包含作为可编程掺杂剂的量子点的层状复合薄膜制造技术

量子点位于层状复合薄膜内，以在薄膜内产生多个实时可编程掺杂剂。通过相连控制路径中的能量，电荷载体被驱动进入量子点之内。电荷载体通过量子限制被捕获在量子点之内，从而电荷载体形成人造原子，人造原子用作周围材料的掺杂剂。通过精确地改变限制人造原子的量子点上的电压来调节每个人造原子的原子序数。原子序数的变换会改变人造原子的掺杂特性。层状复合薄膜也被构成为移位寄存器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于产生量子效应的装置即包含量子点装置的层状复合薄膜，其包括由外部能源控制的电极。作为可放置于块状材料内部并由外部信号控制的可编程掺杂剂，本专利技术在材料科学方面具有特定(但非排他性)应用。
技术介绍
对于很小结构的制造已经得以很好地实现了，以便于开发出电荷载体，例如电子或者电子“空穴”，的量子力学表现。可通过其线性尺寸小于载体的量子力学波长的这种结构来实现载体的量子限制(quantum confinement)。一维中的限制产生“量子阱”，而二维中的限制产生“量子线”。量子点是可以在所有三维空间中限制载体的结构。量子点可以被制成粒子，其具有在所有三个方向上都小于电荷载体的德布罗意(de Broglie)波长的尺寸。在其尺寸小于电子空穴波尔(Bohr)尺寸、载体非弹性平均自由行程、以及电离直径(即，在载体的量子限制能量等于其热动能时的直径)的粒子中，也可观察到量子限制效应。假设当所有这些标准都被同时满足时，可观察到最强的限制。这些粒子可以由半导体材料(例如，Si、GaAs、AlGaAs、InGaAs、InAlAs、InAs，以及其它材料)，或者金属组成，而且可具有或可不具有绝缘包覆层。在本文件中，这样的粒子被称为“量子点粒子”。量子点也可通过电荷载体的静电约束形成于半导体基板内部。这可通过使用各种设计类型的微电子器件来实现，例如通过形成于量子阱顶部的封闭式栅电极或者近乎封闭式栅电极。在此，术语“微”是指“非常小”，而且通常表示相当于或小于千分之一毫米的微米大小。术语“量子点器件”指的是，能够以这种方式产生量子点的任何设备。通用术语“量子点”，在一些附图中简写作“QD”，指的是任何量子点粒子或者量子点器件。材料的电学、光学、热力学、磁力学、机械学以及化学特性取决于围绕其原子和分子的电子云的结构和激发能级。掺杂，是将精确数量的经细心挑选的杂质埋入材料中以改变周围原子的电子结构(例如通过赠与其电子或从其中借取电子)从而改变材料的电学、光学、热力学、磁学、机械学或化学特性的过程。低至每十亿个基板原子只有一个掺杂剂原子的这样的杂质量可相对于纯晶体的预期行为产生可测量的偏差；在半导体行业中，经常有意地以低至每百万基板原子只有一个掺杂剂原子的杂质量来进行掺杂，例如，用于改变半导体的带隙。Kastner在《今日物理(Physics Today)》(1993年1月)上发表的“人造原子(Artificial Atom)”一文中指出，由于量子点中所限制的载体在很多方面都类似于被原子核所限制的电子，所以量子点可被认为是“人造原子”。现在，术语“人造原子”是通用的，而且经常与“量子点”互换使用。但是，对于本文件的目的，“人造原子”特指受限制载体的形式(pattern)，例如，零维电子气，而并非将载体限制于其内的粒子或者器件。Kastner描述了由量子点粒子构成“人造分子”和“人造固体”的未来潜力。未提供这些分子和固体的设计与功能上的细节。相对于相应的块状材料，量子点可具有较大更改的电子结构，从而具有不同的特性。量子点也可用作其它材料中的掺杂剂。由于其独特特性，量子点用在各种电子、光学以及电-光器件中。近来，量子点用作近单色荧光剂光源、激光光源、包括红外探测器在内的光探测器，以及包括单电子晶体管在内的高微型晶体管。它们也可用作用于探究受限载体的量子机械行为的有用的实验室。很多研究人员正在探究量子点在人造材料中的使用，以及用作影响半导体材料的光学和电子学特性的掺杂剂。将金属和半导体纳米颗粒嵌入块状材料中(例如，含铅晶体中的铅颗粒)已经有几个世纪的历史了。但是，仅在最近才对这些材料的物理学认识有了一些了解。这些纳米颗粒(nanoparticle)是具有由其尺寸和成分决定的特性的量子点。这些纳米颗粒用作它们所嵌入其中的材料的掺杂剂，以改变所选的光学或者电子学特性。量子点的掺杂特性在制造时是固定的，并且之后不可被调整。总地来说，
