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KR20190031513A - 다수의 규소 원자 양자점 및 이를 포함하는 디바이스 - Google Patents

다수의 규소 원자 양자점 및 이를 포함하는 디바이스 Download PDF

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KR20190031513A
KR20190031513A KR1020197004675A KR20197004675A KR20190031513A KR 20190031513 A KR20190031513 A KR 20190031513A KR 1020197004675 A KR1020197004675 A KR 1020197004675A KR 20197004675 A KR20197004675 A KR 20197004675A KR 20190031513 A KR20190031513 A KR 20190031513A
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로베르트 에이. 월코우
로샨 아카이
탈레나 허프
하템 라비디
루시안 리바다루
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Abstract

각각의 비속박 결합이 비속박 결합 상태 중 0개, 1개 또는 2개의 전자에 각각 대응하고, 3가지 이온화 상태, 즉 +1, 0 또는 -1 중 하나를 보이는 다수의 비속박 결합을 또 다른 H 종단화 규소 표면상에 포함하는 다수의 규소 원자 양자점이 제공된다. 비속박 결합들은 서로 가까이 근접하여 모일 때 규소 대역 갭에서 에너지를 발휘하는 비속박 결합 상태를 보이되, 비속박 결합들 중 하나의 이온화 상태는 선택적으로 제어된다. 다수의 비속박 결합에 적어도 하나의 입력과 적어도 하나의 출력을 포함시킴으로써 신규의 전자 소자 군이 제공된다. 비속박 결합의 선택적 변형 또는 형성도 또한 상세히 기술되어 있다.

Description

다수의 규소 원자 양자점 및 이를 포함하는 디바이스
본 발명은 일반적으로 양자점을 형성하는 또 다른 H 종단화 규소 표면상 다수의 비속박 결합(dangling bond; DB), 그리고 특히 이러한 양자점 상 DB의 점유 상태 변조를 기반으로 하는 디바이스에 관한 것이다.
스캐닝 탐침 현미경 기술이 이용됨에 따라 화학 반응을 원자 규모로 유도하고 가시화하는 것이 어렵지 않게 달성될 수 있게 되었다. 소위 "기계화학"이라는 분야의 틀 안에서 (1) 기계적 힘으로 유도되는 반응은 NCAFM을 사용함으로써 연구되어 왔다. (2) 최근 연구들은 힘으로 유도되는 원자 규모 스위칭(force induced atomic-scale switching), (3) 단일 원자 및 (4) 분자의 확산을 유도하는 힘의 정량적 측정, 그리고 (5) 분자의 형상이성체와 (6) 호변이성체화의 연구 결과를 보고하였다. (7) 다른 연구들은 단일 원자의 기계적 유도성 수직 조작의 예들을 보여주었다(8,9). 그러나 NC-AFM을 사용하여 2개의 상이한 원자간 기계적 유도성 공유 결합을 직접 관찰하는 것은 아직 드문 실정이다(10).
최근 들어, 기술적으로 유관한 H-Si(100) 표면상 규소 비속박 결합(Dangling Bond; DB)이 CMOS 기술을 넘어설, 매우 전도유망한 구축 기반으로서 확립되었다(11,12). DB는 다른 부동태화 규소 표면으로부터 탈착된 단일 수소 원자에 대응한다. 이는 2개, 1개 또는 0개의 원자에 의해 점유되어 각각 음하전, 중성 또는 양하전된 DB를 형성할 수 있는 sp3 혼성 궤도와 거의 동일하다. 그러므로 DB는 본질적으로 STM 실험에서 보고되는 하전 상태 이행(transition)을 보이는 단일 원자 양자점으로서 거동한다(13, 14). DB는 수소 종단화 과정 중 결함이 발생함으로 말미암아 표면상에 자연적으로 발견될 수 있거나, 또는 STM 팁이 이용될 때 인위적으로 형성될 수 있다. 상이한 연구들은, H-Si 표면상 제어형 원자 대 원자 리소그래피, 즉 수소 탈착이 궁극적으로 소형화된 차세대 저 전력 나노전자 디바이스용 DB 기반 회로의 제조를 가능하게 함을 보여준 바 있다(11,12,15-17).
비록 H-Si(100) 표면으로부터의 STM 팁 유도성 수소 탈착이 광범위하게 연구되어 오고 있지만(16, 18-23), 규소 DB를 부동태화하기 위한 단일 수소 원자의 선택적 흡착 역 조작(reverse manipulation)에 관하여는 아직도 연구중이다. 이러한 상황에서 AFM은, 상이한 팁 역학의 동정(identification)을 허용하고(24,25), 화학 반응성을 원자 규모로 탐침(probing)함으로써(26,27) 더욱 많은 통찰력을 가져다줄 수 있다.
Eigler외 다수가 표면상에서 원자들을 제어하면서 이동시켜 이 원자들 디자인으로 이루어진 구조를 달성하였을 때에 비로소 원자 규모 연산의 가능성이 열리게 되었다(1). 동일 연구팀은 추후 연구에서 종단 분자가 이웃하는 분자를 넘어뜨려 그 위를 덮고, 또 다음 분자를 덮고 하는 식의, 마치 넘어지고 있는 도미노 조각들과 유사한 분자 케스케이드를 개발하였다(2). 케스케이드의 별도 분지(branch)들은 2원 논리 함수들을 달성하는 방식으로 정교하게 타이밍이 조절되면서 함께 진행되었다. 이러한 결과들로써 새 시대가 열렸다. 그러나 실제의 응용을 가로막는 난관은 여전히 남아있고, 이러한 한계들은 극복하기 매우 어려웠다. 이러한 난관들 중 몇 가지는 다음과 같다: 1) 패턴 형성 원자가 실제 작업 온도, 이상적으로는 실온에서 견고하게 유지되어야 한다는 점이다. 초기 원자 패턴은 매우 정교하게 결합되어 있지만, 약 -250℃ 이상에서는 그 상태가 지속되지 않았다(1,2). 일반적으로 비교적 높은 작업 온도에 충분히 견딜 수 있도록 견고한, 원자로 된 구조의 제작은 달성하기가 더욱 어렵다. 이는, 스캔된 탐침으로부터 유래하는 더 큰 에너지 입력(energy input)이 강하게 결합된 원자들을 떼어내어 이동시키는데 필요하고, 이러한 조건하에서 탐침 자체 내 공유 결합들은 표적 결합이 파괴될 확률과 거의 동일한 일말의 확률로 파괴되기 때문이다(3). 2) 기판에 의해 변경 또는 단락되지 않는 유도 경로가 진행 가능하게 하기 위하여 패턴 형성 원자들은 기판과 전기적으로 구별되어야 한다. 그러므로 가장 흔히 선택되는 금속을 대상으로 한 연구들(4,5)은 이러한 점에서 제한이 따랐다. 금속 원자에 관한 연구와, 염 층에 의해 금속 기판과 격리된 분자에 관한 연구에서 절연이 달성되었지만, 이러한 금속 원자 및 분자는 층 두께의 균일성에 대한 한계와, 전하의 기판으로의 자발적 소실이라는 문제를 가지고 있다(6,7). 3) 원자 회로는 회로가 즉각적으로 재사용될 수 있게 되는 것을 막는 공정, 즉 (모든 도미노 조각들을 다시 일으켜 세우는 것과 유사한) 기계적 공정 및 여타의 재설정 공정을 필요로 해서는 안된다.
각각의 비속박 결합이 비속박 결합 상태 중 0개, 1개 또는 2개의 전자에 각각 대응하고, 3가지 이온화 상태, 즉 +1, 0 또는 -1 중 하나를 보이는 다수의 비속박 결합을 또 다른 H 종단화 규소 표면상에 포함하는 다수의 규소 원자 양자점이 제공된다. 비속박 결합들은 서로 가까이 근접하여 모일 때 규소 대역 갭에서 에너지를 발휘하는 비속박 결합 상태를 보이되, 비속박 결합들 중 하나의 이온화 상태는 선택적으로 제어된다. 다수의 비속박 결합에 적어도 하나의 입력과 적어도 하나의 출력을 포함 시킴으로써 신규의 전자 소자 군이 제공된다. 비속박 결합의 선택적 변형 또는 형성도 또한 상세히 기술되어 있다.
도 1은 3 DB 사슬을 보여주는 것이다. (a) 및 (b) -1.8 V 및 1.4 V 각각에서의 STM 정전류 영상. 전류의 설정 점은 50 pA였다. (c) ~ (e) 어떤 팁 높이에서 -1.8 V, 20 pA일 때 작성된 dI/dV 맵(H-Si 이량체에 대한 팁 수축길이 60 pm). 각각의 dI/dV 맵 수집 동안의 샘플 바이어스는 맵의 좌측 상단 코너에 표시되어 있다. STM 영상에 대한 축척 바와 dI/dV 맵이 (a)에 제시되어 있다. (f) STM 영상(a) 위에 그려진 3 nm 점선을 따라 다양한 에너지에서 스캔되었을 때의 dI/dV 라인스캔.
도 2는 길이가 더욱 긴 DB 사슬들을 보여주는 것이다. (a) 4 DB 사슬, (b) 5 DB 사슬, (c) 6 DB 사슬, (d) 7 DB 사슬. 5 DB 사슬(b) 및 6 DB 사슬(c)은 4 DB 사슬(a)의 우측 상단 말단에 DB들을 부가함으로써 형성되었다. 각 컬럼의 처음 영상은 -1.8 V, 50 pA에서의 STM 정전류 영상이다. 다른 영상은 모두 어떤 팁 높이에서 -1.8 V, 20 pA일 때 작성된 dI/dV 맵(H-Si 영역에 대한 팁 수축길이 60 pm)이다. 각각의 dI/dV 맵 수집 동안의 샘플 바이어스는 맵의 좌측 상단 코너에 표시되어 있다. 각 컬럼의 STM 영상 및 dI/dV 맵 둘 다의 축척 비는 각 컬럼의 STM 영상 하단에 제시되어 있다.
도 3은 단일 DB(b) 및 나출 이량체(bare dimer)(c)에 의한 7 DB 사슬(a)의 제어 섭동을 보여주는 것이다. (a) ~ (c)의 상단 영상들은 -1.8 V 및 전류 설정 점 50 pA에서 촬영된 STM 정전류 영상이다. 하단 영상들은 7 DB 사슬의 dI/dV 라인스캔과, 7 DB 사슬의 중앙축을 따르는 섭동 무늬((a)의 STM 영상 위에 도시된 점선으로 표시)이다. dI/dV 라인스캔의 높이 설정 점은 -1.8 V, 20 pA일 때였고, 이때 H-Si 이량체에 대한 팁 수축길이는 60 pm이었다. 각 dI/dV 라인스캔의 x 스케일은 각 STM 영상의 x 스케일과 함께 나열되었다. (b)의 섭동성 단일 DB는 이량체 열 중 7 DB 사슬이 있는 쪽과 동일한 쪽에 위치하되, 다만 DB 사슬과 7 DB 사슬 간에는 하나의 개입 H-Si 이량체가 존재한다. (c)의 섭동성 나출 이량체는 (b)의 원 섭동성 DB가 있는 이량체와 동일한 이량체 상의 DB를 제거함으로써 생성되었다. dI/dV 라인스캔 결과 모두에 있어 7 DB 사슬과 연관된 상태 밀도(state density)는 x 위치에 1 nm 내지 4.5 nm에서 발견된다. (b) 및 (c)의 dI/dV 라인스캔에서, 나출 이량체 및 단일 DB의 상태 밀도 각각은 x 위치 약 5.5 nm에서 발견된다.
