一种基于单电子传输原理的单向导通逻辑器件

摘要

本发明提供一种基于单电子传输原理的单向导通逻辑器件。所述基于单电子传输原理的单向导通逻辑器件包括一片表面平整的绝缘衬底，所述绝缘衬底的表面设有一对用以施加偏压并测量微电流的金属导电对电极，所述金属导电对电极内嵌入一个局部区域覆盖率沿垂直于电极方向梯度渐变的纳米粒子点阵薄膜。本发明提供的基于单电子传输原理的单向导通逻辑器件具有梯度纳米粒子点阵薄膜对于电子的传导具有单向导通性，可以作为单电子二极管应用于集成化电子电路当中，由于单电子器件的阻抗源于量子隧穿中的势垒，电子传导产生的焦耳热将大大降低，从而大幅抑制了集成化电路产热，对于电路性能稳定具有极佳效果的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及电子器件与电路技术领域，尤其涉及一种基于单电子传输原理的单向导通逻辑器件。

背景技术

所谓逻辑器件，是指在电子电路当中，通过特殊的器件结构设计实现某种特殊功能的电子元器件，是构筑现代电子仪器的基础。传统的逻辑器件包括有具有单向导通的二极管，具有开关或放大功能的三极管或场效应管等。这些逻辑器件基本上都是由一个或是数个PN结构成。所谓PN结，就是将P型掺杂和N型掺杂的半导体材料相互拼接，P型半导体中的空穴与N型半导体中的电子在拼接界面复合并形成一层载流子耗尽层。在PN结两端所施加偏压的极性和幅值可以控制PN结是否导通以及阻抗强弱，以此来实现不同逻辑器件的各类功能。虽然传统的半导体工艺中将导电的载流子量子化为空穴和电子，但是在实际的器件中，载流子的传输仍然符合经典的输运理论，器件的阻抗亦是源于晶格或是缺陷对于载流子的散射行为。因此，这些器件的运行必然伴随着大量焦耳热的产生。这不仅会提升器件的功耗，还将造成器件过热，在缩短器件使用寿命的同时，存在着高温安全隐患。另外，根据摩尔定律，集成电路的集成度大约每18个月就将翻一番，想要继续维持摩尔定律的发展，将使得现有晶体管的导电沟道的宽度不足5nm，与电子的德布罗意波长相当，量子效应渐趋明显，将使得器件丧失功能。因此，开发真正意义上的量子逻辑器件，对现有电子学器件的更新换代将起到革命性的推动作用。

单电子逻辑器件就是新型量子逻辑器件的一类典型代表。当两块导体之间的距离保持在约1nm时，可以形成一个供电子隧穿通过的隧道结。如若结面积小于10nm

因此，有必要提供一种新的基于单电子传输原理的单向导通逻辑器件解决上述技术问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种梯度纳米粒子点阵薄膜对于电子的传导具有单向导通性，可以作为单电子二极管应用于集成化电子电路当中，由于单电子器件的阻抗源于量子隧穿中的势垒，电子传导产生的焦耳热将大大降低，从而大幅抑制了集成化电路产热，对于电路性能稳定具有极佳效果的基于单电子传输原理的单向导通逻辑器件。

为解决上述技术问题，本发明提供的基于单电子传输原理的单向导通逻辑器件包括：一片表面平整的绝缘衬底，所述绝缘衬底的表面设有一对用以施加偏压并测量微电流的金属导电对电极，所述金属导电对电极内嵌入一个局部区域覆盖率沿垂直于电极方向梯度渐变的纳米粒子点阵薄膜；

当在所述金属导电对电极上施加偏压使得电子从纳米粒子覆盖率较高一端向覆盖率较低一端传输时，可供电子占据的纳米粒子数目逐渐减少，电子将发生汇聚，相互之间产生库仑阻塞排斥作用，电子不能流通，梯度渐变的纳米粒子点阵薄膜表现出较低的电子传导能力；当在金属导电对电极施加相反极性的偏压使得电子以相反的方向传导时，可供电子占据的纳米粒子数目逐渐减增多，电子发生分流，相互作用减弱，不会产生库仑阻塞排斥，电子可以流通，梯度渐变的纳米粒子点阵薄膜表现出较高的电子传导能力。

