CN101405866A - 量子点转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多功能、可编程的量子约束转换装置(100)，其使用电荷载流子的量子约束在输入信号或能量上产生影响以释放输出信号或能量。能量通过输入路径(108)进入该装置(100)，并且在控制路径(118)的影响下该能量在被该装置(100)的转换动作有选择地阻挡或修改之后通过输出路径(108)离开。作为装置的层(106)中的人造原子的电荷载流子的量子约束在量子势阱或量子点(QD)中作为转换器操作。人造原子用作支撑装置(100)的材料中的掺杂物，并且与控制路径(118)和接地平面(109)之间的电压直接相关。借助人造原子的掺杂特性对穿过装置(100)的电能、光能、热能、或其他能量进行选择性地阻挡、调节、过滤或修改。然后，剩余的未被阻挡的能量通过输出路径(108)自由地离开装置(100)。

Description

量子点转换装置
相关申请交叉参考
本申请要求2006年2月17日提交的题为“Quantum dotswitching device”的第60/774,714号美国临时申请的优先权。
技术领域
本发明涉及半导体开关、半导体材料的掺杂、以及半导体材料中量子点的形成。本发明具体但非专门地应用于电子、光、光电、以及热控制系统以便调节或改变能量流。
背景技术
制造极小的结构来开发电荷载流子(例如电子或电子“空穴”)的量子力学特性已沿用已久。可以通过尺寸小于电荷载流子的量子力学波长的结构实现载流子的量子约束。在单一维度上的约束产生“量子势阱”，在两个维度上的约束产生“量子导线(quantumwire)”。
“量子点”是能够在全部三个维度上约束电荷载流子的结构。量子点可以形成为粒子，该粒子在全部三个维度上都具有小于电荷载流子的德布罗意波长(de Broglie wavelength)的尺寸。还可以在如下所述维度的粒子中观察到量子约束效应：这些粒子的维度小于电子空穴玻尔直径、小于载流子非弹性平均自由行程、以及小于离子化直径(即，在此直径处，电荷载流子的量子约束能量等于它的热动能)。可以假定的是，当所有这些条件同时被满足时，可以观察到最强的约束。这些粒子可以由半导体材料(例如，Si、GaAs、AlGaAs、InGaAs、InAlAs、InAs、以及其他材料)形成，或由金属形成，并且可以有绝缘涂层或可以没有绝缘涂层。本文中，将这些粒子称作“量子点粒子”。
也可以通过电荷载流子的静电约束在半导体衬底中形成量子点。这可以通过使用各种设计的微电子器件(例如形成在量子势阱顶部上的被封闭或几乎被封闭的电极)来实现。此处，术语“微”(如在“微电子器件”中)是指“非常小”并且通常表示等于或小于微米级(毫米的千分之一)的维度。术语“量子点器件”是指能够以这种方式产生量子点的任何器件。专业术语“量子点”是指约束区域的任何量子点粒子或量子点器件。
可以通过在由半导体的具有高传导能量的阻挡层或供应层(类似于P-N-P结的正电层)围绕的半导体的传输层(类似于P-N-P结的负电层)中产生量子势阱来形成量子点器件。导体可以用作量子点器件的电极。由于电极上的负电荷排斥电子，所以当施加反向偏压时，这些电极将量子势阱中的电荷载流子约束在小空间中或量子点中，阻止它们穿过传输层水平逃逸。
可以将量子点看作“人造原子”，因为被约束在量子点中的电荷载流子在许多方面与被原子核约束的电子具有相似行为。施加至量子点的能级中的改变能够改变被约束的电子的数目，并因此改变人造原子的“原子序数”。注意，由于人造原子没有原子核，因而没有质子，因此此处使用的术语“原子序数”是指形成人造原子的价电子层的电子数目。术语“人造原子”现在是通用的，并且经常与“量子点”可互换地使用。但是，针对本文的目的，具体地，“人造原子”是指被约束的载流子的图案，例如，电子气或电子云，而不是指其中约束有载流子的粒子或器件。
材料的电特性、光学特性、热特性、磁特性、力学特性、以及化学特性取决于围绕它的原子和分子的电子云的结构和激发能级。掺杂是如下过程，即，将精确量的仔细选择的杂质嵌入材料中以通过例如给予周围原子电子或从周围原子借入电子来改变周围原子的电子结构的过程。掺杂可以改变材料的电特性、光学特性、热特性、磁特性、力学特性、或化学特性。衬底的低至每十亿原子中具有一个掺杂原子的杂质水平能够从纯晶体的预期行为中产生可测量的偏差，并且在半导体工业中，刻意掺杂为低至衬底的每一百万个原子中具有一个掺杂原子的水平是普遍的，例如，以改变半导体的传导率。
将金属和半导体纳米粒子嵌入块状材料(例如，含铅晶体中的铅粒子)内已经存在了好几百年。然而，仅仅是最近才比较理解这些材料的物理性质。这些纳米粒子是具有由其大小和组成决定的特性的量子点。这些纳米粒子用作材料的掺杂物，其中，掺杂物被嵌入所述材料中以改变选定的光学特性或电特性。用这些量子点代表的“人造原子”具有在使用方面不同于天然原子的特性。
同样地，一旦电荷载流子被捕获在量子点中，则电荷载流子形成能够用作掺杂物的人造原子。将电极上的电压增加具体数值迫使具体数量的额外载流子进入量子点，同时改变了被捕获在量子点中的人造原子的原子序数。相反，将电压降低具体数值使得具体数量的载流子逃逸至量子点外部的传输层区域中。因此，通过通向电极的控制导线的信号电压中的改变可以实时调整人造原子的掺杂特性。
量子点可以具有从相应的块状材料显著改良而成的电子结构，因此具有不同特性。量子点还可以用作其他材料中的掺杂物。由于它们的独特特性，量子点用于各种电子器件、光器件、以及光电器件中。目前，量子点用作接近单色的荧光源、激光源、包括红外检波器的光检波器、以及包括单电子晶体管的超小型化晶体管。它们还可以用作用于开发被约束的载流子的量子力学行为的有用实验室。
单电子晶体管(SET)是依据量子约束原理操作的一类转换器。SET包括：源极(输入)路径，通向量子点粒子或量子点器件；以及漏极(输出)路径，利用控制量子点的门电极引出(exiting)。随着一个电子穿过门路径进入该器件，转换器从导通或闭合状态转变成非导通或打开状态，或者反之亦然。
热转换器在接通或闭合状态下容许热能通过，但是在断开或打开的状态下热转换器阻止热能通过。热转换器通常是机械继电器(mechanical relay)，其取决于两个传导表面(典型地，由金属制成)之间的接触以使得热能可以通过。当两个表面被分开时，除通过气隙以外，热能不能在两个表面之间传导。如果热转换器放置在真空中，则热传导被彻底阻止。另一类型的热转换器涉及将气体或液体泵入或泵出腔室。腔室在被充满时可以传导热。当腔室是空的时则不能传导热。
还存在光学转换器。光可以被滤光器阻止，该滤光器吸收或反射特定频率的光而容许其他频率的光穿过。可以使用高通和低通滤波器，或者可以通过节点滤波器或带阻滤波器阻止窄频率范围的光。一些滤波器还将量子势阱、量子导线、或量子点粒子合并为掺杂物(非常像含铅晶体合并铅原子或粒子作为掺杂物)，以在制造时确定光学特性。
添加机械遮挡板(mechanical shutter，机械遮光器)可以将另一种形式的透明材料--包括过滤器-转化成光转换器。当遮挡板打开时，光轻易地穿过。当遮挡板关闭时，没有光穿过。如果用电致暗材料(诸如液晶)代替机械遮挡板，则转换器是“几乎固态的”，除了质子、电子和液晶分子本身之外没有任何移动部分。该原理应用在例如LCD显示器中。其中，来自背景幕的白光穿过彩色滤波器，然后可选择地穿过由晶体管控制的液晶材料或者被该液晶材料阻挡。结果是形成电视或计算机显示器的像素的二维阵列的彩色光。这些光学滤波器/转换器组合使得与制造时确定的频率正好相同的频率的光穿过或阻挡所述光。
本说明书该背景部分中包括的信息(包括任何此处引用的参考及其描述或论述)仅是出于技术参考目的而被包括，而不是被看作是用于界定本发明范围的主题。
发明内容