技术介绍
几乎完全忽视了量子点在材料科学上所具有的更广泛的意义。在各种材料中放置可编程掺杂剂的这种能力意味着对这些材料整体性质的有用控制。为了适应改变着的需求和条件，这种控制不仅可在制造材料的时候进行，而且也可实时地进行，也就是说，在使用的时候。然而，关于在块状材料的内部使用、放置或者控制可编程量子点方面没有实质性的论述。类似地，关于在一种块状材料内部的一层或者多层中放置大量(large arrays of)电控量子点器件方面也没有论述。如下所述的，在少量参考文献中存在对于这些概念的一些暗示。Leatherdale等人在“物理评论B(Physics Review B)”(2000年7月15日)中发表的“硒化镉量子点固体中的光电导性(Photoconductivity in CdSe Quantum Dot Solids)”中详细描述了，“具有潜在可调光学和电学特性的二维和三维......人造固体”的制造。这些固体是由沉积在半导体基板上的胶质半导体纳米晶体构成的。其结果是，量子点粒子构成规则的、玻璃状的薄膜，其可以被外界光源光学地激励，或者被连接到基板的电极电学地激励，从而改变光学和电学特性。这些薄膜非常易碎，而且仅在它们被制成几微米厚的意义上才是“三维的”。可通过基板上的源电压和漏电压中的变化而电调节的唯一参数是量子点中的平均电子数量。量子点粒子的尺寸和成分中的微小改变都意味着量子点之间的电子数量会在略微改变。但是，平均起来，量子点粒子都会相似地运动。Burt的美国专利文献第5,881,200号公开了光纤1，其包括中心开口2，中心开口2填充有将量子点4放置于支持媒体中所获得的胶状溶液3。见文中的
技术介绍
附图1和2。量子点的目的在于当受到光学地激励时产生光，例如，产生光放大或者激光辐射。量子点代替铒原子，当在光纤中被用作掺杂剂时，其可以产生光放大器。量子点的特性可受制造时进行的尺寸和成分的选择所影响。Futatsugi的美国专利文献第5,889,288号公开了使用静电排斥来限制电子的半导体量子点器件。该器件包括受到场效应晶体管控制的电极16a、16b以及17，所述场效应晶体管都形成在半绝缘基板11上的量子阱表面上。见文中的
技术介绍
附图3A和3B。这样的设置允许通过改变栅电极G上的电压来控制被捕获于量子点QD中电子的精确数量。这是有益的，因为其允许量子点中所包含的“人造原子”具有与元素周期表中任何天然原子以及难以通过其它方式轻易制取的超铀原子及不对称原子相类似的特性。电极的二维特性表明，人造原子只能存在于晶片表面或者晶片表面附近。Kouwenhoven等人在《物理世界》(1998年6月)发表的“量子点(Quantum Dot)”中，描述了操纵限制于类似器件中的人造原子的过程，包括通过改变栅电极上的电压而改变其原子序数。所述器件能够控制多达100个电子，其“元素周期表”也被描述出来，而且由于量子限制区域是非球形的，因此其“元素周期表”也不同于正常原子的元素周期表。其材料科学意义并未得到论述。牛津大学出版社出版的Turton的“量子点(The Quantum Dot)”(1995)描述了这样的可能性，即，作为用于制造新材料的方法，可以将这样的量子点器件放置于半导体微芯片上的二维阵列中，例如，通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于产生量子效应的器件，该器件包括：材料，其被制成为柔性薄膜；多个量子点，物理地与所述材料相连接；至少一个控制路径，物理地与所述材料相连接，并且可操作地与所述多个量子点耦合，其中所述至少一个控制路径适于将能量从能量源运送到所述多个量子点；以及多个电荷载体，其能够被限制在所述多个量子点之内，以形成多个人造原子，其中，所述能量适于在所述多个量子点中的每个量子点上引起电势，从而将多个电荷载体中相应的子集限制在所述每个量子点中的受控结构下，以形成所述多个人造原子中相应的一个；其中，所述能量决定了所述相应多个人造原子中的被限制在每个相应量子点中的每一个人造原子的尺寸、形状、原子序数、和／或能量级；并且其中，所述多个人造原子改变所述材料的电学、光学、热力学、磁力学、机械、和／或化学特性。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2004-6-4 60/577,2391.