CN102543731A - 一种量子点接触的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种的量子点接触的制备方法，该方法基于由电极一、中间层以及电极二构成的“三明治”的结构单元，其中电极一与电极二分别由导电材料构成，中间层由绝缘性介质材料构成；电极一形成导电区域一，电极二与中间层构成导电区域二；采用在电极一与电极二两端施加电压的方式，使导电区域二中的带电离子和/或空位向电极一侧移动，形成导电通道，通过控制施加电压的大小，调整导电通道电导G为量子化电导G0的整数倍，即实现导电区域一与导电区域二之间的量子点接触。与现有技术相比，本发明的制备方法简单、易控、控制精确度高，选用不同材料的电极和中间层，能够制备出不同材料体系的量子点接触，是一种具有良好应用潜力的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及纳米技术研究与存储技术领域，尤其是一种量子点接触的制备方法。
背景技术
量子点接触意味着两分立的导电区域的接触部分达到原子尺度，该结构的尺寸范围小于电子的平均自由程，尺度接近费米波长，被广泛用来研究原子尺度的量子电输运性质。实验已经发现，这种量子点接触的电导是量子化的，其量子化单位为G0＝2e2/h(其中e代表一个电子的电量，h代表普朗克常数)。这种现象基本与材料的种类无关，是一种普适现象。对于特殊的材料体系(如部分磁性材料)，在特定的条件下(如磁场下，低温下)其电导值可能会出现基本电导值的半整数或者0.7的倍数。量子点接触在介观体系的电输运性质的研究、精密传感器、量子计算机等领域具有广泛的应用前景。
目前制备量子点接触的方式通常是采用机械断结法、二维电子气制备法、溶液电化学法以及利用扫描探针显微镜装置的针尖与另外一个导体相接触的方法。机械断结法是将一块导体往相反的方向逐渐拉离至断开，最后在断开的位置可以形成点接触结构。该方法是目前制备量子点接触最为广泛的一种方法，但其要求精密的控制拉伸移动的距离，需要达到埃的量级，对于仪器的精准度要求特别高，而且该方法制备的量子点接触成功率很低，难以实现广泛的应用。二维电子气制备法是最早期获得量子点接触的方法，通过在场效应管结构的栅极上施加一定大小的电压，在平行于栅极的平面内形成二维电子气，随后通过调控源漏极的电压大小将二维电子气进一步控制到一维尺度，从而获得量子点接触的结构。这种方法所需器件结构以及制备过程都比较复杂，同时点接触的体系不能进行调控，除了用来作为基础的量子点接触的研究外，不能实现应用价值。溶液电化学法是采用电化学手段得到点接触的一种方法，通过电化学方法使电解质溶液中存在的金属阳离子得到电子从而电解出金属原子，随着反应的进行，电解出的金属原子不断堆积，最终在阳极和阴极间形成量子点接触。但是，该种电化学方法将点接触的获得环境局限在电解质溶液中，而且该方法获得的点接触不够稳定，不能实现广泛应用。另外，利用扫描探针显微镜装置的方法是将扫描探针显微镜装置的微小的探针与样品表面进行接触，通过控制接触的面积大小，纳米尺寸的针尖与样品表面形成量子点接触结构。该种方法可以用来获得稳定的点接触结构，但是该方法对于仪器的要求十分苛刻。
综上所述，目前制备量子点接触的方法普遍存在制备困难、条件苛刻、材料选择范围窄以及成功率低等缺点。因此，寻找一种简易的量子点接触的制备，不仅对基础科学研究起到很大的帮助，同时在传感器领域，存储领域中都有很大的应用前景。
发明内容
本发明的技术目的是针对现有的量子点接触制备技术的不足，提供了一种简易的制备量子点接触的方法。
本发明实现上述技术目的所采用的技术方案为：
一种量子点接触的制备方法，采用第一电极、第二电极，以及位于第一电极与第二电极之间、并且与第一电极与第二电极相接触的中间层；
所述的第一电极由导电性材料构成；所述的第二电极由导电性材料构成；所述的中间层由绝缘性介质材料构成；
所述的第一电极形成导电区域一，第二电极与中间层形成导电区域二；
