纳米的光电学

光 吸收 系数 和光 致荧 光 现象 可使 其 应 用于 敏 感 元 件 ， 由于 其 光 电特 性 具 有 超 快 响 应 速 度 ， 可 望 在 超 快 光 电 子 器 件 中 得 到 应 

用 。  

关键词 ：   纳米 材料 ； 电学性能 ； 光学性能 ； 光 电性 能纳米材料 是整个纳米科 学与技术领域 重要组成部分 ， 它涉及纳米 材料 的结 构 、 性 能 和应 用 ， 纳 米材 

料的制备 工 艺 及其 检 测 手 段 等 。各 个 纳 米研 究 领 域 ， 诸 如纳米 电子 学 、 纳 米化 学 、 纳 米生 物 学等 都涉 及纳米材料 的研究 。  纳 米材料 体 系是 丰富 多彩 的 ， 从 纳 米科 学与 技 术的各个分支领 域来 讲 ， 纳米 材料 涉及 了纳米 物理 学 、 纳米 电子学 、 纳米化学 、 纳米药 学等 ， 纳米材料 的 研究往往需要 现代 物理 、 化学 等 多学科 结 合 ， 同时 ，  纳米材料 的研究 也 与 纳 米 检测 设 备 和 技 术 紧 密 相 联 。  纵 观纳米材料 的研究 进程 ， 不难发现 ， 纳米材 料 

研究 的 内容不 断扩 大 ， 基础 研 究 和应用 研 究都 成 为 关注的热点 。纳米 材料 的制备 方法 也 在不 断前 进 ，  从控制微粒 尺寸和形状 到控 制界 面 、 控制形成 薄膜 、  设计复合体 ， 现在 纳米 体 系 的 自组 装也 加 入 了研 究行列 ， 例如 纳米阵列 体 系 、 纳 米镶 嵌 体 系等 ， 目标 是 制备纳米器 件 。总之 ， 纳米 材料 科 学充 满 了机 遇 和 挑战 。  

1   纳米材料 的电学性能及应 用 

介 电特 性是 材料 的重要性 能 之一 ， 当材料 处 于 交变 电场下 ， 材料 内部会 发生极化 ， 这种极 化过程对 交变 电场有 一个 滞后 响应 时 间 ， 即弛豫 时间 。弛豫 

时 间长 ， 则会 产生较 大 的介 电损耗 。纳 米材 料 的微 粒尺寸对介 电常数 和 介 电损耗 有 很 大影 响 ， 介 电常 数 与交变电场 的频 率也有密切 关系 。例 如纳米 T i O  在频率不太 高 的电场 作用 下 ， 介 电常数 是 随粒 径增 大 而增 大 ， 达到最大值后 下降 ， 出现介 电常数最 大值 时 的粒径 为 1 7 ． 8   H a 【 1   J 。一般讲 ， 纳米材 料 比块体材 料的介 电常数 要 大 ， 介 电常 数 大的材 料 可 以应 用 于 制造大容量 电容器 ， 或者 说 在相 同 电容 量下 可 减小 体积 ， 这对 电子设 备 的小 型化来讲很 有用 。 

 单 电子 晶体 管是诱 人 的纳米微粒 电学 性能 的体 现 。在这 里 ， 首先简 单介 绍 一 下量 子 隧道效 应 和库 仑堵塞 。在 电学 里 ， 导 电 是 电子在 导体 内运 动 的表现，如果两个  个纳米微粒不相连 那么电子从一个微粒运动到另一个微 粒 就会 象穿 越 隧道 一样 ， 若 电子 的 

隧道 穿越是一个 一个 发 生 的 ， 则 在 电压 电流关 系 图 

上表出 台阶曲线 ， 这 就是 量 子隧 道效 应 。如 果 两个 

纳米微 粒 的尺寸 小 到一定 程度 ， 它们 之 间 的 电容也 

会 小到一定程度 ， 以至 于电子不能集 体传输 ， 只能一 

个一个单 电子传输 ， 这种 不 能集 体传 输 电子 的行 为 

称 之为 库 仑 堵 塞 ’  。当纳 米 微 粒 的 尺 寸 为 1  n m  

时 ， 可 以在 室温下观察 到量子隧道效应 和库仑堵塞 ，  

当纳米微 粒的尺 寸在 十几 纳米 范 围时 ， 观 察 这些 现 

象必 需在极低 温 度 下 ， 例 如 一1 9 6℃以下 。利 用 量 

子隧道效应和库仑堵 塞 ， 就 可研究纳米 电子器件 ， 其 

中单 电子晶体管是重 要的研究课题 。  

图 1是单 电子 晶体 管 的结构 示 意 图 ， 其 中画斜 

线 的部分是连 接库 仑 岛与金 属 引线 的 隧道结 ， 库仑 

岛是半导体纳 米微 粒或 金属 纳米 微 粒 ， 在 两端 的金 

属引线上加入 电压 ， 输 送 电子 和接 收 电子 的两 个 电 

极分别作 为“ 源 ” 和 “ 漏 ” ， 电子从 “ 源” 到 “ 漏” 是 单 电 

子隧穿过程和库 仑堵 塞 过程 ， 库 仑 岛 的一侧 有 另一 

个 电极 ， 称之为 “ 栅” 或 “ 门” ， “ 栅 ” 或“ 门” 电极起 控制 

作用 。  ＼ ：／ 

库 仑 岛 

图 1 单 电 子 晶 体 管 结 构 不 意 图 

由于单 电子 晶体 管耗电极小 ， 体积也极小 ， 可 以 

使大规模集成 电路 的集成度 呈 几个 数 量级地 提 高 ，  

这将会 引起 新世纪里 电子设 备 的重 大变 革 。单 电子 

晶体 管“ 库仑 岛” 上存在或 失去一个 电子的状态变化 

可 以作为高密 度信 息存 储 的记忆 单 元 ， 为高 密 度信 

息存储 开辟 了一条新 的道路 。  

2 0 01年 2月 ， 德 国科研 机 构报道 了利用 单个 电 

子作为纳米 电路 开关 的研究取得 初步进展 。现行 的 

普通 硅芯片半导 体 电路 中 ， 微 晶体二 极 管通 过 电路 

的接通 和断开代表 二进 制 中 的… 1’ 和… 0’ ， 实 现这 样 

个 过程大约需几 万个电子 。而德 国科学家在研究