專利名稱：一種制備超微量子器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬電子技術(shù)領(lǐng)域，是一種制備超微(納米級)量子器件的方法。
在超高真空條件下用可控的蒸發(fā)速率在單晶基體上淀積極薄的固體膜被稱為“分子束外延(molecular beam epitaxy，MBE)”。利用MBE技術(shù)可以制成一些自然界并不存在的、具有特殊性能的多層膜(

圖1)，例如超晶格(superlattice)。最近又發(fā)現(xiàn)，在固體膜的寬度或厚度為納米數(shù)量級時，材料的性能將受到量子力學(xué)的約束。在此基礎(chǔ)上設(shè)計的器件被稱為超微量子器件(quantum devices)，其中零維和一維的器件被分別稱為量子點(quantum dot)和量子線(quantum line)。國際上現(xiàn)已致力于用MBE來進(jìn)行新型超微量子器件的制備和研究。然而，目前用MBE方法制備這種器件實際上異常困難，而且難于得到重復(fù)的結(jié)果。
掃描隧道顯微鏡(scanning tunneling mieroscope，STM)是最近十年發(fā)展起來的、觀察固體表面結(jié)構(gòu)的儀器。它不用復(fù)雜的電子光學(xué)系統(tǒng)，卻能得到原子級分辨率的圖像。它的原理是用一個極細(xì)的針尖，在與固體表面距離s為納米級時，如加上一定的電壓，就會有隧道電流I在針尖發(fā)射出來。電流I與s之間呈指數(shù)反比關(guān)系，十分靈敏。因此從I的變化可測知距離s的變化。這樣在針尖掃描一規(guī)定面積的表面時，不論維持I為定值或s為定值，都可以從另一參數(shù)的變化而得到表面形貌圖。最近幾年，利用STM進(jìn)行單個原子或分子的操縱獲得成功，為制備超微量子器件提供了一種新的可能。有人曾嘗試把單個原子挨個排列成一條量子線，稱為“原子鏈(atomic chain)”，如果取走其中一個原子，使鏈斷裂，則由于這個空位與相鄰的原子作用，就可以呈現(xiàn)一種狀態(tài);然后再把原子放回斷裂處，理論上當(dāng)然成為另一種狀態(tài)，這樣就構(gòu)成一個開關(guān)器件。然而實踐證明，用這種方法構(gòu)成一條完整無瑕的原子鏈也是極其困難的，因此迄今尚未有成功的報道。
本發(fā)明的目的在于利用STM操縱原子的技術(shù)，提供一種實際可行的制備超微量子器件的方法。
本發(fā)明提出的方法，是用STM的針尖在某種晶體表面的某一晶向，例如硅片熱處理之后表面重構(gòu)為Si(111)7×7的(110)方向，刻出一條溝道(取走一排原子)，即圖2中的溝道(a)，然后再在間隔盡可能小的條件下按同一方向平行地刻出第二條溝道(b)，如圖2所示。兩條溝道之間的距離為1-3個原子。在溝道寬度≥3納米、長度≥5納米時，中間部分將不受溝道外側(cè)原子的影響。這就是用刻蝕方法而不是組合方法來構(gòu)成量子線(原子鏈)。在實現(xiàn)器件功能方面，則不是扣除一個原子，而是用STM的針尖搬運一個原子(A)放在量子線的某一個原子上(圖3)，這個原子在放置前后STM針尖所感知的電子態(tài)是不同的，區(qū)分這兩種狀態(tài)就構(gòu)成一個開關(guān)器件。這種器件可在室溫下工作，并不像Xe在Ni(111)上那樣需要液氦冷卻(IBM，1990)。
