CN109683027A - 用于自组织锗硅纳米线的测量装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于自组织锗硅纳米线的测量装置及其制备方法，该装置包括：量子点和测量电路；其中，所述测量电路包括谐振腔，且所述谐振腔与所述量子点的栅极耦合。本发明中，量子点通过栅极与谐振腔耦合，与通过源(漏)电极和腔耦合不同，可以通过调节量子点栅极的电势，改变栅极的耦合电容。在实际测量中，整个体系具有更大的可调空间，利于寻找到更加合适的测量范围。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种用于自组织锗硅纳米线的测量装置及其制备方法。
背景技术
随着半导体加工工艺的不断发展，半导体芯片的集成度按照摩尔定律不断提高。但由于量子效应的存在，如今主流半导体芯片的性能会在可预见的未来到达一个瓶颈，量子计算机由于具有巨大的潜力而被广泛研究。以半导体材料量子点为基础的量子芯片作为实现量子计算的一种候选，国际上近年来对此进行了大量的基础研究。现阶段，研究者已经在多种半导体上可以制备量子点，并且精确调控量子点中载流子的数目，用于制备量子比特。自组织锗硅纳米线(后文简称“纳米线”)是一种新型的空穴型半导体材料，而且在该体系中具有较强的自旋-轨道耦合和较长的自旋退相干时间，有利于实现对量子比特的操作是一种优良的制备量子点的材料。
量子点状态的灵敏测量是构建量子比特最基础也是最重要的条件之一。传统的直流输运测量技术有局限性，很难测量载流子隧穿率较低的量子点区域。另一种传统的分离电荷探测器可以探测隧穿率较低的量子点区域，但是由于自组织锗硅纳米线特殊的结构和分布很难用于该材料量子点状态的测量。超导微波谐振腔是量子点状态的一种灵敏探测方法。和微波谐振腔耦合到一起的量子点的等效电容的变化可以导致谐振腔谐振频率移动，量子点的等效电阻变化可以导致谐振腔微波信号的频率展宽。因而通过分析谐振腔微波信号的变化，可以得到量子点的输运性质。并且，超导微波谐振腔有三个显著的优点。第一，在隧穿率较低的量子点区域，直流输运信号只有微弱变化，谐振腔仍然可以灵敏地表征量子点的性质。第二，超导微波谐振腔对量子点状态的探测是非破坏性读取，不会给量子比特的状态带来影响。第三，将腔与量子点耦合，可以提高量子比特的退相干时间，为实现量子比特的操作提供更好的实验条件。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种用于自组织锗硅纳米线的测量装置及其制备方法，以至少部分解决上述技术问题。
(二)技术方案
根据本发明的一方面，提供一种用于自组织锗硅纳米线的测量装置，包括：量子点和测量电路；其中，所述测量电路包括谐振腔，且所述谐振腔与所述量子点的栅极耦合。
在进一步的实施方案中，所述量子点包括：
自组织锗硅纳米线；
源电极和漏电极，分别搭接在纳米线的两端；
绝缘层，覆盖在所述自组织锗硅纳米线、源电极和漏电极上；
栅电极，位于所述绝缘层上。
在进一步的实施方案中，所述量子点还包括：
本征硅衬底；
本征硅缓冲层，位于所述本征硅衬底上，且所述自组织锗硅纳米线位于所述本征硅缓冲层上；
源大电极，与所述源电极相连接；
漏大电极，与所述漏电极相连接；
栅大电极，与所述栅电极相连接。
在进一步的实施方案中，所述测量电路还包括：
环形器，其包括环一端口、环二端口和环三端口；
相位混合环，与所述谐振腔和所述环二端口相连接；
隔离器，与所述环三端口相连接；
放大器，其输入端与所述隔离器相连接；
衰减器，其输出端与所述环一端口相连接；
网络分析仪，分别与所述衰减器输入端和所述放大器输出端相连接。
