文档介绍：项目名称:
纳电子运算器材料的表征与性能基础研究
首席科学家:
刘忠范北京大学
彭练矛北京大学
起止年限:
2004年6月至 2006年8月
依托部门:
教育部
一、研究内容和课题设置

本项目关注的核心问题是纳电子运算器的物理基础,即未来的纳电子运算器是基于什么样的物理学原理工作的,应具有什么样的基本单元结构。围绕这一核心问题,主要开展以下几个方面的研究:
1)利用各种物理、化学手段,制备纳米管、纳米线、纳米粒子、功能性分子等低维纳电子材料、具有电子学非线性放大功能的“纳米结”、以及纳米尺度的单元结构,为新现象、新效应的探索提供多样化的实验研究对象。研究内容包括:a)利用有机合成方法制备含酞菁、卟啉、碳60等电活性基团的分子基纳电子材料和可组装型材料;b)利用CVD可控生长和化学合成等方法制备含碳纳米管的非线性纳米结;c)利用模板技术、溶胶-凝胶法、电化学共沉积等手段制备金属和半导体纳米材料,研究低维纳米材料在限定空间下的生长过程,结合分子剪裁技术,设计和控制纳米材料的形貌;d)建立和发展表面纳米结构构建方法,包括可控组装和自组织生长、SPM纳米加工与操纵等,建立SPM纳米结构加工与操纵平台,实现复杂纳米结构的加工以及对碳纳米管和纳米粒子等的操纵;e)探索SPM超高密度信息存储新材料。
2)对各种纳电子材料、非线性纳米结以及表面纳米结构的物性、尤其是电学特性进行综合测试,探寻能够作为纳电子运算器物理基础的新现象和新效应。主要研究内容包括:a)建立环境气氛可调控多功能SPM电学测试平台,研究单根纳米管、纳米粒子和单个功能分子的电学特性以及环境因素对电学特性的影响;b)建立UHV-SEM-STM-LEED纳米物性综合测试平台,研究各种纳米结构的输运性质、界面效应以及纳米结构的稳定性等;c)发展基于电子束的纳米结构综合分析方法,建立UHV-TEM-SPM物性综合测试平台; d)建立UHV-CVT-STM-RHEED测试平台,考察纳米结构电学特性的温度效应。
3)从理论和实验两个方面设计纳电子运算器的基本逻辑电路,对其性能进行综合的测试评估。主要内容包括:a)发展第一原理理论计算方法,建立求解量子多体问题的计算程序,通过定量计算原子、分子、团簇直至“大块物质”的物理和化学性质,探寻纳米结构所表现出的新现象和新效应;b)从理论上研究量子点、量子线、碳纳米管等的量子电导性质、各种小系统中的电子-声子及电子-电子库仑耦合对输运失相位相干的影响、低维和纳米系统空间态和自旋态的控制、转换和量子计算、以及纳米结构对电子、声子耦合系统的影响等,为器件新结构和新原理的设计提供理论支撑;c)以单电子器件、碳纳米管器件为重点,尝试构建基本逻辑电路;d)在项目后期,探索大规模器件阵列的运算原理,包括量子计算和神经网络计算等。
此外,本项目亦将重视发展纳米结构的加工组装技术,尤其是“自下而上”的自组装和自生长技术,这是未来纳电子器件实用化的关键技术基础。将探索如何设计和利用各种相互作用(特别是非共价键合作用),从原子、原子簇和分子出发,通过化学识别、自组织生长和有序组装途径,直接、快速、大量地制备纳米结构的方法,探索SPM纳米加工和“自下而上”组装相结合的新技术。
(具体说明每个课题的主要研究内容、目标、承担单位、课题负责人及主要学术骨干、经费比例等)
【课题1】纳米结构单元的可控组装及其量子输运性质
研究内容:利用化学组装、SPM纳米加工与操纵等方法构建各种纳米结构;建立以SPM为基础的纳米物性综合测试平台;研究纳电子材料与纳米结构的量子输运特性。
主要目标:通过大量的结构制备和物性研究,探索纳电子运算器的物理基础,并解决纳米物性测量中的关键技术问题,力争在新器件结构和新器件原理探索上取得突破。
课题由北京大学纳米科技中心纳米化学研究室承担,课题组长刘忠范教授、副组长朱涛副教授,主要学术骨干李经建副教授和刁鹏副教授。经费比例20%(%)。
【课题2】基于电子束和离子束的纳米结构分析方法和加工技术
研究内容:发展基于电子束的纳米结构综合分析方法,建立超高真空TEM-SPM纳米加工和物性综合测试平台,利用电子束和离子束及其和特殊气体的相互作用可控地构建具有特殊电子学性能的纳米结构,研究纳米结构中的原子和电子态结构以及输运性质。
主要目标:解决透射电镜和扫描探针显微镜联用纳米物性测量中的关键技术问题和纳米电极加工中的关键技术问题,并建立几个有特色的纳米结构表征、综合物性分析和加工平台。
课题由北大纳米科技中心纳米结构分析研究室承担,课题组长彭练矛教授,主要学术骨干段晓峰研究员、夏洋研究员和陈清副教授。%。
【课题3】纳电子运算器概念、结构设