奈米線せん

纳米线是ぜ一いち种纳米まい尺度しゃくど(10⁻⁹ 米べい)的てき线。 换一种说法ほう，纳米线可か以被定てい义为一种具有在横向上被限制在100纳米以下いか（纵向没ぼつ有限ゆうげん制せい）的てき一いち维结构。这种尺度しゃくど上じょう，量子力学りょうしりきがく效こう应很重要じゅうよう,因いん此也被ひ称しょう作さく"量子りょうし线"。根ね据すえ组成材料ざいりょう的てき不同ふどう，纳米线可分ぶん为不同ふどう的てき类型，包括ほうかつ金属きんぞく纳米线（如：Ni，Pt，Au等とう），半はん导体纳米线（如：InP，Si，GaN 等とう）和かず绝缘体たい纳米线（如：SiO₂，TiO₂等ひとし）。分子ぶんし纳米线由重じゅう复的分子ぶんし元もと组成，可か以是有ゆう机つくえ的てき（如：DNA）或ある者もの是ぜ无机的てき（如：Mo₆S_9-xI_x）。

作さく为纳米技わざ术的てき一个重要组成部分，纳米线可以被用よう来らい制作せいさく超ちょう小しょう电路。

概がい述じゅつ

典型てんけい的てき纳米线的纵横比ひ在ざい1000以上いじょう,因いん此它们通常つうじょう被ひ称しょう为一维材料りょう。纳米线具有ぐゆう许多在ざい大だい块或三维物体中没有发现的有趣的性质。这是因いん为电子在ざい纳米线中在ざい横よこ向こう受到量子りょうし束たば缚，能のう级不连续。这种量子りょうし束たば缚的特性とくせい在ざい一いち些纳米まい线中（比ひ如碳纳米まい管かん）表おもて现为非ひ连续的てき电阻值。这种分立ぶんりつ值是由よし纳米尺度しゃくど下か量子りょうし效こう应对通过纳米まい线电子こ数すう的てき限きり制せい引起的てき。这些孤立こりつ值通常つうじょう被ひ称しょう为电阻的量子りょうし化か，并且都と为${\frac {2e^{2}}{h}}$ ≈ 12.9 kΩおめが^-1的てき整数せいすう倍ばい。例れい如，无机分子ぶんし纳米线（Mo₆S_9-xI_x）直径ちょっけい约为0.9 nm，但ただし长度可か以达到数すう百ひゃく微ほろ米こめ。其他重要じゅうよう的てき例れい子こ是ぜ基もと于半导体如InP、 Si、GaN等とう，绝缘体たい（如：SiO₂，TiO₂）或ある者もの是ぜ金属きんぞく（如：Ni，Pt）。

在ざい电子，光ひかり电子和わ纳电子こ机つくえ械器械きかい中ちゅう，纳米线有可能かのう起おこり到いた很重要じゅうよう的てき作用さよう。它同时还可か以作为合成ごうせい物ぶつ中ちゅう的てき添加てんか物ぶつ、量子りょうし器械きかい中ちゅう的てき连线、场发射しゃ器き和わ生物せいぶつ分子ぶんし纳米感かん应器。

纳米线的物理ぶつり性せい质

纳米线的制せい备

当とう前まえ，纳米线均在ざい实验室しつ中ちゅう生せい产，尚なお未み在ざい自然しぜん界かい中ちゅう发现。纳米线可以被悬置法ほう，沉积法ほう或ある者もの由よし元素げんそ合成ごうせい法制ほうせい得とく。悬置纳米线指纳米线在真空しんくう条件下じょうけんか末まつ端はし被ひ固定こてい。悬置纳米线可以通过对粗そ线的化学かがく刻こく蚀得とく来らい，也可以用高だか能のう粒子りゅうし(原子げんし或ある分子ぶんし)轰击粗そ线产生せい。沉积纳米线指纳米线被沉积在ざい其他物ぶつ质的表面ひょうめん上じょう：例れい如它可か以是一いち条じょう覆くつがえ盖在绝缘体たい表面ひょうめん上じょう的てき金属きんぞく原子げんし线.

