為什么納米線對半導(dǎo)體如此重要？

隨著世界各地的電子設(shè)備越來越小，使用傳統(tǒng)電子設(shè)備制造的設(shè)備的尺寸或厚度將受到限制。對于那些希望制造透明、靈活的電子產(chǎn)品的消費(fèi)者來說，情況也是如此，因?yàn)樵S多傳統(tǒng)的電子網(wǎng)絡(luò)并不是按照這種方式設(shè)計(jì)的。那么，答案是什么?嗯，根據(jù)需要小型化的設(shè)備部分，有不同的答案。通過納米技術(shù)，靈活透明的屏幕、電池、電容器和電路板可以變得更高效、更小/更靈活；電子技術(shù)的更多方面正在不斷受到納米材料的影響。然而，我們在這里關(guān)注的是一種特定的納米材料，它在電子學(xué)和納米電子學(xué)方面表現(xiàn)出了很大的前景，這就是納米線。

什么是納米線?

納米線是一種很長很細(xì)的納米材料。在技術(shù)術(shù)語中，這意味著它們具有高縱橫比?？紤]到這是一個與傳統(tǒng)電線相似的幾何形狀，它們在電子和納米電子設(shè)備中具有很大的潛力。納米線是高導(dǎo)電性材料，但考慮到它們的尺寸，它們的導(dǎo)電性不如體積較大的電子產(chǎn)品，但它們的小尺寸使它們非常有用。納米線也是一維(1D)納米材料。這意味著納米線內(nèi)的電子被限制在一個維度，而在另外兩個維度中被阻止移動——這是一種你在許多納米材料中發(fā)現(xiàn)的量子限制，因?yàn)樗鼈兊男〕叽鐜砹擞腥さ牧孔蝇F(xiàn)象。因?yàn)殡娮又荒茉谝痪S中移動，納米線中的電子只能沿著長軸移動——就像傳統(tǒng)的電子線一樣。

與塊狀材料相比，納米線中的電子狀態(tài)確實(shí)有所不同。由于納米線的量子效應(yīng)，納米線的電子將占據(jù)離散的帶，而不是連續(xù)的狀態(tài)。即使每個電子都受到量子限制——因?yàn)榧{米線內(nèi)的勢阱彼此靠近——它們也可以通過電子在勢阱之間穿隧連接起來。這使得電子以最小的阻抗在阱之間流動。這是它們高導(dǎo)電性的主導(dǎo)因素。納米線也可以捆綁在一起，以增加在一個小的局部空間內(nèi)可能的導(dǎo)電程度，并且它們可以很容易地集成到其他材料的基質(zhì)中，使其導(dǎo)電。

由于銅的導(dǎo)電特性，傳統(tǒng)的金屬線完全依賴于銅，與之不同的是，目前存在著許多不同類型的納米線。納米線可以由超導(dǎo)材料(如氧化釔鋇銅(YCBO))或金屬(包括鉑、銀、金和鎳)或半導(dǎo)體(如砷化鎵、硅和磷化銦)或絕緣材料(如二氧化硅和二氧化鈦)組成。這些只是幾個最常見的例子，因?yàn)榫哂行路f成分的納米線一直在出現(xiàn)。在許多情況下，從化學(xué)角度來看，許多納米線本質(zhì)上是無機(jī)的。

納米線在電子領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用

納米線最大的潛力在于晶體管。由于其高縱橫比，很容易在納米線周圍制造介電柵極，這使得它們能夠相對容易地關(guān)閉和打開。此外，由于其尺寸，納米線晶體管不會受到與體積晶體管相同程度的雜質(zhì)的不良影響，這使得制造更便宜和更容易，因?yàn)椴灰欢ㄐ枰獰o雜質(zhì)的材料。雖然許多納米線晶體管需要半導(dǎo)體結(jié)來幫助控制電子流，但有些器件不含結(jié)，電子流是由擠壓納米線的圓形結(jié)構(gòu)控制的，這種結(jié)構(gòu)增加或減少電子流取決于環(huán)是處于“松弛”還是“擠壓”狀態(tài)。

未來還有一些其他應(yīng)用領(lǐng)域可能會受益。其中包括柔性電子設(shè)備和傳感器。目前有關(guān)于柔性電子產(chǎn)品的熱議，特別是因?yàn)樗幸恍┓浅？苹玫臇|西。當(dāng)人們意識到二維材料可用于電子設(shè)備的電池和觸摸屏?xí)r，他們開始對柔性電子產(chǎn)品感到興奮。但是這些組件仍然需要連接，這就是納米線可以發(fā)揮作用的地方。納米線可以結(jié)合到各種薄層材料復(fù)合材料中，并可以充當(dāng)柔性導(dǎo)電介質(zhì)。然后它們可以與設(shè)備中的任何其他柔性材料一起彎曲，而不會影響設(shè)備的導(dǎo)電性。另外，因?yàn)樗鼈兲×?，它們幾乎是不可見的，不會?gòu)成屏幕的光學(xué)透明度。柔性電子產(chǎn)品領(lǐng)域可能包括手機(jī)和筆記本電腦等消費(fèi)電子產(chǎn)品以及用于醫(yī)療和健身應(yīng)用的可穿戴設(shè)備。

對于傳感器，很多人都知道納米材料提升了各類傳感器的傳感能力。到目前為止，納米線傳感器已用于測量各種化學(xué)品、氣體和生物分子以及 pH 值?；诩{米線的傳感器具有與場效應(yīng)晶體管 (FET) 的工作方式非常相似的傳感機(jī)制。在基于納米線的傳感器中，納米線通常由半導(dǎo)體材料制成。當(dāng)傳感器表面的受體與目標(biāo)分子之間發(fā)生相互作用時(shí)，它會引起表面電位的變化，從而改變半導(dǎo)體中空穴和/或電子的局部密度——然后產(chǎn)生可檢測和可測量的變化。

結(jié)論

納米線提供了一種通過充當(dāng)設(shè)備中組件之間的導(dǎo)電介質(zhì)來使電子設(shè)備小型化并創(chuàng)建更靈活的電子設(shè)備的方法。與傳統(tǒng)電線非常相似，納米線中的電子將沿著材料的長軸流動，納米線可以捆綁在一起，以在更小的空間區(qū)域中產(chǎn)生更高的電導(dǎo)率。納米線可廣泛用于電子領(lǐng)域的各種應(yīng)用，最常見的是晶體管，但也可用于柔性和可穿戴電子產(chǎn)品、透明電子產(chǎn)品和傳感器。

審核編輯 ：李倩