도 4는 그래프를 보여주는 것이다. 도 4의 우측 그래프는, 탐침과 샘플간에 적용된 전압의 함수인, 원자력 현미경 진동 주파수 변화에 관한 색 암호화 곡선을 보여주는 것이다. 확연한 이행부는, 탐침 아래 특정 DB의 하전 상태 이행을 나타낸다. 보통 약 -.2만큼의 이행은 가장 많이 섭동된 DB에 대해 매우 멀리 이동한 경우로서, 어떤 의미에서는 음 하전 섭동과 일치한다.
도 5는, 2개의 큐비트를 도시한 도 4를 상세히 나타낸 것이다. 도 4의 동일 섭동이 적용될 때, 가장 근접한 큐비트에서 동일 결과가 달성되었다. 게다가 주목할만한 점은 섭동체에 의해 직접 바이어스된 큐비트는 차례로 제2의 큐비트도 바이어스시켰다는 점이다. 가장 많이 섭동된 DB는 여전히 존재하지만, 여기에서는 거의 눈으로 확인하지 못하였음에 주목한다. 이러한 전자의 변화는 전적으로 가역적이다.
도 6a ~ 6d는, NC-AFM을 사용하여 규소 원자 양자점에 있어 하전 상태 이행을 탐침한 결과를 보여주는 것이다. 도 6a는 3 x 3 nm 충전 상태 STM 영상(- 1.7 V 및 50 pA)을 보여주고, 도 6b는 0 V에서의 ASiQD의 주파수 이동 맵(zrel = -350 p.m 및 Amp = 100 p.m)에 해당한다. 도 6c는 ASiQD(흑색) 및 수소 종단화 표면(적색)의 지수 스케일로 플롯화된 전류 대 바이어스 분광도를 보여주는 것이다. 도 6d는 ASiQD 위에서 측정된, 주파수 이동을 전압의 함수로서 보여주는 것이다.
도 7a ~ 7i는, 다수의 규소 원자 양자점 구조에 대한 분극 효과를 보여주는 것이다. 단일 ASiQD에 대한 STM 영상들(-1.8 V 및 50 pA), 주파수 이동 맵(zrel=-380 p.m 및 Amp = 100 p.m), 그리고 주파수 이동 대 바이어스 스펙트럼(Δf(V))(도 7a ~ 7c), 2개 터널 결합 ASiQD(도 7d ~ 7f), 그리고 2+1 구조(도 7g ~ 7i). Δf(V) 스펙트럼은 AFM 영상들의 화살표에 따라 색 암호화되어 있다.
도 8a ~ 8f는, 규소 원자 양자점(ASiQD)으로 구성된 2원 와이어를 통한 정보 전달을 보여주는 것이다. 도 8a는, 충전 상태 STM 영상을 보여주는 것이고, 도 8b는 17 ASiQD 와이어의 주파수 이동 맵에 해당한다. 점들의 위치를 보여주기 위한 색 가이드가 도 8b에 제시되어 있다. 도 8c는, 도 8a의 우측에 부가되어 생성된 대칭적 18 원자 ASiQD 와이어를 보여주는 것이다. 도 8d는 흰색 점선에 의해 표시되는 대칭적 분할면을 보이는, 점들의 주파수 이동 맵이다. 도 8e는 좌측에 ASiQD가 부가될 때 대칭성이 파괴되는 19 원자 와이어를 보여주는 것이다. 도 8f는 우측에 분극된 와이어를 보이는 주파수 이동 맵이다. 모든 STM 영상들은 -1.7 V 및 50 pA에서 촬영되었다. 모든 AFM 영상들은 0 V에서 촬영되었는데, 이때 상대적 팁 올림길이인 z는 330 p.m이고, 발진 진폭은 0.5A이다.
도 9a ~ 9o는, 규소 원자 양자점(ASiQD)을 이용하여 구성된 작동성 OR 게이트의 예들을 보여주는 것이다. 도 9a, 9d, 9g, 9j 및 9m은 OR 게이트의 정전류 충전 상태 STM 영상들(-1.8 V, 50 pA)을 보여주고, 도 9b, 9e, 9h, 9k 및 9n은 대응하는 주파수 이동 맵들(0 V, Z 3.5 A)을 보여주는 것이다. 도 9c는 OR 게이트의 진리표를 보여주는 한편, 도 9f, 9i, 9l 및 9o는 도시된 다양한 게이트 상태에 대응하는 스위칭 입력 및 출력에 대한 모형을 보여주는 것이다.
도 10a ~ 10d는 단일 수소 원자로 팁 활성화를 초래할 수 있는 팁 유도 조작의 예시를 보여주는 것이다. 도 10a는 H-Si(100)-2x1 표면의 '볼 앤드 스틱' 모형(ball and stick model)을 보여주는 것이다. 도 10b는 비활성화 팁이 사용될 때의 STM 영상으로서, 표면의 이량체 구조를 보여주는 전형적 무결함 빈 상태(empty state)의 STM 영상을 보여주는 것이다. 적색의 점은, 도 10a에 스케치된 전자 여기 상태가 적용될 때의 STM 팁 위치를 나타낸다. 도 10c는 규소 비속박 결합(녹색)과, 팁 유도 탈착으로 말미암은 H 활성화 팁의 '볼 앤드 스틱' 모형을 보여주는 것이다. 도 10d는 H 활성화 팁으로 얻어진 것으로서, 특징적인 STM 콘트라스트 증강을 보여주는 DB의 전형적 STM 영상을 보여주는 것이다. 두 STM 영상들은 설정 점 +1.3 V 및 50 pA일 때의 정전류 모드에서 획득되었다.
도 11a ~ 11d는 HSi(lOO) 표면상에 물리흡착된 단일 수소 원자의 영상화 결과들을 보여주는 것이다. 도 11a는 +1.3 V에서 DB의 (5x5)nm2 STM 영상을 보여주는데, 다만 여기서 탈착된 수소 원자는 픽업(pick-up)되지 않는 대신에 화살표로 표시된 위치에 흡착된다. 도 11b는 표면상에 흡착된 수소 원자의 (3x3)nm2 STM 영상을 보여주고, 도 11c는 이에 대응하는, 0 V 및 상대적 팁 올림길이 z= -3.8 Å에서의 AFM 주파수 이동 맵을 보여주는 것이다. 도 11d는, 표면상 수소 원자가 저속 하향 STM 스캔(V = +1.6V)에 의해 픽업되는 것을 보여주는 것이다. 모든 STM 영상들은 정전류 50 pA에서 얻어진 것이다.
도 12a ~ 12f는 수소-규소 공유 결합을 기계적으로 유도하기 위한 과정을 보여주는 것이다. 도 12a는 단일 수소 원자 활성화 팁이 이용되었을 때의 H-Si(100)-2x1 표면상 규소 비속박 결합의 전형적 충전 상태 STM 영상을 보여주는 것이다. 황색 화살표는 기준으로서 간주하는 결함을 나타낸다. 도 12b는 표면 수소 원자상 H 활성화 팁이 이용되었을 때의 Δf(z) 곡선을 보여주는 것이다. 도 12c는 '볼 앤드 스틱' 모형을 보여주는 것이고, 도 12d는 기계적으로 유도된 Si-H 공유 결합 캡핑(capping) 현상이 일어나는 동안의 단일 DB에 대한 Δf(z) 곡선을 보여주는 것이다. 오렌지색 화살표는 팁 정점에 있는 H 원자와 규소 비속박 결합 간 공유 결합 형성으로 말미암아 발생하는 변화의 특징을 이루는 이력현상(삽도의 확대도)을 나타낸다. 도 12e는 STM 영상을 보여주는 것이고, 도 12f는 도 12d의 기계적으로 유도된 반응 이후의 H-Si 표면에 대한 Δf(z) 곡선을 보여주는 것이다.
도 13a ~ 13c는 H 활성화 팁이 사용될 때의 HSi(100)-2x1 표면상 단일 DB에 대한 NC-AFM 특성규명 결과들을 보여주는 것이다. 도 13a는 H-Si 표면(청색 곡선)과 규소 DB(적색 곡선)를 대상으로 작성된 Δf(z) 곡선을 보여주는 것이다. 비교적 긴 팁-샘플간 거리(도 13b)와, 비교적 짧은 팁-샘플간 거리(도 13c)를 각각 두었을 때 H-Si 표면상 DB의 (3x3)nm2 주파수 이동 맵. 모든 데이터는 0 V 및 진동폭 1 Å에서 획득되었다.
도 14a ~ 14h는 다수의 DB 구조에 있어서의 결합 변경 및 인공 분자 궤도를 보여주는 것이다. 도 14a는 동일한 이량체 열을 따라서 배열된, H-Si(lOO) 표면상 결합된 DB 두 쌍을 보여주는 것이다. 도 14b는 도 14a의 맨 우측 DB를 대상으로 기계적으로 유도된 캡핑후의 동일 구역에 관한 영상을 보여주는 것이다. 도 14c는 터널 결합 DB 3개의 (3x2)nm2 STM 영상을 보여주는 것이다. 도 14b는 도 14c의 중간 DB가 소거되었을 때의, 도 14c의 구역과 동일한 구역을 보여주는 것이다. 정전류 영상들인 도 14a ~ 14d는 -1.8 V 및 50 pA에서 획득되었다. 도 14e 및 14f는 충전(- 2.0 V, 50 pA)되었을 때를 보여주는 것이고, 도 14g 및 14h는 각각 도 14e의 맨 우측 DB가 소거되기 전과 소거된 후 DB 와이어의 빈 상태 STM 영상들(+1.4 V, 50 pA)을 보여주는 것이다. 4개의 DB 와이어에 대한 3d 모형(도 14i) 및 3개의 DB 와이어에 대한 3d 모형(도 14j). 소거된 DB의 위치는 점선 원으로 표시되었다.
도 15a는 화학적으로 비활성인 H-Si(1OO) 표면상에 물리흡착된 단일 수소 원자가 충전된 상태로 저 전압(+1.3 V)에서 안정적으로 영상화될 수 있었음을 보여주는 것이다. 그러나 스캔 전압이 +1.7V로 증가하면((b)) 수소 원자는 팁에 의해 견인되고, 이로 말미암아 STM 영상화 동안에 DB 캡핑이 초래되는데, 이는 영상화 도중의 콘트라스트 변화로 나타나고, 이는 도 15c에 보인 구역과 동일한 구역에 대한 후속 STM 영상에 의해 확인된다. 도 15b 및 15c는 도 15a에 보인 구역보다 더 큰 구역(lOxlO nm2)의 영상이다. 수소 원자의 위치는 화살표로 표시되어 있다.
도 16a ~ 16e는 샘플에 대한 팁 올림길이가 상이할 때의 H-Si(lOO) 표면에 관한 일련의 미가공 (3x3)nm2 NC-AFM 주파수 이동 맵을 보여주는 것이다. 영상들은 0 V 및 진동폭 1 Å에서 얻어졌다. 도 16a ~ 16e는 H-Si 표면상 원자 콘트라스트로부터 화학 결합 콘트라스트로의 진화를 보여주는 것이다. 팁 올림 길이가 더 짧을 때, 표면상 그 어떤 부분에서보다도 DB에서는 훨씬 더 큰 상호작용력이 관찰된다. Z = 0 Å은, 피드백 루프가 중단되기 전 STM 영상화 설정 점(30 pA 및 +1.3 V)에 의해 정의되는 팁 위치에 대응한다.
