KR101619292B1 - 원자 양자점 - Google Patents

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KR101619292B1
KR101619292B1 KR1020117001248A KR20117001248A KR101619292B1 KR 101619292 B1 KR101619292 B1 KR 101619292B1 KR 1020117001248 A KR1020117001248 A KR 1020117001248A KR 20117001248 A KR20117001248 A KR 20117001248A KR 101619292 B1 KR101619292 B1 KR 101619292B1
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지노 에이. 디라비오
로버트 에이. 월코우
제이슨 엘. 피터스
폴 지. 피바
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내셔날 리서치 카운실 오브 캐나다
더 거버너스 오브 더 유니버시티 오브 알버타
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Abstract

양자 장치는 반도체 재료의 표면으로부터 연장하는 제어 가능한 양자 기계적 결합된 댕글링 본드를 포함한다. 각각의 제어 가능한 야자 기계적 결합된 댕글링 본드는 반도체 재료의 적어도 하나의 원자의 분리를 가진다. 적어도 하나의 전극은 제어 가능하게 양자 기계적 결합된 댕글링 본드의 전자 상태를 선택적으로 수정하도록 제공된다. 각각의 하나의 추가의 전자 존재에 대해 적어도 하나의 비점유된 댕글링 본드가 존재한다는 조건 하에서, 적어도 하나의 추가의 전자를 제어 가능한 양자 기계적 결합된 댕글링 본드 내에 제공함으로써, 본 발명의 디바이스는 293 켈빈 온도에서 적어도 동작 가능하며 스트레이 정전기 섭동에 크게 좌우되지 않는다. 실내 온도에서 동작 가능한 양자 셀룰러 오토마타 및 큐빗이 이에 따라 구성된다.

Description

원자 양자점{ATOMISTIC QUANTUM DOTS}
본 발명은 일반적으로 원자 전자 기술에 관한 것이며, 특히 단일의 원자 양자점으로 형성되는 양자 셀룰러 오토마타 셀(quantum cellular automata cell) 또는 큐빗(qubit)에 관한 것이다.
나노-전자의 개발에 관한 기본적인 속성에 있어서는 상당한 진전이 이루어져 왔으나, 원자, 분자 또는 나노-스케일 엔티티를 연산 회로로 통합하는 것은 곤란하였다[1-12]. 양자점은 대량의 재료 및 산발적인 원자 또는 분자에서의 에너지의 중간의 에너지에 의해 분리되어 있는 양자화된 레벨들을 보이는 원자 또는 분자의 작은 클러스터로 이루어져 있다. 양자점은 대규모 회로 내에 공간 특이성(spatial specificity)을 이용해서 형성되고 구체적으로 정해지기 때문에, 이 양자점은 디지털 회로가 어떻게 분자 전자 기기[13-17]로부터 이익을 얻을 수 있는지에 대한 최상의 실증이다.
전기장을 회피한 한 가지 목표는 1993년에 렌트(Lent)와 동료들이 제안한 양자 셀룰러 오토메타(Quantum Cellular Automata: QCA)를 구현할 수 있는 다중-양자점 앙상블(multi-quantum dot ensemble)을 생성하는 것이다. 계산을 위한 이 새로운 패러다임은 터널 결합 양자점(tunnel coupled quantum dot)의 "셀(cells)" 및 인접하는 셀들 간의 정전기 상호작용에 근거를 두고 있다. 이러한 앙상블은 이진수 정보를 전송하고 극히 낮은 에너지를 사용하여 계산을 수행할 것으로 예상된다[18, 19]. 기본형의 QCA 셀은 장방형으로 배치된 4개의 양자점으로 이루어져 있다. 로컬 전극 제어는 2개의 퇴화된, 정반대의 기저 상태 전자 배열들(antipodal ground state electronic configurations) 중 2 전자의 순수한 셀 전하를 제공한다. 로컬 정전기 전극들은 대칭을 깨뜨려서 QCA 유닛으로 하여금 대각의 2 전자 상태 중 한 상태 또는 다른 상태를 복제하게 한다. 이러한 상태들은 논리 레벨 "0" 및 "1"로서 맵핑될 수 있다. 셀 시퀀스를 생성함으로써, 셀간 정전기 커플링에 의해 이진수 정보가 한 지점에서 다른 지점으로 전달된다. QCA 방식의 정교함에 의해 계산용 로직을 완전하게 실행할 수 있음에도 여전히 종래의 이진 디지털 계산이 유지되고 있다. QCA에서의 이진수 계산 방식의 보존으로, 기존의 소프트웨어가 에너지 효율적인 QCA 디바이스 상에서 운용될 수 있는 이점이 있다.
그 가장 간단한 구현에서, 4 양자점 정전기 QCA는 대기 전류(quiescent current)를 필요로 하지 않는다. QCA 방식은 "에지 구동(edge driven)" 방식인데, 즉, 논리 입력도 또한 전원이다[20]. 치수가 수십 나노미터 정도인 양자점으로 형성된 QCA 셀[19, 21], 및 결합 3 셀 양자 와이어(coupled 3 cell quantum wire)[12]는 달성되었다. QCA형 프로세스도 또한 시리얼 3중 양자점 시스템[23]에서 관찰되었다. QCA 디바이스를 형성하기 위한 이러한 노력은, 상태의 스크램블링을 방지하는데는 밀리-켈빈 범위(milli-Kelvin range)에서의 온도가 필요하다는 사실 때문에, 루틴 계산 방식에서 조건명제(implication)를 제한하여 왔다. 양자점에서의 로컬, 비의도적 고정(unintened fixed), 또는 때때로 변하는 전하, 또는 양자점에서의 의사 결함 전하(spurious defect charge)는 로컬 정전기 동조(local electrostatic tuning)를 만들어 필연적이고 흥미로운 2 전자 충전(2 electron filling)을 달성하는 것이다[20]. 주입된 불순물에 기초한 방식에서는 극저온 조건(cryogenic condition)도 또한 필요하다.
큐빗은 "0"과 "1"의 2개의 로직 레벨 사이에서 제어 가능하게 변화되는 양자화된 정보 시스템이고, 2차원 복소수 벡터 공간으로서 모형화된다. 디지털 논리 소자와는 달리, 큐빗은 양자 얽힘(quantum entanglement)을 나타내도록 바람직하게 구성되는데 이 양자 얽힘은 섭동의 징후(manifestation of perturbation) 및 근접 요소들 간의 터널 커플링이다. 큐빗 얽힘이란 "0"과 "1" 사이의 중간의 중첩값(superposition values)으로 이루어지는 무한 집합으로서, 많은 다중-가변의 동적 이벤트를 계산하기 쉽게 할 수 있다.
원자 양자점은 단일의 원자 또는 분자에 기반하고 있으며 궤도 에너지 레벨들로 이루어진 단순화된 집합을 가지는데, 이 궤도 에너지 레벨들은 축소된 차원, 비의도적 고정에 덜 민감한 것이나, 또는 나노입자 양자점에 관한 산발적 충전(sporadic charging)과 관련해서 이로울 수 있다. 이러한 속성 및 다른 예상되는 속성의 결과로서, 분자 QCA 셀이 실내 온도 동작의 목표[25]와 함께 고려되어 왔다. 로컬리제이션 및 분자 양자점의 제어된 어드레싱과 관련된 어려움으로 인해 분자 QCA 셀을 생성하는 것이 곤란하였다. 유사한 문제가 큐빗에 기초한 전자 상태 전이에 존재한다.
그러므로 밀리-켈빈 이상의 온도에서 동작 가능한 성능을 가지면서 전자적으로 해결 가능한 분자 또는 원자 양자점의 필요성이 존재한다. 또한, 분자 또는 원자 양자점들이 순서대로 배치되어 있는, QCA 및 큐빗 디바이스의 필요성도 존재한다.