在所述的第一电极与第二电极两端施加电压，在电场驱动下使导电区域二中的离子和/或空位移动至导电区域一，与导电区域一之间形成导电通道；通过调整电压幅值，使该导电通道的电导G达到NG0，其中N为自然数，G0为量子化电导，即实现了导电区域一与导电区域二之间的量子点接触。
上述技术方案中：
所述的导电性材料包括导体材料、导电性能良好的半导体或者有机物中的一种材料或者两种以上的组合材料。所述的导体材料包括但不限于金属、金属氧化物或者金属氮化物，例如铁(Fe)、铬(Cr)、锰(Mn)、铝(Al)、铜(Cu)、锡(Sn)、钴(Co)、镍(Ni)、金(Au)、钼(Mo)、钯(Pd)、锆(Zr)、银(Ag)、锂(Li)、铌(Nb)、铂(Pt)、钛(Ti)、钽(Ta)、铟锡氧化物(ITO)、铝掺杂的氧化锌(AZO)、氮化钛(TiN)、氮化铝钛(TiaAlbNc)、氮化钽(TaN)、氮化钨(WN)等中的至少一种。
所述的绝缘性介质材料包括但不限于各类具有一定绝缘性能的半导体、有机材料或者无机材料，例如氧化锌(ZnO)、铁酸铋(BiFeO3)、钴酸锂(LiCoO2)、氧化镍(NiO)、氧化钴(Co2O3)、氧化铜(CuxO)、二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)、五氧化二钽(Ta2O5)、五氧化二铌(Nb2O5)、氧化钨(WOx)、二氧化铪(HfO2)、氧化铝(Al2O3)、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、非晶碳、硫化铜(CuxS)、硫化银(Ag2S)、非晶硅、氮化钛(TiN)、聚酰亚胺(PI)、聚酰胺(PAI)、聚西弗碱(PA)、聚砜(PS)中的至少一种。
所述的电极一与电极二的厚度为大于零的任意值，优选值为大于零并且小于或等于1微米。所述的中间层厚度为大于零的任意值，优选值为大于零并且小于或等于1微米。.
所述的中间层的形态不限定，包括液态、固态或者气态。
所述的N为自然数，优选为1≤N≤50。
所述的导电区域二与导电区域一之间形成导电通道的机理包括如下两种情形：
(1)当在第一电极与第二电极两端施加电压时，电极二中的原子失去(或得到)电子后形成离子进入中间层，随着施加电压增大，该带电离子逐渐向电极一侧移动，当施加电压增大到临界电压时，该带电离子到达电极一，在电极一得到(或失去)电子，在导电区域二与导电区域一之间形成导电通道，通过调整电压幅值使该导电通道的电导G达到量子化电导的整数倍(NG0)，即实现了导电区域一与导电区域二之间的量子点接触。
(2)当在第一电极与第二电极两端施加电压时，中间层中的空位逐渐向电极一侧移动，当施加电压增大到临界电压时，该空位到达电极一，在导电区域二与导电区域一之间形成导电通道，通过调整电压幅值使该导电通道的电导G达到量子化电导的整数倍(NG0)，即实现了导电区域一与导电区域二之间的量子点接触。
所述的电极一、电极二以及中间层可以采用如下制备方法得到：
步骤1、采用镀膜的方法在平整衬底表面制备电极一；
步骤2、采用镀膜的方法在电极一表面制备中间层；
步骤3、采用镀膜的方法在中间层表面制备电极二。
所述的步骤1、2、3中的镀膜的方法包括但不限于各种溶液旋涂方法、喷墨打印以及固体溅射、热蒸发或者电子束蒸发的方法中的一种或者两种以上的组合。
综上所述，本发明创新性地提供了一种制备量子点接触的方法，该方法基于一种由电极一、中间层以及电极二构成的“三明治”的结构单元，其中电极一与电极二分别由导电性材料构成，中间层由具有一定绝缘性的介质材料构成；电极一形成导电区域一，电极二与中间层共同构成导电区域二；采用电极一与电极二两端施加电压的方式，在电场驱动下使导电区域二中的带电离子和/或空位向电极一侧移动，形成导电通道，通过控制施加电压的大小，调整导电通道电导为量子化电导的整数倍，即实现了导电区域一与导电区域二之间的量子点接触。与现有的制备量子点接触的方法相比，本发明具有如下优点：
(1)采用电场驱动的方式，制备过程简单、易控、控制精确度高；
(2)选用不同材料的电极和中间层，能够制备出不同材料体系的量子点接触；