도 17a는 짧은 팁-샘플간 거리(-4.6 Å)에서의 단일 DB의 NC-AFM 주파수 이동 맵을 보여주는 것이고, 도 17b는 이 맵과 대응하는 것으로서, 동시에 얻어진 여기 채널 맵을 보여주는 것이다. 도 17c는 동일 DB를 대상으로 기록된 팁 올림길이 곡선(적색 곡선)들 및 H-Si 표면을 대상으로 기록된 팁 올림길이 곡선(청색 곡선)들에 대한 중첩 여기 곡선들을 보여주는 것이다.
도 18a ~ 18d는, 본 발명에 따라서 수소 부동태화 팁을 제조 및 동정하는 방법을 보여준다. 도 18a는 H-Si 표면의 (20x20) nm2 정전류(30 pA, -2.0 V) STM 영상을 보여주는 것으로서, 여기서 (5x5)nm2 만큼에 대한 나출 규소 구역은 영상의 중앙에 밝은 색의 정사각형 형상으로 보이고, 이 영상은 팁 유도성 수소 탈착에 의해 얻어진 것이다. 팁 성형 과정을 거친 후 STM 영상은 매우 선명해졌으며(도 18b), 도 18a에서 가시적이었던 이중 팁 효과는 더이상 보이지 않았다. 적색의 화살표는 팁 유도성 규소 이량체 수소 종단화 위치를 나타낸다. 도 18c 및 18d는 각각 반응성 팁과 부동태화 팁의 팁-샘플간 거리에 대한 주파수 이동을 보여준다.
도 19a ~ 19h는, 팁 올림길이가 상이할 때의 일련의 주파수 이동 맵을 보여주는 것이다. 도 19a는 2x1 재구성(reconstruction)시 H-Si 표면의 규소층 3개를 보여주는 '볼 앤드 스틱' 모형을 보여주는 것이다. 도 19b는 부동태화 팁으로 획득된 (2x2) nm2 정전류(30 pA, +2 V) STM 영상을 보여주는 것이다. 도 19c ~ 19h는 팁 올림길이가 상이할 때의 일련의 미가공 NC-AFM 주파수 이동 맵을 보여주는 것이다. 영상들은 0 V 및 진동폭 1 Å에서 얻어졌다.
도 20a ~ 20c는 DFTB 산정으로 작성된, 힘의 모의 맵을 보여주는 것이다. 도 20a는 DFTB 산정시 고려되는 H-Si 슬랩과 팁 구조를 보여주는 것이다. 도 20b 및 20c는 각각 상이한 올림위치일 때 경질의 팁과 가요성 팁을 사용하여 모의된, (2x2) nm2에 대한 일련의 힘의 맵을 보여주는 것이다.
도 21a 및 21b는, 동결된 슬랩에 대한 힘의 모의 맵을 보여주는 것이다. 동결 슬랩에 대한 힘의 모의 맵(하단 패널)과 이 슬랩의 부분 측면도(상단 패널). 여기서 이량체 수소는 자체의 이완된 자리로 고정되는 한편, 도 21b에 따르면 이량체 수소는 약간 휘어져 고정됨으로 말미암아, 도 21a와 달리 이량체간 수소와 이량체 사이에 역전 거리(reverse distance)가 형성된다.
본 발명은 다수의 규소 원자 양자점(ASiQD)으로서 유용성을 가지는데, 즉 결정질 규소 기판 격자 형성이 허용될 정도로 조밀하게 이격되어 있는 무리, 또는 H 원자 종단화 표면 규소 원자들이 무리지어 있는 개입 공간을 가짐으로 말미암아 연장되었거나 단순히 긴 양자점을 형성하는 무리로서 유용성을 가진다. 본 발명의 가동 요소인 비속박 결합은 H 원자로 종단되지 않는다.
다른 형상, 즉 임의의 격자가 허용되는 형상도 또한 취하여질 수 있음이 이해된다. 이러한 형상은 규소 원자의 분자들에 대해서는 ASiM이라 지칭될 수 있다. 추가의 형상으로서는 V-형상, Y-형상, 삼각형 형상, 정사각형 형상 및 직사각형 형상을 포함한다.
본원에 사용된 바와 같은 양자점이란, 총체적 전자 에너지 준위를 가지는 것으로서 정의되는 인공 분자이다.
길이가 긴 양자점은 선형의 배열을 가질 수 있거나 또는 격자 형성이 허용되는 임의의 기타 형상을 가질 수 있다. ASiQD의 인공 벤젠(artificial benzene)이 생성되었다. 2, 3, 4, 5, 6, 7 개의 ASiQD로 이루어진, 간단한 선형의 조밀 팩킹(packing) 배열이 형성되었으며, 이는 분자의 전체 길이에 걸쳐 확장되는 공간적 라인과 전압 범위를 포괄하는 dI/dV 맵으로 특성규명되었다. 분자보다 더 큰 구역에 대한 정전류, 일정한 높이 및 dI/dV 모두 기록되었다. 이에 관한 영상들은 앙상블(ensemble)의 총체적 분자 상태의 에너지 가변성과 공간적 가변성을 보여준다.
본 발명의 ASiM은 분자의 모든 속성 및 이의 용도와 유사한, 속성 및 용도를 가진다. 본 발명의 ASiM은 맞춤 제작되어, 특정 광선을 흡수하며 방출하는 특성을 가지도록 제조된다.
분자는 전기장에서 분극되어 전기장 왜곡 전자 구조를 보이고, 전자를 부가하거나 뺌으로써 이온화되며, 화학 반응을 개시하는 속성들을 가진다. 이 ASiM의 속성으로서는 ASiM이 전통적 2원 회로 또는 아날로그 회로에서 전자 소자로서 사용되도록 허용하거나, 양자 회로와 결맞음(coherent) 전자 소자로서 사용되도록 허용하는 것을 포함하고; 본 발명의 몇몇 구현예들에는 일정 거리를 두고 작동을 전달하는 전기장 유도 변경 전자 구조가 사용되며; ASiM의 한쪽 말단 또는 영역에서의 신호 입력 또는 섭동은 ASiM의 어느 곳에서든 등록될 수 있고; 이와 같은 변경에 관한 수용체 또는 검출기는 효과적으로 정보 전달을 완수할 수 있으며; ASiM을 따르는 다수의 입력들은 전자 구조를 다양하고 계획적으로 변경함으로써, ASiM상 하나 이상의 다른 지점에서 수용체에 의해 등록될 수 있는 연산을 달성할 수 있다. 본 발명의 ASiM 무리 또는 이와 균등하게는 갭 이격(gap spacing)을 보이는 분자 무리는 섭동에 반응하여 전자 구조의 심오한 이동을 보일 수 있는데; 이러한 분자는 2 상태 2원 거동을 보일 수 있거나 또는 매우 넓은 분극 범위를 가지는 연속 가변 전자 거동을 보일 수 있고; 2원 응용례에 있어 선형 와이어 분자, 또는 이보다 더 복잡한 형상의 것으로서 이러한 연속적인 라인 분절 다수로 이루어진 것은 상하 이동된 전자 상태 2가지를 보일 것이고, 이러한 전자 상태는 2원 정보를 표시, 저장 및 전송하는데 사용될 수 있으며; 양자 전자 응용례에 있어서 상기와 동일한 구조 류들은 결합 신호 어느 한 가지를 보이는 원거리 큐비트와 "J 결합(J coupling)"이라 공지되어 있는 방식으로 결합할 수 있다. 전형적으로 J 결합이란, 예컨대 이징 모형(Ising model)에서와 같은 2개의 스핀 간 결합을 지칭한다. 이러한 J 결합은 전기 회로에 있어서 용량 결합과 유사하며, 양자 연산 관련 문헌에서는 종종 "ZZ 결합(ZZ coupling)"이라고도 지칭된다. ASiM 기반 커플러에 대한 변형예는 또한 "XX 결합(XX coupling)"이라고 공지되어 있는 유도성 유사 결합을 허용한다. 또 다른 변형예도 또한 실시될 수 있다. 결합의 다양한 유형, 세기 및 신호에의 접근은 더욱 다양하고 훨씬 더 보편적인 양자 연산을 허용한다.
필요한 경우에 필요에 따라 ASiM을 제작한다는 것은, 분자 일렉트로닉스(molecular electronics)라 칭하여지는 것에 관한 새롭고 실용적인 표현을 대표한다. 많은 노력과 시간을 요하는 분자 화학적 시도들로서, 원하는 위치로의 안내가 일반적으로 성공적이지 못하였던 이전의 시도들과는 달리, 본 발명은 필요한 경우에 필요에 따라서 와이어와 기타 소자를 제조함으로써 와이어 접속부 및 기타 소자의 배치와 인터페이스화를 달성한다. 본 발명의 양자점 및 관련 계면 소자는 맞춤 제작되어 원하는 치수, 콘텐트(content) 및 특성을 가질 수 있게 된다.
ASiQD의 중요한 특성은 결정질 규소 대역 갭에 자체의 전자 상태를 보인다는 점이다. 이와 유사하게, ASiM은 대역 갭에도 또한 보이는 새로운 총체적 상태를 가진다. ASiQD들 사이의 결합과 연관된 분할은 또한 갭 영역에 대한 분자 상태도 제한하는 0.1 eV만큼의 전압을 보인다.
따라서 ASiM의 총체적 상태는, 원자 크기의 와이어와 기타 고전적 전기 소자 및 양자 소자가 규소 표면에 형성되는 것을 허용하고, 또한 이것들이 개입 절연체를 필요로 하지 않으며 벌크로부터 대규모로 절연 및 감결합(decoupling)되는 것을 허용하면서, 결정적으로는 규소 벌크 전자 상태와 효과적으로 합하여지지 않는다.
절연체의 필요성을 없앰으로써 규소 표면 경로에 따라 점유될 수 있는 도체의 치수가 크게 줄어드는 한편, 원자 크기의 도체가 내재성 규소 격자에 대해 완벽하게 정돈되는 것이 허용되기도 한다.
이러한 와이어 및 기타 소자의 완벽한 정돈과 축소된 전체 크기는 동일한 구조가 제작되는 것을 허용된다. 동일한 구조는 동질의 특성을 가진다. 동질의 특성들을 가지는 소자들로 이루어진 회로와 디바이스 자체는, 여러가지 특성들을 가지는 소자들로 제조된 디바이스 및 회로에 비하여 훨씬 더 예측 가능한 특성들을 가진다.
단일 전자 트랜지스터가 ASiQD로 제조될 수 있다(SEM ASiM). SEM ASiM은 중앙에서 양자점으로 사용되는 하나 이상의 원자와, 조밀하게 팩킹된 와이어 단위 적어도 2개를 포함한다. 과거 리소그래피 기술로 제조되었던 SET 회로들은 SET들 간에 그 특성에 있어서 심한 가변성을 보여서, 이러한 가변적 SET 총체로 제작된 회로는 실질적으로 작동할 수 없게 될 수 있었다. 이와는 대조적으로, 동일한 SET ASiM으로 제작된 SET 회로는 각각의, 그리고 모든 SET를 변조할 필요 없이도 작동하므로, 이를 제조 및 운영하기가 더욱 간편하면서 비용면에서도 더욱 효과적일 것이다.