양자 장치는 반도체 재료의 표면으로부터 연장하는 제어 가능한 양자 기계적 결합된 댕글링 본드를 포함한다. 각각의 제어 가능한 양자 기계적 결합된 댕글링 본드는 반도체 재료의 적어도 하나의 원자의 분리를 가진다. 적어도 하나의 전극은 제어 가능하게 양자 기계적 결합된 댕글링 본드의 전자 상태를 선택적으로 수정하도록 제공된다. 3개의 다른 실리콘 원자만이 결합된 실리콘 표면은 댕글링 본드의 형성에 적합되어 있으며 원하는 분리로 형성된다. 3 내지 40 옹스트롬의 분리는 댕글링 본드들 간의 양자 기계적 커플링 상호작용에 잘 적합되어 있다. 각각의 하나의 추가의 전자 존재에 대해 적어도 하나의 비점유된 댕글링 본드가 존재한다는 조건 하에서, 적어도 하나의 추가의 전자를 제어 가능한 양자 기계적 결합된 댕글링 본드 내에 제공함으로써, 본 발명의 디바이스는 293 켈빈 온도에서 적어도 동작 가능하며 스트레이 정전기 섭동에 크게 좌우되지 않는다. 293 켈빈 온도 및 그 이상의 온도에서 동작할 수 있는 양자 셀룰러 오토마타가 상호접속을 통해 소통하는 복수의 이러한 장치들을 제공함으로써 형성된다. 293 켈빈 온도 및 그 이상의 온도에서 동작할 수 있는 큐빗은 재료의 표면 및 적어도 두 개의 전극으로부터 연장하는 제어 가능하게 양자 기계적으로 결합된 댕글링 본드(dangling bonds)를 가지며, 이러한 적어도 두 개의 전극은, 0과 1의 디지털 논리 레벨들 간의 중간의 중첩값으로 이루어진 무한 집합을 제공하는 양자 계산을 위한 양자 회로를 형성한다.
삭제
도 1은 대량 도핑 밀도(도 1a, 도 1b) 및 분리 거리(도 1c, 도 1d)의 함수로서 수소 말단 Si(100) 상의 댕글링 본드(DB) 이미지들의 비교를 보여주는 스캐닝 터널링 현미경(STM) 사진이다. 상부의 삽입 도면은 표면 구조-실리콘 이량체(silicon dimers)가 검은 색으로 보이고 기판 실리콘 원자는 회색으로 보이고 수소 원자는 채워져 있지 않다는 것을 나타내고 있다. 도 1a는 35x35 nm의 영역에서, 2V, 0.1 nA에서 수집된, 저 도핑 n-형 실리콘(~1016cm-3)의 STM 현미경 사진이다. 도 1b는 35x35 nm의 영역에서, 2V, 0.1 nA에서 수집된, 고 도핑 n-형 실리콘(~1019cm-3)의 STM 현미경 사진이다. 댕글링 본드는 중심 반점(central spot)이 있는 어두운 침하부(dark depression)로서 나타나 있다. 도 1c는 9x9 nm의 영역에서, 2V, 0.2 nA에서 수집된, STM 현미경 사진이다. 실리콘 표면은 수소 탈착(hydrogen desorption) 이전에는 규칙적임을 나타낸다. 도 1d는 9x9 nm의 영역에서, 2V, 0.2 nA에서 수집된, STM 현미경 사진이다. 3개 그룹의 댕글링 본드가 준비되어 있다. (Ⅰ) 2.32 nm에서의 비결합 DB 쌍. (Ⅱ) 1.56 nm에서의 결합 DB 쌍. (Ⅲ) 1.15 nm에서의 결합 DB 쌍. 하부의 삽입 도면은 분리 거리에 기초한 DB 쌍의 충전 확률을 나타낸다. 굵게 빗금친 곡선들은 각각 1 및 2 전자 점유를 나타낸다. 위치 Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ은 관련 DB 쌍에 부분적으로 대응한다(도 1d).
도 2는 수소 말단 Si(100)에서 댕글링 본드의 결합 및 비결합을 보여주는 STM 현미경 사진이다. 도 2a는 10x10 nm의 영역에서, 2V, 0.2 nA에서 수집된, STM 현미경 사진이다. 2개의 네거티브 댕글링 본드를 DB1 및 DB2로 나타내고 있다. 도 2b는 10x10 nm의 영역에서, 2V, 0.2 nA에서 수집된, STM 현미경 사진이다. DB2에 매우 가까운 곳에서 STM 유도된 H 탈착에 의해 새로운 DB가 생성된다. DB2와 DB3는 결합된다. 도 2c는 9x9 nm의 영역에서, 2V, 0.2 nA에서 수집된, STM 현미경 사진이다. DB4는 격리되어 있고 네거티브이다. DB4와 SB5는 결합된다. 도 2d는 9x9 nm의 영역에서, 2V, 0.2 nA에서 수집된, STM 현미경 사진이다. 수소 원자(H)는 DB6을 완성한다. DB5는 격리되고 네거티브가 된다.
도 3은 쌍으로 이루어진 DB들을 가변 공간 전위 웰로서 나타낸 도면이다. 도 3a는 각각 네거티브 하전된 격리된 DB를 나타낸다(중성 DB는 하나의 전자 점유를 가지며; 네거티브 DB는 기저 상태 에너지 E0에서 2개 전자에 의해 점유된다). 도 3b는 쿨롱 척력 작용(Coulombic repulsive interaction) Ve1의 결과 및 1 전자가 한 쌍의 결합 DB로부터 배제되고 그 결과 1 전자의 순수 전하가 어떻게 생기는지를 보여주고 있다. 각각의 DB가 하나의 과잉 전자를 가지는 점유 상태는 음영으로 나타난 바와 같이 거리가 감소함에 따라 점차 불량하게 된다. 척력 허버드 현장 짝지움 에너지 U 및 양자 기계 갈라짐 에너지 t도 나타나 있고, d는 가장 가까운 이량체-이량체 거리이다. 도 3c는 제3의 더 먼 거리의 네거티브 충전 DB의 근처에서 2개의 양자 기계적 결합 DB에 대한 섭동된 이중-웰 전위(perturbed double-well potential)를 나타낸다. DB의 저 표면 영역 커버리지를 가정하고, 이에 따라 대역 굽힘(band bending)은 하전된 DB의 중간 근처로부터 원격의 표면에서는 무시 가능하다. CBM 및 VBM은 각각 벌크 전도대 최저점 및 및 가전자대 최대점이다.
도 4는 비대칭 DB 배치에서의 결합을 나타내는 STM 현미경 사진이다. 도 4a는 3개의 결합 DB를 나타낸다. 이러한 DB들의 격자 위치는 이미지 아래에 도시되어 있다. 이 3개의 DB들 사이에는 분명한 불일치(inequivalencies)가 존재한다. DB2가 가장 밝고 DB1 및 DB3은 더 어둡게 나타나 있다. 도 4b는 단일의 H 원자의 제거 후 제4의 결합 DB가 생성된 후의 동일한 영역을 나타낸다. DB2는 덜 밝은 특징부들 중 하나가 되어 있는 반면 DB1과 DB3가 가장 밝다. 실리콘 표면 상의 DB 위치를 나타내기 위해 그리드가 현미경 사진 아래에 도시되어 있다. 대시선은 실리콘 이량체를 나타내고 원은 결합 실리콘 DB를 나타낸다. 원의 크기는 전술한 STM 이미지에서 나타나는 DB의 세기를 나타낸다. 밝은 DB와 덜 밝은 DB 간의 평균 높이 차는 도 4a 및 도 4b에 있어서 ~0.4 및 ~0.7Å이다.
도 5는 대칭 DB 배치에서의 결합의 STM 이미지이다. 단일의 H 원자를 Si(100)로부터 제거하여 4개의 DB로 이루어지는 대칭 그룹이 생성되었다. DB의 밝은 부분은 개개의 DB가 결합되어 있다는 것을 나타낸다. DB들의 높이는 0.1Å 내에 있다. 실리콘 표면 상의 DB 위치들을 나타내기 위해 도면 아래에 그리드가 도시되어 있다. 대시선은 실리콘 이량체를 나타내고 적색 원은 결합 실리콘 DB를 나타낸다. 단일 QCA 셀의 약도가 사진 옆에 도시되어 있다. 이진수 상태 "0" 및 "1"에서의 셀들이 도시되어 있다.