本發(fā)明提出的方法還可以進(jìn)一步制備“分子夾層結(jié)構(gòu)(Molecular Sandwich Structure，MSS)”，用于另一種超微量子器件。先用STM開出一個整齊的溝道，然后用STM針尖將另一種元素的原子搬入(填充)這個溝道內(nèi)，如圖4所示(圖5為宏觀示意圖)。溝道的寬度為3-10個原子。它類似于MBE的橫截面結(jié)構(gòu)，以圖5與圖1相比，可見它實際上就是MBE膜轉(zhuǎn)動90°的結(jié)果。但MSS有下列幾點明顯地優(yōu)于MBE1.有清晰的固-固界面;
2.可控制夾層的厚度至1個原子的精度;
3.可以測量以至于選擇器件的局域量子化特性。
如果考慮到MBE所構(gòu)成的任何超晶格結(jié)構(gòu)實際上都是橫截面(即層與層之間)在起作用，那么用MSS方法制備量子器件在結(jié)構(gòu)上當(dāng)然更為精確。
上述方法中，晶體材料除硅片外，還可根據(jù)需要使用Au，F(xiàn)e，Ni，Cu等金屬或其他材料的單晶。其中用STM在晶體表面刻蝕溝道、搬遷原子等操作過程，均由電子計算機(jī)控制完成。
利用MSS可以進(jìn)行量子線delta摻雜的研究和量子器件集合效應(yīng)的研究，還可用于催化劑系統(tǒng)、巨磁阻(giant magnetoresistance)系統(tǒng)和基于電荷轉(zhuǎn)移的分子電子學(xué)系統(tǒng)基本過程的研究等。
圖1用分子束外延(MBE)法制備的多層結(jié)構(gòu)示意2在Si(111)7×7表面用溝道法制備的量子線結(jié)構(gòu)3用原子加在量子線上取得新的狀態(tài)圖4分子夾層結(jié)構(gòu)(MSS)示意5分子夾層結(jié)構(gòu)(MSS)的宏觀示意圖其中1為硅原子群，2為量子線，3為其他原子層，4為分子夾層結(jié)構(gòu)中填充在溝道內(nèi)的另一種原子，(a)、(b)分別為在晶體表面移走原子而形成的溝道，A為從外面移到量子線表面上的其他原子。
權(quán)利要求
1.一種制備超微量子器件的方法，利用掃描隧道顯微鏡操縱原子，其特征在于(1)用掃描隧道顯微鏡的針尖在晶體表面按某一晶向取走一排原子，使其成為一溝道，然后再在間隔1-3原子距離，按相同方向，平行地取走另一排原子，使其成為另一溝道，兩溝道之間形成一個量子線；(2)再用掃描隧道顯微鏡的針尖搬遷一個原子放在量子線的某個原子上，使放置前后的量子線構(gòu)成兩個不同電子態(tài)，成為一個超微量子開關(guān)器件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備超微量子器件的方法，其特征在于用掃描隧道顯微鏡針尖在晶體表面按某一晶向取走一排原子，形成溝道，溝道寬度為3-10納米，然后再將其他元素的原子搬入該溝道內(nèi)，成為分子夾層結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種利用掃描隧道顯微鏡(STM)操縱原子以制備超微(納米級)量子器件的方法，其特點是用STM針尖在晶體表面按某一晶向刻出兩條平行溝道，兩溝道間的距離為1-3個原子，形成原子鏈(量子線)。然后，再用STM搬運一個原子放置于原子線上，構(gòu)成開關(guān)器件。另一種方法是用STM在晶體表面刻出溝道后再搬入(填充)其他種類的原子到該溝道內(nèi)，構(gòu)成“分子夾層結(jié)構(gòu)”。本發(fā)明制備的超微量子器件有清晰的固-固界面，可控制到一個原子的精度，可用于量子線的delta摻雜研究和量子器件集合效應(yīng)研究，以及其他超微量子器件的基本過程研究。
文檔編號H01L49/00GK1099904SQ9411223
公開日1995年3月8日 申請日期1994年7月18日 優(yōu)先權(quán)日1994年7月18日
發(fā)明者華中一 申請人:復(fù)旦大學(xué)