專利名稱：具有三端性能的兩端器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬信息技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用有機(jī)電雙穩(wěn)材料制備的具有三端性能的兩端器件。
背景技術(shù)：
眾所周知，放大是增加電信號(hào)幅度或功率的物理過(guò)程。20世紀(jì)初，在真空二極管內(nèi)引入第三極，即三極管的發(fā)明，使電信號(hào)的放大得以實(shí)現(xiàn)，從此標(biāo)志著電子學(xué)發(fā)展到一個(gè)新的階段。其后半導(dǎo)體晶體管和隨之而來(lái)的硅集成電路的問(wèn)世，使電子放大器和其他電子系統(tǒng)的小型化和微型化得以實(shí)現(xiàn)。一個(gè)晶體管也必須有三端，其中一端用于控制其他兩端之間的電流(類(lèi)似于電子管中的柵極)。
電子器件目前的發(fā)展趨勢(shì)仍然是“更小、更快、更冷”，即更高的集成度、更快的運(yùn)算速度和更低的功耗。現(xiàn)已提出要求線寬小于100納米的“納米電子器件”，甚至“分子器件”，即用1個(gè)分子就能完成某種功能?，F(xiàn)在已知的某些有機(jī)分子已能初步表現(xiàn)出開(kāi)關(guān)、存貯、整流等基本功能，但都只是兩端器件；而要在單個(gè)分子上加上第三端，那幾乎是不可能的，所以從未有人提出三端的分子器件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種能具有三端功能的兩端器件，尤其是提出一種只有兩端的放大器和閘流管；更進(jìn)一步，提出具有三端功能的兩端分子器件。
電雙穩(wěn)材料一般為絕緣體(高阻態(tài))，但在一定的電場(chǎng)作用下可轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體(低阻態(tài))。從實(shí)用觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，要求在室溫下工作，躍遷前后的電阻值相差愈大愈好，躍遷時(shí)間則愈小愈好。處于兩個(gè)電極之間的有機(jī)電雙穩(wěn)材料，其伏安特性曲線通常如圖1所示。由于材料在室溫時(shí)為絕緣體，因此在開(kāi)始時(shí)電流I為零；當(dāng)電壓V逐漸增大時(shí)，I仍然為零(見(jiàn)圖1中的曲線段①)，直到V達(dá)到某一閾值Vt(稱為躍遷閾值)時(shí)，電阻將忽然變小(稱為“躍遷”)，材料上的電壓降隨之陡降(見(jiàn)圖1中的曲線段②)，隨后I-V關(guān)系按曲線段③變化。此時(shí)如果取消電壓V，則電雙穩(wěn)材料可根據(jù)其返回高阻態(tài)的時(shí)間τ(τ稱為高阻態(tài)的“維持時(shí)間”，可簡(jiǎn)稱為“維持時(shí)間”)的不同而分為三種類(lèi)型
一、取消V后立即返回高阻態(tài)(原來(lái)的狀態(tài))，τ幾乎為零(即τ→0)。
二、取消V后在低阻態(tài)停留一段時(shí)間再返回高阻態(tài)(τ＝τ0)。
三、取消V后不再返回高阻態(tài)(τ＝∞)。
對(duì)于第一種類(lèi)型的材料(簡(jiǎn)稱有機(jī)電雙穩(wěn)材料I型)如果先加上直流電壓V(V＜Vt)，然后再加上小的交流控制電壓Δu，使Δu正半周時(shí)，有V＋Δu≥Vt。此時(shí)電流I將突然變大，即增值ΔI很大。得到類(lèi)似于方波的電流脈沖，如圖2所示。