도 6은 결합 DB 상의 정전기 섭동의 입증을 제공하는 STM 이미지이다. 도 6a는 두 개의 결합 DB를 도시한다. DB 쌍의 높이 프로파일은 도 6c의 하부 프로파일 곡선에 나타나 있다. 작은 비대칭만이 단면도에서 명백하다. 도 6b는 제3의 DB의 추가 후의 도 6a에 도시된 영역과 동일하다. DB3은 네거티브 충전이고 DB1 및 DB2와 결합하지 않는다. DB 쌍의 높이 프로파일은 도 6c의 상부 곡선에 도시되어 있다. DB2는 네거티브 하전된 DB3 근접성의 결과로 훨씬 더 밝게 나타난다. 삽입 도면들은 실리콘 기판 상의 DB 위치들을 나타내기 위한 그리드를 나타낸다. 대시선은 실리콘 이량체를 나타내고, 원은 결합 실리콘 DB들을 나타내며 상부의 가장 좌측의 원은 비결합 네거티브 하전된 실리콘 DB를 나타낸다. DB1 원 및 DB2 원의 크기는 위의 STM 이미지에 나타나는 DB의 세기를 나타낸다. 도 6c는 섭동 DB(DB3)의 추가 전(하부) 및 섭동 DB의 추가 후(상부)의 DB 쌍에 대한 상대적 높이 프로파일의 그래픽 비교이다. 라인 프로파일은 명확하게 하기 위해 오프셋되어 있다.
도 7은 추가 2개의 정전기 섭동 DB가 대각으로 위치하는 선형적인 4개의 결합 DB 엔티티를 나타내는 STM 이미지이다. 도 7a는 네거티브 섭동 DB에 가장 가까이 있는 2개의 결합 DB들이 반대의 전자가 그 위치들에 점유한 결과로 외관상 상대적으로 밝다는 것을 보여주는 STM 이미지이다. 실리콘 표면 상의 DB 위치들을 나타내기 위해 도면 아래에 그리드가 도시되어 있다. 대시선은 실리콘 이량체를 나타내고, 원은 결합 실리콘 DB를 나타내며 X는 비결합 네거티브 하전된 실리콘 DB를 나타낸다. 원의 크기는 위의 STM 이미지에 나타나는 DB의 세기를 나타낸다. 밝은 DB와 덜 밝은 DB 간의 평균 높이 차는 ~0.4Å이다. 도 7b는 지형적인 차이를 명확하게 도시하기 위해 도 7a의 STM 이미지의 컬러 맵핑을 보여주는 STM 이미지이다.
본 발명은 양자 셀룰러 오토마타 또는 큐빗과 같은 원자 전자 디바이스를 형성하는 유틸리티이다. 원자 양자점은 양자 셀룰러 오토마타 디바이스 또는 계산 큐빗의 빌딩 블록을 구현하도록 기계적으로 결합된 제어 가능한 양자이다. 바람직한 실시예에서, 댕글링 본드(dangling bond)는 원자 양자점으로서 작용한다. 이러한 셀은 자기-바이어스 효과를 나타내는데, 전자 점유가 셀 기하학 및 페르미 레벨에 의해 설정된다. 셀의 이진수 상태는 정전기적으로 제어된다. 이전의 밀리-켈빈 실행과는 달리, 본 발명의 디바이스들은 밀리-켈빈 온도 이상에서 동작하고 심지어는 (293 켈빈의) 실내 온도에서도 동작하며 정전기 섭동이 표유하는 것에 상당히 면제되어 있다. 본 발명의 댕글링 본드 양자 디바이스는 기부의(proximal) 정전기 섭동 댕글링 본드를 통해 제어되거나 전자는 본 발명의 디바이스를 지지 표면 위에서, 표면 아래에서, 또는 표면에서 현수된다. 전극은 박막 접촉부, 나노와이어(nanowire) 또는 STM 팁을 도해적으로 포함한다. 선택적으로, 상기 전극은 결합 댕글링 본드의 로컬리제이션 역학을 감지하도록 사용되거나 바이어스된다.
DB 또는 전극과 같은 섭동 종의 형성/제거를 통해 단위 변환(unitary transformation)을 수행하기 위한 큐빗 해밀턴 역학(Hamiltonian)의 제어가 본 발명에 따라 일어나서, 결합된 두 개의 DB 큐빗 내에서 단위 변환이 생성된다. 마찬가지로, 3개 또는 4개의 DB의 커플링을 통해 본 발명에 따라 큐트리트(qutrit) 및 쿼드리트(quadrit)가 용이하게 각각 형성된다. 5, 6, 7, 8 및 이보다 더 많이 결합된 DB를 포함하는 더 높은 차원의 DB 엔티티도 본 발명에 따라 실내 온도 양자 계산 디바이스로서 가능하다.
본 발명의 디바이스는 극히 낮은 전력 소비, 1K 이상에서 실내 온도에 이르는 동작, 게다가 추가의 전자 전하를 구비할 때 극히 높은 디바이스 밀도 및 입증된 "자기-바이어스" 캐릭터를 특징으로 한다. 실내 온도에서 전자 상태 변이 QCA 또는 큐빗으로서의 동작이 그래서 제공된다.
단일의 전자 구조 및 복수의 전자 구조는 반도체 양자점 QCA 시스템 및 분자 QCA 시스템[38, 39]을 배경으로 해서 당기술분야에 공지되어 있다. 이러한 전극 구조 및 배치는 여기에서 가능하다. STM 팁은 예시적 단일 전극 디바이스로서 사용된다. 예에 의한 2 전극 시스템은 DB를 섭동하기 위한 전원으로서 제1 논리 입력을 가지고 결합 DB 전자 상태를 모니터링하는 제2 전극을 가진다.
본 발명의 디바이스는 재료의 댕글링 본드(DB)의 공간적으로 제어된 형성에 의해 형성된다. 본 발명에 따르면, 실리콘은 댕글링 본드의 생성을 위한 바람직한 표면을 나타낸다. 그렇지만, 적어도 1옹스트롬을 연장하는 정전기 전위를 유도하는 로컬라이징된 전하를 지지할 수 있는 다른 표면들이 여기에서 가능하다. 다른 이러한 재료들은 대부분의 반도체 및 화합물 반도체 재료를 실례로 포함하는데, 예를 들면 게르마늄, 다이아몬드, 그라파이트, 그래핀(graphene), GaAs, InSb, 전이 칼코겐화 금속(transition metal chalcogenides), 및 박막 전도체 표면 위의 절연체(thin insulator-on-conductor surface) 및 박막 반도체 표면 위의 절연체(thin insulator-on-semiconductor surface)이 있으며, 이것들은 하전된 원자 및/또는 양자점을 지지할 수 있다
실리콘과 같은 반도체 재료의 표면 위의 단일 원자는 범위 -1 내지 +1 전하 내에서 제어 가능하게 하전된다. 호스트 격자(host lattice)의 아이덴티티와는 다른 원소의 아이덴티티의 원자의 충전에 대한 유사한 제어도 여기서 달성되며 댕글링 본드를 표면 위에 형성하는 적어도 하나의 이온화된 불순물 원자 또는 분자를 포함한다는 것을 이해할 수 있다.
충전 제어되어야 하는 원자는, DB를 형성하는 상대가 아닌 궤도(non-partnered orbital)를 가지는 그 원소에 정상적인 것보다 더 적은 수의 본딩 상대를 가져야만 한다. 예를 들어, 통상적으로 4개의 본드를 공유하는 실리콘 원자는, 단지 3개의 본드에 참여하는 것으로 제한되는 경우에는 제어 가능하게 충전될 수 있다. 이 상황은, 각각의 표면 원자가 3개의 동격 본딩(three coordinate bonded)를 가지는 실리콘 결정의 표면에서 자연스럽게 달성된다. 모든 표면 실리콘 원자들은 3개의 실리콘-실리콘 본드 및 Si-H 본드에서 공유하도록 모든 표면이 아닌 하나의 표면 실리콘 원자를 수소 원자와 결합시킴으로써 그리고 이러한 복수의 GB를 공간적으로 제어된 근처에 형성함으로써 단일의 충전 가능한 원자가 생성된다.