ASiM SET는 또한 최소한의 가능 전기 용량을 가지게 될 것이고, 이에 따라 중앙 점에 전자당 최대의 가능 하전 에너지를 가지게 될 것이며, 이로써 SET는 실온이나 그보다 훨씬 더 높은 온도에서 용이하게 작동할 수 있게 될 것이다. SET로 이루어진 고 에너지 효율 회로가 구축될 수 있다.
기판에 관한 고려가 이루어질 필요가 있다. Si(100) 표면의 단일 규소 이량체상에 조밀하게 이격된 ASiQD 2개는 일반적으로 ASiQD 2개 이상보다 더욱 강력하게 상호작용한다. 이러한 특정의 경우를 초래하는 분할은 벌크한 규소 가전자대 및 전도대와 공진하는 상태를 초래한다. 결과적으로 단일 이량체상 ASiQD 2개 이상을 함유하는 ASiM은 대역 갭에 ASiM을 가지지 않을 것이다. 이러한 앙상블은 벌크 상태와 융합되거나 벌크 상태를 유출시킬 것이다.
이러한 유출은 벌크와 ASiM을 의도에 맞게 연결시키기 위해 효율적으로 활용될 수 있으며, 그 결과 일례의 ASiM이 전기적으로 접속할 수 있게 된다.
갭 상태를 보이고 용량이 +1, 0 또는 -1 전자 하전 상태인 단일 원자는, 만일 Si(100) 표면의 동일 이량체상에 있는 또 다른 ASiQD와 결합하게 된다면, 전하를 보유할 수 없게 될 수 있다. 이는, 전하 중심(charge centre)과 피닝 중심(pinning centre)을 없애는데 이용될 수 있다.
Si(111) 표면상에서 ASiQD들은 결코 3.84 Å보다 더 가까이 존재할 수 없으며, 결과적으로는 가전자대 및 전도대와 공진하는 새로운 전자 상태를 생성하기에 충분히 큰 분할 에너지가 달성될 수 없게 된다.
본 발명의 AsiQD는 또 다른 H 종단화 Si(100) 표면 또는 H-Si(111) 표면 또는 기타 H 종단화 규소 표면상 다수의 비속박 결합(DB)에 의해 형성될 수 있는 양자점이라는 속성을 가지는데; 이 경우 단일 DB는 (DB 상태에 있어 0, 1 또는 2 개의 전자에 각각 대응하여) +1, 0 또는 -1로 하전될 수 있는 3가지의 이온화 상태를 보일 수 있는 양자점을 이루며; 모든 하전 상태는 규소 벌크 대역 갭에 보인다. 본 발명은 H 종단된 표면의 규소를 대상으로 상세하게 기술되었지만, 본 발명의 유사한 디바이스는 게르마늄 및 탄소 표면상에 형성된다는 것이 이해된다. 이와 같은 유사 비속박 결합 상태의 달성에 적합한 기타 기재로서는, 예를 들어 불완전 표면 부동화가 이루어진 반도체 도메인, 양자화된 표면을 포함하는 이의 특수한 형태, 국부 도핑(doping)된 나노결정질의 반도체 도메인, 예컨대 규소, 다양한 외인성 및 내인성 단원자, 2원 및 3원 반도체, 예컨대 규소, 갈륨 비화물, 갈륨 인화물, 인듐 인화물, 게르마늄, 인듐 비화물, 인듐 안티몬화물, 갈륨 알루미늄 비화물, 카드뮴 황화물, 아연 황화물, 알루미늄 인듐 인화물, 알루미늄 갈륨 비화물, 알루미늄 인듐 비화물, 알루미늄 갈륨 안티몬화물, 갈륨 인듐 인화물, 납 주석 텔루르화물, 구리 갈륨 셀렌화물, 아연 게르마늄 비화물 및 구리 철 황화물, 그리고 이것들의 유리한 결정학적 배향체들을 포함한다.
다수의 DB를 서로 가까이 근접하도록 배치함으로써 DB 상태 결합이 형성되고, 그 결과 더 큰 양자점이 생성된다. 다수의 규소 원자 양자점, 즉 MSiAQD는 또한 규소 대역 갭에서 자체의 상태를 보이게 된다.
갭 내부에 형성된 상태는 매우 중요하고 고유한 것이다. 이는 벌크 및 ASiQD와 MSiAQD 전자 상태의 감결합을 허용한다. 이는 곧, 이러한 표면 상태에 있던 전자가 벌크와 효과적으로 전기 절연됨을 의미한다. 또한 이와 같은 절연은 곧 MSiAQD 엔티티가 이 자체와 벌크 사이에 전기 절연층을 필요로 하지 않음을 의미한다.
규소 기판상에 원자 규모 회로를 제조함에 있어서, 회로의 능동적 엔티티에 초미세, 심지어 원자 규모의 배선을 제공하는 것이 필요해졌고 요망되게 되었다. 이러한 와이어와 규소 기판 사이에 대한 절연체의 필요는 와이어와, 이 와이어 및 능동적 주소 엔티티를 상당히 복잡하게 만들고, 확대시키며, 와이어와, 이 와이어 및 능동적 주소 엔티티의 정확한 관계에 공간 및 조성의 불확실성을 가져다준다. 본 발명이 절연층의 필요 및 와이어들을 정밀하게 재현가능하도록 만드는 능력의 필요를 없앰에 따라, 원자적으로 정의되는 특징은 원자 수준 회로의 제조 작업을 가능하게 하고 이러한 작업을 향상시킨다. 특히나 전기 리드와 엔티티간에 공지된 비가변적 상관관계들이 존재할 경우, 이 상관관계들은 리드가 회로 특성의 비균질성을 "0"에 가깝게 만들어주는 현상을 설명해준다.
그러므로 본 발명과 본 발명의 기술들은 메모리 소자, 다양한 유형의 고전적 회로에 매우 요망되며, 넓게는 결맞음 양자 회로에도 요망된다.
본 발명의 점은, 디바이스를 통해 전류가 흐르지 않는다는 점에서 고유한 것이다.
원자 수준 디바이스 소자
샘플과 AFM 팁 사이의 바이어스를 없애면서 AFM 신호를 기록할 때 하전 상태 이행이 확인된다. Kelvin 탐침력 현미경(Kelvin probe force microscopy; KPFM)이라고도 공지된 이 기술은, 탐침과 샘플 간 접촉 퍼텐셜 차이를 연구하는데 널리 적용되고 있있으며, 더욱 최근에는 단일 금 원자상 변별적 하전 상태 이행을 검출하는데 적용되고 있다.
STM 영상은 H 종단화 규소상 규소 비속박 결합 앙상블의 원자 구조를 분명하게 규명해준다. 영상들이 정전기력에 의해 지배되도록 수집되는, 동일 구역에 대한 AFM 영상들은 전하들의 위치를 보여주므로, 게이트의 논리 상태도 보여준다. 이러한 영상들은 원자 해상 영상화에 적용되는 거리보다 약간 더 멀리 떨어진 팁-샘플간 격리 거리에서 촬영된다. 정전기력은, 관찰자들이 국부화된 전하에 관한 훌륭한 근사치 맵(approximation map)을 제공하는 영상을 기록할 수 있도록 허용하는 AFM 영상화에 기여하는 다른 힘보다 더 긴 꼬리(tail)를 가진다.
터널 결합 DB 쌍은 총체적으로 -1의 전하를 가진다. DB들간 터널링(tunneling) 상호작용이 지수적으로 감소함에 따라서, 약간 더 떨어져 있는 섭동성 DB는 상기 DB 쌍과 거의 터널 결합하지 않게 되고, 그 대신에 고정된 전자 전하로서 작용하게 된다. 또한 섭동성 DB는 자체의 음 전하를 잃는데 충분하도록 전기량의 측면에서 불안정화되지 않는다. 이에 따라 DB를 섭동시키고, DB를 원자로부터 가장 멀리(즉 트레이스 xx1 및 xx2(도 9)) 떨어뜨리기 위한 KPFM 이행 에너지는 유사하다. 중간 DB에 대한 KPFM 트레이스는 변별적으로 이동한 전하 이행 에너지를 보여준다. 이러한 이동은 섭동성 DB의 반발 효과에 기인한 것이다. 그러므로 이 DB의 음 하전 상태 → 중성 하전 상태 이행을 기록하기 위해서는 탐침과 샘플간에 상대적으로 양인 전압이 적용되어야 한다.
달리 표현하면, 중간 DB는 탐침 바이어스가 0일 때 확인되지만, 음의 섭동성 DB의 영향으로 이미 중성 상태에 있게 된다. 터널 결합 DB가 전기 섭동에 의해 분극될 수 있는 이중의 우물형 퍼텐셜을 형성하는 것은 명백하다. 이와 같은 예에서, 이중 우물은 공유 전자가 그곳에 국부화되는 성향을 띠도록 유도하며 좌측으로 치우치게 된다.
고정 전하 또는 가변 바이어스 전극은 터널 결합 DB 2개로 이루어진 이중 우물형 퍼텐셜 한쪽 면에 전하를 국부화할 수 있다. 이와 유사하게, 규소 원자 양자점의 더 큰 앙상블로 말미암아 더욱 복잡해진 퍼텐셜 에너지 표면에 있어서, 적용된 퍼텐셜은 전자를 공간상 이동시킨다. 이는, 정보가 공간상 전하 분포로서 암호화되도록 허용하고, 또한 종래의 전류가 사용되지 않고서도 작업당 에너지 소모량을 최소화하면서, 그리고 대기전력이 소모되는 일 없이 정보가 전송되도록 허용한다.
도 8a ~ 8f는 끝부분이 맞닿아 배열된 다수의 DB 쌍들을 보여주는 것이다. 이전과 같이, 모든 쌍이 2가지의 가용 분극 상태 중 어느 1가지로서 배열되도록 유도하기 위해 단일 섭동성 전하가 한쪽 끝(우측)에 적용된다(도 8a 및 8b). 도 8e 및 8f에 있어서, 동일 라인상의 쌍들은 어느 한 쪽으로부터 분극된다. 이에 따라서 모든 쌍은 우측으로 분극된다. 도 8a 및 8b의 경우 처음의 분극 DB는 단일 H 원자로 제어 가능하도록 캡핑되었고, 이로써 하나의 전자를 자동으로 그곳에 격리시키고, 입력으로서 사용되었던(도 8c 및 8d) 갭 상태는 완전히 소멸된다. 2가지 상태의 라인이 반대의 의미에서 분극될 수 있었음을 입증하기 위해, 도 8e 및 8f에 보인 바와 같이 좌측 면에 신규 DB를 형성시켰다.
라인 작업은 다시 설정될 필요가 없다. 2가지 상태의 라인은 즉시 재작동할 준비를 갖춘다. 상정되는 임의의 적용예로부터 배제되지 않을 때 본 구현예에서, 스캔된 탐침 도구는 디바이스의 소자가 아니고, 단지 관찰 도구일뿐이다.
셀당 원자 수는 가변적일 수 있다. 추가 변형예는 상이한 셀내 및 셀간 이격을 포함할뿐더러, 상이한 점유 준위들은 Fermi 준위 조정을 통해 특성 변조를 위한 방안을 아주 많이 제공한다. 본원에 제시된 경우에 있어서, 터널링 속도(tunnel rate)(한 쌍에 있어서는 2개의 DB 간의 터널링 속도이며, 쌍들 간에는 터널링 현상이 거의 일어나지 않음)는 대략 10 fs인 것으로 추산되었다. 부하된 분극 상태는 라인을 따라서 한번에 성큼(즉 터널링 시간과 셀 수의 곱만큼) 퍼져나간다. 이 같은 확산 방식은 보통의 RC 시상수를 대신하고, THz 클락 속도(clock rate)로의 데이터 전송을 용이하게 허용한다.