优选的，所述绝缘衬底其稳定的电阻率≥10

所述绝缘衬底的的材质包括：柔性薄膜或刚性膜片，

所述柔性薄膜包括聚二甲基硅氧烷柔性薄膜和聚对苯二甲酸乙二醇酯柔性薄膜等；所述刚性膜片包括石英、玻璃、红宝石、蓝宝石以及具有氧化硅层的单晶硅片。

优选的，所述金属导电对电极的材质包括单金属导电薄膜或金属氧化物导电薄膜，所述单金属导电薄膜材质包括：金、银、铜、铁和铝，所述金属氧化物导电薄膜包括氧化铟锡。

优选的，所述金属导电对电极的厚度为10-300nm，单片电极的尺寸为10μm

优选的，所述纳米粒子点阵薄膜的材质包括：金、银、钯、铂、铬或铝的至少一种；所述纳米粒子点阵薄膜中粒子的平均尺寸为5-30 nm，所述纳米粒子点阵薄膜中相邻粒子间的平均间隙为0.1-5nm，所述纳米粒子点阵薄膜中电子在相邻粒子间的传输方式为量子隧穿或跳跃。

优选的，所述纳米粒子点阵薄膜的制备方式包括：纳米印刷、物理气相沉积、化学气相沉积和嵌段自组装，所述纳米粒子点阵薄膜中粒子之间设有填充各类绝缘气体、高分子聚合物、绝缘固体和保持真空的一种。

优选的，所述纳米粒子点阵薄膜在金属导电对电极内的分布是非均匀的；具体为：所述纳米粒子点阵薄膜在靠近金属导电对电极中的一片电极处的局部覆盖率要高于另外一片电极处的局部覆盖率，形成所述纳米粒子点阵薄膜的稠密端和稀疏端，所述纳米粒子点阵薄膜中的纳米粒子点阵的局部覆盖率从稠密端到稀疏端渐变降低。

优选的，所述纳米粒子点阵薄膜在金属导电对电极的电极间距大于100nm时，在纳米粒子点阵稀疏端，局部足改覆盖率大于20％，在纳米粒子点阵稠密端，局部最高覆盖率小于95％。

优选的，所述纳米粒子点阵薄膜在金属导电对电极的电极间距小于100nm时，所述纳米粒子点阵薄膜的稀疏端有至少一个以上的纳米粒子，所述纳米粒子点阵薄膜的稠密端的纳米粒子数目多于所述纳米粒子点阵薄膜的稀疏端的纳米粒子数目。

所述基于单电子传输原理的单向导通逻辑器件的组装与使用方法，包括以下步骤：

S1：挑选表面平整的具有一定柔性或完全刚性的绝缘材料作为绝缘衬底；

S2：在表面平整的绝缘衬底的表面印刷金属导电对电极，印刷方法包括掩模覆盖印刷、电镀或蒸镀、聚焦离子束刻蚀和电子刻蚀的一种；

S3：在表面平整的绝缘衬底所支撑的金属导电对电极间隙内嵌入组装一个局部区域覆盖率沿垂直于电极方向梯度渐变的纳米粒子点阵薄膜，纳米粒子点阵薄膜3用于通过气体聚集团簇束流源产生并通过气压差形成纳米粒子束流、或是利用化学溶液法产生纳米粒子悬浊液，沉积于金属导电对电极之间；沉积过程中，控制绝缘衬底缓慢进入束流沉积或是化学溶液中，使得金属导电对电极间隙内局部区域能够沉积纳米粒子的时间不同，以形成局部区域覆盖率沿垂直于电极方向梯度渐变的纳米粒子点阵薄膜；

