小尺度,大科学:纳米尺度下的物理

——写在中科院物理所Materials Views China特辑之前

纳米科学技术是20世纪80年代末逐步发展起来的交叉、前沿学科研究领域,已成为全世界关注的重要前沿科技,显示出巨大的潜在应用前景,将在未来信息技术、新能源、新材料、生物技术和环保领域发挥主导关键的作用。随着功能器件朝着小尺度、低维方向的发展,纳米材料和结构将成为未来纳米科技领域应用的基石,它们呈现出许多与三维结构不同的、物理内涵十分丰富的新量子现象和效应。目前,该领域的主要研究内容包括探索和制备具备不同性质的纳米材料和结构,不断地从最基础的层面上认识其结构与物性关系,并研制具有新功能和新原理的纳米电子、光电子器件。

纳米材料的“自下而上”组装技术:

纳米科技的发展,最终目标是要实现以原子、分子或它们的聚集体为基本结构单元,制备具有特殊光、电、磁性能和生物功能的纳米器件。一条行之有效的使器件小型化的途径是将原子、分子或它们的聚集体可控自组装到原子级平整的基底上以构造纳米级功能体系,这种方法可以简单、准确地控制表面纳米结构的外形和组分,同时也可以控制介观自组织结构的物理化学性质。一旦我们能够充分地理解可控自组装有序结构的形成机制,就可以利用自组装和自发生长过程随心所欲地构筑各种纳米结构。同时,由于纳米结构中受限电子、光子、自旋呈现出许多新奇的量子现象和效应,它可以用来研制具有新功能和新原理的电子、光电子器件。目前,该领域还面临着一些挑战性的问题,如探索具有特定功能的分子单元体系,分子与金属电极之间的界面特性,实现分子结构基元之间的有效电学连接等,仍然需要大量艰苦的基础研究工作。基于功能有机分子的单分子器件和全分子器件电路的研究在未来一段时期将会对潜在的技术革命产生重要影响。

纳米材料及其器件的“自上而下”加工技术:

纳米材料的可控制备的另一条途径是采取“自上而下”的思路,这也是传统半导体器件的加工方式。随着半导体器件特征尺寸的减小,硅基半导体技术面临薄栅氧化层可靠性、量子效应、迁移率退化、强电场下的热耗散、掺杂非均匀性等一系列问题。发展新工艺和新技术成为迫切需要,如精密微细图形加工技术、新型的栅介质材料、超浅结制备工艺、短沟道工程等,以克服日益逼近的物理与工艺极限。后摩尔时代,随着纳米制造技术的发展,半导体行业也在考虑利用其他低维材料构造小型化器件来延续或替代现有的硅基器件,如有机半导体、硅纳米线和碳纳米管等,基于这些结构的室温下的单电子晶体管原型器件也已经研制成功。但由于这些体系的制造工艺无法与传统的微纳加工技术兼容,因而在集成器件方面面临着极大的挑战。

中科院物理所在纳米材料的可控制备和结构调控、纳米器件设计加工及物性测量、半导体二维电子系统的输运性质及调控研究等方面已形成了稳定的研究团队,并取得了创新性的研究进展。在新材料研究方面,采用自下而上的方法得到了超高密度信息存储功能分子薄膜,实现了二维原子晶体材料的可控制备和物性调控;外延了大面积、高质量的石墨烯薄膜,实现了石墨烯的结构与物性的人工调控。在物理性质研究方面,采用自上而下的方法可控加工了具有原子级平整边缘的不同尺寸和周期性的石墨烯纳米结构,能够调控石墨烯的电子态和自旋特性;在半导体二维电子系统及拓扑绝缘体的输运性质及调控研究中,特别是在拓扑绝缘体的场效应器件中获得了对其化学势的有效调控,取得了一些原创性成果。在器件研究方面,利用新原理与新技术构造了石墨烯新型信息电子器件,表现出其在逻辑电路、信息存储、应力传感等方面的应用优势;实现了纳米尺度的光子路由器和光子信号分离器,构筑了纳米全光逻辑器件,展示出在未来纳米信息光学器件中的潜在应用。此外,中科院物理所在过渡金属氧化物低维结构体系的精控制备及其多场调控新功能研究、新超导体探索与碳化硅晶体新效应、钙钛矿太阳能电池、单晶ZnO纳米线与功能器件、原位透射电镜技术及纳米尺度表征、数字化纳米流体的二维操纵、储能材料的纳米效应、以及原子尺度纳米储能材料结构研究等纳米科学与凝聚态物理的交叉领域,系列研究结果在国际上也产生了广泛的影响。

本次Materials Views China中科院物理所特辑,很荣幸受到Wiley杂志社的邀请,将物理所近期在纳米尺度下,十个与凝聚态物理前沿密切联系的材料科学研究成果向各位同仁汇报。希望借助Materials Views China平台,将物理所的纳米材料科学研究,实时与国内同行互通有无,共同进步。不足之处,也请各位专家、老师批评指正。

高 鸿钧 About 高 鸿钧

中国科学院院士(数理学部),发展中国家科学院院士,中国科学院大学(U-CAS)副校长(兼物理科学学院院长),中科院物理研究所研究员、副所长。1994年北京大学获理学博士学位。Appl. Phys. Lett.杂志副主编和多个国际学术刊物编委。曾在美国橡树岭国家实验室、国际著名大学和研究机构做客座研究员或学术顾问,国际真空科学、技术与应用联合会(IUVSTA)纳米科学委员会主席等。

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