在进一步的实施方案中，所述测量电路还包括：电容和条带AC版，位于所述相位混合环和所述谐振腔之间；所述谐振腔为微波传输线，与所述量子点的栅极相连接。
在进一步的实施方案中，所述谐振腔为反射式谐振腔。
根据本发明的另一方面，提供一种用于自组织锗硅纳米线的测量装置的制备方法，包括：
制备量子点；
将谐振腔与所述量子点的栅极进行耦合；
形成具有所述谐振腔的测量电路。
在进一步的实施方案中，所述制备量子点包括：
取一长有自组织锗硅纳米线的基片，并在其上匀电子束胶；
曝光用于定位的十字标记；
在所述基片上制备源电极和漏电极；
在所述自组织锗硅纳米线、源电极和漏电极上生长绝缘层；
在所述绝缘层上制备栅极；
制备源大电极、漏大电极和栅大电极，并使其分别与所述源电极、漏电极和栅极相连接。
在进一步的实施方案中，所述将谐振腔与所述量子点的栅极进行耦合包括：
将微波传输线，即谐振腔与所述栅大电极连接；
在所述微波传输线的中部，外接一根电极。
在进一步的实施方案中，所述形成具有所述谐振腔的测量电路包括：
将外围元器件进行连接；
将外围元器件通过电容和条带AC版与所述谐振腔耦合。
(三)有益效果
本发明提供的一种用于自组织锗硅纳米线的测量装置及其制备方法至少包括以下有益效果：
(1)本发明中，量子点通过栅极与谐振腔耦合，与通过源(漏)电极和腔耦合不同，可以通过调节量子点栅极的电势，改变栅极的耦合电容。在实际测量中，整个体系具有更大的可调空间，利于寻找到更加合适的测量范围。
(2)本发明中，锗硅纳米线量子点作为空穴型量子点，有利于实现量子态的操控。
(3)本发明利用微纳工艺加工尺寸在纳米量级的量子点，使用的一系列工艺，包括电子束曝光，紫外光曝光，金属刻蚀，金属镀膜等；以及具体的实验条件和工艺参数。
(4)本发明利用反射式谐振腔的测量信号来表征量子点性质，与普通的直流输运测量量子点信号相比更加灵敏，可以得到比直流输运更多的信息。
(5)本发明提供的用于自组织锗硅纳米线的测量装置为可以在稀释制冷机中工作的微波信号输入输出测量系统。
附图说明
图1为本发明实施例的量子点结构的俯视图以及用于曝光定位的实际标记。
图2为本发明实施例的沿垂直基片方向量子点结构的剖面示意图。
图3为本发明实施例的量子点的源大电极和漏大电极示意图。
图4为本发明实施例的量子点的源电极、漏电极与栅电极示意图。
图5为本发明实施例的通过栅电极耦合量子点与谐振腔示意图。
图6为本发明实施例的反射式谐振腔测量电路模型示意图。
图7为本发明实施例的量子点的输运电流、谐振腔的幅值和相位变化示意图。
图8为本发明实施例的测量装置制备流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
根据本发明的一个实施例，提供一种用于自组织锗硅纳米线的测量装置，包括：量子点和测量电路；其中，所述测量电路包括谐振腔，且所述谐振腔与所述量子点的栅极耦合。
量子点通过栅极与谐振腔耦合，与通过源(漏)电极和腔耦合不同，可以通过调节量子点栅极的电势，改变栅极的耦合电容。在实际测量中，整个体系具有更大的可调空间，利于寻找到更加合适的测量范围。其中，所述谐振腔为反射式谐振腔，利用反射式谐振腔的测量信号来表征量子点性质，与普通的直流输运测量量子点信号相比更加灵敏，可以得到比直流输运更多的信息。
在本实施例中，如图2所示，所述量子点包括：
自组织锗硅纳米线101；
源电极401和漏电极402，分别搭接在纳米线的两端；
绝缘层104，覆盖在所述自组织锗硅纳米线101、源电极401和漏电极402上；
栅电极403，位于所述绝缘层104上。
在一些实施例中，所述量子点还可包括：
本征硅衬底102；
