劉 巖
(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 人文社會(huì)科學(xué)學(xué)院,云南 昆明 650201)
半導(dǎo)體物理學(xué)作為凝聚態(tài)物理學(xué)的一部分,已經(jīng)發(fā)展了半個(gè)多世紀(jì),并逐漸成為一個(gè)充滿活力、發(fā)展最為迅速的前沿學(xué)科。以此理論為基礎(chǔ)生產(chǎn)出的半導(dǎo)體器件在微電子、計(jì)算機(jī)、通訊以及相關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)對(duì)我們的社會(huì)具有巨大影響,我們可以在微處理器芯片以及晶體管的核心部位發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體的身影,任何使用計(jì)算機(jī)或無(wú)線電波的產(chǎn)品也都依賴于半導(dǎo)體。半導(dǎo)體物理的發(fā)展不僅有力地推動(dòng)了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程,而且從根本上改變了當(dāng)代人類社會(huì)生活的面貌。
20世紀(jì)30年代初,人們開(kāi)始將量子理論應(yīng)用到晶體中去解釋其中的電子態(tài)。1928年布洛赫(F. Bloch)提出了著名的布洛赫定理,發(fā)展并完善了固體的能帶理論。1931年威爾遜(H.A.Wilson)應(yīng)用能帶理論給出了區(qū)分導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的微觀判據(jù),從而奠定了半導(dǎo)體物理的理論基礎(chǔ)。
20世紀(jì)40年代, 貝爾實(shí)驗(yàn)室積極開(kāi)展半導(dǎo)體研究, 組織了一批極有才能的科學(xué)家在科學(xué)前沿領(lǐng)域工作。1947年12月23日,巴丁(J. Bardeen)和布拉頓(W. H. Brattain)宣布了點(diǎn)接觸晶體管試制成功。1948年6月26日,肖克利(W. B. Shockley)研制成功了結(jié)接觸晶體管。由于這三位科學(xué)家所做出的杰出貢獻(xiàn), 使他們共同榮獲了1956年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[1]。晶體管的發(fā)明是二十世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一, 它深刻地改變了人類技術(shù)發(fā)展的進(jìn)程和面貌, 充分顯示出科學(xué)研究的重要作用。
晶體管的發(fā)明是社會(huì)工業(yè)化發(fā)展的必然結(jié)果。早在20世紀(jì)30年代, 生產(chǎn)電子設(shè)備的企業(yè)就希望能有一種電子器件具有電子管的功能但卻沒(méi)有電子管中的燈絲, 因?yàn)榧訜釤艚z不僅消耗能量而且需要加熱時(shí)間, 這就延長(zhǎng)了工作時(shí)的啟動(dòng)過(guò)程; 而且燈絲具有一定的壽命, 連續(xù)使用一年半載就要更換。這些缺點(diǎn)給電子設(shè)備的設(shè)計(jì)者和使用者帶來(lái)很多不便。因此,貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究人員根據(jù)半導(dǎo)體能起到整流和檢波作用的特性, 考慮并研究了用半導(dǎo)體取代電子管的可能性,提出了研制半導(dǎo)體三極管的設(shè)想。歷經(jīng)數(shù)年的研究和探索,直到1947年12月,研究小組經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)最終研制成功了一種能夠替代電子管的固體放大器件,由于該器件主要由兩根金屬絲與半導(dǎo)體進(jìn)行點(diǎn)接觸而構(gòu)成, 因而被稱為點(diǎn)接觸晶體管。隨后,貝爾實(shí)驗(yàn)室的場(chǎng)效應(yīng)晶體管和結(jié)型晶體管的研究工作也取得成功。至此,一個(gè)歷史性的新紀(jì)元開(kāi)始了。
20世紀(jì)50年代,晶體管所具有的重要的應(yīng)用價(jià)值使得半導(dǎo)體物理的研究蓬勃展開(kāi)。眾多學(xué)者開(kāi)始對(duì)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體載流子的平衡及輸運(yùn)、半導(dǎo)體的光電特性等進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)的研究,半導(dǎo)體物理逐漸發(fā)展成為一個(gè)完整的理論體系,隨后PN結(jié)、異質(zhì)結(jié)、金屬——半導(dǎo)體接觸理論的研究也已發(fā)展成熟,現(xiàn)今半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為制造高頻晶體管和激光器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)60年代,半導(dǎo)體物理的發(fā)展已達(dá)到成熟與推廣時(shí)期,以此為基礎(chǔ)迎來(lái)了微處理器和集成電路的發(fā)明,微電子工業(yè)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展,為信息化時(shí)代的到來(lái)鋪平了道路。