對(duì)于第三種類(lèi)型的材料(簡(jiǎn)稱有機(jī)電雙穩(wěn)材料III型)，當(dāng)所加電壓V，V＜Vt時(shí)，器件處于阻抗很高的“關(guān)閉狀態(tài)”(相當(dāng)于“正向阻斷”)。如果加上適當(dāng)?shù)闹绷骺刂齐妷害，使V＋Δu＞Vt時(shí)，器件迅速轉(zhuǎn)變到低電壓大電流的通導(dǎo)狀態(tài)。這種特性實(shí)際上在圖1中已可見(jiàn)到。由于τ→∞，此后控制電壓Δu失去作用，要在其他條件下器件才能再恢復(fù)到關(guān)閉狀態(tài)。所謂“其他條件”是指用負(fù)電壓或其他任何有效的措施。從材料來(lái)說(shuō)，理想狀態(tài)是在此條件下能作無(wú)限次的“擦除”。但是，實(shí)際上目前的有機(jī)材料尚難做到這一點(diǎn)。所以指標(biāo)可暫時(shí)規(guī)定為一個(gè)合理的應(yīng)用范圍，如1萬(wàn)次或更多。
根據(jù)有機(jī)電雙穩(wěn)材料的上述特殊性能，本發(fā)明提出的具有三端功能的兩端器件的設(shè)計(jì)方案如下以有機(jī)電雙穩(wěn)薄膜材料作為工作媒質(zhì)，以金屬膜和/或微型針尖作為兩個(gè)電極，具體說(shuō)就是以兩層金屬膜，或者一層金屬膜和一個(gè)微型針尖，或者兩個(gè)微型針尖作為兩個(gè)電極。這里的微型針尖通常為用于掃描隧道顯微鏡的探針頂端。
以兩層金屬膜作為兩個(gè)電極的，器件的結(jié)構(gòu)為平面夾層(sandwich)的形式，如圖3所示。即中間一層為有機(jī)電雙穩(wěn)薄膜層，其上下兩側(cè)為金屬膜層作為兩個(gè)電極。其制造方法如下，首先在基板上用蒸發(fā)法蒸鍍一層金屬薄膜，再用蒸發(fā)法蒸上一層有機(jī)電雙穩(wěn)薄膜，然后再蒸發(fā)一層金屬薄膜。把上下兩層的金屬膜作為電極，即構(gòu)成一個(gè)只有兩端的三端器件。本器件中的膜層也可用Langmuir-Blogett方法制備，即為L(zhǎng)B膜。
以一層金屬膜和一個(gè)微型針尖作為電極的器件結(jié)構(gòu)(簡(jiǎn)稱膜針結(jié)構(gòu)形式)如圖4所示。即中間一層工作媒質(zhì)為有機(jī)電雙穩(wěn)薄膜層，其下面一側(cè)為金屬膜層，上面設(shè)有一個(gè)微型針尖。該針尖的尖端尺寸通常為1個(gè)微米左右。本結(jié)構(gòu)中的金屬膜和有機(jī)電雙穩(wěn)薄膜可用前述的蒸發(fā)法或LB方法制備，微型探針可用掃描隧道顯微鏡(STM)技術(shù)或原子力顯微鏡(AFM)技術(shù)設(shè)置。
以兩個(gè)微型針尖作為電極的器件結(jié)構(gòu)(簡(jiǎn)稱雙針結(jié)構(gòu)形式)如圖5所示。即在有機(jī)電雙穩(wěn)薄膜層上面設(shè)置有兩個(gè)微型針尖。本結(jié)構(gòu)中，有機(jī)電雙穩(wěn)薄膜層可用前述的蒸發(fā)法或LB制備方法，微型針尖的設(shè)置可用STM技術(shù)或AFM技術(shù)設(shè)置。針?lè)ǖ募舛顺叽缈梢酝啊?br> 本發(fā)明提出的具有三端功能的兩端器件中，如果有機(jī)電雙穩(wěn)材料使用的是I型材料，這時(shí)，先加上直流電壓V，V＜Vt，然后再加上很小的交流控制電壓Δu，當(dāng)Δu正半周時(shí)，滿足V＋Δu≥Vt。Vt為該有機(jī)電雙穩(wěn)材料的躍遷閾值。根據(jù)I型有機(jī)電雙穩(wěn)材料的特性分析，本發(fā)明的兩端器件就構(gòu)成了一個(gè)放大器。