셀을 스위칭(switching)하는데 필요한 에너지는, 입력 전하를 단일 전자 점유 2 Db 셀에 배치하는데 필요한 정전기 에너지와 거의 같다(대략 0.3 eV).
도 9a ~ 9o는 2원 논리 OR 게이트를 보여주는 것이다. 가장 상단에 있는 2개의 분지는 정전기적 입력이고, 하단에 있는 분지는 정전기적 출력이다. 진리표의 모든 상태값들(도 9c에 보임)은 도 9a ~ 9d에 제시되어 있다. 출력 분지의 말단부에 있는 하나의 DB는 "스프링(spring)"으로서 사용된다. 고도로 n형 도핑된 규소가 사용될 때, 양 전하들이 아닌 음 전하들이 현 구조에 위치하게 될 수 있다. 결과적으로 디바이스는 제어 방식으로 전하들을 정전기적으로 "밀어내기"가 가능하지만 "당기기"는 불가능하다. DB 쌍들의 반대 분극 상태를 2개의 2원 상태로 확립하기 위하여, 출력 분지의 말단부에 약한 섭동체가 배치된다. 입력시 음 전하가 부재할 경우, 라인은 입력을 향하여 분극되고, 이로써 2원 상태 "0"으로 표시되는 신호가 발생한다. 음의 입력이 도입될 때, 2개의 상태 라인은 상태"1"로 바뀐다. 입력시 게이트가 자연적으로 음 전하 반발 특징을 가지게 되므로, 이전 게이트의 연계 출력의 적당한 작동에 필요한 스프링 작동이 보장된다.
2원 와이어가 정전기적 입력을 필요로 하고, 정전기적 출력을 제공하는 바와 똑 같이, 게이트 모두는 정전기 상태를 수용하여 출력한다. 다양한 구현예들에서, 2원 와이어는 2원 논리 게이트와 통합될 수 있다. 2원 와이어는 2원 입력을 게이트에 운반하고, 게이트에서 받은 2원 출력을 이처럼 연산된 2원 정보의 또 다른 수용체 또는 그 다음 게이트에 운반한다. 게이트의 작동은 통합된 양자의 기계적 및 정전기적 물리 상호작용을 활용한다.
본 발명의 구현예들에 따라서, 적당하게 가까이 근접하여 있는(0.14 nm 내지 수십 nm) 2개 이상의 ASQD는, 결합된 ASiQD들 중 전자의 터널링을 허용하는 양자 기계 연합작동을 개시하게 된다. 정전기적 효과는 ASiQD 핵에 있는 양 전하로부터 말미암고, 또한 ASiQD나 이 ASiQD 근처에 결합하고 있던 전자로부터 말미암는다. 게이트 구조 내 이중 또는 다중 웰 퍼텐셜에 국한된 전자의 정전기적 위치들은 2원 정보를 구현한다. 정전기량의 크기 및 공간 배열의 형태로 암호화된 정보는 게이트에 입력을 제공한다. 입력이 수용됨에 따라서 게이트 내 정전기적 상호작용은 자발적으로 공간적 전하 배열을 유도하게 되고, 이 배열은 특정 게이트에 대한 진리표와 일치하는 논리 출력을 제공한다. 입력 신호가 도착한 후 출력 신호를 발생시키는데 필요한 시간은, ASiQD들 간 전자가 터널링하는 평균 시간의 크지 않은 배수만큼이다. 도 9에 보인 OR 게이트의 경우, 이 시간은 < 10-13이다. 대안적으로 속도로 표현될 때 이 시간은 10 THz, 즉 10,000 GHz이다.
하전 홑원자 형태의 정적 정전기적 입력은 여기서 와이어와 게이트의 작동을 입증해주는 것으로 보인다. 대략 Fermi 준위만큼, 그리고 나노 전압 또는 그보다 더 미세한 해상능으로 수십 볼트 범위 내의 임의의 전압에서 바이어스될 수 있는 아날로그 와이어도 또한 와이어와 게이트에 대한 입력으로서 사용될 수 있다.
하나의 2원 상태로부터 또 다른 2원 상태로 변하는데 필요한 비트 에너지는, ASiQD간 양자 기계 결합의 세기에 의해 결정되고, 이는 최대로 결합한 ASQD들에 대해 0.3 전자볼트에 해당한다. 더욱 넓게 이격된 ASiQD들은 더 작은 결합 에너지가 달성되도록 효율적으로 사용될 수 있다. 이러한 비트 에너지는 kBoltzmann T보다 더 큰데, 이 점은 이와 같은 물질계에 구현된 정보의 일체성이 필요한 기간 동안 유지되는 것을 보장한다.
다양한 구현예들에 따르면, 게이트들 및 2원 와이어들이 클락킹(clocking)될 수 있는데, 다시 말해서 논리적 운영을 통한 정보의 통과 속도가 시간 가변 제어 신호에 의해 조절될 수 있다. 이 AsiQD 기반 회로에서, 클락 신호는 이득(gain)을 제공한다. 순차적 운영이 수행될 때, 신호들이 열화되지 않는 것을 보장하기 위해 이득이 요구된다. 출력은 입력 제시시 자발적으로 얻어진다. 클락 신호와 협업하는 래치(latch) 회로는 하나의 부 회로 소자의 출력이 후속 회로 단의 입력으로서 작용하도록 머무는 것을 허용한다. 본 발명의 몇몇 구현예들에서, 본 발명의 점은 팬아웃(fanout)을 생성하도록 배열될 수 있는데, 다시 말해서 팬아웃 디바이스에 대한 하나의 입력은 2개 이상의 출력을 제공하도록 복사된다. 이는, 임의의 단에서의 출력들이 임의의 수만큼의 후속 회로 소자들과 "sg = hared"을 이루도록 허용한다.
본 발명은 전력 소모가 매우 적은 회로를 제공한다. 이 회로에는 트랜지스터가 사용되지 않고, 게이트 또는 기타 소자들을 하전시키는데 전류가 필요하지 않으며, 또한 접지부에 전류가 전송되지 않으므로 이 회로를 구동시키는데 극소량의 전력만이 필요하다. 고정된 수만큼의 전자가 각각의 회로 소자에 머무르게 된다. 정보를 나타내고, 연산의 진행을 유도하기 위해 전자는 단지 공간상 재배열될 뿐이다. 래칭(latching)된 입력은 정보가 입력에서 게이트 출력 방향으로 흘러가게끔 만든다. 출력의 후속 래칭은 정보가 그 다음 회로단을 통과하게끔 유도한다. 다양한 구현예들에 따라서 비동기식 및 동기식, 그리고 주기적 클락킹과 래칭이 이용될 수 있다.
본 발명은 게이트에 대한 구조적 선택권을 다수 제공한다. ASiQD들 사이의 이격 거리와 각 방향은 결합 세기, 즉 상호작용의 유형에 영향을 미친다.
몇몇 구현예들에 따라, 본 발명은 본 발명자들의 모든 음 양자점을 보상하는 정전기적 바이어스를 제공한다. 모든 점은 "0" 하전되거나 음으로 하전되므로, 전하는 밀려들어갈 수는 있지만 당겨져나오지는 못한다. 그러므로 회로 소자의 최첨단에 전하가 배치됨에 따라 전하가 밀려들어가는 것이 허용되므로, 전하는 자연적으로 바이어스력 하에서 다시 평형 상태로 돌아가게 된다.
본 발명은 또한 정보 통과 조절 및 신호 세기 또는 이득의 유지 둘 다를 포함하는 클락킹을 제공하는데, 이는 국부 Fermi 준위 조정을 통해 달성된다. 다양한 구현예들에서, 국부 회로 블록에 인접하고, 다수의 입력, 출력 및 게이트로 이루어진 전극은 ASiQD의 전자 점유상태를 변경하기 위해 회로 블록 부근에서 포텐셜을 증가시키거나 감소시킨다. 이와 같은 변경 중 어느 하나로 말미암아, 2원 와이어를 따라 논리 게이트를 통하여 정보가 통과하는 것이 차단된다. 원하는 입력값이 부회로 끝에 보강됨으로써 Fermi 준위 조정 전극이 전자 점유상태에 대응하는 자체의 정칙 값(원하던 논리 함수 제공)으로 되돌아갈 때, 부회로는 킹크(kink)가 없는 접지 상태에 도달하게 되고, 정확한 출력 값이 확립된다. 출력의 정착 시간은 10-13초 정도의 값이다.
본 발명은 또한 양 전하 및 음 전하 기반 회로를 제공한다. 상이한 도핑 준위 또는 정전기적으로 상이하게 설정된 Fermi 준위에서, 회로는 음 하전 양자점보다는 오히려 "0"하전 양자점으로 제조된다. 이는, 2원식 회로를 제공할 뿐만 아니라, 아날로그 회로 및 양자 회로도 또한 제공한다. 여기서 고전적 연산을 위해 다른 앙상블과 함께 사용된 바와 같은 소자는 본 발명의 양자 회로 소자로부터 제조될 수 있다.
본 발명의 구현예들에 따라서, 양자점은 캡슐화된다. 즉 본 발명의 양자점은 영구적으로 진공 캡슐화된다. 어떤 DB에 바로 인접하여 있지 않은 DB들은 일반적으로 통상의 기상 분자, 예컨대 N2, 02 및 다수의 탄화수소에 미반응성이다.
본 발명의 구현예에 따르면, 터널 결합 ASiQD 라인은 다수의 수직 아날로그 또는 2원 와이어와 함께 자리이동 레지스터(shift register)를 형성한다. 이 레지스터는 임의의 길이의 것일 수 있다. 이와 유사하게 고리형 발진기가 제공된다. 환형 인버터 시퀀스는 고리형 발진기를 이룬다. 플래시 아날로그 디지털 변환기와, 디지털 아날로그 변환기도 또한 제조될 수 있다. (신호 입력/출력 또는 신호 처리/변환을 위하여) 외부 또는 국부 제공된 전자기장과 상호작용할 수 있는 공진 구조도 이와 유사하게 제조될 수 있다.
본 발명이 이용됨으로써 다수의 형태의 A/D가 제조될 수 있다. 특히 관심있는 것은 저 전력 인가 플래시 A/D이다. 본 발명은 또한 주파수 분할기도 제공한다. 즉 입력 주파수 10 THz 이하인 무선 전화 프론트 엔드용 다단 2원 주파수 분할기를 제공한다.
본 발명은 이하 비제한적 실험 예들을 참고로 하여 더욱 상세히 기술된다.
실험 환경
DB는 스캔 탐침 현미경의 탐침으로써 제어 가능하도록 형성된다. 간단하게, 제거될 H 원자에 영상화에 사용되었던 전압 및/또는 전류보다 더 큰 전압 및/또는 전류가 적용된다. H 원자가 제거되면 전류는 증가한다. 이러한 변화를 검사하고 H가 제거되었음이 확인되면, 특별히 표적화된 Si-H 결합을 파괴하기 위해 적용된 전기 컨디셔닝은 멈추어진다. 재영상화는 새로 형성된 DB를 규명한다. 패턴은, 팁을 원하는 위치 위에 위치시키고, 다수의 H 원자를 제거하여 다수의 DB를 생성함으로써 형성된다.
