半導體材料作為現(xiàn)代信息和新能源技術(shù)的基礎(chǔ)受到人們的廣泛關(guān)注嗎。它的發(fā)展和應(yīng)用帶給人們福音，尤其是在通信、高速計算、大容量信息處理、可再生清潔能源、空間防御、電子對抗以及武器裝備的微型化、智能化等等這些對國民經(jīng)濟和國家安全至關(guān)重要的領(lǐng)域出現(xiàn)了巨大的進步，受到了人們的歡迎和重視。

一、半導體的概念

物質(zhì)存在的形式是多種多樣的，有固體、液體、氣體、離子體等。人們通常把導電性和導熱性差的材料，如陶瓷、金剛石、人工晶體、琥珀和玻璃等成為絕緣體。而導電性、導熱性都比較好的材料，如金、銀、銅、鐵、錫、鋁等金屬，稱為導體?？梢院唵蔚匕呀橛趦烧咧g的，即介于到體育絕緣體之間的材料稱為半導體，與金屬和絕緣體相比，半導體材料的發(fā)現(xiàn)是最晚的。直到20世紀30年代，當材料的提純技術(shù)改進以后，半導體的存在才真正被學術(shù)界認可。

二、半導體的發(fā)展

半導體材料的發(fā)現(xiàn)可以追溯到19世紀。1833年英國法拉第最先發(fā)現(xiàn)了硫化銀材料的電阻隨著溫度的上升而降低，與金屬的電阻隨著溫度的上升而增加的現(xiàn)象相反，從而發(fā)現(xiàn)了這種半導體特有的導電現(xiàn)象，不久以后，1893年，法國的貝克萊爾發(fā)現(xiàn)半導體和電解質(zhì)接觸形式的結(jié)在光照下會產(chǎn)生一個電壓，這就是后來人們熟知的光生伏特效應(yīng)。1873年，英國的史密斯發(fā)現(xiàn)了硒晶體材料的光電導現(xiàn)象。1874年德國的布勞恩觀察到硫化鉛與金屬接觸時的電導與外加的電場方向有關(guān);如果把電壓極性反過來，它就不導通了，這就是半導體的整流效應(yīng)。同年，出生在德國的英國物理學家舒斯特有發(fā)現(xiàn)了銅與氧化銅的整流效應(yīng)。上述半導體的這四個效應(yīng)，雖然在1880年以前就先后被發(fā)現(xiàn)了。但是半導體這個名詞大約到1911年才被考尼白格和維斯首次使用。

20世紀初期，盡管人們對半導體認識比較少，但是對半導體材料的應(yīng)用研究還是比較活躍的。20世紀20年代，固體物理和量子力學的發(fā)展以及能帶論的不斷完善，使半導體材料中的電子態(tài)和電子輸運過程的研究更加深入，對半導體材料中的結(jié)構(gòu)性能、雜質(zhì)和缺陷行為有了更深刻的認識，提高半導體晶體材料的完整性和純度的研究。20世紀50年代，為了改善晶體管特性，提高其穩(wěn)定性，半導體材料的制備技術(shù)得到了迅速發(fā)展。盡管硅在微電子技術(shù)應(yīng)用方面取得了巨大成功，但是硅材料由于受間接帶隙的制約，在硅基發(fā)光器件的研究方面進展緩慢。隨著半導體超晶體格概念的提出，以及分子束外延。金屬有機氣相外延和化學束外延等先進外延生長技術(shù)的進步，成功的生長出一系列的晶態(tài)、非晶態(tài)薄層、超薄層微結(jié)構(gòu)材料，這不僅推動了半導體物理和半導體器件設(shè)計與制造從過去的所謂“雜質(zhì)工程”發(fā)展到“能帶工程”為基于量子效應(yīng)的新一代器件制造與應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

20世紀80年代開始，隨著掃描隧道顯微術(shù)和原子力顯微鏡技術(shù)的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用，納米科學技術(shù)得到了迅速發(fā)展，使人們在原子、分子和納米尺度的水平上操控。制造具有全新功能的材料與器件，于是以碳60、碳納米管為代表的納米材料以及半導體量子點、量子線材料及其半導體量子器件的研究稱為材料科學研究領(lǐng)域的熱點，在國際上掀起了納米科技的研究高潮，可以預(yù)料，基于量子力學原理的新一代半導體微結(jié)構(gòu)材料、器件、電路和系統(tǒng)將引領(lǐng)人類進入到“奇妙”的量子時代，并將徹底改變?nèi)祟惤?jīng)濟生活方式。

隨著信息載體從電子向光電子和光子轉(zhuǎn)換步伐的加快，半導體材料也經(jīng)歷了有三維體材料到薄層、兩位超薄層微結(jié)構(gòu)材料，并正向集材料、器件、電路為一體的功能系統(tǒng)集成芯片材料，以為量子線和零維量子點材料(納米結(jié)構(gòu)材料)方向發(fā)展;從材料體系來看出，硅和硅基材料作為當代微電子技術(shù)的基礎(chǔ)在21世紀中葉之前不會改變外，化合物半導體微結(jié)構(gòu)材料以其優(yōu)異的光電性質(zhì)在高速、低功耗、低噪聲器件和電路，特別是光電子器件、光電集成和光子集成等方面發(fā)揮越來越重要的作用，有機半導體發(fā)光材料因其低廉的成本和良好的柔性，以全色高亮度發(fā)光材料研究的更重要發(fā)展方向，預(yù)計會在新一代平板顯示材料中占有一席之地。