本征硅缓冲层103，位于所述本征硅衬底102上，且所述自组织锗硅纳米线101位于所述本征硅缓冲层103上；
源大电极301，与所述源电极401相连接；
漏大电极302，与所述漏电极402相连接；
栅大电极303，与所述栅电极403相连接。
所述源大电极301、漏大电极302和栅大电极303分别为所述源电极401、所述漏电极402和所述栅电极403的放大电极，用于方便与外界连接。
在本实施例中，如图6所示，所述测量电路还包括：
环形器，其包括环一端口、环二端口和环三端口；
相位混合环，与所述谐振腔和所述环二端口相连接；
隔离器，与所述环三端口相连接；
放大器，其输入端与所述隔离器相连接；
衰减器，其输出端与所述环一端口相连接；
网络分析仪，分别与所述衰减器输入端和所述放大器输出端相连接。
在一些实施例中，所述测量电路还可包括：电容502和条带AC版503，位于所述相位混合环和所述谐振腔之间。
在本实施例中，所述的用于自组织锗硅纳米线的测量装置，所述谐振腔为微波传输线501，与所述量子点的栅极相连接。
根据本发明的另一实施例，提供一种用于自组织锗硅纳米线的测量装置的制备方法，如图8所示，包括：
制备量子点；
将谐振腔与所述量子点的栅极进行耦合；
形成具有所述谐振腔的测量电路。
在本实施例中，所述制备量子点包括：
取一长有自组织锗硅纳米线101的基片，并在其上匀电子束胶；
曝光用于定位的十字标记；
在所述基片上制备源电极401和漏电极402；
在所述自组织锗硅纳米线101、源电极401和漏电极402上生长绝缘层104；
在所述绝缘层104上制备栅极403；
制备源大电极301、漏大电极302和栅大电极303，并使其分别与所述源电极401、漏电极402和栅极403相连接。
在本实施例中，所述将谐振腔与所述量子点的栅极进行耦合包括：
将微波传输线501，即谐振腔与所述栅大电极303连接；
在所述微波传输线501的中部，外接一根电极504。
在本实施例中，所述形成具有所述谐振腔的测量电路包括：
将外围元器件进行连接；
将外围元器件通过电容502和条带AC版503与所述谐振腔耦合。
下面结合附图，通过一具体的示例性实施例对本发明及其技术效果进一步说明：
第一步，制备量子点：
(1)取长有纳米线的四寸硅片切为长1cm，宽1cm的硅片作为加工结构的基片。分别将其置于ACE、ACE、IPA中，浸泡5分钟、浸泡3分钟同时超声震荡、浸泡3分钟同时超声震荡。使用高纯氮气将基片吹干，保存基片待用。其中，所述基片由本征硅衬底102、本征硅缓冲层103以及自组织锗硅纳米线101组成。如图1所示，自组织锗硅纳米线101的长度在600nm至1.50μm之间，源电极401与漏电极402宽度均为200nm，相距100nm，分别搭接在纳米线的两端。随后在基片上生长绝缘层104，防止栅极与源漏电极发生漏电。栅电极403宽度为150nm，与源电极、漏电极的互搭宽度均为25nm。
(2)将基片分别匀两层A2电子束胶，每次匀胶后分别在180摄氏度下分别加热5分钟、10分钟。使用电子束曝光技术，曝光漏大电极302源大电极301，以及用于定位的十字标记201和十字标记202。
(3)如图3所示，使用十字标记201和十字标记202在基片表面建立坐标系，利用电子束曝光技术，在制定位置拍摄基片上的纳米线图片。使用画图软件在纳米线表面绘制源电极401、漏电极402。其中，源电极401、漏电极402一端分别与纳米线的一端接触；另一端与之前设计曝光的漏大电极302以及源大电极301相连。将基片分别匀两层A2电子束胶，每次匀胶后分别在180摄氏度下分别加热5分钟、10分钟。按照画图设计曝光源电极401、漏电极402，完成显影定影操作。