把Δu作為變量，因Δu很小，如與電子管的參數(shù)“互導(dǎo)S”(按定義S＝ΔI/Δu)相比，S特大。且其頻率響應(yīng)僅受τ決定。它與場(chǎng)效應(yīng)晶體管的區(qū)別是①導(dǎo)通以后材料的電阻率比半導(dǎo)體小很多，而且電流I原則上沒(méi)有限制，所以S可以很大。
②因?yàn)镾特大，所以即使Δu為正弦波，仍能得到類(lèi)似于方波的電流脈沖，因此特別適合于數(shù)字電路的放大。
③運(yùn)作速度不取決于半導(dǎo)體遷移率，因此完全可以不考慮有機(jī)材料遷移率較低的問(wèn)題。
本發(fā)明提出的具有三端功能的兩端器件中，如果有機(jī)電雙穩(wěn)材料使用的是III型材料，這時(shí)，先加上直流電壓V，V＜Vt，然后加上很小的直流控制電壓Δu，使V＋Δu＞Vt。根據(jù)III型有機(jī)電雙穩(wěn)材料的特性分析，本發(fā)明的二端器件就構(gòu)成了一個(gè)閘流管(或可控硅)。
與“可控硅”相比，用于脈沖電路和控制器系統(tǒng)時(shí)，本發(fā)明的器件速度快、功耗低、動(dòng)態(tài)電阻小，有很大的優(yōu)點(diǎn)。
上述兩種類(lèi)型的電雙穩(wěn)材料由于都是有機(jī)材料，因此在常規(guī)尺寸(微米級(jí))下可以用印刷法制備，工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，甚至配合塑料電子器件可用于“一次性使用”的場(chǎng)合。
尤其值得注意的是，由于有機(jī)材料能在尺寸變小甚至分子尺度時(shí)仍然維持塊材時(shí)的性能，本發(fā)明還可以做成極為微小的分子器件，如分子放大器和分子閘流管等。即以一個(gè)有機(jī)電雙穩(wěn)材料分子作為工作媒質(zhì)，采用膜針結(jié)構(gòu)形式以一個(gè)金屬膜層和一個(gè)微型針尖作為電極。其結(jié)構(gòu)如圖6所示也可以一個(gè)有機(jī)電雙穩(wěn)材料分子作為工作媒質(zhì)，采用雙針結(jié)構(gòu)形式以兩個(gè)微型針尖作為電極，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。其制備方法如下對(duì)于膜針結(jié)構(gòu)的器件，先用蒸發(fā)法在基板上蒸發(fā)一層金屬膜，再在金屬膜蒸發(fā)上一層有機(jī)電雙穩(wěn)材料薄膜，然后用掃描隧道顯微鏡(STM)或原子力顯微鏡(AFM)觀察，得到有機(jī)薄膜層的形貌圖，針對(duì)規(guī)定的分子位置(觀察時(shí)呈白色小點(diǎn))，降下STM或AFM的針尖，直至碰到分子為止，即得如圖6所示的分子器件。對(duì)于雙針器件，先準(zhǔn)備好兩個(gè)微型針尖，相對(duì)安放，測(cè)量控制兩針尖之間的距離為納米級(jí)(一般為1-4納米)，然后用蒸發(fā)法蒸發(fā)有機(jī)電雙穩(wěn)材料膜層，使材料分子落在雙針尖端之間，即得到如圖7所示的分子器件。按目前的工藝條件，一次制備可得到80多萬(wàn)個(gè)分子器件。上述分子器件中，微型針尖的尖端尺寸一般可為1個(gè)納米左右。
上述分子器件中，工作媒質(zhì)如果使用有機(jī)電雙穩(wěn)材料I型，則為分子放大器，如果使用有機(jī)電雙穩(wěn)材料III型，則為分子閘流管。在分子尺度下，電子在流動(dòng)時(shí)幾乎無(wú)能量損耗，因此可以滿足電子器件“更小、更快、更冷”的發(fā)展要求。但一般的分子器件要做成三端是幾乎不可能的，本發(fā)明則用兩端達(dá)到三端的效果和性能。本發(fā)明實(shí)際上提供了幾種新的納米電子器件，而任何(如硅、鍺、砷化鎵等)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體都不可能做成分子器件。
