专利名称：具有三端性能的两端器件的制作方法
技术领域：
本发明属信息技术领域，具体涉及一种利用有机电双稳材料制备的具有三端性能的两端器件。
背景技术：
众所周知，放大是增加电信号幅度或功率的物理过程。20世纪初，在真空二极管内引入第三极，即三极管的发明，使电信号的放大得以实现，从此标志着电子学发展到一个新的阶段。其后半导体晶体管和随之而来的硅集成电路的问世，使电子放大器和其他电子系统的小型化和微型化得以实现。一个晶体管也必须有三端，其中一端用于控制其他两端之间的电流(类似于电子管中的栅极)。
电子器件目前的发展趋势仍然是“更小、更快、更冷”，即更高的集成度、更快的运算速度和更低的功耗。现已提出要求线宽小于100纳米的“纳米电子器件”，甚至“分子器件”，即用1个分子就能完成某种功能。现在已知的某些有机分子已能初步表现出开关、存贮、整流等基本功能，但都只是两端器件；而要在单个分子上加上第三端，那几乎是不可能的，所以从未有人提出三端的分子器件。
发明内容
本发明的目的在于提出一种能具有三端功能的两端器件，尤其是提出一种只有两端的放大器和闸流管；更进一步，提出具有三端功能的两端分子器件。
电双稳材料一般为绝缘体(高阻态)，但在一定的电场作用下可转变为导体(低阻态)。从实用观点来说，要求在室温下工作，跃迁前后的电阻值相差愈大愈好，跃迁时间则愈小愈好。处于两个电极之间的有机电双稳材料，其伏安特性曲线通常如图1所示。由于材料在室温时为绝缘体，因此在开始时电流I为零；当电压V逐渐增大时，I仍然为零(见图1中的曲线段①)，直到V达到某一阈值Vt(称为跃迁阈值)时，电阻将忽然变小(称为“跃迁”)，材料上的电压降随之陡降(见图1中的曲线段②)，随后I-V关系按曲线段③变化。此时如果取消电压V，则电双稳材料可根据其返回高阻态的时间τ(τ称为高阻态的“维持时间”，可简称为“维持时间”)的不同而分为三种类型
一、取消V后立即返回高阻态(原来的状态)，τ几乎为零(即τ→0)。
二、取消V后在低阻态停留一段时间再返回高阻态(τ＝τ0)。
三、取消V后不再返回高阻态(τ＝∞)。
对于第一种类型的材料(简称有机电双稳材料I型)如果先加上直流电压V(V＜Vt)，然后再加上小的交流控制电压Δu，使Δu正半周时，有V＋Δu≥Vt。此时电流I将突然变大，即增值ΔI很大。得到类似于方波的电流脉冲，如图2所示。
对于第三种类型的材料(简称有机电双稳材料III型)，当所加电压V，V＜Vt时，器件处于阻抗很高的“关闭状态”(相当于“正向阻断”)。如果加上适当的直流控制电压Δu，使V＋Δu＞Vt时，器件迅速转变到低电压大电流的通导状态。这种特性实际上在图1中已可见到。由于τ→∞，此后控制电压Δu失去作用，要在其他条件下器件才能再恢复到关闭状态。所谓“其他条件”是指用负电压或其他任何有效的措施。从材料来说，理想状态是在此条件下能作无限次的“擦除”。但是，实际上目前的有机材料尚难做到这一点。所以指标可暂时规定为一个合理的应用范围，如1万次或更多。
根据有机电双稳材料的上述特殊性能，本发明提出的具有三端功能的两端器件的设计方案如下以有机电双稳薄膜材料作为工作媒质，以金属膜和/或微型针尖作为两个电极，具体说就是以两层金属膜，或者一层金属膜和一个微型针尖，或者两个微型针尖作为两个电极。这里的微型针尖通常为用于扫描隧道显微镜的探针顶端。
以两层金属膜作为两个电极的，器件的结构为平面夹层(sandwich)的形式，如图3所示。即中间一层为有机电双稳薄膜层，其上下两侧为金属膜层作为两个电极。其制造方法如下，首先在基板上用蒸发法蒸镀一层金属薄膜，再用蒸发法蒸上一层有机电双稳薄膜，然后再蒸发一层金属薄膜。把上下两层的金属膜作为电极，即构成一个只有两端的三端器件。本器件中的膜层也可用Langmuir-Blogett方法制备，即为LB膜。
以一层金属膜和一个微型针尖作为电极的器件结构(简称膜针结构形式)如图4所示。即中间一层工作媒质为有机电双稳薄膜层，其下面一侧为金属膜层，上面设有一个微型针尖。该针尖的尖端尺寸通常为1个微米左右。本结构中的金属膜和有机电双稳薄膜可用前述的蒸发法或LB方法制备，微型探针可用扫描隧道显微镜(STM)技术或原子力显微镜(AFM)技术设置。