用于产生量子效应的器件，该器件包括材料，其被制成为柔性薄膜；多个量子点，物理地与所述材料相连接；至少一个控制路径，物理地与所述材料相连接，并且可操作地与所述多个量子点耦合，其中所述至少一个控制路径适于将能量从能量源运送到所述多个量子点；以及多个电荷载体，其能够被限制在所述多个量子点之内，以形成多个人造原子，其中，所述能量适于在所述多个量子点中的每个量子点上引起电势，从而将多个电荷载体中相应的子集限制在所述每个量子点中的受控结构下，以形成所述多个人造原子中相应的一个；其中，所述能量决定了所述相应多个人造原子中的被限制在每个相应量子点中的每一个人造原子的尺寸、形状、原子序数、和/或能量级；并且其中，所述多个人造原子改变所述材料的电学、光学、热力学、磁力学、机械、和/或化学特性。2.根据权利要求1所述的器件，其中，所述至少一个控制路径包括多个控制路径；并且所述多个控制路径中的每个均与所述多个量子点中的相应的一个相耦合。3.根据权利要求2所述的器件，还包括与所述多个控制路径中的每个耦合的至少一个能量源，其中从所述至少一个能量源中输出的能量在所述多个控制路径之间是可控的并且是可区分的，并且所述多个电荷载体的每个子集在每个相应量子点之间是可区分的。4.根据权利要求1所述的器件，其中，所述至少一个控制路径包括多个控制路径；并且所述多个控制路径中的每个均与所述多个量子点中的相应的一组相耦合。5.根据权利要求4所述的器件，还包括与所述多个控制路径中的每个耦合的至少一个能量源，其中输出的能量在所述多个控制路径中的每个之间是可控的并且是可区分的，并且所述多个电荷载体的每个子集在所述多个量子点的每个相应组之间是可区分的。6.根据权利要求1所述的器件，其中，所述至少一个控制路径包括多个控制路径；并且所述多个控制路径的子集与所述多个量子点中的相应的一个相耦合。7.根据权利要求6所述的器件，还包括与所述多个控制路径的每个子集耦合的至少一个能量源，其中从所述至少一个能量源中输出的能量在所述多个控制路径的每个子集之间是可控的并且是可区分的，并且所述多个电荷载体的每个子集在每个相应量子点之间是可区分的。8.根据权利要求1所述的器件，还包括所述材料中的存储层，其将运载到所述多个量子点中的一个量子点中的能量从所述一个或多个控制路径中的第一个切换到第二个。9.根据权利要求1所述的器件，还包括绝缘媒介，其中所述一个或多个控制路径被定位在所述绝缘媒介中并彼此绝缘。10.根据权利要求1所述的器件，其中，所述至少一个控制路径包括电极栅。11.根据权利要求1所述的器件，其中，所述至少一个控制路径包括所述材料上的彼此电绝缘的电极的阵列。12.根据权利要求11所述的器件，其中，所述电极的阵列是由半导体材料形成的，并且每个所述电极均通过具有比所述半导体材料更高的带隙的物质的区域与相邻电极绝缘。13.根据权利要求1所述的器件，其中，所述人造原子中的至少一个的特定结构可在一维、二维或三维中，在所述器件中从所述多个量子点中的第一个移动到所述多个量子点中的第二个。14.根据权利要求1所述的器件，其中，所述多个人造原子与所述器件外部的真实原子化学地相互作用。15.根据权利要求1所述的器件，其中，所述多个人造原子与所述器件外部的真实原子静电地相互作用。16.根据权利要求1所述的器件，还包括与所述柔性薄膜材料相结合的块状材料。17.根据权利要求16所述的器件，其中，所述多个量子点适于使得所述块状材料与所述块状材料外部的物质电磁地相互作用。18.根据权利要求16所述的器件，其中，所述多个量子点适于使得所述块状材料通过发射或反射的方式改变颜色。19.根据权利要求16所述的器件，其中，所述多个量子点适于使得所述块状材料改变导热性，其中所述块状材料用作能够控制通过所述块状材料的热流动的固态热控开关或实时可调热绝缘体。20.一种用于产生量子效应的器件，该器件包括柔性薄膜，所述柔性薄膜进一步包括传输层；以及阻挡层；其中所述传输层和所述阻挡层共同形成了异质结；至少一个电极，其支撑在所述薄膜上；至少一个控制路径，其与所述薄膜物理地相连接并与所述至少一个电极可操作地耦合，其中所述至少一个控制路径适于将能量从能量源运送到所述至少一个电极；以及多个电荷载体，其能够被限制在所述异质结的气层中，以形成多个人造原子；其中当被激励时，所述至少一个电极产生与所述异质结相互作用的电场，并导致与多个量子点相对应的多个势垒的形成；所述多个量子点将所述电荷载体的多个子集限制在受控结构下的所述异质结的所述气体层中，以形成所述多个人造原子；所述能量决定了与所述多个量子点相对应的所述多个人造原子的尺寸、形状、原子序数和/或能量级；并且所述多个人造原子改变所述器件的电学、光学、热力学、磁力学、机械和/或化学特性。