CN100411970C - 利用不同频率的光信号实现逻辑器件选址的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用不同频率的光信号实现逻辑器件选址的方法，属于分子器件和纳米器件领域。该方法包括：首先不同频率光电响应的材料按照串联的方式组成器件，将不同的频率成分组合的器件作为逻辑地址，以串联、并联或其他方式连接于电极两端，形成集成电路，以具有合适的频率成分组合的光源照射上述器件阵列，器件阵列中与光源频率成分组合一致的器件被选中导通，实现逻辑器件选址。本发明将电路复杂性转化为器件复杂性，由于器件结构相对固定，可以用现有化学方法或物理方法得到，避免了极度复杂的器件实体间的互连，从而从根本上降低了分子电子、纳电子体系实现方面的技术复杂性，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于分子器件和纳米器件领域，具体涉及一种利用不同频率的光信号实现逻辑器件选址的方法。
背景技术
分子电子器件和纳米电子器件是现在纳米科学与技术领域最重要的研究热点之一。目前已有大量研究结果指出，分子体系或纳米结构体系可以制成逻辑器件[1，2]，同时有报道指出有可能利用“自上而下”的光刻技术和“自下而上”的分子自组装技术实现纳米器件或者分子器件的集成[3-6]。光刻技术中电子束曝光是分辨率最好的，但非常昂贵，且目前也只能做到10纳米；另外，由于受光散射的影响，进一步提高精度的空间也很有限。而分子自组装技术可控性差，且分子具有很强的特异性，因此，目前无法实现复杂功能的纳电子和分子电子器件大规模集成。
发明内容
针对上述现有纳米电子器件、分子电子器件集成领域所存在的问题和不足，本发明提供一种利用不同频率的光信号实现逻辑器件选址的方法，实现大规模纳电子器件、分子电子器件集成中关键的选址。
一种利用不同频率的光信号实现逻辑器件选址的方法，其步骤包括：
1)不同频率光电响应的材料按照串联的方式组成器件，上述器件是具有不同光电导谱的半导体材料串联异质结纳米线、半导体材料组成的超晶格结构或多种不同半导体材料组成的串联异质结构；
2)将不同的频率成分组合的器件作为逻辑地址，以串联或并联方式连接于电极两端；
3)以具有合适的频率成分组合的光源照射上述器件阵列，器件阵列中与光源频率成分组合一致的器件被选中导通，实现逻辑器件选址。
上述器件可由M种不同频率光电响应的材料组成，一个逻辑地址所对应的器件包括N个频率成分，器件阵列可由M！/(N！*(M-N)！)种不同的器件构成。
一种利用不同频率的光信号实现逻辑器件选址的方法，其步骤包括：
1)不同频率光电响应的材料按照串联的方式组成器件，对不同频率具有光电响应的材料是分子材料，其对频率敏感的光电导源自分子在光照下的异构现象或光照下的电子态激发现象；
2)将不同的频率成分组合的器件作为逻辑地址，以串联或并联方式连接于电极两端；
3)以具有合适的频率成分组合的光源照射上述器件阵列，器件阵列中与光源频率成分组合一致的器件被选中导通，实现逻辑器件选址。
光源为可控频率组合成分的光源，它应当覆盖所有上述器件在空间上的分布范围，并激发或选通上述M！/(N！*(M-N)！)种器件中唯一的一种与之完全配合的器件。
本发明的技术效果：本发明利用光频率信号作为选址和信息输入信号，将电路复杂性转化为器件复杂性。本发明利用M种不同材料以“逻辑与”方式连接扩展了频率信号可以表示的地址范围，由M个地址扩展至M！/(N！*(M-N)！)个地址，大大简化了信号发生部分，也即光源部分的复杂性，从而使利用频率信号选址的技术方案成为可能。同时由于器件结构相对固定，可以用现有化学方法得到，避免了极度复杂的器件实体间的互连，从而从根本上降低了分子电子、纳电子体系实现方面的技术复杂性，具有广阔的应用前景。
附图说明
下面结合附图，对本发明做出详细描述。
图1为不同半导体材料的光电导谱；
图2为以半导体异质结为工作器件的光频选址电路示意图。
具体实施方式
