多硅原子量子点和包含其的设备的制作方法

本发明一般涉及在另外的h封端的硅表面(otherwiseh-terminatedsiliconsurface)上形成量子点的多个悬空键(danglingbonds)(dbs)，特别是基于在这样的量子点上调节db的占据状态(occupationstate)的设备。

背景技术：

使用扫描探针显微镜技术，通常可以实现原子尺度的化学反应的诱导和可视化。在所谓的机械化学框架中，(1)已经使用ncafm研究了机械力诱导反应。(2)最近的工作报道了力诱导的原子尺度转换，(3)定量力测量以诱导单个原子(4)和分子的扩散，(5)以及研究分子构象异构体(6)和互变异构化。(7)其他研究表明机械诱导单原子垂直操作的例子。(8、9)然而，使用nc-afm直接观察两个不同原子的机械诱导的共价键合仍然很少。(10)

最近，技术上相关的h-si(100)表面上的硅悬空键(db)被建立为用于超越cmos技术的非常有前途的构建块。(11、12)db对应于来自另外的钝化的硅表面的解吸的单个氢原子。它近似于一个sp3杂化轨道，可以被2个、1个或0个电子占据，分别产生负、中性或带正电的db。因此，db基本上表现为单个原子量子点，在stm实验中报告了电荷状态转变。(13、14)由于在氢终止过程期间(hydrogenterminationprocedure)或使用stm尖端(tip)人工产生的缺陷，dbs可以在表面上原生地发现。不同的工作已经表明，在h-si表面上受控的逐原子光刻(atom-by-atom)，即氢解吸，允许为下一代最终小型化的低功率纳米电子器件创建基于db的电路。(11、12、15～17)

尽管已经广泛研究了stm尖端诱导的h-si(100)表面的氢解吸，(16、18～23)选择性吸附单个氢原子以钝化硅db的逆向操作仍然有待探讨。在这种情况下，afm可以通过识别不同的尖端动力学(24、25)和探测原子尺度的化学反应性来带来更多的见解。(26、27)

eigler等人可控制地将原子移动到表面上以实现其设计的结构，原子尺度计算的前景首先成为可能(1)。在随后的工作中，同一个实验室制作了分子级联，其中，与倒下的多米诺骨牌类似，末端分子倾向于倾斜于邻近的分子，该分子向下一个分子倾斜，依此类推(2)。级联的独立分支被巧妙地定时，以实现二进制逻辑功能的方式聚集在一起。随着这些结果，一个新时代开始了。但是，仍然存在妨碍实际应用的挑战，这些限制很难克服。其中一些挑战是；1)需要使图案化的原子在理想的室温下在实际操作温度下具有鲁棒性。最初的原子图案(atomicpatterns)非常精细地束缚，并且不会在约－250℃以上持续存在(1、2)。通常，足够鲁棒性以承受相对高的操作温度的结构的原子制造更难以制造。这是因为需要来自扫描探针的较大能量输入来去除和移动强结合原子，并且在这种条件下，探针内的共价键本身以与靶键相当的概率破坏(3)。2)图案化的原子需要与衬底电性不同，以便能够实现不被衬底短路或改变的传导通路。因此，对金属(4、5)进行的研究是最常见的选择，因此在这方面受到限制。在金属原子和通过盐层从金属基质分离的分子的研究中已经实现了分离，但是这些在层厚度的均匀性和对衬底的自发电荷损失的问题上存在限制(6、7)。

3)原子电路不得要求机械或其他复位过程(类似于将所有多米诺骨牌放回原位)，以防止电路可立即重复使用。

技术实现要素：

提供了一种多原子硅量子点，其包括在另外的h－封端的硅表面上的多个悬空键，每个悬空键具有+1、0或－1的三种电离状态中的一种并且分别对应于处于悬空键状态的0、1或2个电子。悬空键紧密靠近在一起并且在硅带隙中能量上具有悬空键状态，选择性地控制一个悬空键的电离状态。通过在多个悬空键中包括至少一个输入和至少一个输出来提供一类新的电子元件。还详细说明了选择性修改或创建悬空键。

附图说明

图1示出了3db链。(a，b)分别为－1.8v和1.4v的stm恒定电流图像。当前设定值为50pa。(c-e)在－1.8v、20pa的尖端高度处拍摄的di/dv图，其中在h-si二聚体上60pm尖端缩回(tipretraction)。收集每个di/dv图时的样本偏压(samplebias)标记在图的左上角。stm图像和di/dv图的比例尺显示在(a)中。(f)沿着覆盖在stm图像(a)上的3nm虚线以变化的能量进行di/dv线扫描。

图2示出了更长的db链。(a)4db链，(b)5db链，(c)6db链，(d)7db链。通过将dbs添加到4db链(a)的右上端形成5db(b)和6db(c)链。每列的第一个图像为在－1.8v、50pa的stm恒定电流图像。所有其他图像为在－1.8v、20pa的尖端高度处拍摄的di/dv图，其中在h-si区域上具有60pm尖端缩回。收集每个di/dv图时的样本偏压标记在图的左上角。每列的stm图像和di/dv图的比例尺显示在每列stm图像的底部。

图3显示了具有单个db(b)和裸二聚体(c)的7db链(a)的受控扰动。(a-c)中的顶部图像为在－1.8v下获得的stm恒定电流图像，电流设定点为50pa。底部图像是7db链的di/dv线扫描(linescans)和沿7db链中心轴的扰动特征，如(a)中stm图像上的虚线所示。di/dv线扫描的高度设定点为－1.8v、20pa，在h-si二聚体上具有60pm的尖端缩回。每个di/dv线扫描的x标度与每个stm图像的x标度对齐。(b)中的扰动单个db位于与7db链相同的二聚体行的一侧，在db和7db链之间具有一个介入的h-si二聚体。(c)中的扰动裸二聚体是通过去除与(b)中的原始扰动db相同的二聚体上的db而制备的。在所有di/dv线扫描中，与7db链相关的状态密度(statedensity)位于1nm至4.5nm的x位置。在(b)和(c)的di/dv线扫描中，单个db和裸二聚体的状态密度分别在～5.5nm的x位置处发现。

图4显示了图表。图4右侧的图表显示了原子力显微镜振荡频率随在探针和样品之间施加的电压变化的颜色编码曲线。明显的转变表示探针下方特定db的电荷状态转变。对于最扰动的db，～－.2的正常转变极大地偏移，并且在某种意义上与负电荷扰动一致。

图5示出了描绘了两个量子位(qubits)的图4的细节。当施加图4的相同扰动时，在最近的量子位中获得了相同的结果。值得注意的是，另外，观察到由扰动器直接偏置的量子位反过来又偏向于第二量子位。请注意，最扰动的dbs仍然存在但在此呈现几乎不可见。这些电子变化完全可逆。

图6a～6d示出了使用nc-afm探测原子硅量子点中的电荷态跃迁。图6a示出了3×3nm的填充状态stm图像(－1.7v和50pa)并且图6b为asiqd在0v处的相应频移图(zrel＝－350p.m，且amp＝100p.m)。图6c显示以asiqd(黑色)和氢封端表面(红色)的对数标度绘制的电流与偏压光谱。图6d示出了作为在asiqd上方测量的电压的函数的频移。

图7a～7i示出了对多原子硅量子点结构的极化效应。单个asiqd(图7a～7c)、2个隧道耦合asiqd(图7d～7f)和2+1结构(图7g～7i)的stm图像(－1.8v和50pa)、频移图(zrel＝－380pm和amp＝100pm)以及频移与偏压光谱(δf(v))。根据afm图像中的箭头对δf(v)光谱进行颜色编码。

图8a～8f示出了通过原子硅量子点(asiqd)构造的二进制线(binarywire)的信息传输。图8a示出了填充状态stm图像，而图8b为17asiqd线的相应频移图。颜色指南置于图8b中，以示出点的位置。图8c示出了在图8a的右侧添加的对称18原子asiqd线。图8d为点的频移图，示出了由白色虚线标记的对称分裂面，通过在左侧添加asiqd来破坏对称性的图8e19原子线。图8f为示出向右偏振的线的频移图。所有stm图像均在v－1.7和50pa下拍摄。所有afm图像均在0v下拍摄，相对尖端高度为z＝330p.m，并且振荡幅度为0.5°a。

图9a～9o示出了使用原子硅量子点(asiqd)构造的功能或门(functionalorgate)的示例。图9a、9d、9g、9j和9m示出或门的恒定电流填充状态stm图像(－1.8v，50pa)，并且图9b、9e、9h、9k和9n示出了相应的频移图(0v，z3.5a°)。图9c示出了或门的真值表，而图9f、9i、9l和9o示出了对应于所显示的各种门状态的切换输入和输出的模型。

图10a～10d显示了尖端诱导操作的图示，其可引起用单个氢原子进行尖端官能化。图10a示出了h-si(100)－2×1表面的球棍模型。图10b示出了使用非管能化尖端的典型无缺陷空状态stm图像，并示出了表面的二聚体结构。红点表示当应用图10a中所描绘的电子激发时stm尖端的位置。图10c示出了由尖端诱导的解吸产生的绿色硅悬空键和h－管能化尖端的球棍模型。图10d示出了利用h－管能化尖端获取的db的典型stm图像，其示出了特征性stm对比度增强(stmcontrastenhancement)。两个stm图像均以恒定电流模式采集，设定点为50pa、+1.3v。

