界说：不是一切标准小于100nm纳米资料都叫纳米科技
纳米科技广义的界说，泛指标准小于100nm(纳米)的资料，而研讨纳米资料的科学技能泛称为「纳米科技(Nanotechnology)」。纳米科技的研讨规模很广，包括纳米物理学、纳米化学、纳米资料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米机械加工学、纳米力学与纳米测量学等范畴， 许多顶级的研讨不断地在进行，让咱们先来了解究竟什么是纳米科技吧!
纳米科技严厉的界说有必要「一起」满意下面三个条件：
1、纳米资料的标准小于100nm。
2、纳米资料体积细小，具有全新的光、电、磁、声、化学与机械等性质。
3、纳米资料有必要具有全新的研讨价值与运用。
换句话说，只满意体积细小并不是纳米科技最重要的条件，有必要具有全新的性质与运用，才是纳米科技评论的要点。
值得一提的是，纳米科技严厉的界说有必要一起满意上面三个条件，可是现在整个学术界与工业界都是运用较宽松的界说，也便是只需满意上面的第一个条件标准小于100nm即可，构成今天凡事皆纳米的紊乱局势，许多厂商更是趁着这个紊乱局势乱用「纳米」二字，本文将以简略的文句帮咱们科普，让各位成为沉着的纳米科技判别者。
分类：大致能够分为纳米资料和纳米技能两个重要范畴
纳米科技工业现在依然不算完好，许多运用还在理论研讨的阶段，因而不简单完好地分类，可是大致上能够区分红两个重要的范畴：
纳米资料(Nano-materials)：是指「终究制品」，意思是运用纳米加工技能，将资料加工成标准在100nm以下的产品，这个产品即可称为「纳米资料」。
纳米技能(Nano-technology)：是指「加工进程」，意思是将资料加工成标准在100nm以下时所运用的制程技能，咱们称为「纳米技能」。
「纳米资料」与「纳米技能」两者之间的联系，有点相似「LED」与「出产LED的设备」之间的联系，LED厂(例如：三安光电与木林森)向LED设备商(例如：易维科VEECO，北方华创或ASM)购买LED芯片或封装设备来出产LED器材，因而，设备商专心在怎么规划出性价比高的加工设备，而LED厂家则专心在怎么运用设备出产LED，两者在LED工业中均扮演重要的人物。
相同的道理，纳米技能评论的要点在于怎么规划纳米加工设备，而纳米资料评论的要点在于怎么运用纳米加工设备来出产纳米资料，两者在纳米科技工业中均扮演重要的人物。
品种：纳米资料由外观几许结构分为二维、一维、零维
传统一般标准的资料咱们称为「块材(Bulk)」，其结构是在三维空间中的X轴、Y轴、Z轴都能够无限延伸，如图一(a)所示，而纳米资料能够简略地由外观的几许结构分为二维、一维、零维等三种：
二维(Two-dimensional)： X轴与Y轴能够无限延伸，可是Z轴十分细小(小于100nm)，如图一(b)所示，二维的纳米结构称为「纳米薄膜(Nano thin film)」或「量子井(Quantum well)」。
一维(One-dimensional)： X轴能够无限延伸，可是Y轴与Z轴都十分细小(小于100nm)，如图一(c)所示，一维的纳米结构较长的称为「纳米线(Nanowires)」，较短的称为「纳米棒(Nanorods)」，空心的称为「纳米管(Nanotube)」。
零维(Zero-dimensional)：X轴、Y轴与Z轴都十分细小(小于100nm)，如图一(d)所示，零维的纳米结构称为「纳米粒子(Nanoparticles)」或「量子点(Quantum dots)」。
图一 纳米资料的几许结构
光电特性：LED、LD发光层与量子点技能
