一种光控基底热膨胀实现双向原子开关的方法与流程

本发明应用于双向原子级开关的制备，尤其是利用激光来实现，涉及分子电子学、纳米材料、化学等诸多领域。

背景技术：

随着信息时代的快速发展，对电子元器件的微型化、集成化要求迫切，分子电子学因此发展迅猛，其中开关元器件一直深受关注。相对于分子开关来说，原子开关(只有电极，没有分子)更稳定，重复性更高，且尺寸更小，能耗更低，更有潜力应用于存储器和可编程开关等。迄今为止，实现原子开关的方法有多种，比如，利用电场或者光场控制金属粒子在两端电极表面的氧化还原反应，促使金属桥在电极两端的形成与断裂，或是利用外加光场实现等离子体加热，使得两端电极热膨胀实现原子开关等。

机械可控纳米裂结(mechanicallycontrollablebreakjunction，mcbj)技术多用于形成和研究原子、分子电学特性，该设备稳定性好，装置简单，易操作，且具有很高的重复性。

聚酰亚胺材料具有高绝缘性能、优良的机械性能和耐高温性能，可在制备金属结时涂覆在弹簧钢片上作为绝缘层，形成基底。

本发明利用机械可控纳米裂结技术制备金属结原子级别电导值，再利用外加激光控制基底热膨胀实现金属结的原子开关，实现了亚埃米级精度的静态低噪声控制，且可以通过改变激光照射位置，实现双向的原子级别开关。

技术实现要素：

本发明提供一种光控基底热膨胀实现双向原子开关的方法，且激光不接触金属结即可实现原子级别的开关调控，另外，控制过程精度高、低能耗、低噪声，制备工艺简单，易于集成。

本发明所采用的实验方案是：一种利用光控基底热膨胀实现原子开关的方法，包括he-ne激光器，快门，偏振片，会聚透镜，基片，机械可控裂结装置，xyz三维平移台，半导体设备分析仪。其中基片组成是：一根中间带有刻痕的金线，由两个固定黑胶固定在涂覆一层聚酰亚胺绝缘胶的弹簧钢片上。

上述利用光控基底热膨胀实现原子开关的方法，所述快门置于he-ne激光器出光口后，将连续光变成周期光；两个偏振片、会聚透镜在光路传播的方向依次放置，其中第一偏振片和第二偏振片整体可调节入射光的强度，会聚透镜将光会聚照射在基片上；基片放置在机械可控纳米裂结装置上，机械可控纳米裂结装置可以对金属结进行拉伸和压缩，整体置于会聚透镜下面；半导体设备分析仪在金属结两端加偏压，测其电学信号。

上述利用光控基底热膨胀实现原子开关的方法，实验原理是，激光照射在基片上，绝缘胶产生热膨胀，带动两个固定黑胶运动，当照射在相对于金属结两个固定黑胶的不同位置时，固定黑胶的运动方向和大小都会不同，因此对固定在绝缘胶上面的金属结产生拉伸或者压缩的作用，以此实现双向原子开关效果。

本发明的技术优点是：该方法采用光控基底热膨胀来实现原子开关，可以远程控制，不接触式操控原子结的开与关，实现了亚埃级精度的静态低噪声调控。而且在实验过程中，对于基底材料和电极材料的使用有多样性，外加光的强度和电极两端偏压都极小，实现了低能耗。当原子结中间连接处切割或者光刻的足够细时，基片不需要通过机械可控纳米裂结装置拉伸，即可利用激光实现对金属结的原子级开关调控，有利于以后的集成化。另外，该方法通过改变光强大小和光照位置，调制原子结电导值的变化幅度以及变化方向，实现原子结的双向开关。

附图说明

为了使本发明的目的和技术方案更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述：

图1为光控原子开关示意图。

图2为光照在基底两个固定黑胶之间，在金线上或者平行金线区域示意图。

图3为光照射在基底两个固定黑胶之间，在金线上或者平行金线区域时(图2)，金属结电导值随着光照而下降，“开”表示周期光开。

图4为光照在基底两个固定黑胶之外，在金线上或者平行金线区域示意图。

图5为光照射在基底两个固定黑胶之外，在金线上或者平行金线区域时(图4)，金属结电导值随着光照上升，“开”表示周期光开。

图中：1是激光器，2是快门，3是偏振片，4是透镜，5是入射光，6是机械可控纳米裂结装置的固定端，7是固定黑胶，8是金属结，9是绝缘胶，10是弹簧钢片，11是机械可控纳米裂结装置的压电装置，12是半导体设备分析仪的电路图，13是第一黑胶移动位移，14是第二黑胶移动距离。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作详细说明。