21.根据权利要求20所述的器件，其中，所述至少一个电极包括多个电极，它们在所述薄膜上彼此电绝缘；所述至少一个控制路径包括多个控制路径；并且所述多个控制路径的子集与所述多个电极的相应子集电耦合。22.根据权利要求21所述的器件，其中，所述传输层包括由所述阻挡层支撑的至少一个窄条带，其中所述至少一个窄条带的宽度小于所述多个电荷载体中的一个或多个的德布罗意波长；并且所述多个电极的每个均与相邻电极相隔开并且所述多个电极的每个均布置成与其它电极平行。23.根据权利要求21所述的器件，其中，所述传输层包括彼此相隔且彼此平行的并由所述阻挡层支撑的多个窄条带，其中所述多个窄条带中的每个的宽度小于所述多个电荷载体的一个或多个的德布罗意波长；并且所述多个电极的每个均与相邻电极相隔开并且所述多个电极的每个均被布置成与其它电极平行。24.根据权利要求21所述的器件，其中，所述多个电极是由半导体材料形成的，并且所述多个电极的每个均通过具有比所述半导体材料更高的带隙的材料的区域与相邻电极绝缘。25.根据权利要求20所述的器件，其中，所述至少一个电极包括多个封闭环的栅，其限定了相应开口。26.用于产生量子效应的器件，该器件包括柔性薄膜，所述柔性薄膜包括第一阻挡层；第二阻挡层；以及位于所述第一阻挡层与所述第二阻挡层之间的传输层；至少一个电极，其支撑在所述薄膜上；至少一个控制路径，其与所述薄膜物理地连接并与所述至少一个电极可操作地耦合，其中所述至少一个控制路径适于将能量从能量源运送到所述至少一个电极；以及多个电荷载体，其能够被限制在所述传输层的特定区域中，以形成多个人造原子；其中当被激励时，所述至少一个电极产生与所述第一阻挡层、所述第二阻挡层、和所述传输层相互作用的电场，以呈现形成多个量子点的多个势垒；所述多个量子点将所述电荷载体的多个子集限制在受控结构下的所述传输层中，以形成多个人造原子；所述能量决定了与所述多个量子点相对应的所述多个人造原子的尺寸、形状、原子序数、和/或能量级；并且所述多个人造原子改变所述器件的电学、光学、热力学、磁力学、机械、和/或化学特性。27.根据权利要求26所述的器件，其中，所述至少一个电极包括多个电极，它们在所述薄膜上彼此电绝缘；所述至少一个控制路径包括多个控制路径；并且所述多个控制路径的子集与所述多个电极的相应子集电耦合。28.根据权利要求27所述的器件，其中，所述第一阻挡层和所述传输层共同包括由所述第二阻挡层支撑的量子线；并且所述多个电极的每个均与相邻电极相隔开并且所述多个电极的每个均被布置成与其它电极平行。29.根据权利要求27所述的器件，其中，所述第一阻挡层和所述传输层共同包括彼此相隔且彼此平行的并由所述第二阻挡层支撑的多个量子线；并且所述多个电极的每个均与相邻电极相隔开并且所述多个电极的每个均被布置成与其它电极平行。30.根据权利要求27所述的器件，其中，所述多个电极是由半导体材料形成的，并且所述多个电极的每个均通过具有比所述半导体材料更高的带隙的第二材料的区域与相邻电极绝缘。31.根据权利要求26所述的器件，其中，所述至少一个电极包括多个封闭环的栅，其限定了相应开口。32.一种移位寄存器，包括柔性薄膜；多个量子点，其与所述薄膜物理地连接；多个电荷载体，其能够被限制在所述多个量子点之内，以形成相应的多个人造原子；多个电极，与每个相邻电极电绝缘，其中每个电极均置于所述多个量子点的相应对之间；以及多个控制路径，所述多个控制路径与所述薄膜物理地连接并与所述多个电极可操作地耦合；其中所述多个控制路径中的每个均与所述多个电极的相应子集电耦合；并且所述多个控制路径中的每个均适于将能量运送到所述多个电极；其中所述多个量子点中的第一个位于所述多个电极的第一对之间；所述多个量子点中的第二个位于所述多个电极的第二对之间；所述第一对电极通过所述多个控制路径的至少第一个被激励，以将第一受控结构的...

【专利技术属性】
技术研发人员：加里E斯奈德，威尔麦卡锡，
申请(专利权)人：可编程物公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]