一、LED/LD发光层与量子点显现技能的中心原理： 量子限制效应
资料的物理性质大部分是由电子与空穴所决议，例如「Debye德拜长度」用来描绘资猜中电子与电子之间作用力的长度、「de Broglie德布罗意波长」用来界说资料的粒子性质与动摇性质，因为传统三维空间的块材(bulk)标准远大于上述这些电子与空穴的物理特征长度， 因而其物理性质能够运用古典物理学来解说，可是当资料的标准小到100nm以下时，会与德拜长度及德布罗意波长很挨近，因而会发生「量子限制效应(Quantum confinement effect)」。
关于量子限制效应，信任许多学过大学物理的朋友应该不会生疏，我写文章不喜欢放入一大串公式，尤其是艰涩难明的薛定谔方程式，我从前整理了一篇PPT关于量子物理的教材，发现用这个教材让同学了解量子物理的难度都十分大，况且要用文字帮没学过大学物理的同学教学这块难啃的量子骨头，现在我就试着用图与文字来解说一下这个效应：
在微观国际里，尤其是在纳米标准之下，一切的光与电的现象，都会与咱们看到的大标准国际那么的不同，如图二(a)所示(公式看不懂能够跳过去)，依据薛定谔方程式波函数的解，在量子标准(L)下，标准的不同，电子与空穴所在的能量状况△E也会不同，或许它会在能级Eo的方位，或许会在4Eo的方位，或许在9Eo或16Eo…..，因为物理标准的不同，资猜中电子的能级也会相应的改动，所出现的资料特性就会与本来的资料赋性差异极大，如图二(b)所示，此刻发光的能量或频率就不再是资料自身的能带隙性质Eg，而是带隙较宽的(Eg+△Ec+△Ev)，能量变强发光波长因而会变短，这样因为电子与空穴被限制在纳米资料内构成自组的安稳态，构成光电性质的改动，这样的效应咱们称为量子限制效应。
图二 纳米标准下的量子限制效应
量子限制效应最显着的特征是纳米资料的标准愈小时，资料发光能量愈强，能量越强表明发光的波长愈短(蓝色)，这个现象称为「蓝移(blue shift)」。
如图三所示，不同色彩的光波长不同，光的波长便是色彩，在可见光中红光的波长最长，绿光次之，蓝光最短，换句话说，当纳米资料的标准大，发光的能量较低，色彩为红光(波长最长);当纳米资料的标准变小，发光能量变强，色彩为绿光(波长次之);当纳米资料的标准更小，发光能量更强，色彩为蓝光(波长最短)。
图三 量子限制效应
二、LED与LD外延最要害的发光层：纳米薄膜与量子井
1、品种与特性
二维的纳米结构称为「纳米薄膜(Nano thin film)」，泛指厚度在100nm以下的薄膜，如图四(a)的LED结构所示，因为半导体资料具有特别的光电特性，因而常见的纳米薄膜大多是运用半导体资料制造而成，例如：硅、砷化镓、氮化镓或磷化铟等，具有优胜的光电特性，能够运用在光电科技工业。
当咱们将许多层不同资料的半导体纳米薄膜重迭在一起时，能够构成「量子井(Quantum well)」，例如：在砷化镓晶圆上别离生长砷化镓、砷化铟镓、砷化铝镓的纳米薄膜或是在蓝宝石上生长氮化镓、氮化铟镓、氮化铝镓的纳米薄膜，都是归于量子井结构，如图四(b)的量子井LED发光层结构所示，研讨显现具有量子井结构的LED发光二极管或LD激光二极管元器材具有更好的发光功率。
图四 纳米薄膜与量子井的界说与运用
2、量子井运用实例
图四(c)为运用多层量子井结构所制造的「量子井激光二极管(Quantum well laser diode)」，科学家称为「笔直共振腔面射型激光(VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser)」，是现在现已量产的产品，外观如图四(d)所示，这种结构遍及运用在光通讯的光源。