以两个微型针尖作为电极的器件结构(简称双针结构形式)如图5所示。即在有机电双稳薄膜层上面设置有两个微型针尖。本结构中，有机电双稳薄膜层可用前述的蒸发法或LB制备方法，微型针尖的设置可用STM技术或AFM技术设置。针法的尖端尺寸可以同前。
本发明提出的具有三端功能的两端器件中，如果有机电双稳材料使用的是I型材料，这时，先加上直流电压V，V＜Vt，然后再加上很小的交流控制电压Δu，当Δu正半周时，满足V＋Δu≥Vt。Vt为该有机电双稳材料的跃迁阈值。根据I型有机电双稳材料的特性分析，本发明的两端器件就构成了一个放大器。
把Δu作为变量，因Δu很小，如与电子管的参数“互导S”(按定义S＝ΔI/Δu)相比，S特大。且其频率响应仅受τ决定。它与场效应晶体管的区别是①导通以后材料的电阻率比半导体小很多，而且电流I原则上没有限制，所以S可以很大。
②因为S特大，所以即使Δu为正弦波，仍能得到类似于方波的电流脉冲，因此特别适合于数字电路的放大。
③运作速度不取决于半导体迁移率，因此完全可以不考虑有机材料迁移率较低的问题。
本发明提出的具有三端功能的两端器件中，如果有机电双稳材料使用的是III型材料，这时，先加上直流电压V，V＜Vt，然后加上很小的直流控制电压Δu，使V＋Δu＞Vt。根据III型有机电双稳材料的特性分析，本发明的二端器件就构成了一个闸流管(或可控硅)。
与“可控硅”相比，用于脉冲电路和控制器系统时，本发明的器件速度快、功耗低、动态电阻小，有很大的优点。
上述两种类型的电双稳材料由于都是有机材料，因此在常规尺寸(微米级)下可以用印刷法制备，工艺简单，价格低廉，甚至配合塑料电子器件可用于“一次性使用”的场合。
尤其值得注意的是，由于有机材料能在尺寸变小甚至分子尺度时仍然维持块材时的性能，本发明还可以做成极为微小的分子器件，如分子放大器和分子闸流管等。即以一个有机电双稳材料分子作为工作媒质，采用膜针结构形式以一个金属膜层和一个微型针尖作为电极。其结构如图6所示也可以一个有机电双稳材料分子作为工作媒质，采用双针结构形式以两个微型针尖作为电极，其结构如图7所示。其制备方法如下对于膜针结构的器件，先用蒸发法在基板上蒸发一层金属膜，再在金属膜蒸发上一层有机电双稳材料薄膜，然后用扫描隧道显微镜(STM)或原子力显微镜(AFM)观察，得到有机薄膜层的形貌图，针对规定的分子位置(观察时呈白色小点)，降下STM或AFM的针尖，直至碰到分子为止，即得如图6所示的分子器件。对于双针器件，先准备好两个微型针尖，相对安放，测量控制两针尖之间的距离为纳米级(一般为1-4纳米)，然后用蒸发法蒸发有机电双稳材料膜层，使材料分子落在双针尖端之间，即得到如图7所示的分子器件。按目前的工艺条件，一次制备可得到80多万个分子器件。上述分子器件中，微型针尖的尖端尺寸一般可为1个纳米左右。
上述分子器件中，工作媒质如果使用有机电双稳材料I型，则为分子放大器，如果使用有机电双稳材料III型，则为分子闸流管。在分子尺度下，电子在流动时几乎无能量损耗，因此可以满足电子器件“更小、更快、更冷”的发展要求。但一般的分子器件要做成三端是几乎不可能的，本发明则用两端达到三端的效果和性能。本发明实际上提供了几种新的纳米电子器件，而任何(如硅、锗、砷化镓等)无机半导体都不可能做成分子器件。
本发明的二端器件中，作为电极的金属膜，其厚度一般为50-100纳米，具体材料可以选用金、铂等，有机电双稳材料可选用Ag-TCNQ、Cu-TCNQ、K-TCNQ、PAN、PAK等。其中TCNQ的分子式为C12H4N4，名称为四氰基对醌二甲烷。
PAR的分子式为C11H9N3O2，名称为4(-2-pyridylazo)resorcinol(参见Z.Y.Hua，G.R.Chen，W.Xu and D.Y.Chen，Appl.Surf.Sci.169-170(2001)p447-451).