本发明涉及在层状复合膜中可电寻址的量子点的使用，以在膜中产生固态的、多功能的、可编程的量子约束转换装置。术语“多功能的、可编程的量子约束转换装置”(以下称为“量子化器”)是指具有输入路径、输出路径、以及一个或多个控制路径的固态器件或元件，该器件或元件使用电荷载流子的量子约束以对输入信号或能量进行操作，从而产生输出信号或能量。这些操作包括但不局限于放大、衰减、传送、转换、旋转、加速、移位、反射、吸收、延迟、回波或重复、反相、限制或限幅、失真、净化或滤波、调节、再成形、再分配、振荡、辨识或特征化、以及存储。
量子约束载流子具有在周围材料中用作掺杂物的能力，并且由于在材料的光学特性、电特性、热特性、磁特性、化学特性和力学特性中产生的变化而发生量子化器的操作。此处列出的具体操作不应被解释成限制本发明的范围，而是作为示例性的实例来传达本发明的本质和能力，本发明是多功能且可编程的并且因此可用于多种操作。这类似于数字计算机，在不用详尽地列出数字计算机所能实施的计算的情况下就可以完全理解其本质。
量子化器包括异质材料的夹层结构，该夹层结构包括或合并有多个量子约束器件，这些器件可以改变该夹层结构的总体(bulk)电特性、热特性、光学特性、磁特性、力学特性以及化学特性，从而影响穿过复合膜的电、热、光、以及其他能量的流动。能量输送结构(以下称为表面电极，该表面电极通过控制路径被控制)包括在复合膜中，以便即使当量子点掺杂物被嵌入固体材料(所述固体材料包括通常将量子点与外部影响隔离的不透明或电绝缘材料)中时也能够使用外部能源控制量子点掺杂物的特性。该电极等效于固态转换器或阀(诸如晶体管)中的“门”电极，而控制路径近似于晶体管的门路径。无论是物理地连接至该器件或者存在于自由空间中，输入路径和输出路径(近似于晶体管的源极路径和漏极路径)的添加随之使得复合膜用作量子化器。
电荷载流子通过控制路径中的能量被驱入量子点中并且通过量子约束被捕获在量子点中，使得电荷载流子形成人造原子，该人造原子用作周围材料的掺杂物。通过穿过量子点(该量子点约束人造原子)的电压的精确变化来调整每个人造原子的“原子序数”。原子序数的变化改变了人造原子的掺杂特征。
在一些实施例中，通过额外的电压或者通过光或电磁激励也可以控制人造原子的激发能级。另外，在一些实施例中，控制路径中的能量产生电场，所述电场影响量子点的量子约束特性。这在人造原子的大小和形状上引起受控的且可重复的失真，进一步改变人造原子的对周围材料具有相应影响的掺杂特性。
由于材料的电磁(即，电、光、和磁)特性、热特性、力学特性、和化学特性取决于它的电子结构，并且由于掺杂物的嵌入能够影响该结构，所以本发明的可编程的掺杂复合膜提供了用于实时控制块状材料的内部特性的手段。这些材料效果是控制块状材料的内部电子布置(即，块状材料的电子结构)的结果。
量子点作为掺杂物的功能已经在某些情形中被认可，例如，在膜中以及在微芯片的表面上。量子点可以具有从相应块状材料显著改良而成的电子结构，并因此呈现出不同的材料特性，例如，不同的光学特性和电特性。
本发明改造这些原理和器件以形成量子点转换装置，该量子点转换装置用于在一个或多个控制信号或能量的影响下对输入信号或能量进行操作以产生输出信号或能量。如上所述，量子化器在许多方面类似于固态转换器或阀，并且实际上它可以作为一个固态转换装置或阀使用。然而，它也可用作可编程的二极管(包括发光二极管，或诸如光电二极管的吸光二极管)、异质结、超点阵结构、或其他层状结构，并且作为它的可编程内部组成的功能，可以执行大量其他的操作。
量子化器可包括多个表面电极，以使得量子约束特性(以及因此电导率、热导率、和光导率以及其他特性)从器件的一个区域至下一个区域能够变化。还应该注意，作为其设计的副效应，该器件也能够通过荧光、光致发光、和场致发光而发出光，并且能够吸收光线以及通过光电效应产生电流。当器件被内部构造成热电珀耳帖结或汤普森路径(即，具有形成n型区域和/或p型区域的多个表面电极，这些表面电极在一个面上通过导体材料连接并且在另一个面上仅被连接至输入和输出路径)时，该器件也能够使用温度梯度产生电力，或者使用电力产生温度梯度。这些功能与作为转换器的量子化器的实际操作相同，即，这些功能是作为可编程的量子约束(转换器依赖此量子约束)的自然结果而出现的副效应。其他类型的固态转换器不产生这些效应。
量子化器提供一种能够单独地或者以同时组合的方式调整光、热、电、和其他能量的流动的多功能转换装置。量子化器也是固态转换器。除了质子和电子之外，量子化器不包括任何移动部分。量子化器是可编程的转换器，通过将电能施加给表面电极可以从外部控制该可编程转换器的能量调整特性。作为量子化器的正常操作的副效应，量子化器还可以是这样一种转换器，该转换器能够产生光(例如，作为其内部量子状态的指示器)、或由入射光产生电(例如，通过光电效应)、或由温度梯度产生电，或产生温度梯度。
多层可编程的掺杂层可堆叠成三维结构，该三维结构的特性可通过外部信号调节，形成一种“灵敏材料(smart material，智能材料)”，该材料是具有可变化的电特性、光学特性、热特性、磁特性、力学特性、和化学的整体固态的。这些特性可以通过调节控制路径中的能量来实时地调整，这些能量影响用作掺杂物的人造原子的特性。如果希望的话，所产生的材料可以包括多个以及不同类型的人造原子。因此，对于基于这些器件的材料具有大量潜在的用途。量子化器中的可编程掺杂物可用来在器件中产生新路径，以运载或操作电能、热能、光能、以及其他能量。因此，可以采用与在现场可编程门阵列(FPGA)中形成直通电路(straightforward electricalcircuit)相同的方式在量子化器中形成另外的器件。
像任何形式的转换器一样，量子化器可以用作计算装置中的逻辑元件或存储元件，并且多个量子化器可被连接以产生完全新型的逻辑路径，例如，依靠热而非电荷或磁性来运载和存储信息的计算机。量子化器可用以用来形成这样的转换器，所述转换器使用一种形式的能量(例如，光或热)来选择性地阻挡或调节另一种形式的能量的流动(例如，电子或空穴的流动)。
从以下对如同在附图中进一步描述并在权利要求中进行限定的本发明的各种实施例的更具体书面描述中，本发明的其他特征、细节、应用、和优点将变得明显。
附图说明
附图中，紧密相关的图具有相同的元件标号。
图1是量子化器的一个实施例的示意性横截面视图，示出了通过由控制路径寻址的表面电极而形成在量子势阱中的量子点，并且该量子点用作输入路径与输出路径之间的多功能、可编程的量子约束转换器(量子化器)。
图2是量子化器的另一实施例的示意性视图，该量子化器包含量子势阱以将电荷载流子约束在二维层中，并且包含电极以跨越量子势阱产生电场从而通过斯塔克效应改变它的量子约束特性。该量子约束区域则用作输入路径与输出路径之间的多功能、可编程的约束转换器。
图3是量子化器的部分的示意性视图，示出了三维中的电荷载流子的量子约束--即，量子点的形成，这借助于量子势阱或异质结进行，该量子化器包括一个或多个表面电极和控制路径。该量子点用作输入路径与输出路径之间的量子化器。
图4是量子化器的另一实施例的示意性视图，示出了由将电荷载流子约束在多个三维区域中的电极栅所形成的量子点器件阵列。该多个量子点则用作输入路径与输出路径之间的量子化器。
图5是量子化器的另外实施例的示意性视图，示出了通过多个表面电极和控制路径进行的三维区域中的电荷载流子的量子约束。该多个量子点则用作输入路径与输出路径之间的量子化器，其内部掺杂可以被改变成包括不同材料的结，诸如p-n结。
图6是量子化器的又一实施例的示意性的横截面视图，其中，形成量子化器的量子点由伸入量子势阱层的传导夹板产生。
图7是量子化器的又一实施例的示意性的横截面视图，其中，形成量子化器的量子点由围绕已从量子势阱层中蚀刻出的岛状物的电极产生。
具体实施例