图中的激光运用砷化镓晶圆制造，上下均为金属电极，上方衔接电池的正极，下方衔接电池的负极;中心上下是数十层N型与P型的纳米薄膜，色彩较深的部分代表折射率(Index)较大，色彩较浅的部分代表折射率(Index)较小，这种由许多层不同折射率的薄膜交互摆放而成的元器材是十分重要的光学结构，咱们称为「布拉格反射层DBR光栅(Grating)」;正中心是纳米薄膜，因为它夹在中心上下的光栅之间，因而构成量子井的结构，称为「量子井发光区」，是激光首要的发光区域，这一层的半导体资料品种决议激光的发光色彩与强度，因为笔直共振腔面射型激光(VCSEL)运用量子井结构，因而能够添加发光功率，具有优秀的光电特性。
3、纳米薄膜制备办法
纳米薄膜的制造能够运用单晶或多晶薄膜生长技能，可是运用加热蒸镀、电子束蒸镀、溅镀(Sputter)、等离子化学气相堆积(PECVD)等办法得到的纳米薄膜质量欠安，因而现在大多运用制程条件比较严厉，本钱也比较高的分子束外延(MBE)或有机化学气相堆积(MOCVD)来制造纳米薄膜，分子束外延(MBE)能够在超高真空下将原子「一层一层地」生长在晶圆外表，因而操控得很精准，能够制造单层的纳米薄膜，也能够制造多层的量子井结构。
显现技能的新主力：纳米粒子与量子点
1、LED与LD在发光层上出现的量子点效应
零维的纳米结构称为「纳米粒子(Nanoparticle)」，泛指颗粒巨细(直径)在100nm以下的颗粒，如图五(a)所示，因为半导体资料具有特别的光电特性，因而常见的纳米粒子大多是运用半导体资料制造而成，例如：硅、砷化镓、氮化镓等，具有优胜的光电特性，运用在光电科技工业。
当咱们运用半导体的纳米薄膜将纳米粒子掩盖起来时，构成「量子点(Quantum dot)」结构，例如：在蓝宝石衬底生长氮化镓底层资料后，氮化铟镓的发光层因为温度变异导致相别离效应，发光层上会出现出相似富铟(Indium Rich) 的「氮化铟镓」纳米粒子，再生长一层「氮化铝镓或氮化镓」的纳米薄膜掩盖起来，就归于具有富量子点的量子井结构。
如图五(b)所示，诺贝尔物理奖得主，也是氮化铟镓蓝光LED发明人中村修二教授以为具有量子点结构的氮化铟镓发光LED或激光LD光电器材具有更好的发光功率。
图五 运用MOCVD制造纳米粒子与量子点
2、纳米粒子制备办法
纳米粒子的制造能够运用薄膜生长技能，可是都有必要协作恰当的设备操控不同的温度与压力来辅佐才简单构成纳米粒子，不然只会构成纳米薄膜，例如：加热蒸镀、电子束蒸镀、溅镀(Sputter)、等离子化学气相堆积(PECVD)、分子束外延(MBE)、有机化学气相堆积(MOCVD)等。例如，像图五(c)所示，假如要制备氮化铟镓纳米粒子，能够运用有机化学气相堆积(MOCVD)，将氨气与有机金属三甲基镓，三甲基铟别离混入氢气或氮气通入反响腔体，操控不同的压力与温度就能够得到氮化铟镓纳米粒子，能够宣布很亮的蓝光或绿光。
3、量子点显现技能：有时机成OLED后市场上寻求的梦境显现科技
因为量子限制效应，不同标准的纳米粒子会宣布不同波长(色彩)的荧光，例如：硒化镉(CdSe)直径10nm时宣布赤色荧光，直径5nm时宣布绿色荧光，直径2nm时宣布蓝色荧光，如图六(a)所示，并且它的发光强度比传统有机荧光物质高10倍以上，再加上比较现在的显现技能，量子点具有自发光、高对比度、广视角与轻浮可绕曲等长处，将有时机成为继OLED之后市场上亟欲寻求的梦境显现科技。
最近市面上的显现科技有点群魔乱舞，4k8K LCD、OLED、Micro LED、激光电视与量子点QLED五家争鸣，量子点显现技能现在还不是很老练，可是为什么市面上仍是有许多打着量子点旗帜的QLED电视呢?