实施例：在弹簧钢片(10)上涂覆一层绝缘胶(聚酰亚胺，hd-4100,～50μm厚)(9)，并在室温下放置24h，再截取一段金线(长度约150mm，直径100um，纯度99.99％)，在中间环切形成悬空金属桥(8)，利用黑胶(环氧树脂，stycast2850ft)(9)将切割好的金属结固定在基板上，形成待测的基片。将基片置于机械可控纳米裂结装置上，由两个固定端(6)固定，底部压电装置(11)可以在垂直方向上移动，在金属结两端加上固定电压13mv(12)，可测得金属结拉伸和压缩过程的动态电导值。当压电装置往上顶基片时，金属结慢慢被拉伸直至电导值降至约十倍g0(g0为单原子结电导值)。he-ne激光器(1)发出波长633nm、强度约0.4mw的激光，通过快门(2)变成周期光，两个偏振片(3)对光强大小进行调节，会聚透镜(4)将入射光会聚照射在基底上。

当会聚的入射光照射在两个固定黑胶之间，在金线上或者平行金线的区域(图2)，第一黑胶的位移(13)和第二黑胶的位移(14)，方向相反，对原子结产生拉伸作用，原子结电导值随着光照而下降(图3)；当会聚的入射光照射在两个固定黑胶之外的区域时(图4)，第一黑胶的位移(13)和第二黑胶的位移(14)，方向相同，大小不同，对原子结产生压缩作用，原子结电导值随着光照而下降(图5)。

虽然结合目前所做实验描述本发明，不过本发明不限于所公开的实施例，而意在覆盖所附权利要求的精神和范围之内的等效方法。

技术特征：

1.一种光控基底热膨胀实现双向原子开关的方法，其特征是：原子级别电导开关，利用光来进行双向调控。

2.根据权利要求1所述的光控基底热膨胀实现双向原子开关的方法，其特征是：通过机械可控纳米裂结装置的压电装置上下移动，得到金属结的原子级别电导值。

3.根据权利要求1所述的光控基底热膨胀实现双向原子开关的方法，其特征是：所用激光为he-ne激光器，波长632.8nm，光强0.4mw，光强通过两个偏振片进行控制，减小至0.1mw仍可实现原子开关。

4.根据权利要求1所述的光控基底热膨胀实现原子开关的方法，其特征是：弹簧钢片上涂有一层聚酰亚胺，金属结通过黑胶两端固定在聚酰亚胺基底上。

5.根据权利要求1所述的光控基底热膨胀实现原子开关的方法，其特征是：聚酰亚胺绝缘胶基底在光照下热膨胀，带动金原子结的两个固定黑胶移动，对原子结产生拉伸和压缩作用，实现原子开关。

6.根据权利要求1所述的光控基底热膨胀实现原子开关的方法，其特征是：改变光照在基底上与原子结两个固定黑胶的相对位置，可以实现原子结的双向开关。

7.根据权利要求1所述的光控基底热膨胀实现原子开关的方法，其特征是：利用两个偏振片调整入射激光强度，可以调控原子结电导值改变的幅值大小。

8.根据权利要求1所述的光控基底热膨胀实现原子开关的方法，其特征是：基底材料不限于使用聚酰亚胺绝缘胶，聚酰亚胺绝缘胶带或者直接用弹簧钢片，都可以实现激光控制的双向原子开关。

9.根据权利要求1所述的光控基底热膨胀实现原子开关的方法，其特征是：电极材料使用金、铝、铂都可以实现光控双向原子开关。

技术总结光控基底热膨胀实现原子开关，涉及分子电子学、纳米材料、化学等诸多领域，利用外加光使得基片上绝缘胶热膨胀，带动金属结两端电极的拉伸和压缩，实现光不接触式调控金属结电导值，通过改变光强和光照位置，金属结电导值变化幅度和方向也随之改变，实现了双向原子开关。解决了以往原子开关不易集成的不足，且实现过程耗能低、噪声小，有利于以后存储器和可编程开关等的集成应用。技术研发人员：向东;张素荣;倪立发;张伟强;郭晨阳受保护的技术使用者：南开大学技术研发日：2020.09.18技术公布日：2020.12.08