本技术涉及在层状复合膜中使用量子点以在该膜中产生多个实时的、可编程的掺杂物，从而通过改变该膜的电导率、热导率、和光导率来用作多功能的、可编程的器件。通向表面电极的能量输送控制路径设置在复合膜中，以使用外部能量源控制量子点掺杂物的特性。电荷载流子通过控制路径中的能量被驱入量子点中并且通过量子约束被捕获在量子点中，以使得电荷载流子形成用作用于周围材料的掺杂物的人造原子。通过穿过量子点(该量子点约束人造原子)的电压的精确变化来调节每个人造原子的“原子序数”。注意，由于人造原子没有原子核，因此没有质子，因而此处使用的术语“原子序数”是指形成人造原子的价电子层的电子的数目。原子序数的变化改变人造原子的掺杂特性。当将输入路径和输出路径添加至该器件时，该器件就变成了可编程的、多功能的量子约束转换器，此处定义为“量子化器”。
图1示出了了根据本发明的一个实施例的量子化器100的横截面视图。量子化器100是多种材料的夹层结构，该夹层结构被布置成利用外部能量源来产生改变材料的电导率、光导率和热导率的量子约束效应。作用于材料的这些量子效应进一步影响能量流，容许、约束或改变从输入路径107到输出路径108的能量的流动。量子化器100形成为成层复合物，该成层复合物包括共同形成量子势阱102的导电表面电极114、上阻挡层104、传输层106、以及下阻挡层110，并且还包括衬底或接地平面层109。量子势阱102的中央层或传输层106可包括夹在两个阻挡层或供应层104和110之间的半导体材料(例如GaAs)，该两个阻挡层或供应层为具有更高传导能量的半导体材料(例如AlGaAs)。衬底或接地平面层109的示例性复合物是例如GaAs的半导体材料，该半导体材料已经被掺杂以便导电，并且用作系统的电地线或被连接至系统的电地线(electricalground)。本领域技术人员应该理解，可以使用各种其他材料，包括但不局限于金属、导电聚合物、半导体、以及超导体。
由于传导能量的差异，电子优先沉淀在GaAs传输层106的低能量中，电子在该低能量中(即，在传输层106中)自由地水平移动，但是被阻挡层104、110的较高传导能量“垂直地”约束或被约束成垂直于传输层106。形成传输层106以及阻挡层104、110的半导体和氧化材料通过共价键保持在一起，并且由于它们的三维晶体结构，它们为坚固的非延展性材料。尽管整块时为脆性的，但是这些半导体和氧化材料可以形成为薄膜或纤维，该薄膜或纤维为柔性的并且可用于例如玻璃纤维、柔性电路、或需要强度和柔性的组合的其他应用中。不需要其他材料来强化或稳定量子化器100。
对于待约束在量子势阱102中的电荷载流子来说，量子势阱102的传输层106的厚度必须小于电荷载流子的德布罗意波长。对于室温下的位于固体材料中的电子而言，该波长应该为15纳米级。更厚的量子势阱也是可能的，尽管更厚的量子势阱只会在低于室温的温度下表现出电荷载流子的量子约束。更薄的量子势阱会在室温下以及更高的温度下起作用，只要电荷载流子的德布罗意波长不超过传输层106的厚度即可。
存在多种确定的制造工艺，这些制造工艺能够制造适当厚度和纯度的材料层或膜以形成量子化器。这些制造工艺可以包括，但不局限于，溅射、化学气相沉积、分子束外延生长、以及包括单分子层的化学自组合层。不太确定但似乎可信的是，可替换的制造方法包括：湿化学蒸镀、电镀、特制微生物的组合、分子机器、直书式的纳米光刻(例如，蘸水笔式纳米光刻或纳米压印光刻)、原子拾放(例如，通过扫描探针显微镜)、以及原子全息照相术(例如，玻色-爱因斯坦凝聚沉积)。尽管此处未列举，但是也可以使用其他可行方法，并且该列举不应解释成仅限于对于范围的限制。
量子化器100的表面包括用作量子点器件的表面电极114的导体。当施加反偏压时，表面电极114将传输层106中的电荷载流子约束到小空间或量子点QD中。通过表面电极114上的负电荷实现电荷载流子的量子约束，该负电荷排斥电子并阻止电子穿过传输层从一组表面电极114所限定的区域水平逃逸。从而，电子被约束至传输层106中的较小区域(即量子点QD)，在量子点QD中电子形成用作掺杂物的人造原子，该掺杂物影响传输层106和周围层的电导率、热导率和光导率。
跨越量子势阱传输层106施加外部电压将影响电荷载流子的传导能量，从而以受控方式增加或减少俘获在传输层106中的电荷载流子的数目。通过控制路径118中运载的能量为表面电极114提供能量。能量穿过输入路径107进入量子化器100，在该量子化器中，能量被传输层106内的量子点QD中的人造掺杂物原子传导、吸收、反射、有选择地过滤、或者改变。然后，任何未被阻塞的能量穿过输出路径108自由地离开转换器。
图1中，示出了输入路径107和输出路径108连接至传输层106。然而，在这些路径连接至量子势阱102的上阻挡层104或下阻挡层110的情况下，只要在输入路径107与输出路径108之间穿过的能量足以克服阻挡层104、110的电阻、热绝缘、或不透光性，则量子化器100也可以起作用。输入路径107和输出路径108也可为通透的自由空间，无需实际的管路，例如当光子垂直穿过转换器的各层时。
为了实现该文件的目的，术语“转换器”表示可以执行固态器件和机械器件这两者的功能以选择性地阻止或容许能量的流动，上述功能既包括数字转换器(例如，晶体管和继电器)又包括模拟转换器(例如电子管和变阻器)的功能。进一步，可以认为用以选择性地阻挡或调节气体或流体流动的阀类似于转换器，因此原则上这两个术语可以互换使用。大多数转换器类型(包括量子化器)还具有的一个特性是它们可以反向运行。换言之，虽然一个具体路径可以被确定成为源极路径或输入路径，并且另一个通道被确定为漏极路径或输出路径，但通常不存在任何实际或可操作的屏障来使得这两个路径的作用相反，以使得能量流沿相反方向穿过器件。
在示例性实施例中，表面电极114以及能量路径107、108和118由金制成。然而，能量路径107、108和118可以由半导体或超导体材料、光导纤维、或其他承载能量的管线形成。控制路径还可以是用以接收来自电磁波的信号和能量的天线，例如，射频天线或微波天线。此处描述的控制路径或电极的任何实施例均可以通过使用特殊分子(诸如纳米碳管和球壳状碳分子)进行分子级别的复制。量子点QD可以是除了此处描述之外的其他种类的粒子或器件，只要它们能够实现形成人工原子所需的量子约束即可。此外，人工原子可以由除了电子之外的电荷载流子(例如质子或“空穴”)形成。量子点QD相对于量子化器100的数目和相对尺寸可以与图中所示的显著不同。
具有适当宽度、厚度、纯度、和位置精度的这些表面电极114可以通过多种已确定的方法安置。这些方法包括但不局限于，例如，与诸如湿化学蚀刻或干法离子磨削的蚀刻方法相结合的光刻掩模方法(诸如电子束光刻和扫描探针阳极氧化光刻)，以及诸如蘸水笔纳米光刻或纳米压印光刻的直写式方法。化学自组合是另一种可选的工艺，该工艺通过将铝阳极氧化成氧化铝、或双嵌段共聚物的玻璃化来产生蚀刻掩模，或者通过可自动生成薄膜(该薄膜垂直间隔微孔的规则阵列穿通)的任何其他方法来产生蚀刻掩模。尽管不太确定，但是似乎可信的是，用于构造表面电极114的可替换方法包括利用特制微生物或分子机械的组装、利用原子拾放的组装(例如使用扫描探针显微镜)、或通过原子全息照相术(即，利用在极低温度下的原子的波状特性)的组装。尽管此处未列举，但是也可以使用其他可行方法，并且该列举不应解释成限制所述范围。
尽管图示并描述了示例性实施例，但应该理解，本发明不局限于该具体结构。也可以使用由不同于上述材料制成并且具有不同于上述设计的量子势阱。设想了设计成俘获“空穴”或其他正电荷载流子的量子势阱。进一步，异质结或量子点粒子可以用来代替量子势阱，并且对本发明的基本功能改变很小。还可以通过额外的绝缘层(未图示)来保护量子化器100，该绝缘层是连续的或者非连续的、在表面电极114的下面、在表面电极114的上面、或者围绕表面电极114、和/或围绕能量路径107、108和118。
