奈米線

奈米線是一種奈米尺度(10⁻⁹ 米)的線。 換一種說法，奈米線可以被定義為一種具有在橫向上被限制在100奈米以下（縱向沒有限制）的一維結構。這種尺度上，量子力學效應很重要,因此也被稱作"量子線"。根據組成材料的不同，奈米線可分為不同的類型，包括金屬奈米線（如：Ni，Pt，Au等），半導體奈米線（如：InP，Si，GaN 等）和絕緣體奈米線（如：SiO₂，TiO₂等）。分子奈米線由重複的分子元組成，可以是有機的（如：DNA）或者是無機的（如：Mo₆S_9-xI_x）。

作為奈米技術的一個重要組成部分，奈米線可以被用來製作超小電路。

概述

典型的奈米線的縱橫比在1000以上,因此它們通常被稱為一維材料。奈米線具有許多在大塊或三維物體中沒有發現的有趣的性質。這是因為電子在奈米線中在橫向受到量子束縛，能級不連續。這種量子束縛的特性在一些奈米線中（比如碳奈米管）表現為非連續的電阻值。這種分立值是由奈米尺度下量子效應對通過奈米線電子數的限制引起的。這些孤立值通常被稱為電阻的量子化，並且都為${\frac {2e^{2}}{h}}$ ≈ 12.9 kΩ^-1的整數倍。例如，無機分子奈米線（Mo₆S_9-xI_x）直徑約為0.9 nm，但長度可以達到數百微米。其他重要的例子是基於半導體如InP、 Si、GaN等，絕緣體（如：SiO₂，TiO₂）或者是金屬（如：Ni，Pt）。

在電子，光電子和納電子機械器械中，奈米線有可能起到很重要的作用。它同時還可以作為合成物中的添加物、量子器械中的連線、場發射器和生物分子奈米感應器。

奈米線的物理性質

奈米線的製備

當前，奈米線均在實驗室中生產，尚未在自然界中發現。奈米線可以被懸置法，沉積法或者由元素合成法製得。懸置奈米線指奈米線在真空條件下末端被固定。懸置奈米線可以通過對粗線的化學刻蝕得來，也可以用高能粒子(原子或分子)轟擊粗線產生。沉積奈米線指奈米線被沉積在其他物質的表面上：例如它可以是一條覆蓋在絕緣體表面上的金屬原子線.

另一種方式產生奈米線是通過STM的尖端來刻處於熔點附近的金屬。這種方法可以形象地比作"用叉子在披薩餅上的奶酪上劃線"。

一種常用的技術是VLS合成法（Vapor-Liquid-Solid）。這種技術採用雷射融化的粒子或者一種原料氣矽烷作源（材料）,然後把源(材料)暴露在一種催化劑中。對奈米線來說，最好的催化材料是液體金屬（比如金）的奈米簇。它可以被以膠質的形式購買，然後被沉積在基質上或通過去濕法從薄膜上自我組裝。

源（材料）進入到這些奈米簇中並充盈其中。一旦達到了超飽和，源（材料）將固化，並從奈米簇上向外生長。最終產品的長度可由源材料的供應時間來控制。具有交替原子的超級網格結構的化合物奈米線可以通過在生長過程中交替源（材料）供應來實現。

奈米線的導電性

奈米線的導電性預期將大大小於大塊材料。這主要是由以下原因引起的。第一，當線寬小於大塊材料自由電子平均自由程的時候，載流子在邊界上的散射現象將會顯現。例如，銅的平均自由程為40nm。對於寬度小於40nm的銅奈米線來說，平均自由程將縮短為線寬。

同時，因為尺度的原因，奈米線還會體現其他特殊性質。在碳奈米管中，電子的運動遵循彈道輸運（意味著電子可以自由的從一個電極穿行到另一個）的原則。而在奈米線中，電阻率受到邊界效應的嚴重影響。這些邊界效應來自於奈米線表面的原子，這些原子並沒有像那些在大塊材料中的那些原子一樣被充分鍵合。這些沒有被鍵合的原子通常是奈米線中缺陷的來源，使奈米線的導電能力低於整體材料。隨著奈米線尺寸的減小，表面原子的數目相對整體原子的數目增多，因而邊界效應更加明顯。

更進一步，電導率會經歷能量的量子化：例如，通過奈米線的電子能量只會具有有離散值乘以蘭道爾常數$G=2e^{2}/h$ （這裡 e是電子電量，h是普朗克常數)。電導率由此被表示成通過不同量子能級通道的輸運量的總和。線越細，能夠通過電子的通道數目越少。

把奈米線連在電極之間，我們可以研究奈米線的電導率。通過在拉伸時測量奈米線的電導率，我們發現：當奈米線長度縮短時，它的電導率也以階梯的形式隨之縮短，每階之間相差一個郎道常數G。

因為低電子濃度和低等效質量，這種電導率的量子化在半導體中比在金屬中更加明顯。量子化的電導率可以在25nm的矽鰭中觀測到(Tilke et. al., 2003)，導致閥電壓的升高。

奈米線的力學性質

通常情況下，隨著尺寸的減小，奈米線會體現出大塊材料更好的機械性能。強度變強，韌度變好。

奈米線的結構

奈米線可以有多種形態。有時它們以非晶體的順序出現，如五邊對稱或螺旋態。電子會在五邊形管和螺旋管中蜿蜒而行。

這種晶體順序的缺乏是由於奈米管僅在一個維度（軸向）上體現周期性，而在其它維度上可以以能量法則產生任何次序。

例如，在一些個例中，奈米線可以顯示五重對稱性，這種對稱性無法在自然界中觀測到，卻可以在少量原子促成的簇中發現。這種五重對稱性相當於原子簇的二十重對稱性：二十面體是一簇原子的低能量態，但是由於二十面體不能在各個方向上無限重複並充滿整個空間，這種次序沒有在晶體中觀測到。

奈米線的用途

計算機仿真展現的奈米線場效應管中反型溝道的形成（電子密度的變化）。閾值電壓在0.45V左右。

奈米線可以用來製作電晶體.電晶體是現代電子電路的基本構成元件。對於製作電晶體來說，最關鍵的問題是確保柵極能夠有效控制對導電溝道的開閉。根據摩爾定律，電晶體的尺寸將會越來越小，直到奈米級別。這使得保持足夠的控制越來越困難。

如果把柵極製作在奈米線外圍，用奈米線作導電溝道，這樣的電晶體將會有優良的導電特性。

奈米線現在仍然處於實驗階段。為了製造基本電子元件，第一個重要的步驟是用化學的方法對奈米線摻雜。這已經用於實現在奈米線上製作P型和N型半導體。下一步是找出製作PN結這種最簡單的電子元件的方法。這可用兩種方法來實現。第一種是物理方法：把一條P型線放到一條N型線之上。第二種方法是化學的：在一條奈米線摻不同的雜質。再下一步是建邏輯閘。通過簡單的把幾個PN節連到一起，研究者已經用奈米線製作出了所有的基本邏輯閘：與、或、非門。

另見

• 奈米管
• 無機奈米管

參考資料

• R. Landauer, J. Phys.: Cond. Matter 1, 8099 (1989) [1]（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
• A. T. Tilke et. al., Physical Rev. B, vol. 68, 075311 (2003).

外部連結

• Nanowire Transistors Faster than Silicon （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）