(4)纳米线表面存在一层二氧化硅，会影响电极导电效果。将基片置于HF缓冲液中进行刻蚀，随后在DI中去除表面残留的HF。随即放入电子束镀膜机中，在基片表面蒸镀30nm的Pd作为源电极401、漏电极402。
(5)使用原子层沉积技术在已经做完标记和源漏电极的基片上生长绝缘层104，绝缘层的材料为三氧化二铝或氧化铪，厚度为20nm至50nm。本专利结构优选使用三氧化二铝作为绝缘层，厚度优选30nm。
(6)如图4所示，根据源漏电极位置，绘制栅极403。一端直接覆盖在纳米线上，并与源电极401和漏电极402有一定面积的交叠，另一端与与栅极大电极303相连。将栅极大电极303的形状设计成“T”字型，便于在套刻谐振腔时与腔的微波传输线直接相连。将基片分别匀两层A2电子束胶，每次匀胶后分别在180摄氏度加热板上加热5分钟、10分钟。使用十字标记201和十字标记202在基片表面建立坐标系，使用电子束曝光设计图中绘制的栅电极403以及栅极大电极303。经过显影、定影操作，在基片表面镀3nm Ti以及25nm Pd，将基片置于Remove PG试剂，在80摄氏度下进行金属剥离，得到制备完成的量子点。
第二步，将谐振腔与所述量子点的栅极进行耦合：
如图5所示，将谐振腔的耦合微带线501通过紫外光刻中的套刻技术与量子点的栅电极303搭接在一起。
(1)在基片上分别匀LOR5B胶，180摄氏度加热5min；AZ5214E胶，95摄氏度加热90s。
(2)利用紫外光刻利用十字标记201和十字标记202进行校准，利用紫外光刻套刻微波谐振腔的图案。套刻完成后，使量子点图案中的栅大电极303结构和谐振腔的微波传输线501连接到一起。与栅大电极相连的微波传输线的中部，外接一根电极504，作为栅极的一部分，便于测量时与外界电路相连。同时，紫外光刻可以有两种工艺可供选择，区别在于曝光图案、曝光时间以及显影定影的时间。正胶工艺，紫外光在需要加工的结构上曝光12s，结构以外的部分不曝光。反胶工艺，紫外光首先在要加工的结构之外曝光6s，要加工的结构不曝光；随后将基片在95摄氏度的加热板上加热2min，随即将整个基片置于紫外光下曝光60s。
(3)进行显影定影操作，观察曝光完成的腔结构是否完好，一旦腔结构存在缺陷需要去除基片表面的胶，重新重复之前的光刻步骤，直到得到完好的曝光图案。
(4)使用热蒸发镀膜技术，在基片表面蒸镀120nm的Al，随后将基片置于Remove PG试剂，在80摄氏度下进行金属剥离，得到制备完成的量子点与谐振腔耦合的复合结构。
第三步，形成具有所述谐振腔的测量电路：
本专利利用反射式谐振腔的测量信号来表征量子点性质，与普通的直流输运测量量子点信号相比更加灵敏，可以得到比直流输运更多的信息。
本专利中介绍的反射式超导微波谐振腔为全铝材质，由两根弯折起来的超导传输线501组成，每根超导传输线的长度为谐振频率的一半，称为半波长反射腔。通过指电容502与条带AC版503耦合，实现外界信号与腔的传输。
如图6所示，超导谐振腔和外围元器件构成了测量电路，在实际测量中，网络分析仪是一种可以输出并接收微波的多端口仪器，网络分析仪产生微波信号，沿着端口1箭头方向进入两个30dB衰减的信号衰减器，降低微波能量以免损坏样品。随后信号进入环形器，环形器作为多端口器件，其特点是微波信号只能沿着图中箭头单方向传输，即端口1→端口2→端口3，从而避免了输入与输出信号的相互串扰。输入信号经过环形器后进入180°相位混合环，信号分为幅值相同，相位相差180°的两路差分信号，这样的设计方法有效去除了外界的噪声对信号的影响，两路信号分别通过AC版进入谐振腔。反射信号再次通过环形器，进入隔离器，隔离器中信号只能沿箭头单向输入输出，以避免串扰。通过隔离器的信号经过两个功率放大器，进入网络分析仪的端口2，这样就测得了腔的反射信号。