应该注意，在不改变量子化器的基本结构和功能的情况下，各层的确切排列可与图1中所示的略有不同。例如，“夹层”或复合膜可以是双面的，在该膜的下表面以及上表面上均具有量子点器件。此外，夹层可以不是平坦的，而是可以被折叠成圆柱、球体、棱柱、柔性纤维或条带、或其他形状，包括复杂形状。例如，量子化器层可以施加于诸如海绵或气凝胶的多孔三维材料的内表面。控制路径不需位于器件的上表面处，尽管对于某些实施例而言，这可能是安置它们的最方便位置。使用量子化器的一种方式是将其作为部件安装在电子器件、光学器件、光电器件、热电器件、或机械器件中。可替换地，多个量子化器件可被堆叠在一起成为三维结构，该三维结构的材料特性可受外部能源的影响。
图2示出了专门依靠量子约束斯塔克效应的简单形式的量子化器200。当垂直于量子势阱施加电场时，斯塔克效应就会发生。电场影响被约束在量子势阱中的载流子的能级，这对量子势阱的吸收光谱具有轻微影响。与图1中相同，量子化器件200包括上阻挡层204、下阻挡层210、传输层206、由控制路径218控制的表面电极214、以及接地平面209。在这种示例形式中，该器件不生成量子点，因此没有形成三维人造原子。然而，仍然可以通过阻挡层204和210沿垂直尺度将电子或其他载流子量子约束在传输层206中，以形成量子势阱202，并沿该尺度产生原子状载流子特性。当外部电压源216启动控制路径218时，接地平面209则通过控制返回路径212返回(drain to)电源的返回侧。所产生的穿过量子势阱202的电势通过量子斯塔克效应影响被俘获的电荷载流子的量子约束能量。这将影响传输层206的光学特性、热特性、和电特性，尤其是在垂直方向上。
在此实施例中，示出了没有任何管路的两个可能的输入路径207、207’和输出路径208、208’。尽管可以增加输入和输出线路来引导能量的流入和流出，但是在自由空间中或在固体材料或器件内，在没有管路的情况下器件200也能够起到量子化器的作用以用作例如可调的滤光片或可调的热绝缘体。本领域技术人员应该理解，用于将控制导线212、218附着至或电接触至传导或半传导表面的方法在本领域中已经被充分地接受。
在图2的构造中，穿过量子化器200的最大静势能被半导体材料的能带隙、量子势阱202的层204、206、210的击穿场、以及表面电极214与接地平面209之间的隧道电流(tunneling current)限定。超过该临界值，形成量子化器200的成层复合膜将沿垂直方向起到导体的作用，并且垂直场将是直流的而不是静电的，显著地改变了量子化器200的行为。然而，也可在表面电极214与量子势阱202的上阻挡层204之间，或者在量子势阱202的下阻挡层210与接地平面209之间增加绝缘层(未示出)。尽管在不影响器件特性的情况下也可以使用其他材料，但是半导体天然氧化物是最易采用的。添加该绝缘体将增加穿过量子化器200的最大静势能，容许穿过量子势阱202的更强电场，因此容许更明显的斯塔克效应。
图3示出了在形成量子化器300的成层复合膜中电荷载流子在三维上的量子约束。在该实施例中，材料层304和310形成异质结302。异质结302的示例性组成是半导体(例如，GaAs)制成的传输层304，该传输层与由具有较高传导能量的半导体(例如，AlGaAs)制成的阻挡层或供应层310连续接触。由于传导能量方面的差异，电子优先进入GaAs低能量的传输层304中，而将空穴留在后面。
然而，电子被吸向空穴并且倾向于保持接近空穴。因此，电子倾向于积聚在两层之间的界面处，形成所谓的“二维电子气”306。由于像气体中的分子一样电子自由地水平移动通过该界面，但是被该电子积聚之上的材料层304和之下的材料层310垂直地约束，因此将该电子积聚成为“气”。更一般地说，其他电荷载流子(诸如空穴)可以被驱入异质结302中，形成二维气306。
通过使用控制路径318和控制返回路径312在异质结302施加上电压316，可以增加或降低气306的确切电荷密度。图3还包括异质结302顶部上的附加绝缘层320、以及该绝缘层320顶部上的一个或多个表面电极314。如图1和图2所示，可以使用量子势阱代替异质结302。如所示的，如果电极314被布置成围绕或几乎围绕量子势阱或二维电子气306上方的区域，则由电极314产生的电场可以用来进一步将电荷载流子约束在气层306中。如果电荷载流子被约束到足够小的区域(称为量子点QD)中，则形成了人造原子。
换言之，表面电极314获得净电荷。由于同极性电荷相斥，因此表面电极314上的负电荷将使得气层308中的充负电的电荷载流子(例如，电子)被排斥。同样地，表面电极314上的正电荷将排斥正电荷载流子。结果，电荷载流子的均匀“气”306被扰乱，使得由电极314包围的区域外部的电荷载流子被驱走，而与此同时该被包围区域内部的电荷载流子被朝向中心驱动。在没有克服排斥力的能量阻挡情形下，由电极314包围的这些电荷载流子不能离开。如果所产生的约束空间小于被约束的电荷载流子的德布罗意波长，则将观察到量子约束效应，并且异质结302中的约束空间被认为是量子点QD。
当能量(无论是电、热、光、或其他形式)穿过输入路径307进入器件时，形成在量子点QD中的人造原子的掺杂特性在能量穿过2D电子气306时对该能量产生影响。这些影响包括但不局限于放大、衰减、传送、转换、旋转、加速、移位、反射、吸收、延迟、回波或重复、反相、限制或箝位、失真、净化或滤波、调节、再成形、再分配、振荡、辨识或特征化、以及存储。
然后任何残留的未被阻挡的能量通过输出路径308自由地离开器件。在图3中，示出了输入路径307和输出路径308连接至传输层304。然而，在输入路径和输出路径连接至异质结302的阻挡层或供应层310的情况下，只要在输入路径307与输出路径308之间通过的能量足以克服阻挡层310的电阻、热绝缘、或不透光性，则量子化器300也可以起作用。例如当光子垂直穿过量子化器300的各层时，输入路径307和输出路径308也可能是通透的自由空间，而不是实际管路。
包括形成异质结302的传输层304和阻挡层310、路径307、308、312、318、绝缘层320、以及表面电极314和接地平面309的整个设备构成了量子化器300。在示例性实施例中，表面电极314、能量路径307、308、312和318由金制成。然而，能量路径307、308、312和318可以由半导体或超导体材料、光导纤维、或其他承载能量的线路形成。控制路径还可以是用以接收来自电磁波的信号和能量的天线，例如，射频天线或微波天线。通过使用诸如纳米碳管和球壳状碳分子的特殊分子可以对此处描述的控制路径或电极的任何实施例进行分子级别的复制。
量子点可以是除了此处描述之外的其他类粒子或器件，只要它们能够实现形成人工原子所需的量子约束即可。此外，人工原子可以由除了电子之外的电荷载流子(例如，质子或“空穴”)形成。量子点QD相对于量子化器的数目和相对尺寸也可与图中所示的显著地不同。一旦电荷载流子被捕获在量子点QD中，它们就形成公知为人造原子的波结构，该人造原子能够用作用于周围材料的掺杂物。采用该原理以产生多功能的、可编程的、量子约束转换装置或量子化器。可以将多个量子化器放在一起以生成一种形式的可寻址的被掺杂的材料，该材料的能量吸收和传送特性可以被实时控制。
图3中所示的具体构造并不意味着限制；量子化器也可以形成为其他形状。这些可能性包括圆形、三角形、规则和不规则多边形、相邻线的开口图案、以及任意组合的非对称形状(诸如，例如，具有方形中央开口的圆形电极、具有圆形中央开口的三角形电极、或者其他相似组合)。所有前述形状的三维相似体都作为可能的实施例被明确地包括。
还应该注意的是，在不改变任何实质功能的情形下，量子化器的各层的确切布置可以与图3中所述的稍微不同。例如，传输层304不必在阻挡层310的“顶部上”，而且它们相对于彼此以及绝缘层320和电极314的位置可以被颠倒，即，电极314和/或绝缘层320可以邻近阻挡层310。进一步，可以使用量子势阱代替异质结，可以在半导电或绝缘层(如薄膜电容器中所示)之间夹入薄金属层，或者可以使用能够将电荷载流子气306约束到将会观察到量子效应的足够薄的层中的任何其他方法。