图11a～11d显示物理吸附在hsi(100)表面上的单个氢原子的成像。图11a示出db的+1.3v处的(5×5)nm²stm图像，其中解吸的原子氢未被拾取，而是吸附在箭头所示的位置。图11b显示吸附在表面上的氢原子的(3×3)nm²stm图像，并且图11c示出了在0v时的相应afm频移图以及的相对尖端高度。图11d显示通过在v＝+1.6v的缓慢向下stm扫描拾取表面上的氢原子。所有stm图像都是在50pa的恒定电流。

图12a～12f显示了机械诱导氢-硅共价键的过程。图12a示出了使用单个氢原子官能化尖端在h-si(100)－2x1表面上的硅悬空键的典型填充态stm图像。黄色箭头表示缺陷作为参考。图12b显示了在表面氢原子上使用h－官能化尖端的δf(z)曲线。图12c示出了球棍模型并且图12d显示在机械诱导的si-h共价键封盖事件(si-hcovalentbondcappingevent)期间单个db上的δf(z)曲线。橙色箭头表示由于在尖端顶点处的h原子与硅悬空键之间形成共价键而发生的变化的滞后(放大插入)特征。图12e示出了stm图像并且图12f显示在图12d中的机械诱导反应之后的h-si表面上的δf(z)曲线。

图13a～13c显示使用h－官能化尖端在hsi(100)－2x1表面上的单个db的nc-afm表征。图13a显示记录在h-si表面(蓝色曲线)和硅db(红色曲线)上的δf(z)曲线。h-si表面上的db的(3×3)nm²频移图分别在相对大的图13b和小图13c的尖端-样本距离处。所有数据均在0v下获得，振荡幅度为

图14a～14h示出了多－db结构中的改变耦合和人工分子轨道。图14a示出了沿着相同二聚体行布置的h-si(100)表面上的两对耦合dbs。图14b示出了在图14a中的最右侧db的机械诱导封盖之后的相同区域的图像。图14c示出了三个隧道耦合dbs的(3×2)nm²stm图像。图14b示出了在擦除图14c中的中间db之后的相同区域。在－1.8v和50pa下获得恒流图像14a～14d。图14e～14f示出了ffilled(－2.0v，50pa)和图>14g～14h分别示出了在擦除图14e中最右边的db之前和之后的db线的空(+1.4v，50pa)状态的stm图像。四个(图14i)和三个(图14j)db线的3d模型。擦除的dbs的位置由虚线圆圈表示。

图15a显示物理吸附在化学惰性h-si(100)表面上的单个氢原子可以在低电压(+1.3v)下以填充状态稳定成像。然而，在(b)中当扫描电压增加到+1.7v时，氢原子被尖端拖动，这导致在stm图像期间db的封盖，如图像中途的对比度变化所示并通过与图15c中所示相同区域的后续stm图像确认。图15b和15c为图15a中区域的较大区域(10×10)nm²)图像。用箭头标记原子氢的位置。

图16a～16e示出了在不同尖端-样本高度处的h-si(100)表面的一系列原始(3×3)nm²nc-afm频移图。在0v下记录图像，且振荡幅度为图16a～16e显示了h-si表面上从原子到化学键对比度(chemicalbondcontrast)的演变。对于较小的尖端高度，db上的相互作用力比表面上的其他位置高得多。对应于在关闭反馈回路之前由stm成像设定点(30pa和+1.3v)定义的尖端位置。

图17a示出了在小尖端-样本距离处的单个db的nc-afm频移图，并且图17b示出了对应的同时获得的激励通道图。图17c示出了在相同db(红色曲线)和h-si表面(蓝色曲线)上记录的叠加激发与尖端高度曲线。

图18a～18d示出了根据本发明的制造和识别氢钝化尖端的方法。图18a示出了h-si表面的(20×20)nm²恒定电流(30pa，－2.0v)stm图像，其中(5×5)nm²裸硅区域在图像的中心处呈现为亮方形，并且通过尖端-诱导氢解吸获得。在尖端成形过程之后，stm图像变得非常尖锐(图18b)并且不再显示图18a中可见的双尖端效应。红色箭头表示尖端-诱导的硅二聚体氢终止的位置。图18c和18d分别示出了频率偏移与活性尖端(reactivetip)和钝化尖端的尖端-样本距离。

图19a～19h示出了在不同尖端高度处的一系列频移图。图19a示出了球棍模型，其示出了2x1重建中的h-si表面的三个硅层。图19b显示用钝化尖端获得的(2×2)nm²恒定电流(30pa，+2v)stm图像。图19c～h示出了在不同尖端高度处的h-si表面的一系列原始nc-afm频移图。在0v下记录图像，振荡幅度为

图20a～20c示出了来自dftb计算的模拟力图。图20a示出了在dftb计算中考虑的尖端结构和h-si板(slab)。图20b和20c分别示出了使用刚性尖端和柔性尖端在不同高度处的一系列模拟(2×2)nm²力图。

图21a和21b示出了冻结板(frozenslabs)的模拟力图。冻结板(上图)的局部侧视图及其模拟的力图(下图)。在a中，二聚体氢被固定在它们的松弛位置(relaxedpositions)，而在图21b中，它们稍微弯曲并固定，以获得相对于图21a在二聚体和二聚体氢之间的反向距离。

具体实施方式

本发明可用作多晶硅原子量子点(asiqd)，其是如晶体硅衬底晶格所允许的那样紧密间隔的集合，或者具有由h原子-封端的表面硅原子填充的居间空间(interveningspaces)的集合，形成一个细长的或简单的长量子点。作为本发明的操作元件的悬空键不是h原子封端的。

应当理解的是，也可以制造任何晶格所允许的其他形状。对于原子硅微粒，这些可称为asims。其他形状包括v形、y形、三角形、正方形和矩形。

如本文所用，量子点被定义为具有集体电子能级并且为一种人造分子。

长量子点可以为线性排列或晶格允许的任何其他形状。已经创建了asiqds的人造苯。已经形成了由2个、3个、4个、5个、6个、7个asiqds组成的简单线性密堆积排列，并且用覆盖一系列电压和跨越分子长度的空间线的di/dv图来表征。在一个比分子大的区域上记录了恒定电流、恒定高度和di/dv。这些图像显示了集合的集体分子状态的空间和能量变化。

分子的所有属性及其用途，本发明的asims具有相似的属性和用途。本发明的asim是定制的，并且形成为具有特定的光吸收和发射特性。

分子具有以下属性：用电场极化以呈现场失真的电子结构，通过添加或减去电子而电离，并进入化学反应。在asims的属性中，其允许它们用作经典二进制或模拟电路中的电子组件或用作具有量子电路的相干电子元件，包括：在一些发明实施例中使用电场诱导的改变的电子结构来传达远处的动作；asim的一端或区域的扰动或信号输入可以在asim的其他地方登记；该改变的接收器(receptors)或检测器可以有效地完成信息的传递；沿着asim的多个输入可以不同地和编程地改变电子结构，以便实现可以在asim上的一个或多个其他点处由接收器登记的计算。本发明的asims的集合，或等效地，具有间隙的分子？间距，可以表现出响应于扰动的电子结构的深刻变化：这种分子可以表现出2态二元行为，或者具有非常大的极化范围的连续可变电子行为；在二进制应用中，线性线状分子，或由许多这样的连续线段组成的更复杂的形状，将呈现两个纵向移位的电子状态，并且那些可用于表示、存储和传输二进制信息；并且在量子电子应用中，与上述相同的结构类型可以以称为j耦合的方式耦合具有耦合符号的远距离量子位。通常，j耦合指的是两个自旋(spins)之间的耦合，例如在ising模型中。这种j耦合类似于电路中的电容耦合，并且在量子计算文献中通常被称为zz耦合。基于asim的耦合器上的变体也允许称为xx耦合的类似电感的耦合。也可以制作其他变体。获得各种类型、优势和耦合的标志允许更多样化、更接近通用的量子计算。

在其中和根据需要的制造asims表示所谓的分子电子学的新的实际表达。不同于先前的尝试，其中分子化学是费力的并且大部分未被成功地引导到期望的位置，本发明通过在其中和根据需要制造线和其他部件来实现与线接触和其他部件的定位和接口。可以调整本发明的量子点和相关的界面组分，以便具有所需的尺寸、含量和性质。

asiqds的一个重要特性是其电子态处于晶体硅带隙中。同样，asims也有新的集体状态，这些状态也在带隙中。与asiqds之间的键合相关的分裂是0.1ev级，也将分子状态限制到间隙区域。

至关重要的是，asims的集体状态因此不能有效地与硅块电子态(siliconbulkelectronicstates)混合，允许在硅表面上形成原子尺寸线和其他电子经典和量子元件，并且在很大程度上是电气绝缘的，并且与块体解耦合，而不需要介入绝缘体。