为测量量子点信号对腔信号产生的影响，首先需要量子点正常工作，即在量子点的源极、漏极、栅极施加一定大小的直流电压。由图6所示，量子点电极504与腔在传输线501相连，此处处于电磁场的波腹位置，有利于量子点与腔实现最大的耦合。量子点电极504处于传输线中间，即电磁场的波结位置，利用微波仿真软件计算出此处对电磁波的影响最小。
进入腔的微波信号受到量子点输运性质的影响，反射信号与输入信号相比会发生变化。反射信号从谐振腔输出后通过环形器，经过隔离器，隔离器的作用在于阻止放大器的本底噪声进入样品。微波反射信号经过4K低温放大器和常温放大器回到网络分析仪，可以测得反射系数S11。根据反射系数获得腔的信号，并提取相关信息。
第四步，信号读取：
反射腔的信号读取是通过图6所示的测量电路实现的。网络分析仪是一种可以输出并接收微波的多端口仪器。实际测量中，网络分析仪的端口1输出一个频段的连续高频信号，经过两个30dB衰减器，可以有效减小微波功率以保护谐振腔。环形器作为一个多端口器件，输入的微波信号只能沿图中箭头单方向输入，即端口1→端口2→端口3，这样就有效避免了信号之间的串扰。信号通过环形器进入180°相位混合环，原本的一路信号变为两路频率、幅值不变，相位相差180度的差分信号。两路差分信号经过反射腔反射回180°相位混合环重新变为一路信号，这样设计的目的在于消减无干噪声。反射信号再次通过环形器，进入隔离器，隔离器中信号只能沿箭头单向输入输出，以避免串扰。通过隔离器的信号经过两个功率放大器，进入网络分析仪的端口2，这样就测得了腔的反射信号。
综上所述，可以测得腔的反射系数S11，得到腔的反射信号在谐振频率处的幅值和相位信息。量子点电极空置，只测量腔的反射信号幅值与相位的变化。发现在谐振频率处，腔的相位信号发生突变，腔的幅值信号A达到最小值。实际测量中，微波保持谐振频率，直流测量量子点的输运信号。当载流子隧穿发生时，谐振信号对电导的变化更加灵敏，可以从幅值与相位的变化中得出，使用幅值与相位信息可以表征出直流输运难以探测到的电流隧穿现象。
如图7所示，扫描量子点栅极电压改变量子点电化学势，观察到库仑震荡现象。上图为直流输运测量信号，中图为谐振腔幅值变化测量信号，下图为谐振腔相位变化测量信号。在栅极电压较高时，隧穿率下降，隧穿时的输运信号难以被探测到。使用谐振腔信号表征输运信号，腔的幅值和相位信息在较高栅极电压时均有明显的反映。由此说明此种谐振腔可以更加灵敏地探测量子点的电导变化。
以下对示例性实施例中所使用的一些具体工艺进行详细说明：
去胶工艺：经过镀膜过程，基片上目标结构的无胶部分以及无设计结构的有胶部分均有金属沉积，使用有机溶剂可以溶解基片表面的有机胶，同时去除胶表面的金属，得到所需结构。本实验过程中使用如下两种去胶试剂，根据需要选用。
(1)ACE。将基片置于其中浸泡8小时，使用塑料滴管吹去残余金属。分别将基片置于ACE，IPA中浸泡3min，取出基片使用高纯氮气吹干。
(2)Remove PG。将基片置于其中浸泡6小时，浸泡时保持RPG温度为80摄氏度，使用塑料滴管吹去残余金属。分别将基片置于ACE，IPA中浸泡3min，取出基片使用高纯氮气吹干。
刻蚀工艺：在本实验中需要刻蚀掉纳米线表面的二氧化硅。具体步骤为将基片置于氢氟酸缓冲液中浸泡18s，分别经过两次在DI中的浸泡涮洗，吹干。迅速置于镀膜机中抽真空，以免硅发生氧化。
显影工艺：显影目的在与将经过曝光部分的胶溶解，定影目的在于将显影液从基片表面去除，停止显影过程。不同的有机胶对应着不同成分配比的显影液。
电子束胶PMMA 950A2。对应显影液：MIBK∶IPA＝1∶3，定影液IPA。显影时间60s定影时间15s。