本發(fā)明的二端器件中，作為電極的金屬膜，其厚度一般為50-100納米，具體材料可以選用金、鉑等，有機(jī)電雙穩(wěn)材料可選用Ag-TCNQ、Cu-TCNQ、K-TCNQ、PAN、PAK等。其中TCNQ的分子式為C12H4N4，名稱為四氰基對(duì)醌二甲烷。
PAR的分子式為C11H9N3O2，名稱為4(-2-pyridylazo)resorcinol(參見(jiàn)Z.Y.Hua，G.R.Chen，W.Xu and D.Y.Chen，Appl.Surf.Sci.169-170(2001)p447-451).
本發(fā)明具有如下主要優(yōu)點(diǎn)1、用兩端器件代替三端器件，使設(shè)計(jì)和制作工藝都特別簡(jiǎn)單；2、器件的性能同雜質(zhì)和缺陷無(wú)關(guān)，因此受輻照后不會(huì)損壞；3、可以用印刷法制成價(jià)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、閘流管等性能的分子器件，而硅器件是無(wú)法做到的。


圖1為一種有機(jī)電雙穩(wěn)材料的伏安特性曲線圖，其中O到Vt的曲線段記為①，Vt到轉(zhuǎn)折點(diǎn)M的曲線段記為②，M點(diǎn)以上的曲線段記為③。
圖2為在V＋Δu條件下有機(jī)電雙穩(wěn)材料的電流曲線圖，其中Δu為交流控制電壓，V＜Vt，V＋Δu正半周＞Vt。
圖3為夾層結(jié)構(gòu)的二端器件結(jié)構(gòu)圖示。
圖4為膜針結(jié)構(gòu)的二端器件結(jié)構(gòu)圖示。
圖5為雙針結(jié)構(gòu)的二端器件結(jié)構(gòu)圖示。
圖6為膜針結(jié)構(gòu)二端分子器件結(jié)構(gòu)圖示。
圖7為雙針結(jié)構(gòu)二端分子器件結(jié)構(gòu)圖示。
圖中標(biāo)號(hào)為1為基板，2為金屬膜層(電極)，3為有機(jī)電雙穩(wěn)材料膜層。4為針尖(電極)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1金屬膜層3采用金材料，工作媒質(zhì)有機(jī)電雙穩(wěn)材料采用PAN，該材料的躍進(jìn)閾值Vt為4-5伏，其伏安特性曲線如圖1所示。其高阻態(tài)的維持時(shí)間τ幾乎為零，是一種I型有機(jī)電雙穩(wěn)材料。用蒸發(fā)法在基板1上依次蒸鍍金膜3、媒質(zhì)膜2、金膜3，金膜3的厚度約為100納米，媒質(zhì)層2的厚度約為50納米。即得夾層結(jié)構(gòu)的具有三端能性的二端器件，該器件可作為放大電路的放大器。
實(shí)施例2制作膜針結(jié)構(gòu)的閘流管，選擇Ag-TCNQ作為工作媒質(zhì)，其Vt＝4.2伏，τ→∞，為III型有機(jī)電雙穩(wěn)材料。先用蒸發(fā)法在基板1上依次蒸鍍金膜3、Ag-TCNQ膜層2，然后用STM技術(shù)，設(shè)置微型針尖4，針尖的尖端尺寸約為1納米，即得膜針結(jié)構(gòu)的具有三端性能的二端器件，該器件可以作為一種閘流管。
實(shí)施例3制作雙針結(jié)構(gòu)的分子器件，選擇PAR作為工作媒質(zhì)，其Vt為5-6伏，τ→0，為I型有機(jī)電雙穩(wěn)材料。準(zhǔn)備兩組微型針尖4，每個(gè)針尖的尺寸為1納米左右，兩組針尖的尖端相對(duì)放置，而相對(duì)的針尖的尖端距離為2-3納米。用蒸發(fā)法蒸鍍PAR膜層，使材料分子落在雙針尖端之間。每組針尖的數(shù)量可自由安排(一般為陣列式)，按目前的工藝水平，可一次制備得80多萬(wàn)個(gè)具有三端功能的二端分子器件，該分子器件可作為放大電路的分子放大器。