본 발명에 따르면 단일의 DB는 실리콘 표면 위에 공간 제어를 이용해서 용이하게 형성된다. 공간 제어는 DB의 제어된 구성 및 이에 따른 리드(lead)를 감지하는 것을 가능하게 하여 댕글링 본드 전자 구성에 기초해서 실질적인 양자 계산 아키텍처를 개발할 수 있게 한다. 이것은 실리콘 격자를 인 원자로 도핑하는 종래 기술과는 대조적인데, 종래 기술에서는 인 원자의 위치에 대한 위치 제어를 감당하기 힘들다.
이러한 원자는 DB와 관련이 있는데, 이 DB는 밴드 갭(band gap) 내에 있는 공간적으로 로컬라이징된 전자 에너지 상태이다. DB는 벌크 반도체 가전자대 에지보다 에너지가 더 높은 반면, 전도대 에지의 하부보다는 에너지가 낮다. DB가 에너지적으로 전도대로부터 분리될 때, DB는 QCA 및 큐빗 디바이스가 밀리-켈빈 온도 이상에서 동작할 수 있게 하고 293 켈빈 온도에까지 그리고 그 이상의 온도에서 동작할 수 있게 하는 원자적 성질(atomistic qualtity)을 가진다. 이러한 창의적 속성은 종래 기술과는 완전 대조적인데, 종래 기술에서는, QCA 디바이스들이 밀리-켈빈 온도에서의 동작을 필요로 한다. DB의 특별한 전하 레벨은 수 개의 파라미터의 함수인데, 원리적으로 이것들은 갭 상태의 밀도, 벌크 결정의 도핑 농도 및 이러한 파라미터들의 물리적 배치 및 파라미터들에 인가되는 상대적 정전기 전위이다.
전자 양자 기계적 상호작용을 통해 DB를 가지는 2 이상의 원자의 거리 의존 커플링(distance dependent coupling)에 의해, 1도 켈빈 이상의 온도에서 그리고 293도 켈빈 이상에서도 동작하는 QCA 및 큐빗 디바이스들이 형성된다. DB 위에 정상적인 음전하의 조건 하에서 DB가 활용되면, 쿨롱 척력은 자기-바이어스 속성을, DB 및 DB를 포함하는, 즉 불완전한 전자 점유가 일어나는 임의의 디바이스, 및 원자간 양자 기계적 상호작용에 제공하며, 특히 이에 의해 터널링이 가능해진다. 양자 기계적 커플링은 대략 4 내지 20 옹스트롬의 거리에서는 분명하다. 쌍안정 4 실리콘 원자 QCA 셀의 하나의 논리 상태로의 정전기 설정은 실내 온도에서 입증된다. 마찬가지로, 동일한 DB 앙상블이 순수한 또는 얽힌 큐빗으로서 작용한다.
A-1 하전된 DB 큐빗은 확실한 실내 온도 성능 때문에 QCA에서 양호한 컴포넌트로서 고려된다. 양자 기계적 커플링을 제어할 수 있도록 근처에 있는 중립적인 쌍의 DB들은, 여기(excitation) 하에 큐빗으로서 기능하는 사전 선택된 DB간 분리를 이용해서 H2를 닮은 인위적인 분자 엔티티를 형성한다. 연장(extension)에 의해, 2 이상의 양자가 기계적으로 결합된 DB들은 주기적인 카본 π 전자 시스템의 다양한 전자 구성을 모방할 수 있다.
도 1d는 DB들 간의 거리의 효과를 나타내고 있는데, 더 멀리 인접하는 DB들과 비교해서 공간이 빽빽한 DB들이 "더 밝은" 외관을 취하고 있다. 일부의 임계치를 넘어, 분리가 더 단축되면 밝기가 향상된다는 것도 알 수 있다. 수소 패시베이티드 Si 표면으로부터 하나의 H 원자들을 제어해서 제거함으로써, 인접하는 DB들 간의 제어된 거리를 이용해서 DB들을 원하는 패턴으로 형성할 수 있다. 하나의 DB가 부족한 적어도 하나의 원자는 인접하는 DB들을 분리하여 디바이스 형성을 용이하게 하는 정도까지 쿨롱 커플링의 범위를 제한한다. 인접하는 DB들 사이에서 하나의 DB가 부족한 적어도 하나의 원자에 기초해서 하나의 실리콘 이량체[20] 상에서의 또는 한 줄로 인접하는 이량체들 상에서의 2개의 DB들의 극단적인 경우들은 본 발명의 디바이스들에서는 엄밀하게 배제된다. 다양한 반도체 표면 페이스(surface face)를 사용해서 DB들의 각도를 이루는 표면 원자 분리를 수정한다. (100) 표면 외에, 여기에서 작용하는 다른 표면들은 (110), (111), (010), (311), 미스컷 표면(miscut furface) 및 이러한 표면들의 모든 재구성을 예시적으로 포함한다. DB는 또한 에지 표면상에서; 이종의 재료들, 특히 격자가 서로 불일치하는 재료들 간의 경계면에서; 그리고 대량 주문된(bulk ordered) 비정질 재료 내에서 용이하게 형성된다. 인접하는 DB들 간의 2 내지 200 옹스트롬의 측면 분리를 이용하면, 양자 기계적 커플링의 정도가 제공되는데, 이것은 QCA 디바이스 또는 큐빗 얽힘에 적절하다. 정확한 거리는 재료-의존 및 재료 정전기 전위의 함수이다. 도 2a 및 도 2b는 충분히 가까운 상대(DB3)를 제안할 때 격리된 네거티브 DB(DB2로 레이블이 붙어 있음)가 커플링 배치로 진입하는 것을 나타내는 STM 이미지이다. 도 2b에서는 선택적 단일의 H 원자 제거에 의해 새로운 DB가 형성된다. 쌍으로 형성되면, 도 2a 및 도 2b에 공통인 DB는 결합되지 않은 DB의 STM 이미지 후광 특성(halo characteristic)을 더 이상 갖지 않는다. DB들은 결합된 DB들의 밝은 외관을 나타내며 그 결합된 쌍은 도 2b의 STM 이미지에서 어두운 후광에 의해 원으로 둘러싸여 있다.
도 2c 및 도 2d는 하나의 DB(DB6으로 레이블이 붙어 있음)와 H 원자를 결합시킴으로써, 한 쌍의 DB 중 하나의 제거를 통해 커플링 효과의 제거를 보여주는 STM 이미지이다. H로 씌어진 엔티티로 일단 변환된 DB 상태는 과잉 전자를 유지할 수 있는 용량을 잃게 되고, 남아 있는 DB는 효과적으로 격리되어 음으로 하전된다(DB5).
두 개의 충분하게 가까이 있는 DB는 양자 기계적으로 결합된다. 공간 관통 공유 결합(through-space covalent boding)은 약 ~4 옹스트롬의 DB 분리를 넘어서는 무시될만하기 때문에, 격자는 DB 파동함수의 양자 기계적 결합에서 중재한다.
DB들이 3.4 내지 20 옹스트롬 범위로 분리되어 있는 시스템에서는 전자 제한(electron confinement) 및 전자 양자 기계적 상호작용에 기초한 본 발명의 디바이스도 계산 모형화를 통해 이해 가능하다.
가우시안-03[34] 패키지에서 실행되는 바와 같이, 3-21G 베이시스 집합(basis set)으로, B3LYP[32, 33] 기능을 사용하는 본 발명의 시스템상에서, 밀도 함수 이론(density functional theory: DFT) 모형화가 수행된다. 계산을 위해 사용되는 모형은 2x1 표면 재구성을 가지는 396 실리콘 원자의 피라미드형 클러스터로 이루어져 있고 7개의 이량체로 이루어지는 3개의 열을 가진다. 상기 클러스터는 두 개의 인 불순물 원자를 포함한다. 두 개의 인 원자는 표면 댕글링 본드들 중 두 개를 하전시키는데 필요한 두 개의 과잉 전자를 제공한다. 하나의 DB는 위치가 고정되어 있는 제2 DB 쪽의 이량체 열의 한쪽을 따라 단차를 이룬다. 클러스터의 2x1 페이스의 한 모서리 근처에 위치하는 제3 dB는, 공간이 빽빽한 DB 쌍에서의 쿨롱 척력이 크게 될 때, 이 공간이 빽빽한 DB 쌍으로부터 배제되는 전자를 위한 전자 수용 사이트(electron accepting site)로서 기능한다.