航空航天以及國防建設(shè)的要求推動了寬帶隙、高溫微電子材料中袁洪無愛激光材料的發(fā)展，探索低維結(jié)構(gòu)材料的量子效應(yīng)及其在未來納米電子學和納米光學方面的應(yīng)用，特別是基于單光子光源的量子通信技術(shù)，基于固態(tài)量子比特的量子計算和無機/有機/生命體復(fù)合結(jié)構(gòu)材料與器件的發(fā)展應(yīng)用，已成為目前材料科學最活躍的極有可能出發(fā)新的技術(shù)革命，從而徹底改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)生活方式。如何避免和消除大失配一直結(jié)構(gòu)材料體系在界面處存在大量的位錯和缺陷，是目前材料制備中迫切需要解決的關(guān)鍵科學問題之一，它的解決將為材料科學工作者提供一個廣闊的創(chuàng)新空間。半導體材料是現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，半導體材料和器件也將隨之發(fā)展，永無止境。

石墨烯和碳納米管的問世引起了全世界的研究所熱潮，作為新一代新材料受到了人們關(guān)注特別是由于其具有良好的導電性和高速的電子遷移特性，被看好在微電子技術(shù)和光電子技術(shù)領(lǐng)域有重大應(yīng)用價值。石墨烯是一種二維碳原子晶體。石墨烯的厚度很薄，但是它的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，這一發(fā)現(xiàn)在科學界引起了巨大的轟動。石墨烯是六邊形的，它的π電子是共軛的，但不像石墨一樣共軛的。 它不僅是已知材料中最薄的一種，還非常牢固堅硬;作為單質(zhì)，它在室溫下傳遞電子的速度比已知導體都快。石墨烯在原子尺度上結(jié)構(gòu)非常特殊，必須用相對論量子物理學才能描繪。 石墨烯結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，迄今為止，研究者仍未發(fā)現(xiàn)石墨烯中有碳原子缺失的情況。石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當施加外部機械力時，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力，也就保持了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。 這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使碳原子具有優(yōu)秀的導電性。石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯中電子受到的干擾也非常小。

碳納米管是在用電弧法制備C60時發(fā)現(xiàn)的。隨后，確認了碳納米管的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了碳納米管的許多奇特的性質(zhì)，使得碳納米管成為新的一維納米材料的研究熱點。碳納米管是由類似石墨結(jié)構(gòu)的六邊形網(wǎng)格卷繞而成的、中空的“微管”,分為單層管和多層管。多層管由若干個層間距約為0.34納米的同軸圓柱面套構(gòu)而成。碳納米管的徑向尺寸較小，管的外徑一般在幾納米到幾十納米;管的內(nèi)徑更小，有的只有1納米左右。而碳納米管的長度一般在微米量級，相對其直徑而言是比較長的。因此，碳納米管被認為是一種典型的一維納米材料。對碳納米管的性能，特別是電學性能和力學性能的研究，已有許多理論計算結(jié)果。但是由于多層碳納米管結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，大多數(shù)理論計算都是以單層碳納米管為研究對象來

進行的。雖然大量的理論計算表明,碳納米管具有電學、力學、光學等方面的許多奇特性質(zhì)，但從實驗上驗證這些特性卻十分困難。這主要是因為碳納米管的尺寸太小，難以用常規(guī)實驗手段對其進行測試。盡管困難重重，實驗研究仍然取得了許多很有價值的成果。碳納米管的性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。就其導電性而言，碳納米管可以是金屬性的，也可以是半導體性的，甚至在同一根碳納米管上的不同部位，由于結(jié)構(gòu)的變化，也可以呈現(xiàn)出不同的導電性。此外，電子在碳納米管的徑向運動受到限制，表現(xiàn)出典型的量子限域效應(yīng);而電子在軸向的運動不受任何限制。因此，可以認為碳納米管是一維量子導線。作為典型的一維量子輸運材料，金屬性的碳納米管在低溫下表現(xiàn)出典型的庫侖阻塞效應(yīng)。當外電子注入碳納米管這一微小的電容器如果電容足夠小，只要注入1個電子就會產(chǎn)生足夠高的反向電壓使電路阻斷。當被注入的電子穿過碳納米管后，反向阻斷電壓隨之消失，又可以繼續(xù)注入電子了。 由于社會和科技發(fā)展，數(shù)字電子技術(shù)在我們生活中越來越廣泛。而半導體材料的應(yīng)用和發(fā)展給國家經(jīng)濟和國家安全至關(guān)重要的領(lǐng)域帶來了巨大好處，引起新的飛躍。特別是在高溫微電子材料中紅外激光材料的發(fā)展，探索低維結(jié)構(gòu)材料的量子效應(yīng)及其在未來納米電子學和納米光學方面的應(yīng)用，特別是基于單光子光源的量子通信技術(shù)，基于固態(tài)量子比特的量子計算和復(fù)合結(jié)構(gòu)材料與器件的發(fā)展應(yīng)用，已成為目前材料科學最活躍的極有可能出發(fā)新的技術(shù)革命，從而徹底改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)生活方式。