1958年,安德森(P. W. Anderson)提出了局域態(tài)理論,開(kāi)創(chuàng)了無(wú)序系統(tǒng)研究的新局面,為非晶態(tài)半導(dǎo)體物理的研究奠定了基礎(chǔ)。1967年,Grove和Deal等人對(duì)半導(dǎo)體表面物理的研究取得重要進(jìn)展,從而使Si-MOS集成電路的穩(wěn)定性得以顯著提高。1969年,江崎(L. Esaki)和朱兆祥(R. Tsu)[2]提出可以通過(guò)人工調(diào)制能帶的方法制備半導(dǎo)體超晶格,從而使得人們可以對(duì)此微結(jié)構(gòu)獨(dú)特的物理特性和二維電子氣進(jìn)行研究。也正是在半導(dǎo)體超晶格的研究中,1980年馮·克利青(K. V. Klitzing)[3]發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應(yīng),1982年崔琦(美籍華裔物理學(xué)家)等發(fā)現(xiàn)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng),這些半導(dǎo)體低維物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)揭開(kāi)了現(xiàn)代半導(dǎo)體物理發(fā)展的序幕。
半導(dǎo)體超晶格物理的建立是半導(dǎo)體能帶理論發(fā)展的必然。能帶理論建立起來(lái)后,人們對(duì)各種規(guī)則晶體材料的性能有了相當(dāng)?shù)恼J(rèn)識(shí),進(jìn)而建立了以能帶理論為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體物理體系,并以此來(lái)解釋出現(xiàn)的現(xiàn)象。接下來(lái)人們必然會(huì)想到人為改變和調(diào)制能帶去制備新的材料,以期獲得最新的效應(yīng)及新的用途。
1969年和1976年誕生的分子束外延(MBE)和金屬有機(jī)物化學(xué)汽相沉積(MOCVD)薄膜生長(zhǎng)技術(shù)為整個(gè)半導(dǎo)體科學(xué)帶來(lái)一場(chǎng)革命。隨著這些微加工技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,實(shí)現(xiàn)了晶體的低速率生長(zhǎng),加之超凈工作條件的建立,使得人們能夠制造出高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)構(gòu),它具有所設(shè)計(jì)的勢(shì)能輪廓和雜質(zhì)分布,其尺度可以控制到單原子層,為新型半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
1969年,在美國(guó)IBM公司工作的江崎(L. Esaki)和朱兆祥(R. Tsu)[2]首次提出了“超晶格”概念,即利用半導(dǎo)體微加工技術(shù),人工制作的一種周期性結(jié)構(gòu),其周期僅為天然材料晶格常數(shù)的若干倍。這里“超”的含義是指在天然的周期性以外又附加了人工周期性。1971年,卓以和(A. Y. Cho)[4]用分子束外延(MBE)技術(shù)生長(zhǎng)出了第一個(gè)GaAs/AlxGa1-xAs超晶格材料。由此便揭開(kāi)了超晶格、量子阱、量子線和量子點(diǎn)等低維半導(dǎo)體材料研究的序幕,人們可以根據(jù)自己的意愿和需要,調(diào)制半導(dǎo)體晶格周期結(jié)構(gòu),制造出人工晶格,實(shí)現(xiàn)特定的物理性質(zhì)和技術(shù)要求。
利用MBE和MOCVD等超薄層生長(zhǎng)技術(shù)將兩種禁帶寬度不同、但晶格常數(shù)匹配較好的半導(dǎo)體材料(包括III-V和II-VI族化合物以及Ge-Si半導(dǎo)體系統(tǒng))按不同方式組合交替生長(zhǎng)在一起,就可以構(gòu)成異質(zhì)結(jié)、量子阱或超晶格等人工剪裁結(jié)構(gòu)。如果進(jìn)一步對(duì)載流子的運(yùn)動(dòng)附加維度限制,即可構(gòu)成準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)“量子線”,甚至構(gòu)成完全受限的準(zhǔn)零維結(jié)構(gòu)“量子點(diǎn)”。