더 작은 클러스터 상에서의 B3LYP 계산을 사용하여 하전된 DB의 하나의 전자 상태의 픽처(picture)를 제공한다. DB 상태에서의 물리적 범위는 H-Si(100)-2x1 표면의 열 구조에 의해 명확하게 바운드된다. DB 커플링을 조사하기 위해, 조화 진동 전위(harmonic oscillator potential)를 사용한다[35]. DB들도 또한 Si에서의 원자 불순물에 모형화된다[37]. 그렇지만, 큰 유효 반경을 가지는, 벌크 유전체 재료에서의 도너 원자와는 달리, DB들은 로컬라이즈된 표면 상태이다. 이와 같이, Si 매체에서 공간 넓이가 큰 표면 위의 진공 영역에서는 DB 전자들이 부분적으로 로컬라이즈되어 있다.
유효한 2차원 조화 진동을 사용하여 DB에서의 전자의 제한을 설명하되, 전자 유효 질량은 자유 전자 질량 me와 같다. 실리콘 표면의 기하학에 기초하여, 격리된 DB의 유효 이차원 전위는 DB 궤도로부터 반도체 벌크 전도대(CB)로의 탈출할 수 있게 해야만 한다. 그러므로 조화 웰 영역 r<Rh의 외측에서, 전위 곡선은 벌크 전도대 최소치를 벗어난다. 이러한 간단한 모형에서, 격리된 DB 파동함수는 간단한 가우시안-타입 함수의 형태를 가지며, 기저 상태 에너지(ground state energy)는
Figure 112011003909827-pct00001
이다. 파라미터 ω는 DB 파동함수의 공간적 범위가 약 3.8 옹스트롬의 DFT 모형화로부터 얻어지는 것을 반영하도록 설정되어 있다. 웰 깊이는 DB에서 과잉 전자의 바인딩 에너지의 정확한 값들을 회복하도록 맞춰져 있다. 이웃하는 DB들 간의 전자 양자 기계적 상호작용에 의해, DB들 간의 분리는 충분히 작으며, 쿨롱 척력은 이러한 두 개의 DB들이 완전하게 점유하지 못하게 한다. 양자 기계적 상호작용으로 인해 시스템의 기저 상태 에너지의 에너지 분할이 일어난다[36].
도 3에서는, 2차원 조화 진동 모형이 도시되어 있으며 두 개의 격리된 DB의 행동에 대한 정성적 설명을 제공한다. 도 3에서의 전위 웰은 DB 에너지에서 점근적으로 안정 상태에 이르고 있다. 도 3a는 결합되지 않은 채 측면으로 충분히 분리되어 있는 두 개의 전위 웰을 도시하고 있다. 각각의 웰을 횡단하는 수평선은 바운드 DB 레벨을 나타내는데, 두 개의 전자 각각에 이르기까지 유지될 수 있다. 도 3b는 약 20 옹스트롬에 미치지 못하게 측면으로 분리되어 있는 2개의 DB를 나타낸다. 분리되어 있는 DB들에 대한 두 가지의 핵심적인 변화가 도시되어 있다. 쿨롱 척력의 결과로서, DB 당 2개의 전자를 가지는 점유 상태가 안정화 상태를 벗어난다(에너지가 상향 이동한다). DB들 중 하나로부터 하나의 전자가 배제되는 경우에 더 안정화될 수 있도록 두 개의 DB 상태가 도시되어 있다. 배제된 전자는 벌크 에너지 레벨로 가게 된다. 결합된 DB들과 관련해서 부분적으로 비어 있는 레벨이 하나 이상의 전자를 수용할 수 있다는 것을 나타내고 있지만, 점유의 행태는 레벨을 CB 이상으로 올려, 이러한 구성을 불안정하게 한다. 이것은 온-사이트(on-site)(척력) 쌍 에너지 - "허버드 U" 항목[38]으로서 모형화되어 있다 - 의 결과이며, 두 개의 전자가 또한 로컬라이즈되어 있을 때는 쿨롱 척력 더 실질적으로 증가된다. 전자 에너지 레벨 상에서의 양자 기계적 상호작용의 효과도 터널링 분할 에너지 t를 통해 또한 포함된다.
두 가지 조건으로, 결합된 DB들 간의 전자 양자 기계적 상호작용이 허용된다. 충분히 가까울 때, DB들을 분리하는 장벽은 충분히 좁아서 이 두 개의 DB들 간의 실질적 양자 기계적 교환을 허용한다. 그러나 결정적으로, 쌍을 이루는 DB들로부터 하나의 전자를 배제하면, 부분적으로 비어 있는 상태가 되고 이에 따라 터널링 전자의 목적지로 된다. 특별한 이론을 적용함이 없이, 결합된 DB들의 상대적으로 밝은 외관은 상향 밴드 굽힘(upward band bending)을 감축하면서 2개의 과잉 전자 중 하나에 기초하며, STM 팁으로부터 DB로의 전자 주입이 상대적으로 손쉽게 되고 외관이 더 밝아질 수 있다. 여기서, "과잉"은 중립에 필요한 것보다 더 많은 수의 전자를 말한다. 예를 들어, 2개의 DB에서의 4개의 전자는 -2 또는 2개의 "과잉" 전자에 대응한다. 결합된 DB들에서의 전하가 감소하여도, 외관은 중립적인 DB들의 전하와 더 유사하며(도 1a), 과잉 전자로 인한 쌍-원형의 어두운 후광으로, 결합된 DB들과 중립 DB들을 구별할 수 있다.
DB 분리가 감소되어 있는 DB 쌍의 밝기가 증가하면, 하전 상태 -2 내지 -1 사이의 교차(crossover)가 나타나게 된다. 로컬 밴드 굽힙으로 인해, 주입된 STM 전류가 증가한다. 결합된 DB들의 평균 전자 점유를 DB 분리 거리만큼 제어할 수 있다. DB들이 10 옹스트롬보다 더 가깝게 될 때, 도 1d에 도시된 바와 같이, 분리는 감소하는 DB 쌍의 점차적으로 밝은 외관을 고려하여, DB들은 대략 23 옹스트롬만큼 떨어져 있고, 도 1에는 하나의 전자(검은 실선) 및 2개의 전자(빗금친 선)가 그래픽으로 도시되어 있다.
격리된 DB들에 사용되는 제한 전위에 의해 전자는 DB 궤도로부터 벌크 전도대로 탈출할 수 있고 조화 웰 영역 r<Rh 외측에서 전위 곡선은 벌크 전도대 최소치(CBM)를 벗어나는데, 이에 따라 r→∞에서 제한 전위에 대해 제로값으로서 취해진다.
그러므로 도해된 모형에서, 유한/정점 절단의(truncated) 제한 전위가 다음과 같이 선택되며,
(수학식 1)
Figure 112011003909827-pct00002
여기서 ω는 웰에서 전형적인 발진 주파수이고, V0는 (CBM으로부터 계측되는) 전위 깊이(potential depth)이며, ftr은 트렁케이션 함수(truncation function)이고, 이것은 유한 범위의 조화 전위를 보장한다. 이것을 단순한 형태로 하면 다음과 같으며,
(수학식 2)
Figure 112011003909827-pct00003
파라미터 Rb 및 w는 트렁케이션 영역의 위치 및 폭을 각각 결정한다.