S4：将纳米粒子点阵薄膜沉积完成后的逻辑器件接入测试电压源，测量逻辑器件的伏安特性曲线，观察逻辑器件的不对称度，获取逻辑器件的整流性能，确定逻辑器件的使用参数；

S5：根据使用参数，将逻辑器件中的金属导电对电极接入适当的电子电路当中，以实现逻辑器件对于电子传导的单向导通性。

与相关技术相比较，本发明提供的基于单电子传输原理的单向导通逻辑器件具有如下有益效果：

(1)、在本发明的梯度纳米粒子点阵薄膜中，电子以隧穿跳跃的方式实现传导，不会产生焦耳热，控制电路温度，延长器件使用寿命；

(2)、有效降低器件尺寸，梯度纳米粒子点阵薄膜可由数个纳米颗粒有序构成，实现尺寸最小化；

(3)、有效降低器件功耗，纳米粒子点阵薄膜的阻抗都处于兆欧量级，由数个纳米粒子构成的器件一次仅允许数个电子通过，实现功耗最小化；

(4)、提高整流效应，组装梯度层次差异更高的纳米粒子点阵薄膜，有助于实现更好的器件单向导通性能。

附图说明

图1为本发明提供的基于单电子传输原理的单向导通逻辑器件的一种较佳实施例的结构示意图；

图2为利用蒙特卡洛法模拟电子在非均匀拓扑网络结构中的输运情况示，其中a是通过渐变的隧穿节点之间的距离L实现节点的梯度分布的网络结构，b是通过节点的数目横向渐变来实现节点的梯度分布的网络结构，c是模拟仿真结构a的伏安特性曲线，d是模拟仿真结构b的伏安特性曲线图1所示的支撑结构的结构示意图；

图3为单电子传输的单向导通逻辑器件结构与应用示意图；

图4为图3所示逻辑器件的真实伏安特性曲线；

图5是包含不同梯度层次的纳米粒子点阵薄膜组成的逻辑器件的伏安特性曲线，其中正向3V处电流经过归一化处理。

图中标号：1、绝缘衬底，2、金属导电对电极，3、纳米粒子点阵薄膜。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

请结合参阅图1、图2、图3和图4，其中，图1为本发明提供的基于单电子传输原理的单向导通逻辑器件的一种较佳实施例的结构示意图；图2为图1所示的支撑结构的结构示意图；图3为图1所示的第一晾晒结构的结构示意图；图4为图1所示的A部放大示意图。基于单电子传输原理的单向导通逻辑器件包括：。

基于单电子传输原理的单向导通逻辑器件，所述逻辑器件包括绝缘衬底1、金属导电对电极2和梯度渐变的纳米粒子点阵薄膜3；其中，表面平整的绝缘衬底1表面附有一对可以施加偏压并测量电学信号的金属导电对电极2；金属导电对电极2间隙内嵌入一个局部区域覆盖率沿垂直于电极方向呈梯度渐变分布的纳米粒子点阵薄膜3；当在金属导电对电极2上施加偏压驱动电子在纳米粒子点阵中传输时，如果电子从纳米粒子覆盖稠密端向纳米粒子覆盖稀疏端传导时，可供电子占据的纳米粒子数目逐渐减少，电子发生汇聚，相互之间产生库仑阻塞排斥作用，电子不能流通，梯度渐变的纳米粒子点阵薄膜3表现出较低的电子传导能力；如果电子从纳米粒子覆盖稀疏端向纳米粒子覆盖稠密端传导时，供电子占据的纳米粒子数目逐渐增多，电子将发生分流，相互作用减弱，不会产生库仑阻塞排斥，电子可以流通，梯度渐变的纳米粒子点阵薄膜3表现出较高的电子传导能力。综上，通过改变施加于金属导电对电极上的偏压极性，即可调控梯度纳米粒子点阵薄膜3的导电能力，使得器件可以作为一种高效的电子单向导通逻辑器件，应用于集成化电子电路当中。

优选的，所述表面平整的绝缘衬底1，其稳定电阻率≥10

所述金属导电对电极2材质为金、银、铜、铁、铝等常规导电金属薄膜或是氧化铟锡等透明化合物导电薄膜，可以稳定附着于绝缘衬底表面；电极厚度为10-300nm，单片电极的尺寸为10μm

覆盖率梯度渐变分布的所述纳米粒子点阵薄膜3材质为金、银、钯、铂、铬或铝等电导率较高的金属；粒子的平均尺寸为5-30nm，相邻粒子间的平均间隙为0.1-5nm，电子在粒子间的传输方式为隧穿跳跃；梯度纳米粒子点阵薄膜3在靠近金属导电对电极中的一片电极处的局部覆盖率要高于另外一片电极处的局部覆盖率，形成梯度点阵薄膜的稠密端和稀疏端，整个点阵薄膜中的纳米粒子点阵的局部覆盖率从稠密端到稀疏端渐变降低；当金属导电对电极间距大于100nm 时，在纳米粒子点阵稀疏端，局部足改覆盖率不低于20％，在纳米粒子点阵稠密端，局部最高覆盖率不高于95％；当金属导电对电极间距小于100nm时，纳米粒子点阵的稀疏端可以有至少一个以上的纳米粒子，纳米粒子点阵的稠密端的纳米粒子数目应多于稀疏端的纳米粒子数目。