在没有绝缘层320的情况下，量子化器300也将起作用，尽管在表面电极314上的电压超过传输层304的能带隙或击穿电压时，在传输层304上可能存在较大泄漏电流。如果电极电压316超过绝缘体320的能带隙或击穿电压，则电流可能以电弧方式穿过绝缘层320。在任一种情形下，对于缺少绝缘体的本发明的一些实施例而言，可以将电极电压316选择成使得在不出现显著泄漏电流的同时发生量子约束。
图4示出了量子化器400中任意数量的量子点QD的形成。除了二维电子气层已被量子势阱传输层406代替，并且绝缘层420顶部上的表面电极已经被塑造成具有多个开口428的栅电极414之外，原理完全与图3中所示的相同。这些开口428可以是电极材料414中的物理空隙，例如充有环境空气、真空、或液体，或者这些开口可以由具有的导电性小于电极材料414的一些其他材料组成。例如，电极栅414可以是被铣槽(电子不能通过该铣槽轻易地被传导)的规则图案隔断的金属板、或者它可以是被局部氧化的规则图案隔断的低能带隙半导体，其中，氧化物具有高于半导体的能带隙，从而阻止电子的进入或通过。
如果栅开口428小于或相当于被约束的载流子的德布罗意波长，则当量子势阱402和表面电极414如上所述地被充电时，将观察到量子约束效应。具体地，通过与上述一样的原理，在量子势阱402的传输层406中，并在阻挡层404和410之间，且在栅电极414中的每个开口428之下，形成有一个量子点QD。因此，对应于栅电极414中的每个开口428，在量子化器400中生成多个人造原子。
除了穿过器件400的电压426的改变会立即在所有人造原子中产生相似变化之外，图4实施例的操作与图3的实施例非常相似。在栅开口428具有精确的相同尺寸和间隔并且量子势阱402的传输层406中的电荷载流子的分布是均匀的具体情况下，形成在量子点QD中的人造原子将是相同的。量子点QD中的人造原子的原子序数的改变将是均匀的，因此当穿过量子化器400的控制电压426被改变时将会以同样的方式并且在相同的时间出现掺杂特性。因此，完整的量子化器400将包括一致的、可编程的人造原子的栅极。
当电、热、光、或其他能量穿过输入路径407进入器件时，该能量被这些人造原子的掺杂效应选择性地阻挡、过滤、或修改。然后任何未被阻挡的能量穿过输出路径408自由离开该器件。
在可替换实施例中，其中，栅开口428具有不均匀的尺寸、形状、或间隔和/或传输层406中的载流子具有不均匀的初始分布，人造原子可以相同或可以不同，并且可以相同或不同的方式响应控制电压426的影响。然而，在这种情形下，每个单独的人造原子将仍然一致地响应任何特定的电压设定，并且系统的有效行为(netbehavior，基本行为)将是完全可重复的。结果，在任一种情况下，图4所描述的量子化器400能够用作多功能的、可编程的、量子约束转换器。
本领域技术人员应该理解，形成栅状电极的方法与形成任何其他形状的电极的方法是类似的，并且此处不需要描述。然而，部分列举出的方法会包括诸如使用扫描探针显微镜的探针尖端的电子束光刻和阳极氧化光刻的技术。还应该注意，某些光刻工艺尤其很好地适用于宏观区域的纳米级图案化。这些光刻工艺包括光刻法(具体地，远紫外线或EUV光刻法)、原子全息照相术、以及纳米级压印光刻，无论是直接沉积或者依靠杂质且随后曝光和剥离“抗蚀”层，均适用于迅速生产大型的且相对均匀的栅极。其他方法(例如X射线结晶法)能够生成极好的干涉图案，该干涉图案可用来曝光抗蚀剂并且在金属层中生成栅状图案，该栅状图案可以用以将量子势阱或异质结划分成量子点区域。
另外，存在分子自组装工艺，诸如，将铝阳极氧化成氧化铝、或使得谨慎设计的双嵌段共聚物玻璃化，这些工艺产生由规则间隔的垂直微孔阵列刺穿薄膜材料或“掩模”材料，典型地这些微孔布置成六角形对称的。然后，可以使用诸如活性离子蚀刻(RIE)的铣削工艺去除直接位于微孔下面的金属，同时使得固体掩模下的金属保持完整无损。用以生成栅电极428和量子化器的其他电极的方法也可以是本发明的实施例，尽管这不应被看作是对本发明范围的限制。图4中所示类型的量子化器400可以通过文中未描述的方法来产生，并且该类型量子化器的基本功能不变。应该理解，图4中所示的量子化器400可以沿两个方向增大比例，同时几乎不受限制地增加量子点QD的数量。
值得注意的是，将量子点紧密地放置在一起则在产生它们的电场之间产生相长干涉，从而使得电场更强。这具有减小量子点有效尺寸的效果，并因此增加量子点的量子约束能量。在多数情形下，该相长干涉对于产生能够在室温下或高于室温下操作的器件而言是必要的。在没有相长干涉的情形下，量子点会更大并且量子点的能量降低，从而被捕获的载流子的量子约束能量将小于室温电子的热能，并且不可能产生量子约束。
不论相长干涉是要求的或仅是伴随发生的，量子点的紧密包装均增加了传输层或异质结中的人造原子的密度，并因此增大了人造原子的掺杂效应。然而，如果量子点被包装得太紧密，则表面电极将容易被小裂纹、杂质、或传导材料中的其他缺陷干扰，并且器件将不起作用。还应该注意，电子栅开口的尺寸及其间隔具有最大和最小值，以便使电场针对量子约束呈现理想的形状。因此，器件在具体环境条件下的确切行为随这些不同的尺寸而变。
在根据图4实施例的一个示例性实施中，表面电极414可以包括10纳米厚的金层，该金层下面具有3纳米的粘附层。阻挡层404可以由大约5nm厚的镓铝砷组成，绝缘体420是通常大约为2nm厚的材料的天然氧化物。量子势阱传输层402可以由砷化镓组成，并且大约6-12nm厚，接地平面409可由电阻率很低的n型掺杂(n-doped)砷化镓组成。
可通过首先用表面处理对表面电极114进行旋涂来图案化该表面电极，该表面处理由S/BCB/MMA比例等于56/2/42、平均分子重量大约为35,000、溶解在甲苯溶剂中的苯乙烯(S)、4-乙烯苯并环丁烯(BCB)、以及甲基丙烯酸甲酯(MMA)的无规共聚物构成。然后在氮气氛中加热该器件，接着通过相同的旋涂方法施加分子重量大约为122,000的、由70％苯乙烯和30％MMA构成的双嵌段共聚物。然后，该器件在真空中被加热至超过聚合物的玻璃转变温度、并被冷却至室温、进而被暴露至紫外线并接着在乙酸中被漂洗。
所产生的聚合物膜具有六角形阵列的微孔，所述微孔的尺寸和间隔与双嵌段共聚物的分子重量成比例--在此情形下直径大约为30nm且中心距大约为52.5nm。将器件放置在活性离子蚀刻剂中，以去除微孔下面的金属，然后剥离聚合物。然后施加掩模以使得可以在选定区域中利用活性离子蚀刻剂将金属表面电极414蚀刻掉、并可能将绝缘体420和上阻挡层404蚀刻掉。接着，将输入路径407和输出路径408、以及偏压控制路径412、418连接至传输层406、上阻挡层404、或绝缘体420，从而留下完成的器件400。该方法可以以大约相等的难度来图案化直径为0.5cm到20cm的晶片表面，并且该方法还可以用来图案化更大或更小的区域。该实例仅出于示例性的目的被包括而不应该被解释为对范围的限制。
在另一示例性实施中，金属表面电极与半导体层的构成和布置是相同的，但是利用光刻抗蚀的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)旋涂该器件的表面，然后使用扫描探针显微镜的探针尖端并通过阳极氧化光刻将该器件图案化成具有阵列孔。该尖端保持距离表面几纳米，并随后被施加偏压以使得电子束在尖端和表面之间穿过，从而使露出PMMA抗蚀剂。然后，用去除露出的PMMA的显影剂溶液漂洗该器件，并在聚合物掩模后面留有孔，该孔的尺寸和间隔取决于偏压和探针尖端的可编程动作。然后如之前的实例中一样，蚀刻和清洁该器件，并连接控制路径。已发现直径大约为70nm且中心距大约是74nm的孔工作良好。可以使用电子显微镜代替用于光刻步骤的扫描探针显微镜，尽管“邻近效应”使得将特征紧密地放置在一起更加困难。该描述仅出于示例性目的被包括并不应该被解释成对范围的限制。