制备具有对特定频率成分组合光信号有响应的器件，将具有不同光电导谱的半导体材料串联异质结纳米线或多种不同半导体材料组成的串联异质结构作为不同的逻辑地址器件，以串联、并联或其它所需方式连接于电极两端之间，电极加适当偏置电压。当外界具有合适的频率成分组合的光源照射上述器件阵列时，这些器件中对光源频率成分组合有响应的器件被选中导通，从而实现利用光频率信号进行逻辑选址和器件间互连。所述多种不同半导体材料，是指具有不同光电导谱的多种半导体材料，如附图一所示，选择用于组成上述器件的半导体材料时，应选择具有比较尖锐光电导峰的材料，并保证不同材料之间光电导峰互不重叠。按照上述原则选择的材料，当且仅当自身光电导峰所对应的频率的光照射时，材料本身具有较高的光电导，而其他频率光照射该材料时，该材料具有较低的光电导。不同频率具有光电响应的材料也可以是分子材料，其对频率敏感的光电导源自分子在光照下的异构现象或光照下的电子态激发现象；也可以是半导体材料组成的超晶格结构；也可以是上述光电响应材料与法布尔-伯罗腔等具有选频功能的结构的结合。或者，上述对不同频率光有光电响应的材料也可以是其它对频率敏感的，在光照下发生明显的，可测量的性质变化的材料或结构。当一些不同种类上述具有特定光电导响应频率的半导体材料组成串联异质结纳米线或者其他串联异质结构时，该异质结构将具有如下特性：当且仅当组成该器件的所有半导体材料的光电导均为高时，器件的光电导才为较高的，否则只要其中某一种材料处于低光电导状态，则器件处于低光电导状态。也就是说，当且仅当外界光信号包括所有该器件组成材料所对应的高光电导频率的光成分时，该器件才处于高电导状态，否则只要某个材料对应的频率成分在外界光信号中不存在，则该器件处于低电导状态。
如总共有M种满足具有比较尖锐光电导峰，并保证不同材料之间光电导峰互不重叠这两个条件的材料，可从中选择N种，构成一个异质结器件。例如假设有A，B，C，D，E，F共6种材料，则可以选择A，B，C三种材料组成一个器件，也可以选择A，B，D三种材料组成另一个器件，也可选择A，B，E组成一个器件……这样对于M种材料，改变N种组成器件材料的选择以保证任何两个器件间至少有一种组成材料不同，则可以组成不同的器件种类数可以达到M！/(N！(M-N)！)个，当N＝M/2时，可组成的不同器件种类数达到最大。由于任何两种器件之间至少相差一种组成材料，则每种器件都具有如下性质：每种器件具有一个特定的，由自身组成材料决定的特征光电导频率组合，当且仅当该频率组合的光照射下，该种器件具有高的光电导，任意两种器件之间的光电导频率组合至少相差一个频率成分。将这M！/(N！(M-N)！)种器件，每种取一个，平行排列于电极之间，如图2所示。接通电极后，该体系即成为一个集成的电路。在外界部署M个光源，这些光源应发射单频率的光，并与组成所有器件的M种材料的光电导响应频率一一对应，并且光源发射的光应当可以照射到任何一个器件。工作时，选取M个光源中的任意N个发光，则根据上述器件的性质，在集成的电路中有且仅有一个半导体材料异质结构器件处于高光电导状态，该器件由此N个发光光源所发光信号的频率对应的材料组成，其他所有器件则至少有一个频率成分与自身材料组成不匹配，因而处于低电导状态。
按照前述方法组织的光电体系，在简单的电路连接下即可完成利用光频率信号选址与信号输入的过程，并实现相应的逻辑功能。
制成上述异质结纳米线可使用化学气相沉积法(Chemical Vapor deposition)制成。化学气相沉积法是指在大约600-1000摄氏度温度下，由纳米尺度的金属颗粒例如金，铁，钼等元素作为催化剂，将气体状态的反应物与金属颗粒催化剂接触反应，在金属颗粒表面析出生长成为纳米线，纳米管的方法。作为催化剂的金属颗粒可镶嵌于基底内以生成纳米线阵列，也可以由反应物前体在高温下分解生成。化学气相沉积法生成的纳米线长度可在几百纳米到几个微米，直径一般为几纳米到几百纳米，视催化剂颗粒大小而定。为了制成不同材料构成的异质结，需要在生长过程中改变输入的气体成分，这可通过改变气源来实现。制成上述异质结纳米线也可以使用激光蒸发不同的靶物质的蒸镀方法来实现。这里所述激光可为钇钕石榴石固体激光器发出的激光，如功率密度可为每脉冲10焦耳每平方厘米。在反应室中首先以激光照射靶物质A，则生长区由A物质蒸汽包围，从而生长纳米线的成分为A；随后以激光照射靶物质B，则在前面A成分纳米线的基础上继续以B成分生长，从而形成A/B异质结纳米线。同理使用多种靶物质可以制成多种成分串联的纳米线器件。