락-인 증폭기(lock-in amplifier)는 각 지점에서 dI/dV 신호를 수집하였다. 그러므로 전압의 함수(보통 -0.4 V 내지 -1.8 V)인, DB 사슬의 상태 국부 밀도, 즉 LDOS가 맵핑되었다. 팁 높이는 라인이나 맵이 완성될 때마다 매회 재설정되므로, 실험 기술은 z-드리프트(팁-샘플 격리)에 민감하지 않다. z-드리프트는 라인을 따라 이동하거나 맵 위를 스캔하는데 소요되는 시간(최장 3분) 이내인 것으로 추산되며, 이는 무시할 수 있다.
실험은 초고진공(UHV) 하에 Omicron 저온 STM(4.5K)에서 수행되었다. dI/dV 신호를 측정하기 위해 락-인 증폭기가 사용되었다(변조 주파수 760 ~ 820Hz 및 진폭 30mV).
비소 도핑된(0.002 ~ 0.003 mOhm/cm) Si(100) 샘플은 산화물 탈착을 위해 짧은 시간 동안 직류에 의해 1050℃로 가열되었고, 수소에 노출되어 330℃에서 약 20초 동안 수소 종단화 처리되었으며, 이로써 H-Si(lOO) 2x1 표면이 형성되었다. 1050℃로의 플래싱은 근 표면 체제(regime)에 있던 도판트를 거의 제거하지 않으므로, 균일한 도판트 프로필은 표면에 내내 지속적으로 유지되었다.
세정 및 산화물 탈착을 위해 전기화학 에칭된 다결정질 텅스텐 팁은 약 2분 동안 UHV 조건하에서 약 800℃로 가열되었다. 이 팁의 품질은 장 이온 현미경(FIM)에 의해 검사되었으며, 단일 원자 팁을 얻기 위해 질소로 에칭되었다. STM 측정이 수행되는 동안, -2 V 내지 -3 V의 전압을 적용하며 팁을 나출 Si 패치와 가볍게 접촉시킴으로써 팁에 약간의 변형이 가하여졌다.
원자적으로 정밀한 DB 패턴형성을 가속화하기 위한 알고리즘이 개발되었다. 팁은 원하는 곳에 배치되었고, 수소를 탈착시키기 위해 일련의 전압 펄스들이 적용되었다. 성공적인 수소 탈착은, 각각의 펄스가 적용되기 전과 적용된 후 전류 설정 점들을 비교함으로써 검사되었다. 각 펄스에 대한 전압의 크기는 탈착이 검출될 때까지 소폭의 증가분만큼 증가되었다. 이러한 방식으로 2 내지 7 DB만큼 긴 DB 사슬들은, 격자에 의해 허용되는 가장 가깝게 이격된(0.35 nm) 배열에서 이량체 열의 동일한 쪽 면을 따라서, 그리고 동일한 쪽 면에 패턴 형성되었다.
실시예 1
도 1은 Si(100) H 종단화 표면 상의 이량체 열 한쪽 면을 따라 형성된 선형 3 DB MSiAQD의 다양한 특성규명결과들을 보여준다.
큰 dI/dV 대 위치 그래픽은 국부적 상태 밀도의 에너지 및 공간 분포에 관한 많은 정보를 전달한다. 다시 말해, 이는 전자들이 탐침될 때의 각 에너지에서 전자들이 어디에는 국부화되고 어디에는 국부화되지 않는지를 보여준다.
중앙 원자 위치에서 커 봐야 얼마안되는 에너지, 충격적으로는 아주 작은 상태 밀도가 관찰되었다. 이는 단일 ASiQD 결과로부터의 심각하고도 명백한 일탈이다. 이는, 원자 유사 궤도들의 양자 기계 중첩(quantum mechanical overlap)으로부터 기인하는 앙상블의 분광도와 유사한 신생 분자의 분광도를 분명히 보여준다.
근접 이격 DB들은 실질적인 전자 공유 결합을 형성하였다. 새로 신생된 전자 구조는 스캐닝 터널링 현미경(Scanning tunneling microscope:STM)을 이용하는 다수의 영상화 방식으로 관찰되었다. 공간 지점에 특정한 dI/dV 스펙트럼은 새로운 전자 구조를 나타내는 현저한 변화를 보여준다. 특정 V에서 촬영된 dI/dV의 전체 2D 영상은 상기 새로운 다수의 규소 원자 양자점 구역에 걸친, 상기 에너지에서의 상태 가변화에 관한 국부적 밀도를 보여준다. 이는, 외부로부터 적용된 (수직) 정전기장(즉 변조가능한 Fermi 준위)이 측방향 2D 전하 다극 분포를 변경하는 것을 허용하는, 맞춤 조정 상태 밀도를 가지는 새로운 인공 분자이다. 결과적으로 본 발명에 따른 인공 2D 분자는, (총 하전량 및/또는 전하의 공간 점유상태에 변화를 줌으로써) 외부의 수직 방향의 장이, 표면상 측방향 장의 형상/선명도/방향이 전례에 없던 옹스트롬 규모의 제어를 받게 되는 것을 허용하는, 전장 변환기와 유사하게 작동하였다.
분자의 한쪽 말단으로부터 다른 쪽 말단으로 난 라인을 따라 적용된 전압 범위에서의 dI/dV 스펙트럼은 분자의 상태 밀도에 관한 전체 스펙트럼 맵을 규명해주었다.
LDOS에서 명백하게 신생된 구조는 DB로서, 서로 근접하게 됨(그리고 파동함수들은 중첩됨)을 주목한다. 이는, DB 파동 함수들의 혼합과 총체적 상태의 형성, 또는 마찬가지로 분자 상태라 칭하여질 수 있는 상태에 대한 증거이다.
도 1의 3 DB 사슬에 더하여, 도 1의 (a) 및 (b)는 각각 -1.8 V 및 1.4 V에서 수집된 STM 정전류 영상을 보여주는 것이다. 설정 점 전류는 50 pA였다. 충전된 상태일 때, 3 DB 사슬은 2개의 밝은 스팟(spot)으로 보였다. 빈 상태일 때, 3 DB 사슬은 사슬 길이에 걸쳐 퍼져나가는 1개의 밝은 스팟으로 보였다. 도 1의 (c) ~ (e)는, 3가지의 상이한 바이어스 전압, 즉 0.9 V, -1.05 V, -1.7 V에서 3 DB 사슬에 대해 작성된 일정 높이의 dI/dV 맵을 보여주는 것이다. dI/dV 맵 3개의 색 스케일은 각각의 맵에 있어서 상이함을 주목한다. 도 1의 (f)는, 3 DB 사슬의 축을 따르는 dI/dV 라인스캔 플롯을 보여주는 것이다((a)의 점선으로 보임; -0.4 V 내지 -1.9 V 및1OmV 해상능). 도 1의 (c) ~ (f)에 있어서, 팁 높이는 사슬에 인접한 H-Si 이량체에 대해 -1.8 V 및 20 pA에서 설정되었고, 피드백 루프가 중단된 후 팁 수축길이는 60 pm로 하였다. 본 발명자들은 전압이 증가함에 따라서 dI/dV 맵과 라인스캔 패턴이 변화함을 관찰하였다. 본 발명자들은 dI/dV 패턴이 이 3 DB 사슬에 대해 상이한 특징을 취하는 영역 3군데를 동정하였는데: -0.6 V 내지 -1.0 V에서 이 영역들은 2개의 밝은 스팟의 모양을 취하였다. -1.0 V 내지 -1.2 V에서 이 영역들은 공간상 동일한 곳에서 2개의 어두운 스팟의 모양을 취하였다. 본 발명자들은 스팟을 감싸고 있는 밝은 고리 2개와, 스팟 내부 음의 미분 저항을 관찰하였다. 마지막으로 본 발명자들은 -1.2 V 내지 -1.9 V에서 밝은 스팟 2개를 다시 한번 관찰하였다.
도 2는 또 다른 사슬 길이 여러 경우에 대한 유사 결과들을 보여주는 것이다. 모든 경우에, DB들 간에는 Si-H 엔티티들이 존재하지 않았다. 오히려 DB들은 규소 격자가 허용하는만큼 가까이(3.84 Å) 모여 있었다.
H 원자들이 DB들 사이에 개입할 때, 앞서 공개된 예를 제외하고 모든 경우에 그러한 바와 같이, 원자 상태의 강한 혼합 및 결합은 발생하지 않으며, 여기서 설명되는 품질도 관찰되지 않았다. 개입성 H 원자가 DB들 사이에 존재하면, 이처럼 넓게 이격된 앙상블의 영상들은 오로지 여기에서 관찰되는 바와 같지 않은 구성 부재 품질(새로이 발현되는 특성들로서 부재들의 특성과 비선형적으로 관련된 품질)을 단순히 합한 결과만을 규명해준다.
도 2에서는 다양한 전자적 특성이 구성 원자의 수의 함수로서뿐만 아니라 에너지와 위치의 함수로서 관찰됨이 확인된다.
길이 4, 5, 6 및 7인 DB 사슬의 dI/dV 맵(도 2)에서, 각 컬럼은 DB 사슬 길이에 대응한다. 각 컬럼의 첫 번째 영상은 -1.8 V 및 50 pA 설정 점 전류에서 영상화된 해당 사슬의 STM 정전류 영상이다. 나머지 영상들은 H-Si 이량체에 걸쳐 -1.8 V 및 20 pA에서의 팁 높이 및 팁 수축길이 60 pm에서 작성된, 해당 사슬의 dI/dV 맵이다. dI/dV 맵에서 모든 사슬의 패턴은 샘플 바이어스의 함수로서 변화함에 주목한다. 밝은 스팟들은 종종 DB가 있는 곳에 대응하지 않는다. 그러므로 패턴은 사슬을 구성하는 DB들간 상호작용으로부터 발현되어야 한다. 대부분의 STM 영상과 dI/dV 맵은 DB 사슬 중심 주변으로 대칭을 이룬다. (b) 및 (c)에서 5 DB 사슬 및 6 DB 사슬은 (a)의 4 DB 사슬을 확장시킴으로써 제조된다. 이를 통해 알수 있는 바와 같이, 본 발명자들은 도시된 4 DB 사슬, 5 DB 사슬 및 6 DB 사슬에 대하여 유사한 전압에서 유사한 특징이 나타남에 주목하였는데: -1.7 V 내지 -1.75 V 사이의 샘플 바이어스에서, dI/dV 맵은 사슬 내 DB의 수와 동일한 수만큼의 밝은 스팟들을 보여주었다. 5 DB 사슬 및 6 DB 사슬의 경우 -1.8 V의 동일 바이어스에서 dI/dV 맵은 음의 미분 저항을 보이는 스팟들을 나타내는 것으로 보였다.
도 3은, 7개 원자로 된 사슬이라는 점에서뿐만 아니라, 해당 사슬의 전자 섭동도 또한 입증되었기 때문이라는 점에서 상기 결과들과 질적으로 상이하다.
도 3은 7DB 사슬 상에 국부화된 전하의 섭동 효과를 보여주는 것이다. 비섭동 사슬의 STM 영상과 dI/dV 라인스캔(도 3의 (a))은 신생 패턴을 보여준다. 패턴은 DB 사슬의 중심 주변으로 대칭을 이룬다. 유의미한 dI/dV 신호는 약 -0.6 V의 샘플 바이어스에서 시작된다.