消除对绝缘体的需要极大地减小了可以在硅表面上布线的导体的尺寸，同时还允许原子尺寸导体相对于下面的硅晶格完全有序。

这种线和其他元件的完美顺序和小整体尺寸允许或制造相同的结构。相同的结构具有同质性质。由具有同质性质的元件组成的电路和器件本身比具有一系列特性的元件制成的器件和电路具有更可预测的特性。

单电子晶体管可以由asiqds(semasim)制成。semasim包括至少两个密集包装的线单元，其中一个或多个原子用作中心的量子点。过去通过光刻技术制造的set电路在sets之间具有如此广泛的性质变化，实际上不能使这些可变sets的集合构成的电路起作用。相反，由相同的setasims创建的set电路在不需要调谐每个set的情况下起作用，因此制造和操作更简单且更具成本效益。

asimsets还将具有最小可能的电容，并因此具有在中心点上每个电子的最大可能充电能量，使得sets在室温或甚至更高的温度下容易起作用。可以构建由sets组成的高能效电路。

需要考虑衬底(substrate)。si(100)表面的单个硅二聚体上的两个紧密间隔的asiqds通常比2个或多个asiqds更强地相互作用。导致该特定情况的分裂产生与块硅价和导带共振的状态。因此，在单个二聚体上含有两个或asiqds的asims在带隙中不会具有asim。这些集合将泄漏或与块状态合并。

可以部署该泄漏以有目的地将asim与块体连接，以便电连接示例的asim。

如果耦合到si(100)上相同二聚体上的另一个asiqd，则具有间隙状态且具有+1、0或－1电子电荷状态的容量的单个原子可以不能保持电荷。这可用于消除充电中心和钉扎中心(pinningcenters)。

在si(111)表面上，asiqds永远不会接近3.84埃，因此不能获得足够大的分裂能量以产生与价带和导带共振的新电子态。

本发明的asiqd具有以下属性：在另外的h－封端的si(100)表面、或者h-si(111)表面或其他h-封端的硅表面上的多个悬空键(db)可以形成量子点；单个db是一个量子点，可以有三种电离态，它可以+1、0或－1带电，分别对应于db状态的0、1或2个电子；并且所有电荷状态都在硅块带隙(siliconbulkbandgap)中。应当理解的是，虽然已经针对h封端表面硅详细描述了本发明，但是类似的本发明装置形成在锗和碳的表面上方。适合于类似产生这种悬空键状态的其他衬底材料说明性地包括具有不完全表面钝化的半导体域，其特定形式包括质子化表面、半导体的局部掺杂和纳米晶畴，说明性地包括硅、各种外在和内在的单原子、二元和三元半导体示例性地包括硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、锗、砷化铟、锑化铟、砷化铝镓(galliumaluminumarsenide)、硫化镉、硫化锌、磷化铝铟、砷化镓铝(aluminumgalliumarsenide)、砷化铝铟、锑化铝镓、磷化镓铟，碲化铅锡、硒化铜镓、砷化锌锗和硫化铜铁，以及它们的有利晶体取向。

db状态的耦合通过将多个dbs紧密地放置在一起形成较大的量子点而发生。多个硅原子量子点msiaqd也在硅带隙中具有其状态。

处于间隙中的状态是至关重要且独特的。它允许块体和asiqd和msiaqd电子状态的解耦。这反过来意味着这种表面状态的电子与块体有效地电隔离。而这种隔离反过来意味着msiaqd实体不需要在它们与块体之间的电绝缘层。

在硅衬底上制造原子级电路时，有必要并希望为电路的有源实体(activeentities)提供超细、甚至原子级的布线。在这种导线和硅衬底之间需要绝缘体极大地使导线以及它们与地址有源实体的确切关系复杂化、扩大、并带来空间和成分的不确定性。本发明消除了对绝缘层的需要，并且以可再现的精确原子定义的特性制造导线的能力极大地促进和推进了制造原子级电路的行为。具体地，在电引线和它们所寻址的实体之间具有已知和不变的关系引起电路特性中的近乎零的不均匀性。

因此，本发明和这些技术在存储器元件、各种类型的经典电路以及宽范围的相干量子电路中是非常需要的。

本发明的点是独特的，因为电流不流过设备。

原子级设备元件

通过在扫描样品和afm尖端之间的偏压的同时记录afm信号来看到电荷状态转变。这种技术称为开尔文探针力显微镜技术，kpfm已被广泛应用于研究在探针和样品之间的接触电位差异，最近，用于检测单个金原子上的离散电荷状态跃迁。

stm图像清楚地揭示了h－封端硅上的硅悬空键集合的原子结构。收集的相同区域的afm图像使得图像由静电力支配，显示电荷的位置并因此显示门的逻辑状态。这些图像是在比用于原子分辨成像的稍大的尖端-样本分离距离处拍摄的。静电力具有比其他有助于afm成像的力更长的尾部，允许我们记录图像，这些图像是局部电荷的良好近似图。

隧道耦合的dbs对共同具有－1电荷。随着dbs之间的隧穿相互作用呈指数地下降，稍微进一步去除的扰动db不显着隧道耦合到该对并且反而作为固定电子电荷起作用。此外，扰动db不是库仑不稳定到足以失去其负电荷。相应地，扰动db和离该原子最远的db的kpfm跃迁能量，跟踪图9中的xx1和xx2，是相似的。中间db的kpfm迹线(trace)显示明显偏移的电荷跃迁能量。这种偏移是由于扰动db的排斥效应。因此，必须施加在探针和样品之间的相对正电压以记录该db的负至中性电荷状态跃迁。

换句话说，中间db在零探测偏压下看到，但是在负扰动db的影响下，已经处于中性状态。显然，隧道耦合的dbs形成双阱势(adoublewellpotential)，其可以通过电扰动而极化。在这个例子中，双阱倾斜到“左”，引起共用电子倾向于在那里定位。

固定电荷或可变偏压电极可将电荷定位到由两个隧道耦合dbs形成的双阱势的一侧。同样，由于原子硅量子点的较大集合，在更复杂的势能面中，施加的电势在空间上移动电子。这允许信息在空间电荷分布中被编码并且用于在不使用传统电流的情况下传输信息，每次操作具有最小的能量消耗，并且没有静态功耗。

图8a～8f示出了端对端对齐的多个db对。如前所述，在一端(右侧)施加单个扰动电荷以使所有对在两个可用的极化状态之一中对准，图8a和8b。在图8e和8f中，相同的线对(samelineofpairs)从另一侧极化。相应地，所有对都向右极化。用单个h原子可控制地封盖图8a和8b中的初始极化db，从而完全消除了在那里自动隔离一个电子的间隙状态，并且用作图8c和8d中的输入。为了证明双-态线可以以相反的方向极化，在左侧产生新的db，如图8e和8f所示。

不需要线路的重置操作。双态线立即准备再次运行。虽然没有从某些设想的应用中排除，但在本实施例中，扫描的探针仪器不是设备的组件，它仅是观察工具。

每个单元(cell)的原子数可以变化。另外的变体包括不同的内部和内部单元间距以及通过费米能级调整，不同的占据水平允许很多调谐属性的途径。对于此处所示的情况，已经估计到隧道速率(在一对中的两个dbs中，该对之间没有显着的隧道效应)大约是10fs。可以看出，在非常粗略的为隧道时间和单元数量的乘积的时间下，施加的极化态沿线路分布。这种传播模式取代了普通的rc时间常数，并且很容易允许thz时钟速率下的数据传输速率。

切换单元所需的能量大约是将输入电荷置于单个电子占据的2db单元附近所需的静电能量；约0.3ev。

图9a～9o示出了二进制逻辑或门。两个最顶部的分支是静电输入，下部分支是静电输出。图9c中所示的真值表的所有状态都在图9a～9d中示出。在输出分支的末端是一个用作“弹簧”的单个db。使用高度n型掺杂的硅，可以将负电荷置于电流结构中但不是正电荷。结果，该装置可以静电“推”但不是“拉”控制的电荷。为了将db对的相反极化状态建立为两个二进制状态，将弱扰动器放置在输出分支的末端。在输入端没有负电荷的情况下，线路向输入极化，产生标记为二进制状态“0”的内容。当负输入就位时，双态线翻转到状态“1”。由于门(gate)在输入端自然是负电荷排斥特性，因此确保了前一门的连接输出的正常功能所需的弹簧功能。

正如二进制线(binarywires)需要静电输入并提供静电输出一样，门也都接收和输出静电状态。在各种实施例中，二进制线可以与二进制逻辑门(thebinarylogicgates)组合。二进制线将二进制输入传送到门，并将来自门的二进制输出传送到后续门或如此计算的二进制信息的其他接收器。门的功能利用组合的量子力学和静电物理相互作用。

