納米器件與材料的電氣測量
對納米材料與器件的電氣測量不僅可以揭示其電學(xué)特性,而且可以揭示如納米粒子狀態(tài)密度等基本特性。這些基本特性可用于預(yù)測和控制其物理特性,如拉伸強度、顏色及導(dǎo)熱率。但若想理解這些特性則需要采用高靈敏度的儀器和先進的探測技術(shù)以采集電氣數(shù)據(jù)。專為納米技術(shù)研究設(shè)計的儀表設(shè)備在電氣測量中已成為極其重要的科學(xué)儀器,但在選擇測試系統(tǒng)和工藝方法上仍要求周到細(xì)致地分析,從而實現(xiàn)快速、精確的測量。
納米粒子的表征方法
納米尺度的粒子（組成新材料的原子及分子）遵從的規(guī)則是量子力學(xué),與大尺寸物質(zhì)的特性通常會有不同。因此,通過測量揭示只有納米物質(zhì)才具有的特性則顯得更加重要。
粒子大小和結(jié)構(gòu)主要影響材料研究過程中所采用的測量技術(shù)的類型。宏觀材料可以采用光學(xué)顯微鏡進行觀察。對于粒子尺寸小于200nm的納米材料,則須采用掃描隧道顯微鏡（STM）或原子力顯微鏡（AFM）進行觀察。 表1概括了可看做納米粒子、介觀粒子以及宏觀粒子的相對尺寸。
表1：不同類別粒子的相對尺寸EM>
當(dāng)粒子尺寸減小到納米尺寸,其物理行為將發(fā)生根本性改變。這時可采用非可視測量方法來揭示其獨特的化學(xué)性質(zhì)和電氣性質(zhì)。對于許多此類測量,對應(yīng)于一個物理量的實際測量量,通常為低電流或低電壓。對納米尺寸物體進行直接電氣測量,可以利用帶有特殊探針的儀器和現(xiàn)代的納米探針臺來實現(xiàn)。
電性能測量
只要粒子實際尺寸接近材料電子的波長,就必須要考慮其量子力學(xué)效應(yīng)。在這種臨界尺寸下,粒子的電子能量不能采用大尺寸材料的方法進行預(yù)測。
對于宏觀尺度的粒子,電子具有分立量子能量,它們存在于能帶內(nèi)部,每個能帶由許多能級組成,電子可以通過它們的熱能共享這些能級。當(dāng)粒子尺寸減少至納米量級尺寸時,連續(xù)能帶內(nèi)允許的能量將分散成分立能級（因為其中只有極少數(shù)原子）,這時能級之間的間隔接近電子的熱能。隨著特定的能帶內(nèi)能級變少,材料的狀態(tài)密度也將發(fā)生變化。
狀態(tài)密度是當(dāng)電子通過釋放能量進入到較低的能級或者吸收能量升至較高的能級時可以選擇的能態(tài)數(shù)目。狀態(tài)密度、粒子尺寸以及其他納米特性都可以通過電氣測量推斷得出結(jié)果。
納米粒子的電阻直接受能帶隙和尺寸效應(yīng)的影響,能帶隙是指電子能帶內(nèi)鄰近能級間的距離,而尺寸效應(yīng)與材料的平均自由程（電子在散射事件間傳播的平均距離）有關(guān)。 通常,對于非金屬材料,帶隙直接影響到粒子是導(dǎo)體、絕緣體抑或是半導(dǎo)體。
圖1：連接導(dǎo)體間的碳納米管（CNT）示意圖。
CNT管顯示了許多獨特的性質(zhì),這些性質(zhì)對于研究多鐘電子結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)非常有用。
（感謝美國國家航空和宇航局Ames納米技術(shù)中心提供此圖片）
碳納米管（CNT）就是一個例子（參見圖1）。具有代表性的是,當(dāng)制作碳納米管時,導(dǎo)體形態(tài)和半導(dǎo)體形態(tài)都可能出現(xiàn)。例如,導(dǎo)體碳納米管可用作場致發(fā)射平板顯示器發(fā)射極,而半導(dǎo)體碳納米管可用于制作晶體管開關(guān)器件。圖2(A)中就是半導(dǎo)體碳納米管,功能相當(dāng)于源極和漏極的兩個電極之間有一CNT,第三個電極為絕緣柵（圖2(B)）,直接放置在整個CNT通道下方。 經(jīng)由該通道引入的電場（通過增大柵極電壓）可將CNT管從半導(dǎo)體狀態(tài)轉(zhuǎn)換為絕緣狀態(tài),反過來通過降低柵壓可將該器件轉(zhuǎn)換為導(dǎo)電狀態(tài)。