图5示出了另一实施例，其中，量子化器500包括多个电极514和控制路径518、518′、518″。量子势阱502还通过上阻挡层504、传输层506、以及下阻挡层510之间的界面形成。将离散电压526、526′、526″施加在控制路径518、518′、518″与控制返回路径512之间。该量子化器500的操作与图4中所示的极为相似，除了每个电极514均被连接至独立的控制路径518、518′、518″并由独立的外部电压电源526、526′、526″控制之外，尽管它们都共享共同的接地平面509。如图4中所述，当表面电极514被充电时，量子点QD形成在位于绝缘层520的被表面电极514界定的区域之下的传输层506中。总的来说，这些元件构成了量子化器500。
如图5的实施例中所示，每个表面电极514均具有与之接触的独立的控制路径518、518′、518″，并由独立的外部电压电源526、526′、526″控制。应该理解，尽管图5的量子化器500中仅示出了三个表面电极514，但是量子化器500可以结合有任意大数目的电极。然而，可能且经常期望的是，多个表面电极514被连接至共用外部电压电源，从而通过相对少数目的独立电压成组地控制表面电极514。应该理解，表面电极514的确切形状和位置可以完全不同于图中所示的，只要最终所得的结构能够实现上述限定的量子约束即可。
图5的结合有多个电极514的量子化器500的设计的优点在于，通过在这些电极514上选择不同的电压可能改变排斥电场，因此影响量子点QD的约束区域的大小和形状。这不可避免地改变了被捕获在量子点QD中的人造原子的大小和形状，或者伴随人造原子的原子序数的改变或者保持原子序数为常量。因此，通过电极514的电荷改变可以实时调节人造原子的掺杂特性。由于每个电极514均可以产生不同于其邻近电极514的掺杂特性，因而可在量子势阱502的传输层506中产生不同材料类型的结。这为量子化器500中更复杂的转换或过滤创造了机会，就像FPGA容许在其中产生电子电路(临时的或者永久的)一样。
作为该设计的副效应，量子化器500也可能在其“开启”或“闭合”的特定状态下产生电。当一个电极514下的量子点QD被调节成作为“p”型掺杂物，而与此同时邻近电极514下的量子点QD被调节成作为“n”型掺杂物时，就可以在传输层506中形成p-n结或二极管。借助用于太阳能电池和光电传感器中的光电或光伏效应，这种结构可以从穿过其中的光中产生电。使用珀耳帖-塞贝克效应、汤普森效应、或通过用作半导体热电偶，量子化器500也能够从热梯度中产生热电。在这种情况下，所产生的电会在输入路径507与输出路径508之间产生电势或电压。光电和热电过程也可以相反地进行，使用输入路径507与输出路径508之间的电势来生成光子或温度梯度。在具有四个或更多控制路径和表面电极的情况下，传输层506可以用来产生甚至更复杂的材料界面，该材料界面包括超点阵结构以及诸如电路线路的2维结构。本领域技术人员能很好理解这些结构及其用途，此处不需进一步详细描述。
像自然原子一样，量子点QD中的人造原子在它们的电子中也具有有效旋涂不均衡(net spin imbalance)现象。在这种情况下，它们将产生磁场，该磁场可用来影响穿过传输层506以及相邻的阻挡层504和510的电荷载流子。磁场还可以用来产生电(即，输入路径507与输出路径508之间的电压)或光子，这是因为通过磁场的带电粒子的加速产生了电场或电势梯度，而带电粒子的减速使得动能被转换成光子能，例如无线电波。本领域技术人员可以很好地理解该电动效应，此处不需进一步详细描述。
由于其设计，图5中示出的量子化器500在任何“开启”或“闭合”的状态下通常将呈现一定程度的电-光学行为、热电行为、以及电动行为。因此，当在这些效果产生显著电压的状态下构造量子化器500时，量子化器可以用作电源或用作传感器或发射器。在这些效果不能显著改变该器件的功能、并因此不可被直接测量的其他可能的状态中，量子化器500不能作为发射器、电源或传感器。
图6公开了量子化器600的另外实施例，其中，表面电极614中的开口不是必须的。替换地，存在导电夹板626，该导电夹板电接触表面电极614并且向下伸出下面的一个或多个半导体层。在图6所示的实施例中，夹板626穿过绝缘体620并进入上阻挡层604。然而，在一些实施例中，理想的是，使得夹板626穿透得更深一些，以使得夹板626穿过传输层606、下阻挡层610、或甚至可能直接穿入接地平面609。同样地，此图中的实施例示出夹板626为圆锥形的形状。然而，在其他实施例中，夹板626可以是圆柱形、半球形、矩形棱柱、或是将表面电极614的带电导体连接至晶片的更深层的任何其他形状。在一个实施例中，夹板626由与表面电极614相同的材料制成，并且与该表面电极相连。
除了在金属化之前使用已经描述的任何方法或通过某些其他方法将量子势阱晶片(由接地平面609、下阻挡层610、传输层606、上阻挡层604、以及绝缘体620组成)铣削成具有孔图案之外，图6的量子化器600的制造与已经描述的那些量子化器的制造相同。然后以填充孔并覆盖晶片表面的方式铺放导电材料，从而形成夹板626和表面电极614。在一种示例性形式中，该导电材料是60％的金与40％的钯的合金，该合金力学性能强、抵抗氧化以及其他腐蚀、很好地粘贴至半导体表面，并且可以利用电子显微术中经常采用的便宜的溅射涂敷器来铺放。然而，该示例仅出于描述的目的被包括，而不应被解释为对范围的限制。几乎任何导电材料(包括金属、聚合物、电解凝胶或液体、以及分子单层)都可以提供等效的功能。
夹板626改变由表面电极614产生的电场，并在量子势阱602的传输层606中、在夹板626之间的区域中产生量子点QD，如图6所示。量子化器600的操作和功能在其他方面与已经描述的实施例相似。注意，尽管图6示出的表面电极614没有开口，但是在一些情况下，位于量子点QD上方的电极614中包括开口是有利的，因为这对由表面电极614和夹板616产生的电场的形状具有极大影响。
图7公开了另一种实施，其中，包括绝缘体720、上阻挡层704、以及传输层706的量子势阱702的上层已被蚀刻成“岛”形状716。这可以通过使用本领域已知的多种光刻技术实现。在示例情形中，该蚀刻可以通过电子束光刻以及活性粒子蚀刻来实现。另外，可能使用基于应变的生长技术来生长量子点QD，所述生长技术诸如使用分子束外延生长在砷化镓表面上的砷化镓铟沉积的生长技术，该生长技术在无需蚀刻的情形下在表面(例如，棱锥)上生成3D结构。这些技术中涉及去除和/或添加材料的多数技术已经在文中描述，但是在不改变器件基本功能的情形下，可以使用包括目前已知的或下文中设计的其他技术。所给出的示例不应被解释为对本发明范围的限制。在该实施例中，图7中示出岛716为圆柱或矩形形状，尽管也可使用其他形状。具体地，许多生长技术生成棱锥或半球形的量子点，其特性在本领域中已经公知并不需要进一步详细描述。
如果岛716的水平直径小于被约束的载流子的德布罗意波长，则岛716中的整个传输层706将随之起量子点QD的作用。如果该直径大于德布罗意波长，则传输层706将起势阱702的作用。然而，在任一情形下，绝缘层720均生长以覆盖岛716的侧部。实现这点的最简单的方式是使表面被氧化，尽管可以使用其他方法。表面电极714可以以还覆盖岛716侧部的方式被沉积，从而在表面电极被控制路径718激活时，可以使用表面电极的电场排斥电子或其他载流子，从而朝向岛的中心驱使载流子并生成量子点QD。