所述基于单电子传输原理的单向导通逻辑器件的组装与使用方法，包括以下步骤：

S1：挑选表面平整的具有一定柔性或完全刚性的绝缘材料作为绝缘衬底1；

S2：在表面平整的绝缘衬底1的表面印刷金属导电对电极2，采用掩模覆盖印刷、电镀或蒸镀，聚焦离子束刻蚀，电子束刻蚀等方法；

S3：在金属导电对电极2间隙内嵌入组装一个局部区域覆盖率沿垂直于电极方向梯度渐变的纳米粒子点阵薄膜3，纳米粒子可以通过气体聚集团簇束流源、火花烧蚀、脉冲激光烧蚀等物理气相法产生或是化学溶液合成，沉积于金属导电对电极之间；沉积过程中，控制衬底缓慢进入纳米粒子沉积区域，使得金属导电对电极间隙内局部区域能够沉积纳米粒子的时间不同，以形成局部区域覆盖率沿垂直于电极方向梯度渐变的纳米粒子点阵薄膜3；

S4：、纳米粒子点阵薄膜3沉积完成后，将单箱单通逻辑器件接入测试电压源，测量逻辑器件的伏安特性曲线，观察逻辑器件的不对称度，获取逻辑器件的整流性能，确定逻辑器件的使用参数；

S5：、根据使用参数，将逻辑器件中的金属导电对电极接入适当的电子电路当中，以实现逻辑器件对于电子传导的单向导通性。

所述基于单电子传输原理的单向导通逻辑器件可以缩小尺寸，减少产热，降低功耗，以替代现有集成电子电路中的电子逻辑器件。

本发明提供的基于单电子传输原理的单向导通逻辑器件的工作原理如下：

电子在彼此分离的导电纳米粒子之间的传输方式为隧穿跳跃，电子的传输容易受到潜在的库仑阻塞作用，调控纳米粒子点阵中的电子阻塞状态，就可以实现器件的逻辑功能；构建一个纳米粒子点阵薄膜 3并使其局部覆盖率以某一个方向呈梯度渐变，会形成一个非均匀的拓扑导电网络；当电子沿着梯度方向传输，从纳米粒子点阵薄膜3的稠密端向稀疏端传导时，可供电子占据的纳米粒子数目逐渐减少，电子将在导电通路交汇处发生汇聚，相互之间产生库仑阻塞排斥作用，电子不能流通，纳米粒子点阵薄膜3表现出较低的电子传导能力；如果电子从纳米粒子覆盖稀疏端向纳米粒子覆盖稠密端传导时，供电子占据的纳米粒子数目逐渐增多，电子将在导电通路分叉处发生分流，相互作用减弱，不会产生库仑阻塞排斥，电子可以流通，梯度渐变的纳米粒子点阵薄膜3表现出较高的电子传导能力。因此，改变施加于梯度纳米粒子点阵薄膜3两端的偏压极性，控制电子的主流传导方向，即可调整梯度纳米粒子点阵薄膜的导电能力，从而实现电子整流特性。

与相关技术相比较，本发明提供的基于单电子传输原理的单向导通逻辑器件具有如下有益效果：

本发明提供一种基于单电子传输原理的单向导通逻辑器件，所述外框架1与所述内框架3之间通过所述导向轴21固定连接，所述扭力弹簧22的一端固定于所述导向轴21，所述扭力弹簧22的另一端固定于所述固定套23，在开启所述锁扣6后，所述内框架3在所述扭力弹簧22的弹力下自动弹起，使操作更加便捷，合理的利用了窗台空间，方便对室内通风散热，同时便于清理所述内框架3与所述外框架1之间聚集的灰尘，所述内框架3在开启后与所述外框架1垂直，不影响光线，还能有效的防止雨天雨水从窗台进入室内，提高了窗台的防水性能，所述支撑结构7连接于所述内框架3与所述外框架1之间，且所述内框架3、所述外框架1和所述支撑结构7构成空间三角形结构，提高了所述内框架3的稳固性。

实施例1

以下根据蒙特卡洛法编写程序模拟仿真梯度纳米粒子点阵薄膜中的电子传输行为。在纳米粒子点阵薄膜当中，纳米粒子可以被视为网络结构中的节点，相邻粒子之间可能存在的电子隧穿通道可以被视为连接节点之间的边。由此，纳米粒子点阵薄膜将被简化成一个具有特定拓扑结构的导电网络，电子在其中沿着网络连接边在节点之间传输。在电子的传输过程中，依照正统理论，电子的传输几率Γ与传输前后体系自由能变化ΔE，隧穿电阻R

