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半导体纳米线被发现之初就被全球科学家寄予厚望，有望颠覆传统半导体工艺与技术，解决人类在信息、能源和传感等领域面临的难题，推动相关领域的变革性发展。半导体纳米线经过多年的快速发展，其基础理论不断丰富、制备和表征技术持续完善、性能调控与器件构筑方法日渐成熟。不同半导体纳米线功能器件相继被研制出来，显示了优异的性能和巨大的应用潜力。系统总结半导体纳米线功能器件二十多年发展的研究成果，对推动其实际应用至关重要。
纳米科学与技术被认为是21世纪最重要的科学技术，对材料特性与器件功能将产生重大改进与变革，引起一场新的技术革命。对半导体器件而言，小型化、低能耗和智能化一直是其重要的发展趋势。当半导体器件线宽小于100nm时，将对设备和制造工艺提出更高要求，成本增加巨大，传统工艺的局限性越严重。因此，寻找新型半导体材料和发展高性能半导体功能器件非常重要。
半导体纳米线是直径小于100nm的一维纳米材料（图1），相比传统块体半导体材料具有以下独特的优点：
图1
（1）显著的表面效应和尺寸效应；
（2）在长度方向可自由传输电子、空穴和光子；
（3）既可作为器件构建单元，又可作为器件电路互联导线；
（4）化学成分选择丰富。
因此，半导体纳米线被认为是发展高性能半导体功能器件的理想构筑单元（图2），引起了国际学术界和工业界的广泛关注。
图2
早在2001年，半导体纳米线电子器件就被《科学》杂志评选为十大突破性进展。麻省理工学院《技术评论》在2004年把纳米线技术列为影响未来的十大技术之一，《自然》杂志在2006年也把半导体纳米线研究列为物理学的十大研究热点之一，而国际路线图委员会（IRC）在2011年度《国际半导体技术发展路线图》中也把半导体纳米线材料作为最具发展潜力的十大热门材料之一。半导体纳米线已成为全世界科学家们突破传统半导体器件工艺极限和发现科学新现象的重要平台。
在过去的二十多年间，全球科学家围绕半导体纳米线开展了系统深入的研究，带来了半导体纳米线功能器件蓬勃的发展。根据Web of Science的检索结果统计，从1999年到2018年7月，全世界关于半导体纳米线研究SCI论文总数超过25万篇（图3）。
图3 （a）1999年至今半导体纳米线研究发表SCI论文数情况
（b）不同国家和地区在半导体纳米线研究方面发表的SCI论文所占比例
经过二十多年的发展，人们对半导体纳米线的可控制备、性能调控、器件构筑与应用的认识不断加深，半导体纳米线已在不同领域展现了巨大应用潜力，正逐渐从基础研究走向实际应用。功能器件作为半导体纳米线走向实际应用必须发展的研究领域，也备受全球科学家的关注。基于半导体纳米线的场效应管、纳米发电机、场发射器件、太阳能电池、发光二极管、激光器、光电探测器、光波导器件、存储器件、光催化以及高敏感化学与生物传感器等功能器件相继被研制出来，半导体纳米线功能器件的快速发展为实现其实际应用奠定了坚实的理论与技术基础。
半导体纳米线承载着全球科学家的共同期盼，有望实现半导体功能器件领域的变革性发展，半导体纳米线功能器件将成为纳米科技走向应用的重要突破点。我们有必要对半导体纳米线功能器件的研究进展与趋势进行全面、系统的总结，加速半导体纳米线的实际应用。
《半导体纳米线功能器件》一书正是在此背景下撰写而成，本书力求以最新内容，全面、系统阐述半导体纳米线的特性、加工技术及其在信息、能源和传感等领域中的应用，反映国际上最新成果与技术。内容涵盖了半导体纳米线功能器件的发展现状、加工技术、不同功能器件的研究进展、多场耦合调控、损伤与服役行为研究，并对半导体纳米线电子器件、发光器件、光电转换器件、力电转换器件与传感器件等重要功能器件进行了详细介绍。相信本书的出版对半导体纳米线在能源、电子、信息和生物科学等诸多领域的研究具有重要推动意义和学术参考价值。也可为高等院校和科研单位从事低维材料与器件研究及开发的研究人员提供指导和参考。
精彩内页展示
作者简介
目录
总序
前言
第1章 半导体纳米线功能器件概述 1
1.1 引言 1
1.2 半导体纳米线的发展 2
参考文献 5
第2章 半导体纳米线功能器件的发展现状 9
2.1 引言 9
2.2 半导体纳米线的物理特性 10
2.2.1 半导体纳米线的力学性能 10
2.2.2 半导体纳米线的电输运特性 13
2.2.3 半导体纳米线的介电与压电特性 16
2.2.4 半导体纳米线的光学特性 18
2.3 半导体纳米线功能器件的种类 21
2.3.1 半导体纳米线电子器件 21
2.3.2 半导体纳米线光电子器件 24
2.3.3 半导体纳米线太阳能电池 27
2.3.4 半导体纳米线机械能-电能转换器件 28
2.3.5 半导体纳米线传感器件 30
2.3.6 半导体纳米线场发射器件 32
参考文献 33
第3章 半导体纳米线功能器件的加工技术 43
3.1 引言 43
3.2 “自上而下”微纳加工技术 43
3.2.1 图形成像 43
3.2.2 图形转移 45
3.2.3 聚焦离子束加工 47
3.3 “自下而上”微纳加工技术 47
3.3.1 气相沉积法 48
3.3.2 液相反应法 53
3.3.3 模板法 57
3.3.4 定向附着法 60