根据本发明的实施例，两个或多个asqds，适当地接近，从0.14nm到几十nm，进入量子力学关联，其允许电子在耦合的asiqds之间隧穿。静电效应(electrostaticeffects)来自asiqds核的正电荷和来自束缚于asiqds或靠近asiqds的电子。限制在门结构内的双阱势或多阱势的电子的静电位置体现了二进制信息。以静电幅度和空间布置的形式编码的信息为门提供输入。在接收输入时，门内的静电相互作用自发地引起空间电荷布置，其提供与特定门的真值表一致的逻辑输出。在输入信号到达后，输出信号所需的时间是在asiqds之间的电子平均隧道时间的小倍数(smallmultiple)。对于图9中所示的或门，那个时间<10^－13。或者，以速率表示，即10thz，即10,000ghz。

这里示出了单电荷原子形式的静态静电输入，以证明线(wires)和门(gate)的功能。模拟线可以在围绕费米能级的几十伏特范围内的任何电压下偏压并且具有纳伏或更精细的分辨率也可以用作线和门的输入。

比特能量(bitenergy)是从一个二元状态(binarystate)变化到另一个所需的能量，由asiqds之间的量子力学耦合的强度确定，并且对于最大耦合的asqds，等于0.3电子伏特。可以部署更宽间隔的asiqds以实现更小的耦合能量。该比特能量大于kboltzmannt，确保在所需的持续时间内保持在该材料系统中体现的信息的完整性。

根据各种实施例，可以对门和二进制线进行时钟控制，即，通过逻辑操作，信息通过的速率可以通过时变控制信号来调节。在这个基于asiqd的电路中，时钟信号提供增益。需要增益以确保在执行顺序操作时信号不会降级。在输入呈现时自发获得输出。与时钟信号协调的锁存电路(latchcircuiry)允许保留一个子电路元件的输出，以便用作后续电路级的输入。在一些发明实施例中，可以布置本发明的点以产生扇出(fanout)－即，复制扇出设备的一个输入以提供2个或多个输出。这允许任何阶段的输出为sg＝hared，具有任意数量的后续电路元件。

本发明提供了非常低功耗的电路。因为在该电路中没有采用晶体管，并且因为不需要电流来对门或其他元件充电，而且因为没有电流被发送到地，所以需要极少的功率来驱动该电路。固定数量的电子停留在每个电路元件内。电子仅在空间上重新排列以表示信息并引起计算发生。锁存输入在从输入到门输出的方向上强制执行信息流。随后的输出锁存引起信息传递到下一个电路级。根据各种实施例，可以采用异步以及同步和周期时钟和锁存。

本发明为门提供了许多结构选择。asiqds之间的间距大小和角度方向影响耦合强度、相互作用的类型。

根据一些实施方案，本发明提供了补偿我们的全负量子点的静电偏压。因为所有点都是零电荷或负电荷，所以可以推动电荷但不拉动电荷。因此，在电路元件的远端放置电荷以允许推动电荷，使其在偏压力的作用下自然地恢复平衡。

本发明还提供时钟，包括信息通道的调节和信号强度或增益的维持，通过局部费米能级调整来实现。在各种实施例中，靠近逻辑电路块的电极，包括多个输入、输出和门，升高或降低电路块附近的电势，以便改变asiqds的电子占用。要么改变阻止信息沿二进制线和逻辑门传递。通过在子电路的边缘处实施期望的输入值，同时费米能级调节电极返回到其对应于给出所需逻辑功能的电子占据的常规值，子电路达到没有扭结的基态并且确立正确的输出值。输出的稳定时间为10^－13秒。

本发明还提供基于正电荷和负电荷的电路。在不同的掺杂水平或不同的静电设定的费米能级下，电路由零电荷而不是负电荷量子点制成。这提供了二进制以及模拟和量子电路。这里用于经典计算的元件与其他组合一起可以由本发明的量子电路元件制成。

根据本发明的实施方案，量子点被封装。也就是说，本发明的量子点处于永久真空封装中。不紧邻另一个db的dbs通常对包括n2、o2和许多烃类的常见气体分子不起反应。

根据本发明的实施例，具有多个垂直模拟或二进制线的隧道耦合asiqds的线形成移位寄存器(shiftregister)。寄存器可以是任意长度的。类似地，提供环形振荡器。循环的逆变器序列形成环形振荡器。还可以制作闪存模数转换器和数模转换器。能够与外部或局部提供的电磁场(用于信号输入/输出或信号处理/转换)相互作用的谐振结构类似地被启用。

使用本发明，可以制造许多形式的a/d。特别感兴趣的是闪存a/d绘制低功率。本发明还提供了一种分频器。也就是说，用于无线电话前端的多级二进制分频器，输入频率高达10thz。

关于以下非限制性实验实施例进一步详述本发明。

实验设置

用扫描的探针显微镜的探针可控制地产生dbs。将大于用于成像的电压和/或电流短暂地施加到待去除的h原子上。当h原子被去除时，电流上升。在检查该变化并找到h去除，停止施加用于破坏特定目标si-h键的电气调节。重新成像显示新创建的db。通过将尖端放置在所需位置并移除多个h原子从而创建多个dbs来创建图案(patterns)。

锁定放大器在每个点处收集di/dv信号。因此，已经绘制出db链的状态密度ldos作为电压的函数(通常从－0.4v到－1.8v)。实验技术对z－漂移(尖端样品分离)不敏感，因为每次完成线或图时尖端高度被重置。沿着线移动或扫描图像所花费的时间估计z－漂移，最多3分钟，可以忽略不计。

在超高真空(uhv)下4.5k的omicron低温stm中进行实验。锁定放大器用于测量di/dv信号(调制频率为760～820hz，幅度为30mv)。

将掺杂砷(0.002～0.003mohm/cm)的si(100)样品在短时间内直接加热至1050c以进行氧化物解吸，并且在氢气暴露下在330c氢气终止～20s，形成h-si(100)2x1表面。众所周知，闪烁到1050℃并不会显着地去除近表面区域中的掺杂剂，因此均匀的掺杂剂分布一直持续到表面。

在uhv条件下，将多晶电化学蚀刻的钨尖端加热至～800c约2分钟以进行清洁和氧化物解吸。通过场离子显微镜(fim)检查它们的质量，并且氮蚀刻以获得单原子尖端。在stm测量期间，通过在施加－2至－3v的电压的同时使尖端与裸si的片轻微接触来进行小尖端修饰。

已经开发了一种算法来促进原子级精确的db图案化。将尖端放置在所需位置上，并施加一系列电压脉冲以解吸氢。通过比较施加每个脉冲之前和之后的电流设定点来检查成功的氢解吸。每个脉冲的电压幅度以小增量增加，直到检测到解吸。以这种方式，沿着二聚体行的同一侧并且在晶格允许的最近间隔布置(0.35nm)中图案化两到七个长db链。

实施例1

图1显示了沿si(100)h封端表面上的二聚体行的一侧形成的线性3dbmsiaqd的各种特征。

大di/dv与位置图形传达了关于局部状态密度的能量和空间分布的大量信息。换句话说，它显示了电子在哪里被定位，而不是在每个被探测的能量上。

在大多数能量下，显着地，在中心原子位置处观察到很小的状态密度。这与单一的asiqd结果非常明显不同。它清楚地显示了像原子轨道的量子力学重叠所产生的集合光谱的出现分子(emergentmolecule)。

闭合空间dbs形成大量电子共享键。利用扫描隧道显微镜(stm)以多种成像模式观察新出现的电子结构。空间点特定di/dv光谱显示明显的变化，表明新的电子结构。在特定v处拍摄的di/dv的整个2d图像示出了在新的多个硅原子量子点的区域上的该能量处的局部态密度变化。这是一种新的人工分子，具有定制的状态密度，允许外部施加(垂直)静电场(即费米能级可调)以改变横向2d电荷多极分布。结果，根据本发明的人造2d分子操作类似于场换能器，以允许外部垂直场(通过改变电荷的总电荷和/或空间占据)对表面上的横向场形状/锐度/方向进行前所未有的埃级别控制。

沿着从分子的一端到另一端的线截取的电压范围内的di/dv光谱揭示了分子的状态密度的整个光谱图。

注意到ldos中明显出现的结构，因为dbs靠近在一起(并且波函数重叠)。这证明了db波函数的混合和集体态的形成或者同样可以称为分子态的东西。

进一步到图1中的3db链。图1(a，b)分别显示在－1.8v和1.4v下收集的stm恒定电流图像。设定点电流为50pa。在填充状态下，3db链显示为两个亮点。在空状态下，3db链显示为遍布链长度的一个亮点。图1(c～e)示出了在三种不同偏置电压：－0.9v、－1.05v和－1.7v下取得的3db链的恒定高度di/dv图。请注意，三个di/dv图的色标对于每个图都是不同的。图1(f)示出了沿3db链的轴的di/dv线扫描图，如(a)中的虚线所示，从－0.4v到－1.9v，分辨率为10mv。对于(c～f)，在反馈环关闭后，在链附近的h-si二聚体上，尖端高度设定为－1.8v20pa，尖端缩回为60pm。随着电压的增加，我们观察到di/dv图和线扫描图案的变化。我们确定了这个3db链上di/dv图案具有不同特征的三个区域：从－0.6v到－1.0v，它们呈现出两个亮点。从－1.0v到－1.2v，它们在相同的空间位置呈现出两个黑点。我们观察到斑点内的负微分电阻，两个亮环环绕斑点。最后，从－1.2v到－1.9v，我们再次观察到两个亮点。