超晶格、量子阱、量子線、量子點(diǎn)等半導(dǎo)體低維納米結(jié)構(gòu)具有能帶人工可剪裁性、量子約束效應(yīng)、共振隧穿效應(yīng)、超晶格微帶效應(yīng)、二維電子氣效應(yīng)、電子波量子相干屬性、負(fù)磁阻效應(yīng)和量子霍爾效應(yīng)等重要性質(zhì)。這些微結(jié)構(gòu)因其特殊的物理性質(zhì)、廣闊的應(yīng)用前景而成為引人矚目的研究對(duì)象,相關(guān)的研究豐富了人類對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí),有力地推動(dòng)了凝聚態(tài)物理的整體發(fā)展。
新材料的出現(xiàn)和新效應(yīng)的產(chǎn)生為新器件的設(shè)計(jì)開(kāi)辟了廣闊的道路。超高速邏輯器件、高性能光電子器件及其集成電路系統(tǒng)代表了當(dāng)今器件發(fā)展的趨勢(shì),小型化、功能化和量子化顯示了器件發(fā)展的新特點(diǎn)。如今,采用各種納米結(jié)構(gòu), 設(shè)計(jì)和制作納米量子器件已經(jīng)成為半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)中最為活躍的前沿領(lǐng)域。這類納米器件包括基于單電子效應(yīng)和共振隧穿效應(yīng)的單電子晶體管、存儲(chǔ)器和共振隧穿量子器件,以及基于量子限制效應(yīng)的量子點(diǎn)光電子器件等[5-6]。
1.單電子器件與電路
基于庫(kù)侖阻塞和單電子隧穿的單電子器件, 是納米量子器件研究的主攻方向, 它是克服集成電路物理極限和工藝極限的一條重要途徑。經(jīng)過(guò)十幾年的努力, 人們已在采用不同結(jié)構(gòu)形式和制備技術(shù)試制了單電子晶體管, 并研究了其單電子輸運(yùn)現(xiàn)象。今后的主要任務(wù)是將合理的器件結(jié)構(gòu)形式與優(yōu)化的工藝技術(shù)相結(jié)合, 制備出可在較高溫度, 乃至室溫下工作的單電子器件, 并能實(shí)現(xiàn)其單電子集成電路。
2.納米光電子器件
該類器件主要包括量子點(diǎn)光探測(cè)器、量子點(diǎn)單光子源、量子點(diǎn)激光器和量子級(jí)聯(lián)激光器等。中紅外量子級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)激光器是一種基于量子阱導(dǎo)帶中子帶間躍遷的新型激光器, 由于它在大氣探測(cè)、工業(yè)煙塵分析和科學(xué)監(jiān)測(cè)等方面具有重要應(yīng)用而被人們廣泛關(guān)注。迄今, 人們已采用不同有源區(qū)材料和結(jié)構(gòu)形式, 制作了各類能工作在3~10 μm波長(zhǎng)的量子級(jí)聯(lián)激光器。今后的發(fā)展趨勢(shì)是充分利用半導(dǎo)體能帶工程, 優(yōu)化組合材料類型、結(jié)構(gòu)形式與工藝方法, 以制備出能在室溫下連續(xù)工作, 而且具有高輸出功率和低閾值電流密度的中紅外、甚至遠(yuǎn)紅外的量子級(jí)聯(lián)激光器。
3.石墨烯晶體管
2004年,英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)家安德烈·海姆(A. K. Geim)與康斯坦丁·諾沃肖洛夫(K. S. Novoselov)[7]利用微機(jī)械剝離法首次成功地制備出了一種新型碳基納米材料——石墨烯(Graphene),并于2010年10月5日獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
石墨烯是一種由單層碳原子構(gòu)成的薄膜。這是目前世界上最薄的材料,僅有一個(gè)原子厚(0.335納米),是一種理想的二維量子體系。單層石墨烯是零帶隙的半導(dǎo)體,其最大的特性是其中電子的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的三百分之一,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。這使得石墨烯具有超高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。此外,石墨烯高度穩(wěn)定,即使被制作成1納米寬的元件,導(dǎo)電性也很好。
早在集成電路發(fā)明后不久的20世紀(jì)60年代初,英特爾(Intel)創(chuàng)始人之一——摩爾(G. Moore)就預(yù)言了一條經(jīng)驗(yàn)規(guī)律:在同樣芯片價(jià)格水平上,每過(guò)18~24個(gè)月,集成電路單位面積上可容納的晶體管數(shù)目便會(huì)增加一倍。這就是半導(dǎo)體業(yè)著名的摩爾定律,直到現(xiàn)在仍然適用。另一個(gè)標(biāo)志芯片集成度的量是最小結(jié)構(gòu)的線條寬度(特征尺度),它是由刻蝕技術(shù)決定的。單位面積上器件的密度增大,實(shí)際上就是器件尺寸減小了。2010年硅集成電路的特征尺度已達(dá)到45納米,預(yù)計(jì)2016年特征尺度可達(dá)到22納米,到2022年將達(dá)到10納米。目前,集成電路晶體管普遍采用硅材料制造,由于量子效應(yīng)的限制,當(dāng)硅材料尺寸小于10納米時(shí),用它制造出的晶體管穩(wěn)定性將變差,因此硅材料的加工極限是10納米線寬。人們普遍認(rèn)為,10年之后以硅為核心的傳統(tǒng)微電子器件將面臨無(wú)法避免的困境,摩爾定律將很難繼續(xù)有效。