因此，本发明提供的制备量子点接触的方法简单易于控制、制备精度高、使用范围广，是一种具有良好应用潜力的制备方法，在介观体系的电输运性质的研究、精密传感器、量子计算机等领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明量子点接触的制备方法中的“三明治”结构器件示意图；
图2是在图1所示的“三明治”结构器件中形成的量子点接触结构图；
图3是在图2所示的“三明治”结构器件的电导电压特性曲线；
图4是本发明实施例1中“三明治”结构器件的电导电压特性曲线；
图5是本发明实施例1中“三明治”结构器件的电流电压特性曲线；
图6是本发明实施例2中“三明治”结构器件的电导电压特性曲线。
具体实施方式
下面结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，本发明量子点接触的制备方法采用“三明治”的结构单元，即设置在平整的衬底1表面的电极一2、设置在电极一2表面的中间层3，以及设置在中间层3表面的电极二4。电极一2由导电性材料构成，形成导电区域一；电极二4由导电性材料构成，中间层3由绝缘性介质材料构成，与电极二4共同构成导电区域二。
在电极一2与电极二4两端施加电压，使导电区域二中的带电离子和/或中间层中的空位向电极一2侧移动，如图2所示，当电压增大到临界电压时，带电离子和/或中间层中的空位到达电极一2，与电极一2形成量子点接触，即在导电区域二与导电区域一之间形成导电通道。如图3所示，该量子点接触是通过控制施加电压的大小，调整导电通道的电导G为量子化电导G0的整数倍(即N倍)而实现的。即，当逐渐增大电极一2与电极二4两端的施加电压，使导电通道的电导G达到G0时，导电区域一与导电区域二之间为1倍量子化接触；当继续增大该施加电压，使导电通道的电导G达到2G0时，导电区域一与导电区域二之间为2倍量子化接触；同理，继续增大该施加电压，使导电通道的电导G达到NG0时，导电区域一与导电区域二之间为N倍量子化接触。
实施例1：
本实施例中，制备量子点接触的方法中采用的“三明治”结构单元(如图1所示)的电极一2采用厚度为10～200纳米，优选约为100纳米的铂，中间层3采用厚度为10～200纳米，优选约为100纳米的氧化锌，电极二4采用厚度为10～200纳米，优选约为100纳米的铌。
上述“三明治”结构单元可以选用现有的镀膜工艺依次在平整衬底上制备得到，其中的一种制备方法具体如下：
步骤1、首先在预先使用丙酮和乙醇超声清洗过后洁净的平整衬底上利用电子束蒸发的方式溅射一层金属铂电极作为电极一2；
步骤2、将生长有电极一2的平整衬底1置于高真空环境中，利用磁控溅射的方法在氩气氧气气压比为4∶1，总工作气压为1.0Pa的气氛中，使用60W的溅射功率溅射氧化锌靶材，在电极一2表面沉积一层厚度约为100纳米的氧化锌薄膜作为中间层3；
步骤3、利用磁控溅射法在氧化锌薄膜中间层3表面沉积一层金属铌作为第二电极4，具体为：在1.0pa纯氩气气氛中使用20W溅射功率溅射金属铌靶材，通过遮盖法或者光刻等手段制备出分立的直径为100微米的铌金属薄膜作为电极二4；
利用半导体参数分析测试仪电压扫描模式在上述制备得到的具有“三明治”结构单元的Nb/ZnO/Pt器件两端电极之间施加电压，测试电导随电压变化的关系曲线，得到图4。如图4所示，横坐标对应“三明治”结构器件电极一2和电极二4上施加的电压值大小，纵坐标对应测试得到器件的电导值，以量子电导(G0)作为单位。当施加电压小于0.93V时，该器件电导值为4G0。随着电压的增加，电导值在0.93V处从4G0突然变为5G0，这对应着一个新的由一个原子组成的量子点接触的形成。随后电压继续增加，电导值呈台阶式阶跃性的上升，这说明有新的量子点接触不断的形成。该实例为本发明提供了有力的实验证明。
另外，可以通过改变相关电学参数，如利用半导体参数分析测试仪电压扫描模式在Nb/ZnO/Pt器件两端电极之间施加电压，同时只需限定流经该Nb/ZnO/Pt器件的电流大小来精细该量子点接触结构，如图5所示。通过逐步增加限定流经的电流值(电流达到一定数值不会继续增加)，该器件量子电导值(插图)可以逐步从10G0增加到12G0，再增加到15G0.