注意，对于这种将出现的效果，不必使得表面电极714覆盖岛716的顶表面，尽管这种布置看起来是适宜的。在此实施例中，岛716也没有必要包含上阻挡层704，尽管出于清楚目的此处示出了一个阻挡层。在没有绝缘体720的情形下该器件也能起作用，尽管这意味着肖特基二极管(即，金属-半导体结)在表面电极714与传输层706之间形成了唯一的势垒，从而在没有产生穿过量子化器700的直流电的情况下限制了可施加的电压量，并且改变它作为多功能、可编程的量子约束转换器的功能。可替换地，岛716可以狭窄得足以在没有任何电场从侧部侵入它的情形下用作量子点QD。在这种情况下，表面电极714没有必要覆盖岛716的侧部，尽管该表面电极确实需要邻近岛716的某部分以影响它的掺杂特性。
一旦量子点QD已经被表面电极718激活，则通过输入路径707进入器件的能量就随之被阻挡、过滤、或另外地被量子点QD中的人造原子修改，并且剩余的未被阻挡的能量通过输出路径708自由离开该器件。量子化器700的确切行为随各层的厚度、岛716的尺寸、以及控制路径718与接地平面709之间的电压而变。
尽管图7中的器件被示为仅包括一个岛716并且仅生成一个量子点QD，但是本发明包括存在多个这些结构的实施例，或者被一个连续的表面电极714控制，或者被多个表面电极成组地(in bank)控制，如图5中所示。
从上述描述中，可以看到量子化器提供了多种能力。第一，量子化器提供一种多功能转换器，该多功能转换器具有仅仅通过改变控制路径与接地平面之间的电压来转换或调节单个器件中的电流、光流、热流、或其他能量流的能力。可替换地，电压可保持为恒定的，而其他参数(诸如温度梯度、周围环境辐射、或来自外部器件的电场)是变化的。第二，量子化器提供一种用于转换或调节热流的固态装置。第三，量子化器提供一种其特性可通过外部信号可动态地重新设计的转换器。第四，作为该量子化器设计的副效应，量子化器提供一种能够利用穿过它的能量产生电的转换器。第五，量子化器提供一种还能够用作多功能传感器的转换器。第六，能够将多个量子化器非常邻近地安置，从而形成整体特性动态可调的“智能材料”。
量子化器的多个优点也变得明显。在不需要增加任何移动件的情况下，量子化器能控制固态器件(例如，计算机芯片)中的热流，并且还能在该过程中产生电流。另外，量子化器提供一种多功能的、可编程的器件，该器件的基本属性和功能可被重新设计以适合力矩(moment)的需求，而不需要预先知道被转换、调节、过滤、或测量的能量的频率、密度、或形式，并且不需要对期望的输出进行预先的假设。(在这种意义上，量子化器更类似于FPGA而非诸如晶体管的单个转换器)。量子化器可以同时利用三种不同的原理-热电、光电、和电动-完全在同一时间产生电。同样，量子化器能够用以产生光、无线电波、或温度梯度，所有这些都在单个装置中产生，从而量子化器能够代替晶体振荡器、发光二极管、热电泵、或发生器。最后，量子化器的水平尺寸可以制成任意地大、或者可以近似地制成与室温下电子的德布罗意波长一样小。因此，量子化器能够满足从窗玻璃到纳电子学的各种应用，包括(例如)用作显示屏幕中的单个像素。
量子化器可以用作固态电转换器(类似于单个晶体管)，但是也可以具有广泛的多种其他应用。示例性的应用可以包括用作可编程的光闸或滤光器；用作具有笨重移动件的热继电器的固态替代品；用作热电的、光电子的、光电的、或电动的器件(例如，多功能传感器)；以及用作由多种不同的能量类型产生电能的装置。尽管输入和输出路径可以是某种类型的实际线路(例如，电线)，但是也可使输入和输出信号在不改变该器件基本功能的情况下穿过自由空间(例如，作为光射线)。
可以以多种不同的方式来连接多个量子化器，以产生新的器件。量子化器可用作新型的存储器或逻辑门，包括使用热能而非电荷或磁性来运载和存储信息的“热比特”。因此，量子化器可用来生成“热计算机”(模拟的或者数字的)。例如，这可用于发动机中高温元件的控制。对于要求特定操作条件的器件而言，这些条件也可以在量子化器中产生，或者通过相邻的量子化器产生。例如，热电效应能够用来冷却特定的区域，以使得低温器件(例如，长波长的红外传感器)可以在那里操作。
尽管上述描述包含了许多特性，但是这些不应该被解释为对本发明范围的限制，而是被解释为仅仅提供了本发明的某些示例性实施例的例证。有多种可能性来制造不同材料和不同构造的量子化器。例如，还可以期望的是，采用诸如碳纳米管的导电分子导线作为控制导线和表面电极。还应该注意，尽管在本文中GaAs族材料以示例性形式用在量子点和量子化器的生成中，但是替代地也可以使用大量的不同材料，包括绝缘体、半导体、导体、或超导体。使用较高能带隙的材料具有特殊的优点，因为它们不仅容许在能量方面“更深的”量子势阱，而且在许多情形下还容许量子势阱(包括接地平面或其他衬底)对可视光是可透过的。这些实施例明确地构成了本发明的一部分。
存在许多不影响本发明操作的核心原理的其他变型。例如，可以取代电场使用磁场(或除了电场之外还使用磁场)来约束电荷载流子。例如，激光(其由磁场和电场这两者组成)可用作约束机构。同时，量子化器不必是平坦的或二维的，而是能够被折叠成、卷绕、或以其他方式形成为其他形状。这些形状包括但不局限于，圆柱形、球形、锥形、棱柱、以及多面体(规则的和不规则的)、不对称形式、以及其他二维和三维结构。该器件还可以采用诸如薄片、纤维、和条带的柔性形式，其中量子点器件位于一个或两个表面上。还可想到的是，在诸如气凝胶的复杂的、多孔的、或“海绵状的”材料/结构的内表面上生长量子化器。量子化器能够采用单个量子点(代替多个量子点)，并且可以包括多个输入路径(例如，用作混合器或信号组合器)或多个输出路径(例如，用作信号分路器或分流器)，或包括两者。在量子化器具有多个输入路径、多个输出路径、以及多个控制路径的极端情况下，能可论证地将该器件看作现场可编程量子化器阵列(FPQA)而非单个量子化器，但是区分是不重要的，这是由于这两种器件都符合该说明书中给出的描述。
当被形成块状材料时，具有可编程掺杂物的量子化器的多层能够被堆叠成三维结构并形成“智能材料”。然而，可以采用多种其他方法来封装并控制量子点的最大可能密度。例如，膜可以被卷成纤维形状并被交织或编织。同样地，它们可以被折叠成管或其他形状并且呈三维地堆叠在一起。其他有利的封装结构也是可能的，多数封装结构将用于进一步增加相邻量子点之间的相长干涉。
尽管已经以一定的详细程度，或参考一个或多个实施例描述了本发明的各种实施例，但是在不背离本发明的精神或范围的情形下，本领域技术人员可以对公开的实施例进行各种修改。上述描述中所包含的以及附图中所示出的所有内容旨在应该被解释为仅是对具体实施方式的示例，而非限制。所有方向性术语，例如，邻近的、远侧的、上、下、向上、向下、左、右、横向、前、后、顶部、底部、上方、下方、垂直、水平、顺时针以及逆时针仅用作识别目的以帮助读者理解本发明，而不是进行限制，尤其是关于本发明的位置、定位、或使用的限制。连接术语，例如，附着、结合、连接、以及接合被广义地解释，并且除非已经另外指出，在元件集合之间可以包括中间件并且在元件之间可以具有相对运动。如此，连接术语并不必意味着两个元件直接连接而且彼此为固定关系。在不背离权利要求所限定的本发明的基本要素的情形下，可以改变细节或结构。

Claims (26)

1.一种多功能量子转换装置，包括：
被形成为薄柔性膜的材料；
量子点，与所述材料物理地连接；
控制路径，与所述材料物理地连接并且与所述量子点可操作地连接，其中，所述控制路径适于将来自可控制能量源的能量运载至所述量子点；
输入路径，与所述量子点可操作地连接并适于将能量输入至所述量子点；
输出路径，与所述量子点可操作地连接并适于将能量从所述量子点输出；以及
多个电荷载流子，能够被约束在所述量子点中以形成人造原子；其中
所述能量适于促使电势穿过量子点，从而将所述多个电荷载流子的相应子集合以受控的结构约束在所述量子点内，以形成相应的人造原子；
所述能量确定所述人造原子的尺寸、形状、原子序数、和/或能级；并且
所述人造原子改变所述量子转换装置的电特性、光学特性、热特性、和/或磁特性，以使得通过所述输入路径接收的能量的量和类型在该能量通过所述输出路径离开之前被改变。
2.根据权利要求1所述的量子转换装置，其中：
所述量子点包括多个量子点；