图2显示了各种其他链长的类似结果。在所有情况下，dbs之间没有si-h实体。相反，dbs与硅晶格一样靠近在一起，3.84埃。

当h原子介于dbs之间时，如在除了一个先前公开的实例之外的所有情况中的情况一样，不会发生原子态的强混合和结合，并且未观察到此处描述的质量。当在dbs之间存在介入h原子时，这种间隔很大的集合的图像只能揭示组成部分的质量的简单总和-不是-这里看到-新出现的属性与部件的属性非线性相关。

在图2中可以看出，作为组成原子数的函数以及能量和位置的函数，观察到不同的电子特性。

在图2中长度为4、5、6和7的db链的di/dv图中，每列对应一个db链长度。每列的第一个图像是该链的stm恒定电流图像，成像在－1.8v，设定点电流为50pa。剩下的图像是在尖端高度－1.8v、20pa处拍摄的该链的di/dv图，其中在h-si二聚体上具有60pm的尖端缩回。注意到di/dv图中的图案的所有链随着样本偏压而变化。亮点通常不对应于dbs的位置。因此，图案必须来自构成链的dbs之间的相互作用。大多数stm图像和di/dv图关于db链的中心对称。在(b，c)中的5和6db链是通过扩展(a)中的4db链而制备的。知道了这一点，我们注意到类似的特征在4、5和6db链的相似电压下出现：在－1.7v至－1.75v之间的样本偏压下，di/dv图显示的亮点数与链中的dbs数量相同。对于－1.8v样本偏压下的5和6db链，di/dv图显示具有负微分电阻的点。

图3与上述结果的定性不同，不仅在于它是七原子链，而且还证明了该链的电子扰动。

图3显示了局部电荷对7db链的扰动效应。未受干扰的链的stm图像和di/dv线扫描(图3(a))表现出出现图案(emergentpatterns)。图案关于db链的中心对称。显着的di/dv信号在约－0.6v的样本偏压下开始。

在图3(b)中，我们看到相同的7db链被二聚体行的同一侧上的单个db扰乱，一个介入的h-si二聚体。stm图像在距离db最远的链末端显示出更高的地形，并且与未受干扰的7db链相比，整体图案发生了变化。di/dv线扫描在距离单个db最远的链的末端显示出更高的状态密度。它们显示的图案与未受干扰的7db链条的图案非常不同。虽然从－0.6v至－0.9v可以看到微弱的di/dv信号，但它明显小于在未受干扰的7db链上在相同电压下看到的信号幅度。

这些观察结果表明，通过在7db链旁边放置db或局部电荷，我们静电地影响链并使其电子态密度偏离扰动的局部电荷。与未受干扰的7db链相比，局部电荷(localizedcharge)还增加了链上所有电子的能量，使得在较低电压－0.6v至－0.9v下的状态密度大大降低。

如这里使用的，单个db自然地在高度掺杂的衬底上获得负电荷。正是局部电荷静电改变了相邻msiaqd的特性。

令人惊讶的是，创建紧邻第一扰动db的另一个db，特别是在相同的底层si二聚体上，减少了位于附近的负电荷。电荷定位的这种减少是因为一个二聚体上2个dbs的强相互作用性质导致大的能量分裂。因此，新的对称和反对称状态-通常称为pi和pi星状态，分别与块硅价(bulksiliconvalence)和导电弯曲边共振。结果，电子不会定位，而是在这些频带中分配。

在用2个dbs的裸si二聚体替换单个扰动db时，显然7db链的stm图像和di/dv线扫描返回到未扰动状态。

除了显示电子扰动效应对msiaqd的可逆性之外，该效果证明了干净二聚体用作将诸如我们用asiqds及其集合创建的间隙状态连接到块状态的方式。可以通过块体提供连接和操作原子尺度结构所需的多个线中的一个线，从而大大减少所需的线数量，并降低复杂性，并增加电路密度和简单性。

成对dbs的端对端布置也可以形成有效线。在图4中，显示了2个dbs，在h-si(100)表面上被一个si-h单元隔开。这对是一个电荷量子位。该图的下部示出了相同的一对dbs被第三个带负电的db扰动。该对的极化是显而易见的。由于这些电荷感应原子力显微镜图像中的暗阴影对应于负电荷，我们看到最接近扰动的db呈现相对较少的负数。

在图5中，详细说明图4-显示了一个非常重要的细节-上面显示的效果。这里，形成两个量子位。当应用了与图4相同的扰动时-在最近的量子位中获得了相同的结果。值得注意的是，另外，由扰动器直接偏压的量子位反过来又偏压于第二个量子位。请注意，最扰动的dbs仍然存在但在此呈现几乎不可见。这些电子变化完全可逆。

这些结果显示了以前从未证明过的单原子和单电子电荷控制的程度。此外，还清楚地展示了利用和部署它以实现实体集群内的受控交互的能力。控制在硅上表现出来，使用我们想要的实体具有多样性。

实施例2

根据本发明的进一步实施例，该实验显示了从多个asiqds形成更复杂和更先进的原子级电子结构的能力。这种结构可用于二进制计算或原子二进制逻辑

图6a示出了通过尖端诱导的从h-si(100)表面解吸单个氢原子而产生的asiqd的恒定电流stm图像。在相对高的电压(例如－1.7v)下，带负电的asiqd在填充状态图像中出现由特征性小暗晕(17)围绕的明亮突起。在0v的相应频移图中(图6d))，在硅原子下面装饰的氢原子表现为在2×1表面重建中排列的亮突起。asiqd显示为暗特征，表明更高的尖端样本吸引力相互作用(19)。

图6c示出了在asiqd和h-si表面上方获得的i(v)光谱曲线，其中表面和asiqd均显示从－0.8至+0.2v的零电流带隙。图6d示出了的δf(v)光谱，即kpfm光谱，在asiqd上测定，偏压扫描范围为－0.6至0v，材料的带隙的范围无可用stm信息。有趣的是，在－250mv左右可以看到一个尖锐的台阶。先前的工作检查带电种类(6、21)，分子之间的电子转移(7)，以及nc-afm实验中量子点(25)的电荷状态变化已经表明这种类型的步骤特征对应于动态单-电子电荷状态变化。因此，基于先前的工作，可以将图6d中所示的步骤归属于asiqd的电荷状态跃迁，从负(双重占据)到中性(单独占据)电荷状态，分别在－250mv附近的δf(v)曲线中的步骤的右侧和左侧。

当2个asiqds紧密间隔时，在约1nm或更小的范围内，库仑斥力引起该对的额外电子中的一个在导带(14、22)中离域。电子的丢失在这对asiqds中创造了一种未被占用的状态。这和原子之间的低(0.5ev)和窄屏障使得成对的asiqds之间的隧穿成为可能。图7a～7i探讨了这些隧道耦合的asiqds对之一的极化。

图7a和7b示出了隔离的asiqd的stm图像和相应的频移图。该δf的(v)光谱(图7c)示出了在－0.2v的电荷跃迁步骤中，加入另外的asiqds，但小心以确保在加入asiqds无尖端的变化，并用afm和kpfm相同的参数。在图7d中，创建第二asiqd，其隧道耦合到图7b的第一asiqd。图7e中的afm图像显示在该对之间存在1个介入的氢原子，在两个asiqds上方观察到类似的对比度(contrast)。图7h中的kpfm测量证实了这，示出在2个asiqds几乎相同的afm曲线，电荷跃迁步骤转移到现在－0.25v附近出现的一个较小的负值。隧道耦合的asiqds对，共同地，具有－1电荷，这解释了这种横向转变(horizontalshift)。

图7g中添加了第三asiqd，图7f中的afm图像显示4h原子分离。这种扰动的asiqd并不显着隧道耦合到该对，因为隧道相互作用以指数方式下降，也没有库仑不稳定到足以失去其负电荷。在隧道耦合对中注意到鲜明的对比度。中间asiqd明显比最远的asiqd轻。深入研究并观察图7i中该“2+1”实验的kpfm曲线(颜色编码插图位于图7i的左下方)，注意到扰动asiqd(黑色)和asiqd最左侧(蓝色)的kpfm跃迁能量明显比中间asiqd(红色)更负。中间asiqd的kpfm迹线显示明显偏移的电荷跃迁能量至+200mv。这种偏移是由于扰动asiqd的排斥效应。必须施加探针和样品之间较小的负电压以记录该asiqd的负向中性电荷状态跃迁。换句话说，可以看出中间asiqd在零探测偏压下，但在负扰动asiqd的影响下，已经处于中性状态。很明显，隧道耦合的asiqds形成双阱势，可以通过电扰动极化。在这个例子中，双阱向左倾斜，引起共用电子倾向于在那里定位。