이와 같은 간략화된 모형에서, 격리된 DB 파동함수는 단순한 가우시안-타입의 함수
Figure 112011003909827-pct00004
및 (전위 바닥과 관련해서) 기저 상태 에너지
Figure 112011003909827-pct00005
의 형태를 가지며, 여기서
Figure 112011003909827-pct00006
이고 A는 정규화 상수(normalization constant)이다. 파라미터 ω는 간단한 가우시안 DB 파동함수의 공간적 범위가 약 3.8 옹스트롬의 밀도 함수 이론(DFT) 조화 진동 모형화로부터 얻어지는 것을 반영하도록 설정되어 있다. 이때 조화 진동자(HO)에서의 전자의 바인딩 에너지는 Eb = ECB - E0이고, 여기서 ECB는 전도대 에너지이고 E0는 기저 상태 에너지이다. 웰 깊이는 전술한 DFT 방법에 의해 계산되는 바와 같이 HO의 바인딩 에너지를 복구하도록 맞춰져 있다.
양자 기계적-결합 DB 쌍을 설명하기 위한 이중 웰 전위는 두 개의 DB의 단일의 웰 전위들을 다음의 식에 따라 결합함으로써 간단하게 구축된다.
(수학식 3)
Figure 112011003909827-pct00007
상기 식은 V12(r)의 효과를 가지는데 이 효과는 어느 DB가 포인트 r과 더 가까운가에 따라, VDB1 또는 VDB2 중 어느 하나와 대략 동일하다.
이중 웰 시스템에 있어서, WKB 근사치[36] 내에서 계산된 양자 기계적 터널링 계수는 다음과 같으며,
(수학식 4)
Figure 112011003909827-pct00008
여기서 ±a는 전위 장벽의 전형적인 전환점이다. 따라서, 터널링 분할 상호작용은 다음과 같이 계산된다.
(수학식 5)
Figure 112011003909827-pct00009
하나의 디바이스가 H-Si(100) 표면 상에 n개(n은 2와 ∞ 사이의 정수)의 DB들로 이루어져 있다. 이 디바이스의 하전 확률을 i개의 전자를 이용해서 계산하기 위해, 온도 T 및 화학적 전위 EF(즉, 대 정준 앙상블(grand canonical ensemble))에 따라, 리저버와 접촉하고 있는 DB 시스템의 효과가 결정된다. DB 셀 내의 주어진 과잉 전자의 수를 가지는 하전 상태의 빈도가 계산된다.
DB 디바이스가 정수 개의 과잉 전자 및 잘 정의된 편광을 가지도록 하기 위해, 본 발명의 디바이스는, 양자 기계적 터널링 에너지가 쿨롱 에너지보다 훨씬 작은 영역, QCA 디바이스에서 필요로 하는 바와 같은 t<<Ve1[8]에서 동작한다. 하전 에너지에 대한 양자 기계적 터널링 기여도를 무시하면, 실내 온도에서, 통계적 요동(statistical fluctuation)으로 인한, 모든 하전 상태는 유한의 발생 빈도를 가진다. 전형적인 통계를 가정하면, 각각의 하전 상태는 각각의 하전 상태에 대한 볼츠만 인자(Boltzmann factor)와 동등한, 통계적 가중치를 특징으로 한다. 그러므로 하전되는 하나의 전자에 있어서, 그 가중치는 다음과 같다.
(수학식 6)
Figure 112011003909827-pct00010
여기서,
Figure 112011003909827-pct00011
는 하나의 과잉 전자를 가지는 n-DB 셀의 총 에너지이고, k는 볼츠만 상수이며, T는 온도이고, gie는 하전 상태의 쇠퇴이다. 외부 섭동이 없는 것으로 가정하면,
Figure 112011003909827-pct00012
이고, 여기서 모든 에너지는 CB 레벨로부터 측정된다. 마찬가지로, 두 개의 하전되는 전자 가중치는
(수학식 7)
Figure 112011003909827-pct00013
이고,
Figure 112011003909827-pct00014
및
Figure 112011003909827-pct00015
는 셀의 모든 정전기 에너지이다. 후자의 상호작용은 포인트-차지 상호작용(point-charge interaction)으로서 간단하게 계산되며,
(수학식 8)
Figure 112011003909827-pct00016
여기서 e는 기본 전하이고, d는 DB 분리이며, εsrf는 표면의 유효 유전 상수이다.
마찬가지로, 임의의 하전 상태의 가중치는 다음과 같다.
(수학식 9)
Figure 112011003909827-pct00017
디바이스의 전체 하전 에너지를 계산하는데 있어서, 양자 기계적 터널링 에너지는 무시할 수 있으며, 주어진 하전 상태에 대한 최저 에너지 구성만을 고려한다. 예를 들어, 이중 하전된 4-DB 디바이스에 대해서만 대각 점유를 고려하고, 인접하는 DB들 상의 전자들을 가지는 구성에 대해서는 허용하지 않는다.
이때 n-DB 셀의 분할 함수(partition function)는 다음과 같고,
(수학식 10)
Figure 112011003909827-pct00018
이때 각각의 하전 상태의 확률은
Figure 112011003909827-pct00019
(단, i=1,n)이다. 예를 들어, "명확하게(definitely)" 이중 점유된 4-DB 셀을 가지도록 하기 위해서는, 조건
Figure 112011003909827-pct00020
을 수행해야 한다.
도 1의 하부의 삽입 도면에서, 격리된 2-DB 디바이스에 대한 하전 확률이 DB 분리의 함수로서 도시되어 있다. 이중 점유된 DB에 대한 바인딩 에너지 Eb의 값은 0.32 eV가 되도록 취해진다. DB들의 작은 표면 커버리지(coverage)는, 도 1의 하부 삽입도면에서 가정한 바와 같이, DB 셀의 근처는 제외한 상태에서, 밴드 굽힘을 표면에서 무시할 수 있도록 되어 있다. 하전 상태 0의 확률, p0e는 p1e보다 4 크기 자리수(four orders of magnitude)로 작게 되도록 계산되고, 이에 따라 주요 계산에서 무시 가능하다. 도 1d에 도시되어 있는 다양한 분리 거리들: (Ⅰ) 2.32 nm, (Ⅱ) 1.56 nm, (Ⅲ) 1.15 nm에 대해 취해진 수소 말단의 고 도핑된 n-형 Si(100) 상의 DB STM 이미지들을 비교한다. 하전 상태의 확률 플롯은, 도 1c 및 도 1d 사이의 DB 분리 삽입도면의 기능으로서, 도 1d 당 DB 쌍 Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ에 대한 분리 거리를 나타낸다. 빗금친 곡선은 하전 상태의 2 전자 확률을 나타낸다. 2개의 하전된 DB들 간의 유효 유전 상수는 대략 εsrf
Figure 112011003909827-pct00021
4이다. 이것은 전형적으로 유도된 값 6.5보다 낮다[27]. 특별한 이론을 적용함이 없이, 도 1에서와 같이 감소하는 거리에서 DB 쌍의 STM 이미지들에 대한 하전 상태 -1와 -2 사이의 교환의 위치를 맞춤으로써, 벌크와 비교되는 낮은 DB εsrf의 값도 대략 입증된다.
DB의 하전 확률을 고려함으로써, 두 개의 양자 기계적 결합된 DB들 간의 양자 기계적 터널링 레이트의 추정치는, 시도 주파수의 적(product) ω/2π, 터널링 계수 D, 및 제1 DB가 점유하고 있을 때 p1e=1-p2e와 같은, 비점유된 제2 DB를 가질 확률로서 다음과 같이 제공된다.
(수학식 11)
Figure 112011003909827-pct00022
여기서, p1e는 2-DB 셀 내에서의 1 과잉 전자를 가질 확률이다. 도 1에서의 삽입도면 내의 검은 곡선은 DB 분리의 함수로서 단일의 전자 하전 상태의 확률을 제공한다.
양자 기계적 터널링 레이트의 비율은 다양한 디바이스 인자에 의해 제어된다. 이러한 인자들은 DB 분리가 감소할 때 양자 기계적 터널링 레이트를 증가시키는 DB 분리, 장벽 높이, 및 하전 상태 확률을 도해적으로 포함한다. 이러한 후자의 요인들은 도핑 레벨, 반도체 재료 아이덴티티 및/또는 로컬 정전기 전위를 가변하도록 사용되는 전극을 가변시킴으로써 수정된다.