權(quán)利要求
1.一種具有三端性能的二端器件，其特征在于以有機(jī)電雙穩(wěn)材料作為工作媒質(zhì)，以金屬膜和/或微型針尖作為兩個(gè)電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二端器件，其特征在于為平面夾層結(jié)構(gòu)形式中間一層為有機(jī)電雙穩(wěn)材料膜層，其上、下兩側(cè)為金屬膜層，作為兩個(gè)電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二端器件，其特征在于為膜針結(jié)構(gòu)形式中間一層為有機(jī)電雙穩(wěn)材料膜層，其下側(cè)為金屬膜層，上側(cè)面設(shè)有一個(gè)微型針尖，作為兩個(gè)電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二端器件，其特征在于為雙針結(jié)構(gòu)形式一層有機(jī)電雙穩(wěn)薄膜層上面設(shè)置有兩個(gè)微型針尖。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3或4所述的二端器件，其特征在于所用的有機(jī)電雙穩(wěn)材料為I型，這時(shí)，先加上直流電壓V，V＜Vt，然后再加上交流控制電壓Δu，當(dāng)Δu為正半周時(shí)，滿足V＋Δu≥Vt。從而成為數(shù)字放大電路的放大器，這里Vt為該有機(jī)電雙穩(wěn)材料的躍遷閾值。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3或4所述的二端器件，其特征在于所用的有機(jī)電雙穩(wěn)材料為III型，這時(shí)，先加上直流電壓V，V＜Vt，然后再加上直流控制電壓Δu，使V＋Δu＞Vt，從而構(gòu)成閘流管，這里Vt為該有機(jī)電雙穩(wěn)材料的躍遷閾值。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的二端器件，其特征在于所用工作媒質(zhì)為的有機(jī)電雙穩(wěn)材料的單個(gè)分子，采用針膜結(jié)構(gòu)形式，構(gòu)成分子放大器。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的二端器件，其特征在于所用工作媒質(zhì)為有機(jī)電雙穩(wěn)材料的單個(gè)分子，采用雙針結(jié)構(gòu)形式，構(gòu)成分子閘流管。
全文摘要
本發(fā)明屬信息技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種利用有機(jī)電雙穩(wěn)材料制備的具有三端功能的兩端器件。該器件本身只有兩個(gè)電極,卻能達(dá)到“三端器件”的功能,故可用以代替普通的三端器件。它的制作工藝特別簡(jiǎn)單,可以用印刷法制成價(jià)格低廉的芯片。此外,本發(fā)明還可設(shè)計(jì)做成分子器件,如分子放大器、分子閘流管等。在此尺寸下電子的流動(dòng)幾乎無(wú)能量損耗,可以滿足“更小、更快、更冷”的要求。
文檔編號(hào)H01L51/00GK1333571SQ0112637
公開(kāi)日2002年1月30日 申請(qǐng)日期2001年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月30日
發(fā)明者華中一, 陳國(guó)榮 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)