本发明具有如下主要优点1、用两端器件代替三端器件，使设计和制作工艺都特别简单；2、器件的性能同杂质和缺陷无关，因此受辐照后不会损坏；3、可以用印刷法制成价格低廉的芯片，甚至可做成一次性使用的芯片；4、可做成具有放大器、闸流管等性能的分子器件，而硅器件是无法做到的。
图1为一种有机电双稳材料的伏安特性曲线图，其中O到Vt的曲线段记为①，Vt到转折点M的曲线段记为②，M点以上的曲线段记为③。
图2为在V＋Δu条件下有机电双稳材料的电流曲线图，其中Δu为交流控制电压，V＜Vt，V＋Δu正半周＞Vt。
图3为夹层结构的二端器件结构图示。
图4为膜针结构的二端器件结构图示。
图5为双针结构的二端器件结构图示。
图6为膜针结构二端分子器件结构图示。
图7为双针结构二端分子器件结构图示。
图中标号为1为基板，2为金属膜层(电极)，3为有机电双稳材料膜层。4为针尖(电极)。
具体实施例方式实施例1金属膜层3采用金材料，工作媒质有机电双稳材料采用PAN，该材料的跃进阈值Vt为4-5伏，其伏安特性曲线如图1所示。其高阻态的维持时间τ几乎为零，是一种I型有机电双稳材料。用蒸发法在基板1上依次蒸镀金膜3、媒质膜2、金膜3，金膜3的厚度约为100纳米，媒质层2的厚度约为50纳米。即得夹层结构的具有三端能性的二端器件，该器件可作为放大电路的放大器。
实施例2制作膜针结构的闸流管，选择Ag-TCNQ作为工作媒质，其Vt＝4.2伏，τ→∞，为III型有机电双稳材料。先用蒸发法在基板1上依次蒸镀金膜3、Ag-TCNQ膜层2，然后用STM技术，设置微型针尖4，针尖的尖端尺寸约为1纳米，即得膜针结构的具有三端性能的二端器件，该器件可以作为一种闸流管。
实施例3制作双针结构的分子器件，选择PAR作为工作媒质，其Vt为5-6伏，τ→0，为I型有机电双稳材料。准备两组微型针尖4，每个针尖的尺寸为1纳米左右，两组针尖的尖端相对放置，而相对的针尖的尖端距离为2-3纳米。用蒸发法蒸镀PAR膜层，使材料分子落在双针尖端之间。每组针尖的数量可自由安排(一般为阵列式)，按目前的工艺水平，可一次制备得80多万个具有三端功能的二端分子器件，该分子器件可作为放大电路的分子放大器。
权利要求
1.一种具有三端性能的二端器件，其特征在于以有机电双稳材料作为工作媒质，以金属膜和/或微型针尖作为两个电极。
2.根据权利要求1所述的二端器件，其特征在于为平面夹层结构形式中间一层为有机电双稳材料膜层，其上、下两侧为金属膜层，作为两个电极。
3.根据权利要求1所述的二端器件，其特征在于为膜针结构形式中间一层为有机电双稳材料膜层，其下侧为金属膜层，上侧面设有一个微型针尖，作为两个电极。
4.根据权利要求1所述的二端器件，其特征在于为双针结构形式一层有机电双稳薄膜层上面设置有两个微型针尖。
5.根据权利要求2或3或4所述的二端器件，其特征在于所用的有机电双稳材料为I型，这时，先加上直流电压V，V＜Vt，然后再加上交流控制电压Δu，当Δu为正半周时，满足V＋Δu≥Vt。从而成为数字放大电路的放大器，这里Vt为该有机电双稳材料的跃迁阈值。
6.根据权利要求2或3或4所述的二端器件，其特征在于所用的有机电双稳材料为III型，这时，先加上直流电压V，V＜Vt，然后再加上直流控制电压Δu，使V＋Δu＞Vt，从而构成闸流管，这里Vt为该有机电双稳材料的跃迁阈值。
7.根据权利要求5所述的二端器件，其特征在于所用工作媒质为的有机电双稳材料的单个分子，采用针膜结构形式，构成分子放大器。
8.根据权利要求6所述的二端器件，其特征在于所用工作媒质为有机电双稳材料的单个分子，采用双针结构形式，构成分子闸流管。
全文摘要
本发明属信息技术领域,具体涉及一种利用有机电双稳材料制备的具有三端功能的两端器件。该器件本身只有两个电极,却能达到“三端器件”的功能,故可用以代替普通的三端器件。它的制作工艺特别简单,可以用印刷法制成价格低廉的芯片。此外,本发明还可设计做成分子器件,如分子放大器、分子闸流管等。在此尺寸下电子的流动几乎无能量损耗,可以满足“更小、更快、更冷”的要求。
文档编号H01L51/00GK1333571SQ0112637
公开日2002年1月30日 申请日期2001年7月30日 优先权日2001年7月30日
发明者华中一, 陈国荣 申请人:复旦大学