[发明专利]多硅原子量子点和包含其的设备

说明书

提供一种多原子硅量子点，其在另外的H封端硅表面上包括多个悬空键，每个悬空键具有+1、0或－1的三种电离状态中的一种并且分别对应于悬空键状态下的0、1或2个电子。悬空键紧密靠近在一起并且在硅带隙中能量上具有悬空键状态，并且选择性地控制一个悬空键的电离状态。通过在多个悬空键中包括至少一个输入和至少一个输出来提供一类新的电子元件。还详细说明了选择性修改或创建悬空键。

技术领域

本发明一般涉及在另外的H封端的硅表面(otherwise H-terminated siliconsurface)上形成量子点的多个悬空键(dangling bonds)(DBs)，特别是基于在这样的量子点上调节DB的占据状态(occupation state)的设备。

背景技术

使用扫描探针显微镜技术，通常可以实现原子尺度的化学反应的诱导和可视化。在所谓的机械化学框架中，(1)已经使用NCAFM研究了机械力诱导反应。(2)最近的工作报道了力诱导的原子尺度转换，(3)定量力测量以诱导单个原子(4)和分子的扩散，(5)以及研究分子构象异构体(6)和互变异构化。(7)其他研究表明机械诱导单原子垂直操作的例子。(8、9)然而，使用NC-AFM直接观察两个不同原子的机械诱导的共价键合仍然很少。(10)

最近，技术上相关的H-Si(100)表面上的硅悬空键(DB)被建立为用于超越CMOS技术的非常有前途的构建块。(11、12)DB对应于来自另外的钝化的硅表面的解吸的单个氢原子。它近似于一个sp3杂化轨道，可以被2个、1个或0个电子占据，分别产生负、中性或带正电的DB。因此，DB基本上表现为单个原子量子点，在STM实验中报告了电荷状态转变。(13、14)由于在氢终止过程期间(hydrogen termination procedure)或使用STM尖端(tip)人工产生的缺陷，DBs可以在表面上原生地发现。不同的工作已经表明，在H-Si表面上受控的逐原子光刻(atom-by-atom)，即氢解吸，允许为下一代最终小型化的低功率纳米电子器件创建基于DB的电路。(11、12、15～17)

尽管已经广泛研究了STM尖端诱导的H-Si(100)表面的氢解吸，(16、18～23)选择性吸附单个氢原子以钝化硅DB的逆向操作仍然有待探讨。在这种情况下，AFM可以通过识别不同的尖端动力学(24、25)和探测原子尺度的化学反应性来带来更多的见解。(26、27)

Eigler等人可控制地将原子移动到表面上以实现其设计的结构，原子尺度计算的前景首先成为可能(1)。在随后的工作中，同一个实验室制作了分子级联，其中，与倒下的多米诺骨牌类似，末端分子倾向于倾斜于邻近的分子，该分子向下一个分子倾斜，依此类推(2)。级联的独立分支被巧妙地定时，以实现二进制逻辑功能的方式聚集在一起。随着这些结果，一个新时代开始了。但是，仍然存在妨碍实际应用的挑战，这些限制很难克服。其中一些挑战是；1)需要使图案化的原子在理想的室温下在实际操作温度下具有鲁棒性。最初的原子图案(atomic patterns)非常精细地束缚，并且不会在约－250℃以上持续存在(1、2)。通常，足够鲁棒性以承受相对高的操作温度的结构的原子制造更难以制造。这是因为需要来自扫描探针的较大能量输入来去除和移动强结合原子，并且在这种条件下，探针内的共价键本身以与靶键相当的概率破坏(3)。2)图案化的原子需要与衬底电性不同，以便能够实现不被衬底短路或改变的传导通路。因此，对金属(4、5)进行的研究是最常见的选择，因此在这方面受到限制。在金属原子和通过盐层从金属基质分离的分子的研究中已经实现了分离，但是这些在层厚度的均匀性和对衬底的自发电荷损失的问题上存在限制(6、7)。

3)原子电路不得要求机械或其他复位过程(类似于将所有多米诺骨牌放回原位)，以防止电路可立即重复使用。

发明内容