LOR5B+AZ5214E。正胶工艺：对应显影液，AZ400K∶DI＝1∶4，定影液DI，显影时间43s，定影时间15s；反胶工艺：对应显影液，AZ400K∶DI＝1∶6，定影液DI，显影时间75s，定影时间15s。
需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于自组织锗硅纳米线的测量装置，其特征在于，包括：量子点和测量电路；其中，所述测量电路包括谐振腔，且所述谐振腔与所述量子点的栅极耦合。
2.根据权利要求1所述的用于自组织锗硅纳米线的测量装置，其特征在于，所述量子点包括：
自组织锗硅纳米线(101)；
源电极(401)和漏电极(402)，分别搭接在纳米线的两端；
绝缘层(104)，覆盖在所述自组织锗硅纳米线(101)、源电极(401)和漏电极(402)上；
栅电极(403)，位于所述绝缘层(104)上。
3.根据权利要求2所述的用于自组织锗硅纳米线的测量装置，其特征在于，所述量子点还包括：
本征硅衬底(102)；
本征硅缓冲层(103)，位于所述本征硅衬底(102)上，且所述自组织锗硅纳米线(101)位于所述本征硅缓冲层(103)上；
源大电极(301)，与所述源电极(401)相连接；
漏大电极(302)，与所述漏电极(402)相连接；
栅大电极(303)，与所述栅电极(403)相连接。
4.根据权利要求1所述的用于自组织锗硅纳米线的测量装置，其特征在于，所述测量电路还包括：
环形器，其包括环一端口、环二端口和环三端口；
相位混合环，与所述谐振腔和所述环二端口相连接；
隔离器，与所述环三端口相连接；
放大器，其输入端与所述隔离器相连接；
衰减器，其输出端与所述环一端口相连接；
网络分析仪，分别与所述衰减器输入端和所述放大器输出端相连接。
5.根据权利要求4所述的用于自组织锗硅纳米线的测量装置，其特征在于，所述测量电路还包括：电容(502)和条带AC版(503)，位于所述相位混合环和所述谐振腔之间；所述谐振腔为微波传输线(501)，与所述量子点的栅极相连接。
6.根据权利要求1-5任一项所述的用于自组织锗硅纳米线的测量装置，其特征在于，所述谐振腔为反射式谐振腔。
7.一种用于自组织锗硅纳米线的测量装置的制备方法，其特征在于，包括：
制备量子点；
将谐振腔与所述量子点的栅极进行耦合；
形成具有所述谐振腔的测量电路。
8.根据权利要求7所述的用于自组织锗硅纳米线的测量装置的制备方法，其特征在于，所述制备量子点包括：
取一长有自组织锗硅纳米线(101)的基片，并在其上匀电子束胶；
曝光用于定位的十字标记；
在所述基片上制备源电极(401)和漏电极(402)；
在所述自组织锗硅纳米线(101)、源电极(401)和漏电极(402)上生长绝缘层(104)；
在所述绝缘层(104)上制备栅极(403)；
制备源大电极(301)、漏大电极(302)和栅大电极(303)，并使其分别与所述源电极(401)、漏电极(402)和栅极(403)相连接。
9.根据权利要求8所述的用于自组织锗硅纳米线的测量装置的制备方法，其特征在于，所述将谐振腔与所述量子点的栅极进行耦合包括：
将微波传输线(501)，即谐振腔与所述栅大电极(303)连接；
在所述微波传输线(501)的中部，外接一根电极(504)。
10.根据权利要求7-9任一项所述的用于自组织锗硅纳米线的测量装置的制备方法，其特征在于，所述形成具有所述谐振腔的测量电路包括：
将外围元器件进行连接；
将外围元器件通过电容(502)和条带AC版(503)与所述谐振腔耦合。
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