奈米線

納米線是一種納米尺度(10⁻⁹ 米)的線。換一種說法，納米線可以被定義為一種具有在橫向上被限制在100納米以下（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，納米線可分為不同的類型，包括金屬納米線（如：Ni，Pt，Au等），半導體納米線（如：InP，Si，GaN 等）和絕緣體納米線（如：SiO₂，TiO₂等）。分子納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）。

作為納米技術的一個重要組成部分，納米線可以被用來製作超小電路。

概述

典型的納米線的縱橫比在1000以上,因此它們通常被稱為一維材料。納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。這是因為電子在納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納米線中（比如碳納米管）表現為非連續的電阻值。這種分立值是由納米尺度下量子效應對通過納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，無機分子納米線（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，納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納米感應器，

納米線的物理性質

納米線的製備

當前，納米線均在實驗室中生產，尚未在自然界中發現。納米線可以被懸置法，沉積法或者由元素合成法製得。懸置納米線指納米線在真空條件下末端被固定。懸置納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。沉積納米線指納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.

另一種方式產生納米線是通過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）。這種技術採用激光融化的粒子或者一種原料氣硅烷作源（材料),然後把源(材料)暴露在一種催化劑中。對納米線來說，最好的催化材料是液體金屬（比如金）的納米簇。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）進入到這些納米簇中並充盈其中。一旦達到了超飽和，源（材料）將固化，並從納米簇上向外生長。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納米線可以通過在生長過程中交替源（材料）供應來實現。

納米線的導電性

納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的銅納米線來說，平均自由程將縮短為線寬。

同時，因為尺度的原因，納米線還會體現其他特殊性質。在碳納米管中，電子的運動遵循彈道輸運（意味着電子可以自由的從一個電極穿行到另一個）的原則。而在納米線中，電阻率受到邊界效應的嚴重影響。這些邊界效應來自於納米線表面的原子，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納米線中缺陷的來源，使納米線的導電能力低於整體材料。隨着納米線尺寸的減小，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，通過納米線的電子能量只會具有有離散值乘以朗道常數 $G=2e^{2}/h$ （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。

把納米線連在電極之間，我們可以研究納米線的電導率。通過在拉伸時測量納米線的電導率，我們發現：當納米線長度縮短時，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的硅鰭中觀測到(Tilke et. al., 2003)，導致閥電壓的升高。

納米線的力學性質

通常情況下，隨着尺寸的減小，納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。

納米線的結構

納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納米管僅在一個維度（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，納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。

納米線的用途

納米線現在仍然處於實驗階段。不過，一些早期的實驗顯示它們可以被用於下一代計算機。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納米線摻雜。這已經用於實現在納米線上製作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：在一條納米線摻不同的雜質。再下一步是建邏輯門。通過簡單的把幾個PN節連到一起，研究者製作出了所有的基本邏輯電路：與、或、非門，都已經可以由納米線的交叉來實現。納米線的交叉節點可能對數字計算的將來很重要。雖然納米線還有其他用途，但只有電子用途利用到了其物理性質的優勢。

納米管正在被研究用來做彈道波導，運用於量子點/量子井效應光邏輯陣列的連線。光子在管中穿行，電子則在外壁上輸運。

參考資料

R. Landauer, J. Phys.: Cond. Matter 1, 8099 (1989) [1]
A. T. Tilke et. al., Physical Rev. B, vol. 68, 075311 (2003).

另見

外部連結

Nanowire Transistors Faster than Silicon