[发明专利]一种基于量子隧道效应的机械式光电开关

说明书

本发明涉及微/纳机械电子系统(MEMS/NEMS)技术领域，具体的说，是一种基于量子隧道效应的弱耦合机械式光电开关，该光电开关由两个通过机械耦合的悬臂梁组成，分别为主动悬臂梁和被动悬臂梁，两个梁通过机械部件耦合；当存在光压时，被动梁动力学特性发生变化，并通过机械耦合部件反馈到主动梁；由于存在量子隧道效应，主动梁对反馈产生的位移变化极为敏感；在机械耦合系数一定时，不同光强下，主动梁存在着持续振荡和中止振荡两种状态，将持续振荡视为开关闭合，振荡中止视为开关断开；最终，通过调整机械耦合部分的耦合系数，可以在不同光强下实现开关的开启和闭合。

技术领域

本发明涉及微/纳机械电子系统(MEMS/NEMS)技术领域，具体的说，是一种基于量子隧道效应的弱耦合机械式光电开关。

背景技术

传统的光电开关大多基于半导体中的光吸收/光辐射机制，所采用半导体材料往往只能探测到特定波长的光子。此外，如果不采用外围电路的情况下，该类开关很难和一些特定的微/纳机械部件实现高度集成。而在微/纳机械电子系统(MEMS/NEMS)中，又往往需要将光-机械-电子三者集成起来，从而实现多物理场传感，致动和换能。因此，发明一种能和微/纳机械电子系统兼容的光电开关，变的尤为重要。本发明针对该问题，提出一种基于量子隧道效应的弱耦合机械式光电开关，可以将光压力通过一个弱耦合的梁结构，实现光电之间的转换，从而控制电流的开关。此发明具有和MEMS/NEMS高度集成，不受光子波长限制等优点。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于量子隧道效应的机械式光电开关，该开关在不太光强下主动臂对光强进行监测，在特定光强范围内被动臂之间将会实现电子的传输和关断。由于基于量子隧道效应机制，该光电开关器件具有高敏感、稳定性好、高集成度等普通开关所不具有的优点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于量子隧道效应的机械式光电开关，由两个机械耦合的机械悬臂梁组成，设定为主动悬臂梁和被动悬臂梁，主动悬臂梁和被动悬臂梁一端自由悬挂，另一端通过机械部件耦合，主动悬臂梁的末端有金属电极G，电极G左右两边设定有两个机械固定的电极S和D，在S和D之间一定的直流电压作用下，悬臂沿水平方向产生自激振荡，并发生量子隧道效应，并通过机械耦合部件，可以实现和被动悬臂梁之间发生光电信息交换，被动悬臂梁自由端制有微镜。

本发明的进一步改进，采用的器件规格为：(1)机械耦合参数：k_i＝0.002；(2)初始电导：G_GS＝G_DG＝1×10^-10S、(3)初始电容：C_GS＝C_DG＝1×10^-18F、C_GB＝1×10^-18F；(4)主动臂梁、被动臂梁尺寸：80nm×10nm×10nm。

本发明装置由两个机械耦合的悬臂梁组成，其中一端自由悬挂，另一端通过长方体材料机械耦合，且该长方体底面固定，非自由悬挂悬臂梁(主动悬臂梁)的末端存在金属模块，同时两端有两个机械固定的电极，可分别看作源S和漏D，通电后主动悬臂梁由于静电力向S(或D)端移动加载(或卸载)电荷，然后返回D(或S)端移动卸载(或加载)电荷。在S和D之间一定的直流电压作用下，悬臂沿水平方向产生自激振荡。并通过机械耦合驱动另一悬臂(被动悬臂梁)而产生振动。

当有光照射至被动悬臂梁时，诱导被动悬臂力学特性发生变化，通过机械耦合反馈到主动悬臂梁。由于机械结构极小，主动臂在振荡时存在量子隧道效应，从而引起主动臂力学性能发生变化。在不同光强下，主动臂存在着持续振荡和中止振荡两种状态，将持续振荡视为开关闭合，振荡中止视为开关断开。最终，通过调整连接特殊材料的耦合系数，可以在不同光强下实现开关的闭合和断开。