实施例2：
本实施例中，制备量子点接触的方法中采用的“三明治”结构单元(如图1所示)的电极一2采用厚度为10～200纳米，优选约为100纳米的铟锡氧化物，中间层3采用厚度为10～200纳米，优选约为100纳米的氧化锌，电极二4采用厚度为10～200纳米，优选约为100纳米的铟锡氧化物。
上述“三明治”结构单元可以选用现有的镀膜工艺依次在平整衬底上制备得到，其中的一种制备方法具体如下：
步骤1、首先在预先使用丙酮和乙醇超声清洗过后洁净的平整衬底上利用蒸发的方式溅射一层金属铟锡氧化物电极作为电极一2；
步骤2、将生长有电极一2的平整衬底1置于高真空环境中，利用磁控溅射的方法在氩气氧气气压比为4∶1，总工作气压为1.0Pa的气氛中，使用60W的溅射功率溅射氧化锌靶材，在电极一2表面沉积一层厚度约为100纳米的氧化锌薄膜作为中间层3；
步骤3、利用磁控溅射法在氧化锌薄膜中间层3表面沉积一层铟锡氧化物作为第二电极4，具体为：在1.0pa纯氧气气氛中使用150mJ溅射功率溅射铟锡氧化物靶材，通过遮盖法或者光刻等手段制备出分立的直径为100微米的铟锡氧化物薄膜作为电极二4；
利用半导体参数分析测试仪电压扫描模式在上述制备得到的具有“三明治”结构单元的ITO/ZnO/ITO器件两端电极之间施加电压，测试电导随电压变化的关系曲线，得到图6。如图6所示，横坐标对应“三明治”结构器件电极一2和电极二4上施加的电压值大小，纵坐标对应着测试得到器件的电导值，以量子电导(G0)作为单位。当施加电压小于5.25V时，该器件电导值为0G0。随着电压的增加，电导值在5.25V处从0G0突然变为3G0，这对应着一个新的由三个原子组成的量子点接触的形成。随后电压继续增加，电导值呈台阶式阶跃性的上升，这说明有新的量子点接触不断的在形成。该实例为本发明提供了有力的实验证明。
实施例3：
本实施例中，制备量子点接触的方法基本与实施例1相同，所不同的是电极一2采用厚度为10～200纳米，优选约为100纳米的铂，中间层3采用厚度为10～200纳米，优选约为200纳米的氧化锌，电极二4采用厚度为10～200纳米，优选约为100纳米的铜。同样，在电极一2与电极4两端施加电压时，在电场驱动下使电极二与中间层构成的导电区域二中的离子和/或空位移动至电极一2构成的导电区域一，与导电区域一之间形成导电通道；通过调整电压幅值，使该导电通道的电导G达到NG0，其中N为自然数，G0为量子化电导，即实现了导电区域一与导电区域二之间的量子点接触。
实施例4：
本实施例中，制备量子点接触的方法基本与实施例1相同，所不同的是电极一2采用厚度为10～200纳米，优选约为100纳米的铂，中间层3采用厚度为10～200纳米，优选约为100纳米的氧化锌，电极二4采用厚度为10～200纳米，优选约为100纳米的银。同样，在电极一2与电极4两端施加电压时，在电场驱动下使电极二与中间层构成的导电区域二中的离子和/或空位移动至电极一2构成的导电区域一，与导电区域一之间形成导电通道；通过调整电压幅值，使该导电通道的电导G达到NG0，其中N为自然数，G0为量子化电导，即实现了导电区域一与导电区域二之间的量子点接触。
实施例5：
本实施例中，制备量子点接触的方法基本与实施例1相同，所不同的是电极一2采用厚度为10～200纳米，优选约为100纳米的铂，中间层3采用厚度为10～200纳米，优选约为150纳米的铁酸铋，电极二4采用厚度为10～200纳米，优选约为100纳米的铌。同样，在电极一2与电极4两端施加电压时，在电场驱动下使电极二与中间层构成的导电区域二中的离子和/或空位移动至电极一2构成的导电区域一，与导电区域一之间形成导电通道；通过调整电压幅值，使该导电通道的电导G达到NG0，其中N为自然数，G0为量子化电导，即实现了导电区域一与导电区域二之间的量子点接触。
实施例6：
本实施例中，制备量子点接触的方法基本与实施例1相同，所不同的是电极一2采用厚度为10～200纳米，优选约为100纳米的铂，中间层3采用厚度为10～200纳米，优选约为100纳米的铁酸铋薄膜，电极二4采用厚度为10～200纳米，优选约为100纳米的铜。同样，在电极一2与电极4两端施加电压时，在电场驱动下使电极二与中间层构成的导电区域二中的离子和/或空位移动至电极一2构成的导电区域一，与导电区域一之间形成导电通道；通过调整电压幅值，使该导电通道的电导G达到NG0，其中N为自然数，G0为量子化电导，即实现了导电区域一与导电区域二之间的量子点接触。
实施例7：