因此，本发明证明了固定电荷或可变偏压电极，其可以将电荷定位到由两个隧道耦合的asiqds形成的双阱势的一侧。这允许信息在空间电荷分布中被编码并且用于在不使用传统电流的情况下传输信息，每次操作具有最小的能量消耗，并且没有静态功耗。

扩展该原理，图8a～8f和9a～9o示出了端对端对齐的多个db对，产生原子二进制线和原子二进制门。这些图中显示的stm图像显示了原子的位置。另一方面，在某些高度范围内的afm图像显示了结构中电荷的位置，因此揭示了原子线或门的逻辑状态。值得注意的是，afm图像是在较大的尖端-样本分离处拍摄的，其中静电力是主要的，以便更容易地可视化信息的传输。因此，它们不能解析表面结构，如参考文献(26)和图6和7中所示。

图8a～8f示出了制造的17、18和19asiqd原子二进制线的stm填充状态图像。为清楚起见，添加每个结构下方的彩色圆圈以显示负(蓝色)、中性(浅绿色)和扰动(红色)asiqds的位置。图8a～8f示出了由8个耦合对和在最右侧充当扰动器的单独的未耦合db组成的原子二进制线。成对的dbs具有单个h原子分离，并且该对彼此是4个h原子。在图8a中的stm图像下方是图8b中的结构的恒定高度afm图像。如前所述，最右边的单个扰动电荷打破了对称性并诱导所有对在两个可用的极化状态之一中对齐(向左倾斜)。图8c示出了线的再对称化的stm图像，其中最右边的db现在变成耦合对。导线通过将图8d的频移图中的中间部分向左下降一半而向右下降一半作出反应。对称平面在afm图像中用白色垂直虚线标记。最后，在图8e和8f中，该对相同的线从相对侧极化，在左侧添加第19个db。导线通过假设另一个剩余的极化状态(向右倾斜)作出响应，反转图8a中所示的情况。

因此，本发明展示了可逆信息传递，其仅消耗与在耦合阱中重排电子相关联的熵能量，同时还示出不需要线路的复位。双态线立即准备再次运行。扫描的探针仪器不是设备的组件，它只是一个观察工具。

图9a～9o示出了根据本发明的二进制逻辑或门。两个最顶部的分支是输入，下部分支是输出。图9a示出了“中心”结构，其包括门：3个隧道耦合对，以锐角布置并在中心相交。源自任何静电影响的隔离，2d组件在该对之间经历静电排斥，其中电子定位到分支的外部，如图9b中的afm频移图中的对比度所示。

为了建立输出asiqd的相反极化状态，进行自适应并且使用较低输出分支的末端处的弱扰动器，如图9d中所示。这个扰动器充当“弱弹簧”，将最底部的asiqd从中心结构极化为中性，其被定义为0状态。这在图9e中以实验方式示出并且图9f中以图示方式示出。真值表的第一行用两个0输入建立，给出0输出。

当负输入位于图9g左上方、图9j右上方或图9m的两者的输入分支的任一位置时，在输出处克服弱弹簧，其中结构中的电子相应地重新排列并且将输出的0状态翻转为1状态，分别如图9h、图9k和图9n中的afm图所示。将其与图9i、9l和9o的门输出模型相关联，这实现了真值表的其余部分。为了完成真值表，图9j是通过钝化图9g左边的asiqd输入来实现的，采用机械钝化，并在右侧创建新输入。

作为施加电压的函数的局部力的光谱揭示了单个悬空键和集合体的电荷状态跃迁。已经示出了从左到右或二进制0和1状态的双点实体和长序列双点的单电子感应切换。已经示出了包括其真值表的所有状态的二进制或门。还可以设想，信号的扩展远远超出门输出以及not和and等功能。

因为门和门之间的二进制线仅需要单电子-级静电激励，并且因为不需要传统电流，所以功耗极低。由于耦合原子量子点中的隧道速率是飞秒数量级(关于量子位的njp论文2010)，信号传输和门控动作将很快。预计thz运行率。这里描述的方法可以实现超越摩尔技术(mooretechnology)的结合，因为它具有极高的速度和超低功耗，同时消除了晶体管。

实施例3-创建asiqd的过程

使用本发明的方法形成本发明的asiqds，其中使用afm传感器的尖端及其在表征和设计与纳米电子器件相关的基于硅db的结构中的应用垂直操纵单个h原子。在si-h表面上的局部尖端诱导激发之后，单个氢原子被解吸并且可以沉积在表面上，在stm和afm中具有稳定的成像，或者转移到尖端顶点。单个h原子官能化尖端通过频移与位移曲线(即δf(z))中的独特特征以及填充和空状态下stm图像的特征增强来识别。通过在没有偏压和电流的情况下，使h－官能化的尖端顶点非常接近db，形成单个氢和硅原子之间的共价键。stm图像和δf(z)曲线的后续变化证实，这种机械诱导的反应导致db与来自尖端顶点的氢的钝化。

co官能化的尖端对于表征金属表面上的吸附分子是有效的。(24、28)本发明的方法提供了制备和鉴定可获得且有效的h官能化尖端的方法的实施方案，其允许表征并且还诱导在h-si(100)表面上的基于db的结构的变化，通过选择性机械诱导的氢钝化或“封盖”(capping)。可以类似地制造氘封盖尖端。通过这些尖端可以实现asiqds的氘封盖。

在si(100)－2x1重建中，表面上的硅原子以二聚体组织。当在一氢化物重构中用氢钝化表面时，表面上的每个硅原子与单个氢原子共价键合，如图10a所示。图10b示出了使用非官能化尖端获取的典型无缺陷空状态stm图像(关于原位尖端制备的细节，参见方法和参考文献(29))。

图10c示出了在h-si(100)表面上的硅悬空键(以绿色表示)的3d球棍模型。为了产生单个db，stm尖端位于氢原子的顶部(图10b中的红点)，然后关闭反馈回路，并施加约2.3v的电压脉冲几毫秒。如图10c所示，这导致尖端顶点下的氢原子的选择性解吸，其通常转移到尖端。图10d示出了所创建的单个db的典型stm图像。根据文献中的早期研究，处于空状态的db表现为由特征性暗晕环绕的明亮突起。(11、14)。

根据本发明方法的实施方案，解吸的h原子大约50％的时间转移到尖端顶点，即形成h－官能化的尖端。在30％的情况下，解吸的h原子位于靠近刚刚创建的db的h-si表面上，如图11a所示。在剩余的20％的情况下，尖端顶点不会改变，并且在新创建的db附近看不到氢原子，这表明它可能吸附在远离顶点原子的尖端上，沉积在表面上离db更远的地方，或弹出真空。

图11a显示了在尖端诱导产生db后立即沉积在h-si表面上的单个氢原子的实例。通过以升高的正偏压拖动它来确认这样的物体是单个氢原子以钝化所产生的附近的db(图15a～15c)。有趣的是，氢原子在空状态stm图像中出现为由暗晕环绕的略微明亮的突起，如图11b所示。这表明充电效应引起类似于单个db的局部带弯曲(localizedbandbending)。(14、16)在相应的频移图(图11c)中，物理吸附的氢原子呈现为引起两个相邻二聚体对的晶格畸变。当在相对高的正电压(在图2-f的示例中为+1.6v)成像时，氢原子被尖端顶点拾取，如通过扫描中途的stm对比度的变化所证明的。

在图10a～d和11a～d的示例中，在创建db之后的增强的stm对比度是用解吸的单个h原子进行尖端管能化的第一强指示。在从表面解吸氢之前和之后，对比度分别从解析二聚体(resolvingdimers)(图10b)变为解析单个原子(图10d)。这类似于co分子所熟知的，一旦它被电压脉冲后的尖端顶点拾取，它就会增强stm和afm对比度。(24、30、31)通过研究力曲线来实现不同尖端动力学的识别。(25、29、32)机械诱导单个氢和硅原子的共价键合。图12a示出了使用本发明方法产生的具有硅db的h-si表面的填充状态stm图像。与空状态的情况类似，增强的stm对比度是显着的。事实上，h-si表面的典型填充状态stm图像通常仅显示二聚体行，(14)但在图12a中，清楚地解析二聚体行的二聚体。

在afm扫描模式中，扫描图12a的单个db，图12b示出了使用表面上氢原子顶部的氢官能化尖端记录的频移与位移曲线。当按照先前描述的程序制备管能化尖端时，总是看到大约－的最小值。这些特征归因于尖端顶点处的官能化原子的松弛。(7、28、33)。

当使用相同的管能化尖端在db上记录时，当尖端非常靠近db时，δf(z)曲线在前向和后向扫描之间表现出滞后，如图12c和12d所示，其表示afm结的变化。(10、33、34)当获取随后的stm图像时，注意到db被氢原子封盖。由黄色箭头指示的缺陷用作标记，表明图12e与12a完全相同的区域。另外，记录在表面的氢原子顶部的δf(z)曲线如图12f所示，不再表现出氢官能化尖端的最小特征。这表明产生最小力曲线的尖端确实用单个氢原子官能化。