值得慶幸的是由安德烈·海姆與康斯坦丁·諾沃肖洛夫率領(lǐng)的研究小組已研制出了10納米級(jí)可實(shí)際運(yùn)行的石墨烯晶體管,他們采用標(biāo)準(zhǔn)的晶體管工藝,首先在石墨烯上用電子束刻出溝道,然后在所余下的被稱為“電荷島”的中心部分封入電子,形成量子點(diǎn)。石墨烯晶體管僅有1個(gè)原子厚、10個(gè)原子寬,其柵極部分的結(jié)構(gòu)為10納米的量子點(diǎn)夾著幾納米的絕緣介質(zhì)。由于施加電壓后會(huì)改變?cè)摿孔狱c(diǎn)的導(dǎo)電性,所以量子點(diǎn)就像標(biāo)準(zhǔn)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管一樣,能夠記憶晶體管的邏輯狀態(tài)。今后的發(fā)展趨勢(shì)是研制長(zhǎng)寬均為1個(gè)分子尺度的更小的石墨烯晶體管,其傳輸速度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)目前的硅晶體管,有希望應(yīng)用于全新超級(jí)計(jì)算機(jī)的研發(fā)。因此,石墨烯被普遍認(rèn)為最終會(huì)替代硅,從而引發(fā)一場(chǎng)新的電子工業(yè)革命。
以上, 對(duì)半導(dǎo)體物理的發(fā)展歷程進(jìn)行了簡(jiǎn)單回顧。從中得到了以下幾點(diǎn)有益的啟示。
1.半導(dǎo)體物理的發(fā)展始終與科學(xué)實(shí)驗(yàn)以及工業(yè)技術(shù)應(yīng)用緊密聯(lián)系
晶體管的發(fā)明與發(fā)展過(guò)程表明,二十世紀(jì)30年代以前,人們己經(jīng)制成整流器、光電探測(cè)器、檢波器等半導(dǎo)體器件,并在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了金屬——半導(dǎo)體接觸材料上的一些導(dǎo)電特性,但卻無(wú)法理解其中的物理機(jī)理。直到能帶理論建立以后,以此為基礎(chǔ)才建立起金屬——半導(dǎo)體接觸理論。后來(lái)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中人們發(fā)現(xiàn)這個(gè)理論和實(shí)驗(yàn)測(cè)量有出入,于是提出了半導(dǎo)體表面態(tài)理論來(lái)解釋這一現(xiàn)象。正是由于在實(shí)驗(yàn)中考慮到半導(dǎo)體表面態(tài)的影響,貝爾實(shí)驗(yàn)室才最終研制成功了晶體管。晶體管的發(fā)明引起人們對(duì)半導(dǎo)體的廣泛興趣,這又大大促進(jìn)了半導(dǎo)體物理的發(fā)展。由此可見(jiàn),半導(dǎo)體物理的發(fā)展和實(shí)驗(yàn)是分不開(kāi)的,往往由于新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)促進(jìn)人們建立相應(yīng)的理論,而理論的發(fā)展又反過(guò)來(lái)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的研究,促進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步與完善。
19世紀(jì)30年代英國(guó)物理學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律,為電力的廣泛運(yùn)用奠定了理論基礎(chǔ),架起了電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的橋梁,從而為開(kāi)始于19世紀(jì)70年代的第二次工業(yè)革命(電氣化革命) 鋪平了道路。與此相似,20世紀(jì)中期發(fā)明的晶體管的理論基礎(chǔ)可以追溯到1931年威爾遜的能帶理論。晶體管的研制成功以及大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn),引起了第三次工業(yè)革命,這是涉及信息技術(shù)、新能源技術(shù)、新材料技術(shù)、生物技術(shù)和空間技術(shù)等諸多領(lǐng)域的一場(chǎng)信息控制技術(shù)革命,它把人類社會(huì)帶進(jìn)了一個(gè)新的時(shí)期——數(shù)字化信息時(shí)代。晶體管的研制過(guò)程再次印證了以下觀點(diǎn):科學(xué)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致技術(shù)發(fā)明, 技術(shù)的進(jìn)步終將引起新工業(yè)的產(chǎn)生。