取4种对于不同光频具有光电导响应的材料，如ZnS，CdS，CdSe，GaAs，它们的光电导峰分别位于340nm，510nm，720nm，1000nm左右。按照上文中所述的原则，本实施例中M＝4。取N＝2种材料，使用前述化学气相沉积法或蒸镀方法生长器件，如：取ZnS，CdS制成异质结纳米线1，取ZnS，CdSe制成异质结纳米线2，取ZnS，GaAs制成异质结纳米线3，取CdS，CdSe制成异质结纳米线4，取CdS，GaAs制成异质结纳米线5，取CdSe，GaAs制成异质结纳米线6，共4！/(2！*(4-2)！)＝6种器件。
为了将纳米线或纳米管等分立器件组装到电极之间，可以采用多种方法，高频电泳法是一种有效的方法。该方法为将平行的电极加载高频交流电信号，并在电极浸入有机溶剂，将生长完成的纳米线或纳米管撒入该溶剂，则纳米线或纳米管会在高频交流电场的作用下产生感生电偶极矩，从而受到电场力作用而垂直于电极表面相互平行排列，并可实现两端与电极接触从而构成二端器件。
将这6种器件，每种取一个平行排布连接于电极之间，如附图2，并加适当偏压。为了能够使相应的纳米线连接到正确的电极之间，例如使图2中ZnS/CdS纳米线正确地连接到源电极和out1电极之间，可做如下处理：首先使用光刻或者其他方法制成如图2中电源电极和6个输出电极out1-out6，在随后的电泳工序中第一步只在电源电极和out1上加载高频电信号，且溶液中只撒入CdS/ZnS纳米线，则由于只有电源电极和out1加载信号，ZnS/CdS纳米线将排列，连接于这两个电极之间。待ZnS/CdS纳米线连接完成后，清洗整个体系直至溶液中不再留存有游离的CdS/ZnS纳米线为止。第二步只在电源电极和out2加载高频电信号，并在溶液中只撒入ZnS/CdSe纳米线……以此类推，得到正确连接电路。
使用M＝4种单色激光器，分别发射340nm，510nm，720nm，1000nm波长的光，组成光源。系统进行选址操作时，取N＝2种光源同时发光照射4！/(2！*(4-2)！)＝6种器件，例如使用510nm，720nm光源同时工作而340nm和1000nm光源不工作，则有且仅有CdS/CdSe异质结纳米线器件导通。进一步的，本实施例中系统工作的选址真值表如下：表中左边4列为入射光信号，1代表有，0代表无；右边6列为输出电信号，1代表有，0代表无。
若多于2个光源同时工作，则将有不止一个器件导通。这样在本例中，使用M个光源可以控制M！/(N！*(M-N)！)个器件。当可用的材料种类数M增大时，系统选址容量将以极快的速度增长，具有广阔的应用前景。
Claims (4)
1. 一种利用不同频率的光信号实现逻辑器件选址的方法，其步骤包括：
1)不同频率光电响应的材料按照串联的方式组成器件，上述器件是具有不同光电导谱的半导体材料串联异质结纳米线、半导体材料组成的超晶格结构或多种不同半导体材料组成的串联异质结构；
2)将不同的频率成分组合的器件作为逻辑地址，以串联或并联方式连接于电极两端；
3)以具有合适的频率成分组合的光源照射上述器件阵列，器件阵列中与光源频率成分组合一致的器件被选中导通，实现逻辑器件选址。
2. 一种利用不同频率的光信号实现逻辑器件选址的方法，其步骤包括：
1)不同频率光电响应的材料按照串联的方式组成器件，对不同频率具有光电响应的材料是分子材料，其对频率敏感的光电导源自分子在光照下的异构现象或光照下的电子态激发现象；
2)将不同的频率成分组合的器件作为逻辑地址，以串联或并联方式连接于电极两端；
3)以具有合适的频率成分组合的光源照射上述器件阵列，器件阵列中与光源频率成分组合一致的器件被选中导通，实现逻辑器件选址。
3. 如权利要求1所述的利用不同频率的光信号实现逻辑器件选址的方法，其特征在于：上述器件由M种不同频率光电响应的材料组成，一个逻辑地址所对应的器件包括N个频率成分，器件阵列可由M！/(N！*(M-N)！)种不同的器件构成。
4. 如权利要求1或2所述的利用不同频率的光信号实现逻辑器件选址的方法，其特征在于：光源为可控频率组合成分的光源，它应当覆盖所有上述器件在空间上的分布范围。
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