另一种方式产生纳米线是通过STM的てき尖端せんたん来らい刻こく处于熔点附近ふきん的てき金属きんぞく。这种方法ほうほう可か以形象けいしょう地ち比作ひっつくり"用よう叉また子こ在ざい披萨饼上うえ的てき奶酪上うえ划线"。

一种常用的技术是VLS合成ごうせい法ほう（Vapor-Liquid-Solid）。这种技わざ术采用よう激げき光こう融とおる化か的てき粒子りゅうし或ある者もの一いち种原料りょう气硅烷作さく源げん（材料ざいりょう）,然しか后きさき把わ源げん(材料ざいりょう)暴露ばくろ在ざい一いち种催化か剂中。对纳米まい线来说，最さい好このみ的てき催化材料ざいりょう是ぜ液体えきたい金属きんぞく（比ひ如金きむ）的てき纳米簇むらが。它可以被以胶质的てき形式けいしき购买，然しか后きさき被ひ沉积在ざい基もと质上或ある通つう过去さ湿しめ法ほう从薄膜うすまく上うえ自我じが组装。

源みなもと（材料ざいりょう）进入到いた这些纳米簇むらが中ちゅう并充盈みつる其中。一旦达到了超饱和，源げん（材料ざいりょう）将しょう固化こか，并从纳米簇むらが上向うわむき外がい生せい长。最さい终产品ひん的てき长度可か由よし源げん材料ざいりょう的てき供きょう应时间来控ひかえ制せい。具有ぐゆう交替こうたい原子げんし的てき超ちょう级网格かく结构的てき化合かごう物ぶつ纳米线可以通过在生せい长过程ほど中ちゅう交替こうたい源げん（材料ざいりょう）供きょう应来实现。

纳米线的导电性せい

纳米线的导电性せい预期将はた大だい大小だいしょう于大块材料りょう。这主要よう是ぜ由よし以下いか原因げんいん引起的てき。第だい一いち，当とう线宽小しょう于大块材料りょう自由じゆう电子平均へいきん自由じゆう程ほど的てき时候，载流子こ在ざい边界上じょう的てき散ち射い现象将しょう会かい显现。例れい如，铜的平均へいきん自由じゆう程ほど为40nm。对于宽度小しょう于40nm的てき铜纳米まい线来说，平均へいきん自由じゆう程ほど将はた缩短为线宽。

同どう时，因いん为尺度しゃくど的てき原因げんいん，纳米线还会かい体からだ现其他た特殊とくしゅ性せい质。在ざい碳纳米まい管かん中ちゅう，电子的てき运动遵循弹道输运（意味いみ着ぎ电子可か以自由じゆう的てき从一个电极穿行到另一个）的てき原げん则。而在纳米线中，电阻率りつ受到边界效こう应的严重影かげ响。这些边界效こう应来自じ于纳米まい线表面めん的てき原子げんし，这些原子げんし并没有ゆう像ぞう那な些在大だい块材料りょう中ちゅう的てき那な些原子げんし一いち样被充分じゅうぶん键合。这些没ぼつ有ゆう被ひ键合的てき原子げんし通常つうじょう是ぜ纳米线中缺陷けっかん的てき来らい源げん，使つかい纳米线的导电能力のうりょく低てい于整体せいたい材料ざいりょう。随ずい着ぎ纳米线尺寸しゃくすん的てき减小，表面ひょうめん原子げんし的てき数すう目もく相しょう对整体せいたい原子げんし的てき数すう目もく增ぞう多た，因いん而边界かい效こう应更加か明あかり显。

更さら进一いち步ほ，电导率りつ会かい经历能のう量的りょうてき量子りょうし化か：例れい如，通つう过纳米まい线的电子能のう量りょう只ただ会かい具有ぐゆう有ゆう离散值乘以蘭らん道どう爾しか常数じょうすう$G=2e^{2}/h$ （这里 e是ぜ电子电量，h是ぜ普ひろし朗ろう克かつ常数じょうすう)。电导率りつ由よし此被表示ひょうじ成なり通どおり过不同どう量子りょうし能のう级通道どう的てき输运量的りょうてき总和。线越细，能のう够通过电子こ的てき通どおり道どう数すう目もく越こし少しょう。

把わ纳米线连在ざい电极之これ间，我わが们可以研究けんきゅう纳米线的电导率りつ。通つう过在拉ひしげ伸しん时测量りょう纳米线的电导率りつ，我わが们发现：当とう纳米线长度ど缩短时，它的电导率りつ也以阶梯的てき形式けいしき随ずい之の缩短，每まい阶之间相差さ一いち个郎道どう常数じょうすうG。