본 발명자들은 도 3의 (b)에서 개입 H-Si 이량체 1개를 포함하는 이량체 열의 동일 면 상 단일 DB에 의해 섭동되는 동일 7 DB 사슬을 보았다. STM 영상은 DB로부터 가장 멀리 떨어져 있는 사슬 말단에 더 높이 솟은 지형을 보여주고, 전체 패턴은 비섭동 7 DB 사슬의 패턴과 달리 변하였다. dI/dV 라인스캔은 단일 DB로부터 가장 멀리 떨어져 있는 사슬 말단의 상태 밀도가 더 높음을 보여준다. dI/dV 라인스캔은 비섭동 7 DB 사슬의 패턴과 매우 상이한 패턴을 보여준다. 비록 -0.6 V 내지 -0.9 V에서 희미한 dI/dV 신호가 보였지만, 이 신호의 크기는 동일 전압에서 비섭동 7 DB 사슬에 대해 확인되는 신호의 크기에는 훨씬 못미친다.
이러한 관찰 결과들은, DB 또는 국부화된 전하가 7 DB 사슬의 다음에 배치될 때 본 발명자들이 이 사슬에 정전기적 영향을 주었고, 사슬의 전자 상태 밀도가 국부화된 섭동성 전하로부터 멀리 떨어진 곳으로 이동되게끔 유도하였음을 보여준다. 국부화된 전하는 또한 사슬상 모든 전자들의 에너지를 증가시킴으로써, 비섭동 7 DB 사슬에 적용된 전압보다 더 낮은 전압, 즉 -0.6 V 내지 -0.9 V에서 상태 밀도의 대폭 감소를 초래하였다.
여기에서 사용되는 바와 같이, 단일 DB는 고도로 도핑된 기판상에 음 전하를 자연적으로 얻게 되었다. 인접 MSiAQD의 특성을 정전기적으로 변경시키는 것은 국부화된 전하이다.
놀랍게도, 제1 섭동성 DB에 바로 인접한 곳, 구체적으로 동일한 내재성 Si 이량체상에 또 다른 DB가 형성됨으로써 근방에 국부화된 음 전하가 감소하였다. 이와 같은 전하 국부화 감소는, 하나의 이량체상 2개의 DB의 강한 상호 작용 성질이 큰 에너지 분열(energetic splitting)을 일으키기 때문에 발생한다. 매우 그러하므로, 종종 pi 및 pi 스타 상태(pi star state)라고 지칭되는 새로운 대칭 및 반대칭 상태는 각각 벌크 실리콘 가전자대 및 전도대 모서리와 공진한다. 결과적으로 전자는 국부화되지 않고, 오히려 이러한 대역들에서 흩어진다.
단일 섭동성 DB를 나출된 Si 이량체상 2개의 DB로 교체함에 있어서, 7 DB 사슬의 STM 영상 및 dI/dV 라인스캔이 비섭동 상태의 것으로 복귀함은 명백하다.
MSiAQD에 대한 전자 섭동 효과의 가역성을 보여주는 것에 더하여, 이러한 효과는, 본 발명자들이 ASiQD들 및 이것들의 앙상블로 형성한 것과 같은 갭 상태들을 벌크 상태에 연결시켜주기 위한 수단으로서의 청정 이량체의 유용성을 입증해준다. 원자 규모의 구조를 연결 및 작동시키는데 필요한 다수의 와이어 중 하나의 와이어는 벌크에 의해 제공될 수 있고, 이로 말미암아 필요한 와이어의 수가 상당히 감소하였고, 복잡도도 감소하였으며, 회로 밀도와 간편도가 증가하게 되었다.
쌍을 이룬 DB들의 끝과 끝이 맞닿은 배열은 또한 유효 와이어를 형성할 수 있다. 도 4는, H-Si(100) 표면상 하나의 Si-H 유닛에 의해 격리된 DB 2개를 보여주는 것이다. 이 쌍은 전하 큐비트이다. 도면의 하단부는 제3의 음 하전 DB에 의해 동일 DB 쌍이 섭동됨을 보여주고 있다. 상기 쌍의 분극은 명백하였다. 전하 감지 원자력 현미경 영상에 있어 어두운 음영은 음전하에 대응하므로, 본 발명자들은 섭동체에 가장 가까운 DB가 비교적 음성이 작음을 확인하였다.
도 5에는 상기에서 보인 효과를 성의있게 각고의 노력을 들여 도시한 도 4가 더욱 상세히 도시되어 있다. 여기에는 2개의 큐비트가 형성되어 있다. 도 4에서와 동일한 섭동이 적용되면, 가장 가까운 큐비트에서 동일한 결과가 달성되었다. 이외에도 특히 섭동체에 의해 직접적으로 바이어스되는 큐비트가 차례로 제2의 큐비트를 바이어스하였음도 주목되는 부분이다. 가장 많이 섭동된 DB들은 여전히 존재하지만, 여기서는 거의 가시적이지 않게 되었음을 주목한다. 이와 같은 전자적 변화는 온전히 가역적이다.
이러한 결과들은, 이전에 전혀 입증된 바 없던 단일 원자 및 단일 전자 전하 제어의 정도를 보여준다. 엔티티 클러스터 내 제어된 상호작용을 달성하기 위해 이를 효율적으로 이용하고 배치하는 능력도 또한 명백히 입증되었다. 이러한 제어는 규소상에서 증명되고, 본 발명자들이 원하는 엔티티를 이용하는 것은 다양한 유용성을 가진다.
실시예 2
본 실험은 본 발명의 추가 구현예들에 따른 다수의 ASiOD로부터 더욱 복잡하고 진보된 원자 규모 전자 구조들을 형성하는 능력을 보여주는 것이다. 이러한 구조는 2원 연산 또는 원자 2원 논리에 있어 유용성을 가진다.
도 6a는 H-Si(100) 표면으로부터 단일 수소 원자를 팁 유도 탈착함으로써 생성된, ASiQD의 정전류 STM 영상을 보여주는 것이다. 비교적 높은 전압(예컨대 -1.7 V)에서 음으로 하전된 ASiQD는 충전 상태 영상에서 특징적인 어두운 소형 할로(halo)에 의해 둘러싸인, 밝은 돌출부로서 나타났다(17). 0 V에서의 대응하는 주파수 이동 맵에 있어서(도 6d), 규소 원자 아래를 장식하고 있는 수소 원자들은 2x1 표면 재구성에 배열된 밝은 돌출부로서 나타난다. ASiQD는 어두운 무늬로 보이는데, 이는 훨씬 더 큰 팁-샘플간 끌어당기는 상호작용을 나타낸다(19).
도 6c는 ASiQD 및 H-Si 표면 위를 대상으로 작성된 I(V) 분광도를 보여주는 것인데, 여기서 표면과 ASiQD 둘 다는 약 -0.8 V로부터 + 0.2 V까지에서 "0" 전류 대역 갭을 보인다. 도 6d는 ASiQD 상에서 측정된 Δf(V) 스펙트럼, 즉 KPFM 분광도를 보여주는 것으로서, 이때 바이어스 스윕 범위, 즉 STM 정보를 얻을 수 없는 재료의 대역 갭 범위는 -0.6 V 내지 0 V이다. 흥미롭게도, 약 -250 mV에서 변화가 급격한 단계가 확인되었다. NC-AFM 실험에서 하전된 종(6, 21), 분자간 전자 이동(7), 그리고 양자점의 하전 상태 변화(25)를 관찰하는 사전 연구는 이와 같은 유형의 단계가 단일 전자 하전 상태의 역학적 변화에 대응하는 것을 특징으로 함을 보여주었다. 그러므로 이전의 연구들을 기반으로 하였을 때, 도 6d에 보인 단계는 ASiQD 하전 상태 이행(음 하전 상태(이중 점유) → 중성 하전 상태(단 점유))을 각각 Δf(V) 곡선 중 약 -250 Mv를 기준으로 우측과 좌측에 할당될 수 있다.
2개의 ASiQD가 약 1 nm 이하 이내로 근접하여 이격되어 있을 때, 쿨롱 반발력은 상기 쌍의 여분 전자들 중 하나를 전도 대역(14,22)에 탈국부화되도록 만든다(14,22). 이와 같은 전자의 소실은 ASiQD 쌍에 있어 비점유 상태를 형성한다. 원자들간 낮고(0.5 eV) 좁은 장벽은, 쌍을 형성하고 있는 ASiQD들간 터널링을 가능하게 만든다. 도 7a~7i는 ASiQD들의 이러한 터널 결합 쌍들 중 하나의 분극을 분석하고 있다.
도 7a 및 7b는 분리된 ASiQD의 STM 영상과 대응 주파수 이동 맵을 보여주는 것이다. Δf(V) 스펙트럼(도 7c)은 -0.2 V에서의 하전 이행 구간을 보여준다. 추가의 ASiQD가 부가되되, 다만 이 ASiQD가 부가될 때 팁 변화가 없도록, 그리고 AFM 및 KPFM에 대한 매개변수는 동일하도록 보장하는 것에 주의를 기울였다. 도 7d는 도 7b의 제1 ASiQD에 터널 결합하는 제2의 ASiQD가 생성된 경우이다. 도 7e의 AFM 영상은, 쌍 사이에 1개의 개입 수소 원자가 있으며, 상기 두 ASiQD 위로는 유사한 콘트라스트가 관찰됨을 보여준다. 도 7h의 KPFM 측정 결과는 이를 확증해주는데, 즉 상기 2개의 ASiQD를 대상으로 작성된, 거의 동일하되 다만 하전 이행 단계가 현재 약 -0.25 V에서 절대치가 작은 음의 값이 생성되도록 이동한 AFM 곡선을 보여주고 있다. ASiQD의 터널 결합 쌍은 총체적으로 하전량이 -1인데, 이 값은 이러한 수평적 이동을 설명해준다.
제3의 ASiQD가 부가되었을 때(도 7g), AFM 영상(도 7f)은 4 H 원자 격리를 보여준다. 이러한 섭동성 ASiQD는 터널링 상호작용이 지수적으로 감소함에 따라 이 쌍과 거의 터널 결합을 이루지 않으며, 또는 자체의 음 전하를 소실시키기에 충분한정도로 전기량 측면에서 탈안정화되지 않는다. 터널 결합 쌍에서 극명한 콘트라스트가 보였다. 중간에 있는 ASiQD는 가장 멀리 떨어져 있는 ASiQD보다 유의미하게 더 밝다. 도 7i(도 7i의 좌측 하단에는 색 암호화에 의한 부연설명 포함)의 이 같은 "2 + 1" 실험에 대한 KPFM 곡선을 더 철저하게 조사하고 관찰하였을 때, 섭동성 ASiQD(흑색) 및 가장 좌측으로 떨어져 있는 ASiQD(청색)에 대한 KPFM 이행 에너지가 중간 ASiQD(적색)에 대한 KPFM 이행 에너지보다 절대치가 훨씬 더 큰 음의 값임을 주목한다. 중간 ASiQD에 대한 KPFM 트레이스는 +200 mV로 뚜렷하게 이동한 하전 이행 에너지를 보여준다. 이러한 이동은 섭동성 ASiQD의 반발 효과로 말미암는 것이다. 이 ASiQD의 음 하전 상태 → 중성 하전 상태로의 이행을 기록하기 위해서는 탐침과 샘플간에 절대치가 더 작은 음의 전압이 적용되어야 한다. 달리 표현하자면, 탐침 바이어스가 "0"이되, 음의 섭동성 ASiQD의 영향 하에 있는 중간 ASiQD는 이미 중성인 상태가 되었음이 확인될 수 있었다. 터널 결합 ASiQD가 전기적 섭동에 의해 분극될 수 있는 이중 우물형 퍼텐셜을 형성하는 것은 분명하다. 이와 같은 예에서, 이중 우물은, 공유 전자가 거기에 국부화되도록 만들면서 좌측으로 치우쳤다.