所述控制路径包括多个控制路径，每个所述控制路径均连接至所述多个量子点中的相应一个；
所述输入路径包括多个输入路径，每个所述输入路径均连接至所述多个量子点中的相应一个；并且
所述输出路径包括多个输出路径，每个所述输出路径均连接至所述多个量子点中的相应一个；并且其中
所述能量源在所述多个控制路径的每个之间是可区分的，并且所述多个电荷载流子的子集合在每个相应量子点之间是可区分的。
3.根据权利要求2所述的量子转换装置，其中，所述多个控制路径中的每一个均与所述多个量子点的相应组相连。
4.根据权利要求1所述的量子转换装置，其中：
所述量子点为量子点器件，所述量子点器件进一步包括：
传输层；以及
阻挡层；其中
所述传输层和所述阻挡层一起形成异质结；并且
所述量子转换装置进一步包括支撑在所述膜上并与所述控制路径可操作地连接的电极；其中
所述电荷载流子被所述电极所产生的电场约束在所述异质结的气层内以形成人造原子。
5.根据权利要求1所述的量子转换装置，其中，
所述量子点为量子点器件，所述量子点器件进一步包括：
第一阻挡层；
第二阻挡层；以及
传输层，位于所述第一阻挡层与所述第二阻挡层之间；并且
所述量子转换装置进一步包括支撑在所述膜上并与所述控制路径可操作地连接的电极；其中
所述电荷载流子被所述电极所产生的电场约束在传输层内以形成人造原子。
6.根据权利要求4所述的量子转换装置，进一步包括用于将所述电极与所述量子点器件绝缘的绝缘介质。
7.根据权利要求5所述的量子转换装置，进一步包括用于将所述电极与所述量子点器件绝缘的绝缘介质。
8.根据权利要求1所述的量子转换装置，其中，所述控制路径包括电极栅。
9.根据权利要求1所述的量子转换装置，其中，所述控制路径包括在所述材料上彼此电绝缘的电极阵列。
10.根据权利要求1所述的量子转换装置，其中，所述控制路径包括具有在所述量子点中延伸的夹板的电极。
11.根据权利要求1所述的量子转换装置，其中，所述量子转换装置作为如下所述的至少一种装置而操作：固态的电器件、光闸、滤光器、热电发生器、光电发生器、电动发生器、热存储器、热逻辑门、热转换器、以及热调节器。
12.一种用于产生量子效应的装置，包括：
薄柔性膜，所述膜进一步包括：
传输层；以及
阻挡层；其中
所述传输层与所述阻挡层一起形成异质结；
支撑在所述膜上的至少一个电极；
至少一个控制路径，与所述至少一个电极可操作地连接，其中，所述至少一个控制路径适于将来自可控能量源的能量运载至所述至少一个电极；
至少一个输入路径，与所述传输层可操作地连接并且适于将能量输入至所述传输层；
至少一个输出路径，与所述传输层可操作地连接并且适于将能量从所述传输层输出；以及
多个电荷载流子，能够被约束在所述异质结的所述传输层中，以形成至少一个人造原子；其中，
当被供以能量时，所述至少一个电极产生电场，所述电场与所述异质结相互作用并导致形成一个或多个势垒，所述势垒产生至少一个量子点；
所述电荷载流子的至少一个子集合以受控的结构被约束在所述异质结的气层中的至少一个量子点中，以形成所述至少一个人造原子；
所述能量确定所述至少一个人造原子的尺寸、形状、原子序数、和/或能级；并且
所述至少一个人造原子改变所述量子转换装置的电特性、光学特性、热特性、和/或磁特性，使得通过所述至少一个输入路径接收的能量的量和类型在该能量通过所述至少一个输出路径离开之前被改变。
13.根据权利要求12所述的量子转换装置，其中，
所述至少一个电极包括多个电极，所述多个电极在所述膜上彼此电绝缘；
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合与所述多个电极的相应子集合电连接。
14.根据权利要求12所述的量子转换装置，其中，所述至少一个电极包括栅极。
15.根据权利要求12所述的量子转换装置，进一步包括绝缘介质，所述绝缘介质使所述至少一个电极与所述传输层绝缘、或与所述阻挡层绝缘、或与所述传输层和所述阻挡层两者都绝缘。
16.根据权利要求12所述的量子转换装置，其中，所述电极进一步包括至少一个夹板，所述至少一个夹板在所述传输层中延伸、或在所述阻挡层中延伸、或在所述传输层和所述阻挡层两者中延伸。
17.根据权利要求12所述的量子转换装置，其中，所述量子转换装置作为如下所述的至少一种装置而操作：固态的电器件、光闸、滤光器、热电发生器、光电发生器、电动发生器、热存储器、热逻辑门、热转换器、以及热调节器。
18.一种用于产生量子效应的装置，包括：
薄柔性膜，所述膜进一步包括
第一阻挡层；
第二阻挡层；以及
传输层，位于所述第一阻挡层与所述第二阻挡层之间；
支撑在所述膜上的至少一个电极；
至少一个控制路径，与所述至少一个电极可操作地连接，其中，所述至少一个控制路径适于将来自可控能量源的能量运载至所述至少一个电极；
至少一个输入路径，与所述传输层可操作地连接并适于将能量输入所述传输层；
至少一个输出路径，与所述传输层可操作地连接并适于将能量从所述传输层输出；以及
多个电荷载流子，能够被约束在所述传输层的一个或多个特定区域中以形成至少一个人造原子；其中
当被供以能量时，所述至少一个电极产生电场，所述电场与所述第一阻挡层、所述第二阻挡层、以及所述传输层相互作用并导致形成一个或多个势垒，所述势垒产生至少一个量子点；
所述电荷载流子的至少一个子集以受控的结构被约束在所述至少一个量子点中以形成所述至少一个人造原子；
所述能量确定所述至少一个人造原子的尺寸、形状、原子序数、和/或能级；并且
所述至少一个人造原子改变所述量子转换装置的电特性、光学特性、热特性、和/或磁特性，使得通过所述至少一个输入路径接收的能量的量和类型在该能量通过所述至少一个输出路径离开之前被改变。
19.根据权利要求18所述的量子转换装置，其中，
所述至少一个电极包括多个电极，所述多个电极在所述膜上彼此电绝缘；
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合与所述多个电极的相应子集合电连接。
20.根据权利要求18所述的量子转换装置，其中，所述至少一个电极包括栅极。
21.根据权利要求18所述的量子转换装置，进一步包括绝缘介质，所述绝缘介质使所述至少一个电极与所述第一阻挡层、所述第二阻挡层、或所述传输层中的一个、多个或全部绝缘。
22.根据权利要求21所述的量子转换装置，其中，所述绝缘层封住所述第一阻挡层和所述传输层的暴露在所述第二阻挡层上方的表面。
23.根据权利要求22所述的量子转换装置，其中，所述电极封住所述绝缘层的露出表面。
24.根据权利要求18所述的量子转换装置，其中，所述电极进一步包括至少一个夹板，所述至少一个夹板在所述第一阻挡层、所述第二阻挡层、或所述传输层中的一个、多个、或全部中延伸。
25.根据权利要求18所述的量子转换装置，其中，所述量子转换装置作为如下所述的至少一种装置而操作：固态的电器件、光闸、滤光器、热电发生器、光电发生器、电动发生器、热存储器、热逻辑门、热转换装置、以及热调节器。
26.一种量子化器，包括：
量子点；
控制路径，与所述量子点可操作地连接，其中，所述控制路径适于将来自可控能量源的能量运载至所述量子点；
输入路径，与所述量子点可操作地连接并适于将能量输入至所述量子点；
输出路径，与所述量子点可操作地连接并适于将能量从所述量子点输出；以及
多个电荷载流子，能够被约束在所述量子点中以形成人造原子；其中
所述能量适于促使电势穿过所述量子点，从而将所述多个电荷载流子的相应子集合以受控的结构约束在所述量子点内，以形成相应的人造原子；
所述能量确定所述人造原子的尺寸、形状、原子序数、和/或能级；并且
所述人造原子改变所述量子转换装置的电特性、光学特性、热特性、和/或磁特性，以使得通过所述输入路径接收的能量的量和类型在该能量通过所述输出路径离开之前被改变。
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