3.4 半导体纳米线器件的加工工艺 60
3.4.1 电极构筑 61
3.4.2 栅极构筑 64
3.4.3 半导体纳米线的自组装 67
参考文献 70
第4章 半导体纳米线电子器件 74
4.1 引言 74
4.2 场效应晶体管 74
4.2.1 硅纳米线场效应晶体管 75
4.2.2 碳纳米管场效应晶体管 77
4.2.3 Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族半导体场效应晶体管 79
4.2.4 二维材料晶体管 82
4.3 阻变存储器件 84
4.3.1 阻变存储器的基本工作原理 86
4.3.2 阻变材料的研究 87
4.3.3 阻变存储器的集成 98
4.4 场发射器件 100
4.4.1 场发射理论基础 100
4.4.2 半导体纳米线的场发射特性 101
4.4.3 半导体纳米线场发射性能的调控 110
4.4.4 半导体纳米线强流场发射器件 116
4.5 其他电子器件 118
4.5.1 pn结和肖特基二极管 118
4.5.2 逻辑门电路 126
参考文献 129
第5章 半导体纳米线发光器件 139
5.1 引言 139
5.2 发光二极管 139
5.2.1 纳米线发光二极管 140
5.2.2 纳米线阵列发光二极管 147
5.3 激光器 151
参考文献 164
第6章 半导体纳米线光电转换器件 167
6.1 引言 167
6.2 太阳能电池 168
6.2.1 染料敏化太阳能电池 168
6.2.2 钙钛矿太阳能电池 173
6.2.3 pn异质结太阳能电池 178
6.3 光电化学电池制氢 181
6.3.1 光电化学电池制氢原理 181
6.3.2 光电化学电池的吸光性能优化 182
6.3.3 光电化学电池的电荷分离性能优化 193
6.3.4 光电化学电池的稳定性优化 197
参考文献 200
第7章 半导体纳米线压电纳米发电机 205
7.1 引言 205
7.2 压电半导体纳米线概述 206
7.3 压电纳米发电机的结构及原理 208
7.3.1 单根纳米线器件 208
7.3.2 纳米线阵列器件 211
7.3.3 柔性压电纳米发电机 211
7.4 压电纳米发电机的性能调控 216
7.4.1 材料优化设计 216
7.4.2 结构优化设计 217
7.5 压电纳米发电机的应用 219
7.5.1 机械能收集 219
7.5.2 自驱动应变传感 220
7.5.3 电子皮肤 221
7.5.4 自驱动化学传感 225
参考文献 227
第8章 半导体纳米线传感器件 230
8.1 引言 230
8.2 应力应变传感器 230
8.2.1 单根纳米线应力应变传感器 230
8.2.2 纳米线阵列应力应变传感器 239
8.2.3 混合型应力应变传感器 243
8.3 光电传感器 246
8.3.1 电驱动光电传感器 246
8.3.2 自驱动光电探测器 251
8.4 生物传感器 257
8.4.1 电化学生物传感器 257
8.4.2 场效应晶体管生物传感器 259
8.4.3 高电子迁移率场效应晶体管生物传感器 265
参考文献 268
第9章 半导体纳米线功能器件的多场耦合调控 274
9.1 引言 274
9.2 单场调控与材料性能优化 275
9.2.1 应变调控光学性能 275
9.2.2 应变调控电学性能 283
9.2.3 磁学性能调控 289
9.3 力-光-电多场耦合与器件性能优化 294
9.3.1 多场耦合调控发光二极管性能 294
9.3.2 多场耦合调控太阳能电池性能 298
9.3.3 多场耦合调控光电探测性能 301
9.3.4 多场耦合调控光催化性能 307
参考文献 309
第10章 半导体纳米线功能器件的损伤与服役行为 314
10.1 引言 314
10.2 电学损伤与服役行为 314
10.3 力学损伤与服役行为 324
10.4 力电耦合损伤与服役行为 342
10.5 应力腐蚀损伤与服役行为 347
参考文献 352
关键词索引 356
本文摘编自张跃著《半导体纳米线功能器件》，内容有删减。
半导体纳米线功能器件
（低维材料与器件丛书）
张跃 著
责任编辑：翁靖一
北京：科学出版社 2019.03
ISBN 9787030605337
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《半导体纳米线功能器件》为“低维材料与器件丛书”之一。过去二十多年，半导体纳米线因其独特结构与优异性能引起了世界各国科学家的高度关注与广泛研究，半导体纳米线功能器件在不同领域都展现出巨大的前景。本书基于作者多年的科研工作，并结合国内外的最新研究进展，系统介绍了半导体纳米线功能器件的研究成果。内容涵盖了从半导体纳米线功能器件的发展现状和加工技术、不同功能器件的研究进展、多场耦合调控到损伤与服役行为研究。对基于半导体纳米线的电子器件、发光器件、光电转换器件、力电转换器件、传感器件等代表性功能器件进行了详细介绍。本书对半导体纳米线功能器件的发展具有重要的推动意义与学术参考价值。
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