奈米線

纳米线 是一种纳米尺度(10⁻⁹ 米)的线. 换一种说法，纳米线可以被定义为一种具有在横向上被限制在100纳米以下（纵向没有限制）的结构。这种尺度上，量子力学效应很重要 — 因此，这种它也被称作"量子线"。纳米线以不同的形式存在，包括金属(e.g., Ni, Pt, Au)，半导体(e.g., InP, Si, GaN, etc.)和绝缘体(e.g., SiO₂,TiO₂)。分子纳米线由重复的分子元组成，这种分子元可以是有机的(e.g. DNA)或者是无机的(e.g. Mo₆S_9-xI_x).。

作为纳米科技的一部分，纳米线可以被用来制作超小电路。

概述

典型的纳米线的纵横比在1000以上。因此它们通常被引述为一位材料。纳米线具有许多在大块或三位物体中没有发现的有趣的性质。这是因为电子在纳米线中在横向被量子束缚，因而能级分立。这种量子束缚的特性在一些纳米线中（比如碳纳米管）表现为分立的电阻值。这种分立值是由纳米尺度下量子效应对通过纳米线电子数的限制引起的。这些孤立值通常被引述为电阻的量子化，并且都为 ${\frac {2e^{2}}{h}}$ ≈ 12.9 kΩ^-1的整数倍。

例如，无机分子纳米线(Mo₆S_9-xI_x)直径0.9 nm,但长度可以达到数百微米。其他重要的例子是基于半导体如InP、 Si、GaN等,绝缘体(e.g. SiO₂,TiO₂)或者是金属(e.g. Ni, Pt)。

在电子，光电子和纳电子机械器械中，纳米线有可能起到很重要的作用。它同时还可以作为合成物中的添加物、量子器械中的连线、场发射器和生物分子纳米感应器，

纳米线的物理

纳米线的制作

纳米线并没有在自然界中被发现过,必须在实验室中生产。纳米线可以被悬空,沉积或者由元素合成。

悬空的纳米线指在真空条件下末端被固定. 沉积纳米线指纳米线被沉积在其他物质的表面上:例如它可以是一条覆盖在绝缘体上的金属原子线.

悬空纳米线可以通过对粗线的化学蚀刻得来,也可以用高能粒子(原子或分子)轰击粗线产生.

另一种方式产生纳米线是通过STM的尖端来刻处于熔点附近的金属。就像用叉子在披萨饼的奶酪上划线。

一种常用的技术是蒸汽合成法（Vapor-Liquid-Solid (VLS) synthesis method）。这种技术使用激光融化的粒子或者一种原料气硅烷作源（材料）。然后把源材料暴露在一种催化剂中。对纳米线来说，最好的催化材料是液体金属（比如金）的纳米簇。它可以被以胶质的新式购买，然后被沉积在基质上或通过去湿法从薄膜上自我组装。

源（材料）进入到这些纳米簇中并充盈其中。一旦达到了超饱和，源（材料）固化，并从纳米簇上向外生长。最终产品的长度可由停止供应源材料来控制。具有交互材料的超级网格结构的化合物纳米线可以通过在生长过程中转换源（材料）来实现。

纳米线的传导性

纳米线的传导性被预期为大大小于整体材料。这是由一系列的原因引起的。第一个原因是由于，当线宽小于整体材料自由电子平均自由程的时候，载流子在边界上的散射。例如，铜的平均自由程为40nm.对于宽度小于40nm的铜纳米线来说，平均自由程将缩短为线宽。

同时，因为尺度的原因，纳米线还会体现其他特殊性质。在碳纳米管中，电子的运动遵行弹道输运（意味着电子可以自由的从一个电极穿行到另一个）的原则。而在纳米线中，电阻率被边缘效应严重影响。这些边缘效应来自于纳米线表面的原子，这些原子并没有像那些在整体中的那些原子一样被充分键合。这些没有被键合的原子通常是纳米线中缺陷的来源，使纳米线的传导能力低于整体材料。随着纳米线尺度的减小，表面原子的数目相对整体原子的数目增多，因而边缘效应更加明显。

更进一步，传导率会经历能量的量子化：例如，通过纳米线的电子只会有离散值，乘以郎道常数 $G=2e^{2}/h$ （这里 e是电子电量，h是普朗克常数。

电导率由此被表示成通过不同量子能级的分离通道输运的总和。线越细，能够通过电子的通道数目越少。

把纳米线连在电极之间，我们可以研究纳米线的电导率。通过在拉伸时测量纳米线的电导率，我们发现：当它缩短时，他的电导率也以阶梯的形式随之缩短，每阶之间相差一个郎道常数G。

因为低电子浓度和低等效质量，这种电导率的量子化在半导体中比在金属中更加明显。量子化的电导率可以在25nm的硅鳍(fin)中观测到(Tilke et. al., 2003)，导致阀电压的升高。

纳米线的结构

纳米线可以有多种形态。有时他们已非晶体的顺序出现，假设五边对称或螺旋态。电子会在五边形管和螺旋管中蜿蜒而行。

这种晶体顺序的缺乏是由于纳米管中在一个维度（轴向）上体现周期性。因此在其它维度上可以以能量原则产生任何次序。

例如，在一些个例中，纳米管可以显示五重对称性，这种对称性无法在自然界中观测到，却可以在少量原子促成的簇中发现。这种五重对称性相当于原子簇的二十重对称性：二十面体是一簇原子的低能量态，但是由于二十面体不能在各个方向上无限重复并充满整个空间，这种次序没有在晶体中观测到。

纳米线的用途

纳米线现在仍然处于试验阶段。不过，一些早期的实验显示它们可以被用于下一代的计算设备。

为了制造有效电子元素，第一个重要的步骤是用化学的方法对纳米线掺杂。这已经被是现在纳米线上来制作P型和N型半导体。

下一步是找出制作PN节，一种最简单的电子器械，的方法。这可用两种方法来实现。第一种是物理方法：把一条P型线放到一条N型线之上。第二种方法是化学的：沿一条线掺不同的杂质。

再下一步是建逻辑门。简单的把几个PN节连到一起，研究者创造出了所有基础逻辑电路：与、或、非门都已经可以由纳米线交叉来实现。

纳米线交叉可能对数字计算的将来很重要。虽然纳米线还有其他用途，电子用途是唯一利用到了物理在纳米领域的好处的。

纳米管正在被研究用来做弹道波导，运用于量子点/量子井效应光子逻辑阵列的连线。光子管中行，电子外壁游。

当两条纳米管用作光子波导互相交叉，交叉连接点就是一个量子点。

参考资料

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

另见

外部键连

Nanowire Transistors Faster than Silicon