产生增强的stm的尖端还系统地产生具有浅的最小值的特征力曲线。因此，改变stm对比度，例如图10d、11a和12a中所示，表示尖端顶点用单个氢原子的成功官能化。这对于通过封盖改变db工程结构相关的技术应用非常重要，因为用于检测h－管能化尖端的stm对比度的变化是比耗时获取δf(z)曲线更快的指标。事实上，使用stm对比度作为单独指标，可以产生规则的系统性、非尖端损伤和可靠的封盖。

在完全没有隧道电流的情况下，在0v下记录所有δf(z)曲线，并且仅当尖端达到足够接近的相互作用距离时才发生db的氢封盖(hydrogencapping)。因此，机械诱导硅-氢共价键合。值得注意的是，还观察到机械诱导的解吸，但是通常导致尖端结构变化或多个氢解吸，这与温和且精确的尖端诱导的解吸不同。在尖端顶点上拾取氢原子之前的初始尖端顶点结构从未完全相同。因此，与co尖端的情况类似，h尖端键在所有h－管能化尖端中不一定相同。这引起尖端高度的变化以诱导封盖。其他因素如传感器振荡幅度或δf(z)采集参数也起作用。

除了高分辨率afm成像之外，h－官能化尖端可以在逐原子光刻中实施，以产生和修改基于硅db的纳米电子元件。

afm提供了stm工作的重要补充视图，因为它允许表征dbs的化学反应性(chemicalreactivity)。此外，与stm不同，afm允许探测带隙中的dbs和db结构的电子特性，同时最小化来自尖端的扰动，例如，最小尖端诱导带弯曲和电子/空穴注入。(14、15)

图13a显示了使用表面氢原子(蓝色曲线)和单个硅db(红色曲线)上方的h－官能化尖端获得的力曲线。随后记录这些力曲线，其中对应于在关闭反馈回路之前由stm成像设定点(30pa和+1.3v)限定的尖端位置。因此，叠加2条曲线可以直接比较尖端-表面和尖端－db之间的相互作用力。值得注意的是，对于相对较大的尖端-样本距离，两条曲线几乎相同。仅对于小尖端高度(在该示例中约为－)是可见的差异，db显示与尖端的吸引力交互作用增加了很多。这表明短距离力是相互作用力的主要贡献者。(35)这也与db是化学惰性h-si表面上的反应性化学中心一致，其中沉积的分子可以选择性地吸附。(36、37)类似于先前报道的cu吸附在nacl上的金原子的情况(111)，(38、39)，由于db(11、13、14)上的局部负电荷引起的短程静电力很可能是db上大的尖端-样品相互作用的主要原因。

图13b和13c示出了使用h－管能化尖端在不同尖端高度处获取的频移图。在相对大的尖端-样品距离处(图13b)，装饰硅原子的每个氢原子清楚地出现并遵循2x1重建的二聚体结构。由表面上解吸的氢原子产生的db表现为暗原子大小的突起，引入了位于db上的更高的尖端-样品相互作用力。更接近表面(图16a～16e)，在h-si表面上看到从原子到键对比度的演变，如参考文献中详细讨论的那样。(29)如图13c所示，由于较大的吸引力，db表现为放大的特征。由于反馈回路不能保持恒定的振荡幅度，因此内部看到的扰动是激励通道中的伪像(artifact)(图17a～17c)。

由于尖端顶点用氢原子钝化，使得高分辨率键对比度成像成为可能。(24、29)后者可以被吸引以与硅db形成共价键，但仅在非常小的尖端-样品高度处。这表明h－官能化的尖端是坚固的并且可以用于成像反应性吸附物或表面缺陷。

使用具有stm尖端的逐原子光刻，可以利用dbs之间的耦合来创建功能db结构，例如qca电路、二进制线和逻辑门。(11、12、17)对于大的多原子这需要精确控制解吸，这是很难实现的，到目前为止还没有报道超过几个dbs。因此，非常需要一种校正或改变多db结构的技术。此外，封盖dbs允许从耦合的dbs调制工程量子态。(16)

图14a示出沿着相同二聚体行的两对独立的耦合dbs的填充状态stm图像。值得注意的是，h－管能化尖端具有增强的stm对比度特性。在图14b中，使用前一部分中描述的机械诱导的h-si共价键合选择性地封盖右侧db。图14b示出了stm对比度的变化，如先前在图11和12中所示。此外，图像右侧现在的单个db显示为一个明亮的突起，周围有一个小的暗晕，而另外两个耦合的dbs的外观没有变化。(11)

图14c中示出了类似的实验，其中使用h－管能化尖端对三个隧道耦合dbs进行成像。然后擦除中心db，通过拾取另一个氢原子使尖端重新管能化，并且剩余的两个dbs在图14d中重新成像。对于前后图像使用等效的氢尖端突出亮度的变化是耦合变化的结果，而不仅仅是终止原子的变化。

图14e示出了沿着相同二聚体行的四个dbs的填充状态图像，其中每个db由单个h原子隔开，如图14f的3d模型中所示。在相应的空状态图像(图14g)中，看到更复杂的结构，在可见端原子之间具有四个额外的亮突起。作为激发态分子轨道的额外突起来自多db系统的波函数重叠。我们在这里展示了这些人工分子轨道的主动修改，通过si原子(db)与尖端顶点上的氢原子的受控机械共价键合导致节点(nodes)消失。图14f和14h分别示出了擦除图14e中最右边db的改变的填充和空状态分子轨道。填充状态图像显示为对应于三个dbs的三个明亮突起，而空状态图像已被改变为现在仅具有2个亮突起而不是先前的4个。如图14e至14h所示，db结构使用改变前后的非管能化尖端。这进一步突出显示，从出现/消失的不同附加节点可见的dbs之间的耦合的变化不是由于尖端的变化，而是由尖端顶点上的氢擦除db的结果。

通过图14a～14h的实施例，可以看出受控的机械诱导的h和si共价键合允许db结构的非破坏性编辑。该技术还可以进一步应用于更复杂的基于db的模式和元件的驱动，其中db的擦除充当一种类型的开关。

实施例4-afm图像中化学键对比度(chemicalbondcontrast)的指示

观察到的化学键对比度通常被解释为分子的分子内结构或分子间键。有人提出，这种对比度产生于泡利排斥力(paulirepulsiveforce)，它在小的尖端-样本距离处变得占主导地位(1、18)。或者，它基于经典的力场模型(9、19)，据称尖端的柔性是导致afm图像中化学键对比度的主要效果。

当对h封端si(100)表面成像时，化学键对比度与2x1重建的硅共价键结构一致。该非平面表面在不同取向下呈现各种si-si和si-h键，其中h原子接近垂直于表面平面。首先，si-si二聚体平行于表面平面，提供第一未吸附的分子，用于测试afm成像键的能力。与迄今为止研究的碳质物质相比，键也是非常长的，与相比，允许探针更大地进入共价键合原子之间的空间。用h原子终止二聚体迫使组成硅原子保留sp³样特征，从而防止二聚体基本上从表面平面弯曲(24)。二聚体作为afm研究样本的另一个独特特征是其纯σ键特征。与迄今为止研究的π键不同，σ键在垂直于表面的方向上衰减得更厉害，因此更接近于“棍键”(stickbond)，我们在共价键合的原子之间示意性地绘制。最后，两个h封端二聚体上2个h原子的固定和确切已知接近端对端对齐(即相邻二聚体行中的两个二聚体)，当含h分子紧密并置时，提供了一个很好的机会来测试最近与键错误指示相关的猜想。

在用电子束和场离子显微镜(fim)进行非原位清洁之后，可以用氢封端的硅表面原位制备具有钨尖端的qplus传感器，以获得反应性或钝化的尖端，两者均由它们产生的典型力曲线识别。使用基于密度泛函紧束缚(dftb)的方法有效地模拟与dft相同的精度的afm图像。

使用电子束和fim实施非原位尖端清洁程序导致在接近之后立即扫描隧道显微镜(stm)表面的原子分辨率。然而，图像经常表现出伪像，例如图18a中所示的双/多尖端，这使得数据解释不准确。因此，有必要通过原位技术进一步处理尖端以获得单个原子尖端顶点。在研究金属表面时，通常通过将大电压脉冲和尖端的粗糙压痕(harshindentation)施加到表面中，然后使用诸如co¹的分子使尖端管能化来完成。使用温和的程序，其提供稳定的尖端而不破坏研究的表面区域。

该方法通过使尖端与硅表面受控接触而开始，这产生硅尖端顶点(26)。然后通过尖端-诱导的氢解吸在h-si(100)表面上产生裸硅区域(27～29)。在图18a的示例中，通过在4v和150pa下扫描约6分钟产生(5×5)nm²的正方形区域，用氢涂覆硅尖端顶点。然后在获取新的stm图像之前使尖端靠近裸硅区域以检查可能的尖端变化。重复该过程，直到获得如图18b所示的表面的清晰的无伪像stm图像。在图18b中的红色箭头指示小暗特征是在上述尖端制备和h封端过程完成之后产生的h－封端的硅二聚体。将尖端定位在无氢二聚体上，然后移动～更接近表面。重新成像揭示了新的h－封端二聚体。类似地，先前已经描述了制备的h－封端的二聚体(30)。由于h解吸制备过程，进行了具有h原子的硅二聚体的封盖以指示在尖端上存在多个h原子。