도 4a는 3의 결합된 DB를 도시하고 있다. 상이한 시간-평균 전자 점유의 결과로서, 밝기가 DB들 사이에서 변한다. DB2는 예를 들어 가장 분명한 밝기를 가지며 이에 따라 최소한의 네거티브이다. 도 4b에서, 제4 결합 DB(DB로 레이블이 붙어 있음)는 단일의 H 원자의 STM 팁-유도 제거에 의해 생성되는 것으로 도시되어 있다. 도 4의 도면은 제4 DB 구조가 정규의 장방형 Si(100) 배치로부터 벗어나 있는 대신 직선으로 되어 있다.
4개의 DB들의 그룹 중 가장 넓게 분리된 DB들(DB2 및 DB4으로 레이블이 붙어 있음)은 외관이 가장 어둡다. 상향 밴드 굽힘 및 로컬라이즈된 음전하로 어둡게 되어 있는 로컬 STM 이미지를 고려하면[22], 이러한 구조에서의 과잉 전자들은 가장 먼 DB들에 유력하게 위치하며 - 가장 큰 전하 분리가 가장 낮은 에너지 구성에 대응할 것이라는 예상에 일치한다.
DB들 간의 양자 기계적 상호작용을 허용하는 적어도 하나의 비어 있는 상태가 필요할 때, 이에 따라 결합된 DB들의 외관이 상대적으로 밝은데, 적어도 하나의 전자가 배제된 것은 분명하고, 그룹-원형의 어두운 후광이 제공될 때, 일부의 과잉 전자는 이 그룹화에서 로컬라이징된 상태로 남아 있는다. DB 셀의 정확한 하전 상태는 샘플의 페르미 레벨 EF에 따라 다르며(이것은 또한 온도 및 불순물 농도에 따라 다르다), 고정된 EF에 있어서는 디바이스에서의 DB들 간의 거리에 따라 다르다. 계산은 이러한 결정은 정교하게 할 수 있으며, 쿨롱 척력은 2개의 과잉 전자의 점유를 지지하면서, 3개의 전자가 도 4에 도시된 구조 상에서 바운드되기에는 너무 크다.
도 5는 4개의 결합된 DB들을 도시하고 있다. 4개의 결합된 DB들은 렌트 및 동업자들이 1993에 제안한 QCA 방식의 측면으로 2개의 접힌 대칭 구조 회상(reminiscent)을 가진다[18]. 이러한 디바이스는 도 5의 개략적 다이어그램에 도시된 바와 같이, 2개의 퇴화에서, "0"과 "1"의 논리 레벨로서 맵핑될 수 있는 정반대의 기저 상태 전자 배열들을 생기게 하기 위해서는, 양자 기계적으로 결합된 양자적 및 2개 전자의 순수 점유를 필요로 한다. 현재까지의 정전기 실행은 밀리-켈빈 범위 내의 온도를 필요로 하고 있고 스트레이 전하로 인한 비제어 효과를 겪고 있다. 도 5에 도시된 구조는 이러한 상태를 이진 상태로 맵핑하기 위한 본질적인 2개의 접힌 전자 퇴화를 QCA로서 동작한다.
선택적인 전자 대칭 퇴화 파손과 관련해서 QCA로서 4개의 결합된 DB 그룹화의 동작 프로세스를 설명하기 위해, 포인트 정전기 섭동의 효과를 이해하도록 더욱 단순한 2개의 결합된 DB 그룹화에 대해 참조한다.
도 6a는 한 쌍의 결합된 DB를 도시하고 있다. DB2는 DB1보다 가장자리의 외관이 더 밝다. 도 6b에서, 도시되어 있는 추가의 섭동 DB(DB3으로 레이블이 붙어 있음)의 결과에 따라 새로운 효과를 조사한다. 섭동 DB(DB3)는 나머지 DB들에 대해 양자 기계적 결합이 되기에는 가장 먼 DB로부터 너무 멀리 떨어져 있다. 섭동 DB3의 비결합된 캐릭터는 2개의 전자의 로컬리제이션으로 인해 어두운 외관에 의해 분명하게 된다. 섭동 DB3dl 양자 기계적 관계에 의해 실질적으로 상호작용하지 않기 때문에, 척력의 쿨롱 효과가 발휘하는데, 이 효과는 정전기 섭동이 DB2로 하여금 DB1보다 상당히 밝게 되도록 하는 도 6c에 도시된 프로파일에서 분명하다.
이 정전기 커플링 효과는 QCA 디바이스에서 필요로 하는 타입의 게이팅의 예시이다[20, 21]. 다른 점유에 대해 하나의 점유의 우월성을 야기하는 대칭의 파괴에 의한 DB3은 DB1-DB2 결합 쌍에서 의존성을 파괴하도록 동작한다. 결합된 DB들은 2 도트 엔티티에서 1개의 전자, 제로가 아닌 또는 2개의 전자를 자발적으로 가짐으로써 "자기-바이어스" 효과를 밝히며, 이에 의해 점유를 동조하기 위한 "채움(filling)" 전극이 필요하지 않게 된다. 도 3b는 결합된 DB 쌍 효과에서 이러한 자발적인 하나의 전자 존재에 대해 도시하고 있다. 도 3c는 근처의 섭동 DB의 영향으로 인한, 한 쌍의 양자 기계적 결합된 DB들 중 하나의 바람직한 점유를 도시하고 있다. 채움 제어는 종래의 용량적 결합 방법을 사용함으로써, 예를 들어 전극들을 사용함으로써, 달성될 수 있다.
결합된 DB 쌍의 이러한 단일의 전극 자발적 채움은 결합된 DB 쌍들의 더 큰 그룹화로 이어진다. 이러한 결합된 DB 쌍들은, 선형, 단차 선형 패턴, 직사각형, 직선으로 에워싸임, 평행사변형, 및 그외 다각형 형상을 도해적으로 포함하는 다양한 배치로 형성되어, 셀룰러 중립 네트워크를 형성할 수 있다.
도 7은 4개의 결합된 DB 및 2개의 대각으로 위치하는 섭동 DB를 도시하고 잇다. 도면은 모두 6개의 DB들의 위치를 나타낸다. 전자 점유를 탈안정화시키는 네거티브 게이팅 효과와 일관 되게, 섭동 DB들에 가장 가까운 그룹화 내의 2개의 DB들이 더 밝게 나타나며, 여기에서 음전하가 덜 로컬라이징되어 있다는 것을 나타내고 있다. 이러한 정전기적으로 설정된 정반대의 상태의 관찰은 도 7b에서 향상되어 있다.
전술한 바와 같이 도 7의 그룹화에 관한 계산은 -3의 순수 전하가 금지 쿨롱 척력을 수반한다는 것을 밝히고 있다. a-1 및 a-2 모두가 도 7에서 관찰된 정반대의 패턴과 일관적인 반면, 계산은 -2의 전하 상태가 도 7에 도시된 특별한 DB 분리에서 4개의 DB들에 우호적임을 나타낸다. 도 7은 대칭의 제어된 정전기 파손을 도시하고 있고 QCA의 원자 스케일 실현 및 가장 간단한 기능적 시범을 보이고 있다. 전극으로서 작동하는 STM 팁을 가지는 결합된 DB의 동작을 넘어, 양자점 디바이스에 대한 전극 구조는 당기술분야에 공지되어 있다[38, 39]. 전극 구조는 여기에서는 DB들을 선택적으로 위치시키고 하전시키는 능력을 통해 실내 온도에서 동작하는 QCA를 생성하도록 동작하다. 계산에 기초한 QCA의 실내 온도 및 상기 실행은 본 발명 전까지는 이론화되기에는 많은 시간이 걸렸고 실행되기에는 어려웠다.