因いん为低电子浓度和わ低てい等とう效こう质量，这种电导率りつ的てき量子りょうし化か在ざい半はん导体中ちゅう比ひ在ざい金属きんぞく中ちゅう更さら加か明あかり显。量子りょうし化か的てき电导率りつ可か以在25nm的てき硅鳍中ちゅう观测到(Tilke et. al., 2003)，导致阀电压的てき升ます高だか。

纳米线的力学りきがく性せい质

通常つうじょう情じょう况下，随ずい着ぎ尺寸しゃくすん的てき减小，纳米线会体たい现出大だい块材料りょう更さら好このみ的てき机つくえ械性能せいのう。强度きょうど变强，韧度变好。

纳米线的结构

纳米线可以有多た种形态。有ゆう时它们以非ひ晶あきら体からだ的てき顺序出で现，如五边对称或螺旋态。电子会かい在ざい五边形管和螺旋管中蜿蜒而行。

这种晶あきら体からだ顺序的てき缺乏けつぼう是ぜ由よし于纳米まい管かん仅在一いち个维度ど（轴向）上体じょうたい现周期き性せい，而在其它维度上じょう可か以以能のう量りょう法ほう则产生せい任にん何なん次序じじょ。

例れい如，在ざい一いち些个例れい中ちゅう，纳米线可以显示しめせ五ご重じゅう对称性せい，这种对称性せい无法在ざい自然しぜん界かい中ちゅう观测到，却可以在少量しょうりょう原子げんし促成そくせい的てき簇むらが中ちゅう发现。这种五重对称性相当于原子簇的二十重对称性：二に十面体是一簇原子的低能量态，但ただし是ぜ由よし于二に十面体不能在各个方向上无限重复并充满整个空间，这种次序じじょ没ぼつ有ゆう在ざい晶あきら体からだ中ちゅう观测到。

纳米线的用途ようと

计算机つくえ仿真展てん现的纳米线场效应管中なか反はん型かた沟道的てき形成けいせい（电子密度みつど的てき变化）。阈值电压在ざい0.45V左右さゆう。

纳米线可以用来らい制作せいさく晶あきら体からだ管かん.晶あきら体からだ管かん是ぜ现代电子电路的てき基本きほん构成元もと件けん。对于制作せいさく晶あきら体からだ管かん来らい说，最さい关键的てき问题是ぜ确保栅极能のう够有效ゆうこう控ひかえ制せい对导电沟道的てき开闭。根ね据すえ摩ま尔定律ていりつ，晶あきら体からだ管かん的てき尺寸しゃくすん将しょう会かい越来ごえく越えつ小しょう，直ちょく到いた纳米级别。这使得とく保持ほじ足あし够的控ひかえ制せい越来ごえく越えつ困こま难。

如果把わ栅极制作せいさく在ざい纳米线外围，用よう纳米线作导电沟道，这样的てき晶あきら体からだ管かん将しょう会かい有ゆう优良的てき导电特性とくせい。

纳米线现在ざい仍然处于实验阶段。为了制せい造づくり基本きほん电子元もと件けん，第だい一个重要的步骤是用化学的方法对纳米线掺杂。这已经用于实现在纳米线上制作せいさくP型がた和わN型がた半はん导体。下した一いち步ほ是ぜ找出制作せいさくPN结这种最さい简单的てき电子元もと件けん的てき方法ほうほう。这可用よう两种方法ほうほう来らい实现。第だい一いち种是物理ぶつり方法ほうほう：把わ一いち条じょうP型がた线放到いた一いち条じょうN型がた线之上じょう。第だい二に种方法ほう是ぜ化学かがく的てき：在ざい一条纳米线掺不同的杂质。再さい下した一步是建逻辑门。通つう过简单的把わ几个PN节连到一いち起おこり，研究けんきゅう者しゃ已やめ经用纳米线制作出さくしゅつ了りょう所有しょゆう的てき基本きほん邏輯閘：与あずか、或ある、非ひ门。

另见

• 纳米管かん
• 无机纳米管かん

参考さんこう资料

• R. Landauer, J. Phys.: Cond. Matter 1, 8099 (1989) [1]（页面存そん档备份，存そん于互联网档案あん馆）
• A. T. Tilke et. al., Physical Rev. B, vol. 68, 075311 (2003).

外部がいぶ链接

• Nanowire Transistors Faster than Silicon （页面存そん档备份，存そん于互联网档案あん馆）