使用力谱法进一步确认尖端的钝化特征。在氢解吸过程之前获得的h-si表面的典型力曲线，如图18c的示例中那样，清楚地显示出非常活泼的特征。另一方面，之后获得的力曲线，如图18d中所示，示出了钝化的特征。这让人想起反应性金属尖端和co－钝化尖端之间观察到的差异(23、31)。接近非常接近表面的h－钝化尖端可导致将尖端改变为反应性。因此，可以在反应性和钝化尖端之间切换。

图19a呈现了h-si(100)－2×1表面结构的球棍模型，其中硅原子之间的不同σ键，特别是可以看到平行于表面平面的二聚体键以及硅背键(siliconbackbonds)。使用根据上述方法获得的稳定的钝化尖端，可以在如图19b中的stm成像小的无缺陷区域。然后关闭反馈环路，将偏压设置为0v，扫描仪切换到afm扫描模式。在关闭反馈回路之前由stm成像设定点定义的尖端位置被作为参考，即图2c～h显示了不同高度的一系列afm频移图。由于这些图像是以恒定高度模式拍摄的，因此更排斥的尖端-样本相互作用看起来更亮。在该实施例中，在处开始可见实质对比度(图19c)，其中我们清楚地看到单个原子呈现为明亮的突起并且以清晰的2x1重建来组织。在图19c中随着尖端更接近表面改善了信噪比并且原子对比度更清晰。将表面模型叠加到afm图像允许我们进一步强调，在该尖端-样本距离处，仅可见氢化硅原子。

然而，在随着尖端-样品距离减小，在二聚体的原子之间出现明亮且清晰的键合特征，如图19e中清楚所示。这些特征似乎是由于硅二聚体键。另外，根据图19a中的表面模型，一个注意特征(noticesfeatures)与在二聚体和第二层硅原子之间的背键一致。尽管此表面先前在实验上(32、33)和理论上(34、35)使用nc-afm进行了研究，但是与此处报道的已知键结构一致的图像演变是前所未有的。

有趣的是，当在图19f中将尖端高度减小到时，可以看出，除了硅内对比度增强之外，在两个氢原子之间的硅间二聚体行区域中出现新的尖锐特征。这些在图19g和19h中显得更加明显。与看起来对应于硅二聚体键的键对比度不同，二聚体间区域中的特征不对应于真实的化学键，如可以从硅表面的球棍模型理解(图19h)。此外，该模型显示该afm特征也不对应于第三层硅原子的位置。

值得注意的是，在成像期间改变尖端和衬底几何形状，尤其是在非常小的尖端高度处。为了确定未受扰动的衬底结构，有必要创建候选结构并使其经受一系列尖端高度的模拟成像过程。以这种方式进行的模拟捕获力-诱导的结构改变，从而产生可以与实验比较的建模图像。

为了模拟afm图像，重要的是选择正确的理论水平以适当地考虑必要的经历物理和化学，同时保持计算易处理。此外，在许多情况下，尖端和衬底的原子定义是必需的。在第一原理框架中，dft是首选，特别是当色散校正(dispersioncorrection)被认为包括大的尖端-样品分离时的小的长程力时。不幸的是，对于许多系统来说，dft在计算上是昂贵的，尤其是那些必须对块结构进行成像的系统，而不仅仅是分子。这里使用dftb，其以较低的计算成本可以提供与dft相当的结果，使用传统的半局部泛函(semi-localfunctionals)用于基于硅的系统(36)。

建模系统在图20a中示出。考虑尖端的金字塔状重建结构以倾斜的钝化硅二聚体结束，使得顶点是氢原子。该尖端由硅和氢原子组成，作为本工作中使用的钝化afm尖端的近似值。之前已经在文献中研究了类似的模型提示，称为“二聚体尖端”，并且已经报道了令人满意的结果(13、37、38)。在这里，我们在尖端的底部放置了更多的块状结构，其与硅悬空键的氢钝化一起引起更高的稳定性。这种结构可以通过各种从头计算法(abinitiomethods)进行几何优化，而不需要冻结基本原子，这引起无应变结构，增加了在尖端原子上读取的力的保真度。

对于衬底，使用由含有三个二聚体行且每行六个二聚体的h-si(100)－2×1硅板组成的超级单元(super-cell)。该板由10个硅层组成，其中底层用氢原子封端。该板的最下面的两个硅层和尖端的最上面的硅原子以及它们的钝化氢被固定以允许afm的恒定高度标准。剩下的原子被放松到的力阈值。

最初，尖端已经相对于衬底放置在不同的高度。高度测量为最上面的衬底原子和最下面的尖端原子之间的距离。松弛后读取尖端原子上的力，然后尖端在x－或y－方向上移动以进行下一个点计算。每个尖端高度处的扫描是从一个氢原子到沿着二聚体行的下一个等效氢原子进行的。在每个高度处，进行了大约3,000次几何优化计算，其结果如图20b所示。

与实验结果非常一致，可以看出，在较高的尖端高度处，二聚体原子表现为明亮的突起。随着尖端接近表面，原子特征开始变暗，而硅二聚体键区域中的特征开始出现。最后，在非常低的高度表观二聚体键及其组成原子是难以区分的。另外，注意到，在较低尖端高度图像处出现的间期区域中的假结合特征与实验结果类似。

接下来，讨论了尖端柔性(tipflexibility)在该表面的成像中以及在增强在不同二聚体行中相邻二聚体之间记录的afm形貌特征的影响，其中已经确定地知道不存在氢键或共价键。原子建模可以在这方面提供有用的见解。在模拟中，尖端柔性起着重要作用。通过限制一些结构松弛来解决这个作用。通过固定所有尖端原子同时让衬底的表面原子像以前一样松弛来执行另外的模拟组。结果如图20c所示，在二聚体键合区域中看到较厚的特征，并且即使在低尖端高度处也看到明亮的原子突起，这与实验不同。这是由于刚性尖端的运动自由度较低，这导致在其上读取更强的力。结果，键对比度稍微降低。然而，它显示了我们知道si-si键所在的键对比度。这表明尽管尖端柔性对于观察二聚体上的化学键状对比度不是必需的，但它肯定增强了这种对比度。此外，尖端的柔性使得二聚体间对比度更加明显。这让人回想起文献中关于co分子柔性在分子内和分子间的键合引起的对比度的作用的争论(9、10、16、17、22)。

为了突出对应于真实化学键的特征与出现在硅内二聚体区域中的特征之间的高分辨率afm图像的差异，使用两个不同的系统呈现另外的计算结果。计算是在非常低的尖端高度进行的。在这些情况下，尖端是柔性的，但衬底是冻结的。在第一个系统中，衬底如前所述，原子在松弛位置冻结。在第二个系统中，二聚体氢略微弯曲，同时保持它们的键长在平衡值(即)，以便二聚体和二聚体间氢之间的距离相对于平衡情况反转，如图21a和21b所示。这使我们有机会研究afm化学键对比度是否主要是由于si-si键，或者更多是柔性尖端扫描在紧密间隔的h原子上的结果。

在第一种系统中，如前所述看起来像二聚体键的东西是可见的，尽管由于衬底的刚性，一些对比度受到损害。有趣的是，在第二个系统中，尽管h-h距离在二聚体间区域比在二聚体上更短，但在si-si二聚体键之上图像对比度仍然更加清晰。如果在二聚体键合区域中看到的特征是由于柔性尖端与附着在二聚体上的h原子的卷积而产生的伪像，则可以看到二聚体键状特征在分离h原子时会减少。此外，在行间区域中可以看到比在二聚体上更强的特征，显然不是这种情况。这表明h-h轨道重叠不是实验中所见的二聚体键特征的主要贡献者。我们在这一点上再次注意到，与迄今为止成像的其他表面平行键合原子不同，它们是σ键合而不是π键合原子。

此外，来自图21b的结果帮助解释了在较低高度处的实验和理论afm图像中看到的背键特征的起源。如该图所示，二聚体内氢之间的距离为小于不同二聚体行上相邻h原子之间的然而，仍然可以看到预期硅背键的更加突出的图像特征(图19a)。在计算中，看起来硅原子和可能的si-siσ键是对应于背键的键特征对比度的主要贡献者，并且h-h重叠在这里起次要作用。

总之，本发明确立了可以可靠地制备和鉴定氢钝化的尖端。该钝化尖端用于成像h-si(100)－2x1表面。使用基于dftb的afm模拟方法，成功地再现了不同尖端高度的afm图像的演变。结果表明，尖端柔性增强并锐化afm图像中已知为真正共价键的外观。此外，显示紧密接近的非键合原子可以看起来键合，并且通过尖端柔性增强了错误印象。

本文引用的参考文献以引用方式并入，其程度如同每个参考文献通过引用单独和明确地并入。

如本领域技术人员将从前面的详细描述和附图和权利要求中认识到的，在不脱离所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以对本发明的优选实施例进行修改和改变。