如图六(b)所示，现在的量子点电视是运用量子点发光频谱会集的特性，宣布高纯度的色彩，从而到达更好的全彩显现，将量子点加在LCD背光源上，量子点吸收背光源的光，以光致发光(Photoluminescence ;PL)从头宣布高纯度的光，成为纯色的背光源，制造出高彩度的显现技能，最近TCL与QD Vision协作推出554k量子点电视便是用这种技能，可是，这样的量子点光致发光技能，只是只是在传统的LCD技能加上量子点薄膜作为色彩调整，尽管带来了优秀色彩特性，但本质上仍是受限LCD显现技能，依然无法享用高对比度、广视角与轻浮可绕曲等长处!
因为咱们对这个科技比较生疏，也没有才能去了解这么深邃的物理，所以电视厂家打着量子点高科技的名词自然会招引一般老百姓的重视，实际上现在的QLED电视仍是LCD电视的改良版!
最常见的量子点结构如图六(c)所示，一般包括无机半导体中心层(core，直径约1～10nm)、宽带隙无机半导体壳层(Shell)，以及最外层的有机配体(Ligand)，中心层是量子点首要发光层，运用不同品种资料例如CdSe、CdS、InP与ZnSe ，组成不同的标准巨细，能够调整量子点发光的色彩，运用组成的时刻、温度以及反响物的浓度，加上组成后的过滤挑选，能够使量子点的巨细更共同且均匀，宣布更纯的光色。壳层包复中心层，阻隔氧气与湿气，并修补中心层缺陷，提高发光功率，最外层的有机配体能够使量子点涣散在不同的非极性有机溶剂中，有利于运用溶液制程来制造量子点发光器材。
未来的QLED器材，制程办法与发光结构会跟现在的OLED比较挨近，如图六(d)所示，都是运用电致发光，最大的不同点是QLED选用量子点作为发光资料，电子与空穴传输层能够运用跟OLED挨近的有机资料，做出新一代柔性显现器，当然现在这样的结构功率仍是很低，所以为了提高QLED功率，有机资料加上氧化锌ZnO的电子传输层与氧化镍NiO空穴传输层是提高功率的比较好的挑选，现在最新的作用是浙江大学彭笑刚教授团队运用有机资料PMMA作为氧化锌ZnO电子传导层与量子点发光层的缓冲结构层，能够到达挨近OLED的功率，是现在国际最前沿的QLED技能领航者之一。
图六 纳米粒子与量子点的运用
纳米技能仅有的缺陷!
半导体集成电路技能的魔咒：量子穿随效应
「绝缘体」是不简单导电的固体，例如：塑料、陶瓷，因而电子无法穿透绝缘体，可是当资料的标准小于100nm以下时，因为实在是太薄了，科学家发现电子居然能够恣意地穿透绝缘体，咱们称为「量子穿隧效应(Quantum tunneling effect)」，换句话说，塑料、陶瓷这种本来在块材(Bulk)时是绝缘体的资料，当它的标准小于100nm以下时就不再是绝缘体了。
因为在传统集成电路制程中，CMOS有必要运用「氧化硅」来制造闸极，因为氧化硅是很好的绝缘体，可是当CMOS的闸极线宽小于100nm时，氧化硅的厚度或许只要10nm，因为量子穿隧效应，这么薄的氧化硅会使电子恣意地穿透而无法绝缘，因而晶圆厂有必要运用其他资料来替代氧化硅，对晶圆厂来说是有必要添加新制程来处理问题的本钱，这个时分纳米反而是个有必要处理的费事。由这个比如能够发现，并不是一切的东西做成纳米就好，有必要要看运用在什么产品，「该大就大，该小则小」才是上策。
这篇文章是关于在纳米标准下，光电元器材出现出优胜的功能，其实纳米资料还有许多奇特的作用，例如纳米技能之外表与界面效应(Surface and interface effect)能够制造纳米陶瓷粉末的涂料(油漆)，运用这种纳米陶瓷粉末涂布在战机的机身，能够吸收一切雷达的电磁波，美国F35与我国歼20隐形战斗机便是运用这种技能搞定的，因为篇幅有限，只能下次再科普这方面的技能给咱们了!
在纳米标准下便是这样奇特，值得咱们去探究!
关于纳米，你懂了吗?