其中ΔE＝ΔE

第1步、首先根据几率公式计算每个节点上每个电子隧穿几率Γ；

第2步、生成各个节点上每个电子的隧穿随机数p；

第3步、比较每一个节点上每个电子的随机数p与对应的隧穿几率Γ比较，随机数小于隧穿几率时，电子可以隧穿，否则发生库仑阻塞，不能隧穿；

第4步、整个体系在这一时间步长内电子完成隧穿；

第5步、统计电极上流过的电流，并开始新一个时间步长内的模拟计算。

将两种不同的梯度纳米粒子点阵薄膜简化如图2a、图2b所示的网络拓扑结构，其中图2a是通过渐变的隧穿节点之间的距离L实现节点的梯度分布，图2b是通过节点的数目横向渐变来实现节点的梯度分布，二者的网络拓扑结构都是非均匀性的。根据以上的模拟步骤，统计出两种非均匀网络拓扑结构的模拟电压电流曲线如附图2c、图 2d所示，发现图2a、图2b网络拓扑结构的伏安特性曲线表现出非对称性，形状与经典导体的伏安特性曲线关于坐标轴原点对称完全不同。模拟仿真结果验证了基于单电子传输原理的单向导通逻辑器件的制造可行性。

实施例2

以下详细介绍一款基于单电子传输原理的单向导通逻辑器件的制备过程和测试结果，其过程包括以下步骤：

第1步、挑选表面平整的具有一定柔性或完全刚性的绝缘材料作为绝缘衬底。绝缘衬底采用覆盖有300nm厚度的氧化硅绝缘层的硅片；

第2步、在表面平整的绝缘衬底表面的印刷平行导电对电极，采用掩模覆盖印刷、电镀或蒸镀，聚焦离子束刻蚀，电子刻蚀等方法。这里的平行导电对电极是在真空中掩模蒸镀的银电极，金属层的厚度为100nm，极板长宽2×10mm

第3步、在平行导电对电极间隙内嵌入组装一个局部区域覆盖率沿垂直于电极方向梯度渐变的纳米粒子点阵薄膜，纳米粒子点阵薄膜可以通过气体聚集团簇束流源产生并通过气压差形成纳米粒子束流、或是利用化学溶液法产生纳米粒子悬浊液，沉积于平行导电对电极之间；沉积过程中，控制衬底缓慢进入束流沉积或是化学溶液中，使得平行导电对电极间隙内局部区域能够沉积纳米粒子的时间不同，以形成局部区域覆盖率沿垂直于电极方向梯度渐变的纳米粒子点阵薄膜。在这里，采用磁控等离子体气体聚集法产生稳定的钯纳米粒子束流，并沉积到衬底表面，将平行导电对电极放置于衬底表面，利用程控步进电机拖动衬底移动，使得电极间隙区域停留在沉积区域的时间不同，以获得梯度分布的纳米粒子点阵薄膜；其中，电极间隙内共包括 15个不同局部覆盖率的区域，并从一片电极至另一片电极逐渐变化；可选择的，采用透射电子显微镜观察梯度纳米粒子的局部分布覆盖率，验证梯度的存在；

第4步、将逻辑器件接入测试电压源，测量逻辑器件的伏安特性曲线，观察逻辑器件的不对称度，获取逻辑器件的整流性能，确定逻辑器件的使用参数。此处扫描的偏压范围-3～3V，测试时环境温度为 25℃；

根据以上步骤，制备了一款结构尺寸如附图3所示的单向导通逻辑器件，其中采用透射电子显微沿着梯度方向每隔300μm拍摄一张显微照片观察如附图4所示，可以发现局部区域纳米粒子的覆盖率从渐变至。测量逻辑器件的伏安特性曲线如附图5所示，曲线与模拟计算结果类似，形状不再关于原点。

实施例3

依照实施例2的基本制备步骤，在第3步时，修改步进电机控制程序，分别使得电机单次带动衬底的距离为100μm，150μm，300 μm和直接不动，能够制造出包含15个、10个和5个局部覆盖率的梯度纳米粒子点阵薄膜和均匀纳米粒子点阵薄膜，并分别测试其伏安特性曲线，如附图5所示，其中各条曲线在正向3V处电流经过归一化处理。可以发现随着梯度层次降低，伏安特性曲线的不对称程度有所下降，这证明了可以通过调整梯度层次，实现对于逻辑器件单向导通性质的调控。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。