2.半導(dǎo)體物理研究與材料、器件和工藝相結(jié)合,有利于促進(jìn)半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)的發(fā)展
新的工藝能夠創(chuàng)造新的材料, 新的材料孕育著新的物理效應(yīng), 基于新的效應(yīng)能夠研制新型器件,而新型器件性能的提高又必將促進(jìn)工藝技術(shù)的進(jìn)步。例如石墨烯的發(fā)明,早在二十世紀(jì)50年代物理學(xué)家就已在理論上預(yù)言了單層石墨烯的許多奇特性質(zhì),但直到最近幾年,隨著半導(dǎo)體工藝水平的不斷進(jìn)步,人們才能夠成功制備出石墨烯。而石墨烯的電子性質(zhì)中蘊(yùn)含著豐富的物理效應(yīng),例如:相對(duì)論性電子效應(yīng)、反常量子霍爾效應(yīng),弱局域化效應(yīng)等[8]。與石墨烯相關(guān)的新物理正在不斷地被揭示出來(lái),對(duì)它們的研究有力地推動(dòng)了凝聚態(tài)物理理論的發(fā)展。同時(shí)石墨烯晶體管等相關(guān)器件的研制成功必將對(duì)整個(gè)電子信息產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響??梢韵胍?jiàn),今后這一發(fā)展模式仍將貫穿于半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中。
3.半導(dǎo)體物理發(fā)展的一個(gè)顯著特點(diǎn)是和社會(huì)生產(chǎn)密切相關(guān)
20世紀(jì)30年代通訊工業(yè)的發(fā)展使替代真空電子管成為必然的需要,在此社會(huì)背景下,30年代初貝爾實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始探尋新的固體器件來(lái)代替電子管,于是展開(kāi)了半導(dǎo)體物理的研究和半導(dǎo)體材料及其工藝的開(kāi)發(fā),并相繼成功研制了多種半導(dǎo)體器件:熱敏電阻、氧化銅變阻器、碳化硅變阻器、點(diǎn)接觸鍺檢波器、點(diǎn)接觸晶體管、面接觸晶體管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、發(fā)光二極管、光生伏特電池等。60年代后,隨著非晶態(tài)半導(dǎo)體物理的發(fā)展,人們制成了非晶態(tài)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件及計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器件。在對(duì)半導(dǎo)體超晶格的研究過(guò)程中,制成了量子阱激光器、光雙穩(wěn)器件、高電子遷移率晶體管、共振隧穿器件等納米量子器件。21世紀(jì)以低維半導(dǎo)體技術(shù)為中心給人類工業(yè)帶來(lái)一個(gè)全新的納米時(shí)代。半導(dǎo)體物理的發(fā)展為新的半導(dǎo)體器件的研制提供了可能,這些器件在人們的生產(chǎn)、生活領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的、不可替代的作用,而半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)和銷售所獲得的巨大利潤(rùn)又為半導(dǎo)體物理的基礎(chǔ)研究提供了物質(zhì)保障條件。同時(shí)隨著微電子、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域的發(fā)展,進(jìn)一步提出對(duì)新的半導(dǎo)體器件的需求,又將大大促進(jìn)半導(dǎo)體物理的發(fā)展。
總之,晶體管等半導(dǎo)體器件的發(fā)明源于社會(huì)需求導(dǎo)向的牽引,是科學(xué)推力和需求拉力相結(jié)合的碩果。雖然新技術(shù)的產(chǎn)生直接來(lái)源于科學(xué)研究的探索, 但科學(xué)研究項(xiàng)目的決策、組織都體現(xiàn)著潛在的需求。通過(guò)有效的組織能夠把科學(xué)推力和需求拉力結(jié)合在一起, 即把科學(xué)研究可能帶來(lái)的新進(jìn)展和技術(shù)本身的發(fā)展需求聯(lián)系在一起。這需要學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界廣泛而深入的合作, 使科學(xué)研究的應(yīng)用潛力能夠與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要領(lǐng)域相結(jié)合,這是科學(xué)技術(shù)得以快速發(fā)展的原動(dòng)力。
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云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué))2011年3期