摩尔时代发挥巨大作用。虽然根据目前的研究，由新纳米半导体材料制成的设备和集成电路仍存在与金属接触性能差、与传统技术不兼容、难以大规模生产等问题，但从长远来看，前景仍然广阔。纳米材料出现在微电子领域，在太赫兹技术、量子信息学等较新的电子信息学科中。因此，在学科交叉日益密集的今天，电路设计师也有必要了解纳米材料。
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