4개의 결합된 DB들의 셀들로 이루어지는 그룹화를 사용하여 QCA 컴퓨터의 소자들을 구성할 수 있을 것으로 여겨진다. DB 어셈블리의 다른 그룹화에 의해 데이터를 저장할 수 있다. 이러한 아키텍처는 하나 이상의 QCA 및/또는 큐빗의 조합을 통해 달성될 수 있다. 본 발명의 디바이스는 DB들 간의 추가의 전하 양자 기계적 커플링과 관련된 양자 얽힘을 나타내며 이에 따라 논리 입력도 또한 전원으로서 기능한다. 종래의 디지털 마이크로전자 디바이스들과는 달리, 본 발명의 디바이스는 단일의 전극으로도 동작 가능하다는 것을 이해할 수 있다. QCA 내의 노드들 간의 상태 정보를 전달하기 위한 배치 및 QCA를 VLSI 아키텍처와 통합하는 것은 당기술분야 [40]에 공지되어 있다.
전자 점유 및 디바이스 동작에 대한 제어를 위한 허용범위가 상당히 존재한다. 공간을 약간 더 넓게 하는 구성에 따르면, 허용되는 쿨롱 척력을 감축할 수 있고 자동적으로 순수 전하를 더 크게 할 수 있다. 마찬가지로, 차지하는 공간을 더 빽빽하게 하면, 전하 레벨들이 자연스럽게 감소하게 될 것이다. QCA 프레임워크가 필요로 하는 a-2 셀 전하를 달성하기 위한 이러한 "자기-바이어스"는, 복수 및 단일의 셀-특정 "채움" 전극들을 필요로 하지 않을 때, 가장 바람직하다. 그룹화로부터 대략 20 옹스트롬을 넘어서는 고정 전하는, 상대적으로 먼 의도하지 않은 전하에 대한 일부의 양자점의 정확한 감도와는 대조적으로, 논리 상태에서 불충분한 섭동 및 Si DB-기반의 QCA 셀의 채움 레벨이 되도록 계산된다[41]. 본 발명의 원자 양자점의 강건성은 나노 결정 양자점과 비교되는 바운드 상태의 큰 에너지 레벨 공간으로부터 나오며, 결과적으로 DB들은, 종래 기술의 디바이스들이 극저온 조건을 필요로 하는 것과는 달리, 실내 온도에서 동작하는 디바이스들을 형성한다.
참고문헌
Figure 112011003909827-pct00023
Figure 112011003909827-pct00024
Figure 112011003909827-pct00025
본 명세서에 언급된 특허문헌 및 공개문헌들은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자의 레벨을 나타낸다. 이러한 문헌 및 공개문헌들은 각각의 개별적인 문헌 또는 공개문헌이 구체적으로 개벌적으로 원용되는 바와 동일한 범위까지 본 명세서에 원용된다.
전술한 바는 본 발명의 특별한 실시예를 설명한 것이지만, 본 발명의 실행을 제한하는 것은 아니다. 이하의 청구범위는 그 등가물을 포함하여, 본 발명의 범주를 정의하도록 의도되어 있다.

Claims (17)

  1. 댕글링 본드 양자점 디바이스에 있어서,
    재료의 복수의 제어 가능한 양자 기계적 결합 댕글링 본드(dangling bond); 및
    상기 복수의 제어 가능한 양자 기계적 결합 댕글링 본드의 전자 상태(electronic state)를 선택적으로 변경하기 위한 하나 이상의 전극
    을 포함하며,
    상기 복수의 제어 가능한 양자 기계적 결합 댕글링 본드 각각은, 상기 재료의 하나 이상의 원자의 상기 복수의 제어 가능한 양자 기계적 결합 댕글링 본드의 나머지로부터의 분리(separation)를 가지는, 댕글링 본드 양자점 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 재료는 실리콘이고,
    상기 복수의 제어 가능한 양자 기계적 결합 댕글링 본드 각각은, 실리콘-실리콘 본드를 가지는 실리콘 원자로부터 연장하는, 댕글링 본드 양자점 디바이스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 제어 가능한 양자 기계적 결합 댕글링 본드 각각은 상기 재료의 표면으로부터 연장하는, 댕글링 본드 양자점 디바이스.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 분리는 2 내지 200 옹스트롬인, 댕글링 본드 양자점 디바이스.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 분리는 3 내지 40 옹스트롬인, 댕글링 본드 양자점 디바이스.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 제어 가능한 양자 기계적 결합 댕글링 본드는 2, 3, 4, 5, 또는 6개의 댕글링 본드로 이루어지는, 댕글링 본드 양자점 디바이스.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 제어 가능한 양자 기계적 결합 댕글링 본드의 전자 상태를 섭동시키기 위해, 상기 복수의 제어 가능한 양자 기계적 결합 댕글링 본드 근처에 위치하는 정전기 종(electrostatic species)을 더 포함하는, 댕글링 본드 양자점 디바이스.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 제어 가능한 양자 기계적 결합 댕글링 본드는, 선형적인 4개의 결합 댕글링 본드 엔티티를 형성하는 4개의 댕글링 본드이며,
    하나 이상의 정전기 섭동 댕글링 본드를 더 포함하는, 댕글링 본드 양자점 디바이스.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 하나 이상의 정전기 섭동 댕글링 본드는, 상기 선형적인 4개의 결합 댕글링 본드 엔티티에 대해 대각으로 위치하는 두 개의 정전기 댕글링 본드인, 댕글링 본드 양자점 디바이스.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 재료는, 상기 표면으로부터 적어도 1 옹스크롬 연장하는 정전기 전위를 유도하는 로컬라이징된 전하(localized charge)는 지지하는, 댕글링 본드 양자점 디바이스.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 제어 가능한 양자 기계적 결합 댕글링 본드 각각은, 상기 재료에 있어서, 벌크 반도체 가전자대 에지(bulk semiconductor valence band edge)보다 큰 댕글링 본드 에너지 및 전도대 에지 하부보다 낮은 에너지를 동시에 가짐으로써, 상기 복수의 제어 가능한 양자 기계적 결합 댕글링 본드 각각이 상기 재료의 전도대로부터 에너지적으로 디커플링되는, 댕글링 본드 양자점 디바이스.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    하나 이상의 추가의 전자의 존재 각각에 대해 하나 이상의 비점유 댕글링 본드가 존재하고 상기 복수의 제어 가능한 양자 기계적 결합 댕글링 본드의 전자 상태가 적어도 293 켈빈 온도에서 안정하다는 조건 하에서, 상기 복수의 제어 가능한 양자 기계적 결합 댕글링 본드 내에 상기 하나 이상의 추가의 전자를 더 포함하는, 댕글링 본드 양자점 디바이스.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 제어 가능한 양자 기계적 결합 댕글링 본드의 수는 2개의 댕글링 본드이고 상기 2개의 댕글링 본드 간의 터널링 레이트(rate of tunneling) ktun은 다음 식을 만족하며,
    Figure 112015111241864-pct00026

    여기서 ω/2π는 터널링 시도의 주파수이고, D는 터널링 계수이며, p1e는 상기 2개의 댕글링 본드에서 1개의 과잉 전자가 존재할 확률인, 댕글링 본드 양자점 디바이스.
  14. 양자 셀룰러 오토마타(quantum cellular automata)에 있어서,
    제1항 또는 제2항에 따라 각각 형성되는 복수의 댕글링 본드 양자점 디바이스; 및
    상기 댕글링 본드 양자점 디바이스 간의 상호접속
    을 포함하는 양자 셀룰러 오토마타.
  15. 제14항에 있어서,
    적어도 293 켈빈 온도에서 계산 결과(computation)를 형성하는 양자 셀룰러 오토마타.
  16. 큐빗(qubit)에 있어서,
    제1항 또는 제2항에 따른 댕글링 본드 양자점 디바이스; 및
    양자 계산(quantum computation)을 위한 양자 회로를 형성하는 적어도 두 개의 전극
    을 포함하며,
    상기 적어도 두 개의 전극은 적어도 켈빈 온도에서 측정 가능한 디지털 논리 레벨 0과 1 사이의 중간의 중첩값(superpositioned value)들로 이루어지는 무한 집합(infinite set)을 제공하는, 큐빗.
  17. 삭제
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