本实施例中，制备量子点接触的方法基本与实施例1相同，所不同的是电极一2采用厚度为10～200纳米，优选约为100纳米的铂，中间层3采用厚度为10～200纳米，优选约为100纳米的氧化锌，电极二4采用厚度为10～200纳米，优选约为100纳米的铁。同样，在电极一2与电极4两端施加电压时，在电场驱动下使电极二与中间层构成的导电区域二中的离子和/或空位移动至电极一2构成的导电区域一，与导电区域一之间形成导电通道；通过调整电压幅值，使该导电通道的电导G达到NG0，其中N为自然数，G0为量子化电导，即实现了导电区域一与导电区域二之间的量子点接触。
实施例8：
本实施例中，制备量子点接触的方法基本与实施例1相同，所不同的是电极一2采用厚度为10～200纳米，优选约为100纳米的铂，中间层3采用厚度为10～200纳米，优选约为100纳米的氧化锌，电极二4采用厚度为10～200纳米，优选约为100纳米的钴。同样，在电极一2与电极4两端施加电压时，在电场驱动下使电极二与中间层构成的导电区域二中的离子和/或空位移动至电极一2构成的导电区域一，与导电区域一之间形成导电通道；通过调整电压幅值，使该导电通道的电导G达到NG0，其中N为自然数，G0为量子化电导，即实现了导电区域一与导电区域二之间的量子点接触。
实施例9：
本实施例中，制备量子点接触的方法基本与实施例1相同，所不同的是电极一2采用厚度为10～200纳米，优选约为100纳米的铂，中间层3采用厚度为10～200纳米，优选约为100纳米的钴酸锂，电极二4采用厚度为10～200纳米，优选约为100纳米的铂。同样，在电极一2与电极4两端施加电压时，在电场驱动下使电极二与中间层构成的导电区域二中的离子和/或空位移动至电极一2构成的导电区域一，与导电区域一之间形成导电通道；通过调整电压幅值，使该导电通道的电导G达到NG0，其中N为自然数，G0为量子化电导，即实现了导电区域一与导电区域二之间的量子点接触。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种量子点接触的制备方法，其特征是：采用第一电极、第二电极，以及位于第一电极与第二电极之间、并且与第一电极与第二电极相接触的中间层，所述的第一电极与第二电极分别由导电性材料构成，所述的中间层由绝缘性介质材料构成；
所述的第一电极形成导电区域一，第二电极与中间层形成导电区域二；
在所述的第一电极与第二电极两端施加电压，在电场驱动下使导电区域二中的离子和/或空位移动至导电区域一，与导电区域一之间形成导电通道；通过调整电压幅值，使所述的导电通道的电导G达到NG0，其中N为自然数，G0为量子化电导，即实现了导电区域一与导电区域二之间的量子点接触。
2.根据权利要求1所述的量子点接触的制备方法，其特征是：所述的1≤N≤50。
3.根据权利要求1或2所述的量子点接触的制备方法，其特征是：所述的导电性材料包括导体材料、导电性良好的半导体或者有机物中的一种材料或者两种以上的组合材料。
4.根据权利要求3所述的量子点接触的制备方法，其特征是：所述的导体材料包括金属、金属氧化物或金属氮化物。
5.根据权利要求4所述的量子点接触的制备方法，其特征是：所述的导体材料包括铁、铬、锰、铝、铜、锡、钴、镍、金、钼、钯、锆、银、锂、铌、铂、钛、钽、铟锡氧化物、铝掺杂的氧化锌、氮化钛、氮化铝钛、氮化钽、氮化钨中的至少一种。
6.根据权利要求1或2所述的量子点接触的制备方法，其特征是：所述的绝缘性介质材料包括具有一定绝缘性能的半导体、有机材料或者无机材料。
7.根据权利要求6所述的量子点接触的制备方法，其特征是：所述的绝缘性介质材料包括氧化锌、铁酸铋、钴酸锂、氧化镍、氧化钴、氧化铜、二氧化硅、二氧化钛、五氧化二钽、五氧化二铌、氧化钨、二氧化铪、氧化铝、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、非晶碳、硫化铜、硫化银、非晶硅、氮化钛、聚酰亚胺、聚酰胺、聚西弗碱、聚砜中的至少一种。
8.根据权利要求1或2所述的量子点接触的制备方法，其特征是：所述的第一电极、第二电极与中间层由如下步骤制备得到：
步骤1、采用镀膜的方法在衬底表面制备电极一；
步骤2、采用镀膜的方法在电极一表面制备中间层；
步骤3、采用镀膜的方法在中间层表面制备电极二。
9.根据权利要求8所述的量子点接触的制备方法，其特征是：所述的镀膜的方法包括溶液旋涂、喷墨打印、固体溅射、热蒸发、电子束蒸发的方法中的一种或者两种以上的组合。
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