그러므로 본 발명은 전하를 2개의 터널 결합 ASiQD로 형성된 이중 우물형 퍼텐셜의 한쪽 면에 국부화시킬 수 있는 가변적 바이어스 전극 또는 고정 전하를 증명한다. 이는, 정보가 공간적 전하 분포로 암호화되도록 허용하고, 또한 종래의 전류를 사용하지 않고, 작동당 에너지 소모를 최소화할 뿐만 아니라, 대기 전력 소모를 없애면서 정보가 전달되는 것을 허용한다.
이러한 원리를 확대적용하여, 도 8a ~ 8f 및 9a ~ 9o는 끝과 끝이 맞닿아 배열되어, 원자 2원 와이어 및 원자 2원 게이트를 생성하는 다수의 DB 쌍들을 보여주고 있다. 이 도면에 보인 STM 영상들은 원자의 위치를 규명해준다. 한편, 특정 높이 체제에서의 AFM 영상들은 구조 내 전하들의 위치를 보여주므로, 원자 와이어 또는 게이트의 논리 상태를 규명해준다. 특히, 정보 전송을 더욱 용이하게 가시화하기 위해 AFM 영상은 팁-샘플간 격리길이가 더 먼, 정전기력이 우세한 길이에서 촬영되었다. 따라서 이 영상은 참고문헌(26) 및 도 6과 도 7에 보인 바와 같은 표면 구조를 해상하지 못한다.
도 8a ~ 8f는 제작된 17,18 및 19개의 ASiOD 원자 2원 와이어의 STM 충전 상태 영상을 보여주는 것이다. 각각의 구조 아래에 색상별로 나타낸 원은 음성 ASiOD(청색), 중성 ASiOD(연녹색) 및 섭동체(적색) ASiOD의 위치를 명확히 보여주기 위해 부가되었다. 도 8a ~ 8f는 8개의 결합 쌍과 하나의 미결합 DB(섭동체로서 작용)로 이루어진 원자 2원 와이어를 맨 우측에 보여주고 있다. 하나의 쌍을 이루는 DB들은 단일 H 원자 격리를 보여서, 쌍들은 서로 간에 4 개의 H 원자가 되는 것이다. STM 영상(도 8a)의 아래는 이 구조에 대한 일정한 높이에서의 AFM 영상(도 8b)이다. 앞에서 언급한 바와 같이, 맨 우측에 있는 단일 섭동성 전하는 대칭성을 파괴하여, 모든 쌍들이 실현 가능한 분극 상태 2가지 중 한 가지로서 배열되게끔 유도한다(좌측 끝 부분에 나타냄). 도 8c는, 가장 오른쪽의 DB가 결합 쌍으로 변할 당시의 와이어 재대칭화(re-symmetrization)에 관한 STM 영상을 보여준다. 와이어는, 도 8d의 주파수 이동 맵의 중간을 나누었을 때 좌측 절반, 그리고 나머지 우측 절반에서와 같이 반응한다. AFM 영상에서 대칭 평면은 백색의 수직 점선으로 표시된다. 마지막으로 도 8e와 8f에 있어서, 쌍들이 이루는 동일 라인은 반대쪽 면으로부터 분극되는데, 이 때 19번째 DB가 좌측에 부가된다. 와이어는 도 8a에 보인 바와 반대로 또 다른 나머지 분극 상태(우측 끝 부분에 나타냄)를 가정하여 응답한다.
따라서, 본 발명은 라인의 재설정이 필요하지 않음을 보이면서, 결합된 웰에서 전자를 재배열하는 것과 연관된 엔트로피 에너지만을 소비하는 가역적 정보 전달을 입증한다. 2개의 상태 라인은 즉시 다시 작동할 준비를 갖추게 된다. 스캔된 탐침 기구는 디바이스의 부품이 아니고, 단지 관찰도구일 뿐이다.
도 9a ~ 9o는 본 발명에 따른 2원 논리 OR 게이트를 보여준다. 2개의 최상단 분지들은 입력이고, 하단 분지는 출력이다. 도 9a는 게이트를 포함하는 "중앙" 구조를 보여주는데; 이 구조에서는 예각을 이루며 배열된 터널 결합 쌍 3개가 중심에서 서로 만난다. 임의의 정전기적 영향력으로부터 격리된 2D 조립체는 쌍들 사이에서 정전기적 반발력을 겪게 되고, 이 경우 전자들은, 도 9b의 AFM 주파수 이동 맵의 콘트라스트에 의해 나타내어지는 바와 같이 분지의 외측에 국부화된다.
도 9d에 입증된 바와 같이, 출력 ASiQD의 반대 분극 상태를 확립하기 위하여, 적응이 이루어지고, 하단 출력 분지 말단에 약한 섭동체가 사용된다. 이 섭동체는 중앙 구조로부터 최하단에 있는 ASiOD를 중성(이는 "0" 상태로서 정의됨)으로 분극시키는 "약한 스프링"으로서의 역할을 한다. 이는 실험에 의해 확인되며(도 9e), 도 9f에 그래프로 나타냈다. 진리표 제1열은 "0" 출력을 내는 "0" 입력 2개로 확립된다.
음의 입력이 도 9g의 좌측 상단, 도9j의 우측 상단, 또는 도 9m의 입력 분지 둘 다중 어느 하나에 도입될 때, 도 9h, 도 9k 및 도 9n의 AFM 맵 각각에 보인 바와 같이, 상기 약한 스프링은 이에 따라 재배열되어 출력 "0"상태를 "1" 상태로 급변시키는, 구조 내 전자로써 출력시 압도당한다. 이를 게이트 출력 모형(도 9i, 9l 및 9o)과 상관시켰을 때, 이는 진리표의 나머지를 충족한다. 도 9j의 결과는 기계적 부동태화를 이용하여 도 9g의 좌측에 있던 ASiQD 입력을 부동태화하고, 우측에 새로운 입력을 생성함으로써 달성되고, 이로써 진리표가 완성된다.
적용된 전압의 함수로서의 국부력 스펙트럼은 단일 비속박 결합과 앙상블의 하전 상태 이행을 규명해 준다. 이중 점 엔티티와, 이중 점의 긴 서열의 단일 전자 유도성 스위칭(좌→우, 또는 2원적"0" 또는 "1"상태)이 보였다. 자체의 진리표의 모든 상태를 포함하는 2원 OR 게이트가 보였다. 게이트 출력뿐만 아니라, 여타의 것들 가운데 "아니오(NOT)"와 "및(AND)" 함수도 훨씬 뛰어넘는 신호의 확장도 또한 고려된다.
게이트 및 게이트들 간의 2원 와이어는 오로지 하나의 전자 준위 정전기적 구동을 필요로 하고, 종래의 전류는 요구되지 않으므로, 전력 소모는 매우 작다. 결합된 원자 양자점들 간 터널링 속도가 펨토초 단위이므로(2010년 큐비트에 관한 NJP 논문), 신호 전송과 게이팅 동작은 빠를 것이다. THz 작동 속도가 예상된다. 여기에 기술된 접근법은 트랜지스터를 사용하지 않으면서 무어(Moore) 기술에서 그러하듯이 엄청난 속도를 매우 낮은 전력 소모와 함께 달성하는, "무어 기술을 뛰어넘는" 기술을 실현가능하게 할 수 있다.
실험 3 - ASiOD 제조 방법
본 발명의 ASiOD는 본 발명의 방법, 즉 AFM 센서의 팁을 이용한 단일 H 원자의 수직 방향 조작을 실시하고, 이러한 조작을 나노전자 디바이스와 유관한 규소 DB 기반 구조의 특성규명 및 가공에 적용하여 제조되었다. Si-H 표면상에 국부화 팁 유도성 여기가 실현된 후, 단일 수소 원자는 탈착되어, STM 및 AFM에서 안정적인 영상화를 통해 표면에 증착될 수 있거나, 또는 팁의 정점에 운반될 수 있다. 단일 H 원자로 활성화된 팁은, 주파수 이동 대 변위 곡선(즉 Δf(z))에서의 고유한 신호와, 충전된 상태와 빈 상태일 때의 STM 영상들의 특징적인 증강을 통해 동정되었다. 바이어스 및 전류의 부재하에 H 활성화된 팁 정점을 DB에 매우 근접하게 위치시킴으로써, 단일 수소 원자와 규소 원자간 공유 결합이 형성되었다. 이후 STM 영상과 Δf(z) 곡선의 변화는, 이와 같이 기계적으로 유도된 반응이 팁 정점으로부터 유래하는 수소에 의한 DB의 부동태화를 초래함을 확인시켜주었다.
CO 활성화된 팁은 금속 표면 상에 흡착된 분자의 특성규명에 효과적이다(24,28). 본 발명의 방법은 선택적 기계 유도성 수소 부동태화 또는 "캡핑"을 통해 H-Si(100) 표면상에서의 DB 기반 구조 변화를 특성규명할 수 있고, 또한 이러한 변화를 유도하는, H 활성화된 팁을 제조 및 동정하기 위한 접근 가능하고 효과적인 방법의 구현예들을 제공한다. 중수소 캡핑된 팁이 이와 유사하게 제조될 수 있다. 이러한 팁들로써 ASiQD의 중수소 캡핑이 달성될 수 있다.
Si(100)-2x1 재구성에 있어서, 표면에 있는 규소 원자는 이량체로 조직된다. 상기 표면이 일수소화물 재구성에서 수소로 부동태화될 때, 이 표면에 있던 각각의 규소 원자는 도 10a에 보인 바와 같이 단일 수소 원자와 공유 결합하게 된다. 도 10b는 활성화되지 않은 팁을 이용하여 획득된, 전형적인 무결함 빈 상태 STM 영상을 보여주는 것이다(현장 팁 제조에 관한 상세한 설명은 참고문헌(29)의 방법 참조).
도 10c는 H-Si(100) 표면에 있어 규소 비속박 결합(녹색으로 표시)에 관한 3D '볼 앤드 스틱' 모형을 보여주는 것이다. 단일 DB를 형성하기 위해 STM 팁은 수소 원자(도 10b의 적색 점) 위에 위치하게 되고, 피드백 루프는 중단되며, 약 2.3 V의 전압 펄스가 수 밀리초 동안 적용된다. 도 10c에 도시된 바와 같이, 이는 팁 정점 아래 수소 원자의 선택적 탈착을 초래하는데, 이때 수소 원자는 종종 이 팁으로 옮겨가기도 한다. 도 10d는 형성된 단일 DB의 전형적인 STM 영상을 보여주는 것이다. 문헌들에 개시된 이전 연구들에 따르면, 빈 상태일 때의 DB는 특징적인 어두운 할로에 의해 둘러싸여 있는 밝은 돌출부로서 보인다고 한다(11,14).
본 발명의 방법에 관한 구현예들에 따르면, 탈착된 H 원자는 대략 그 배수의 50% 정도가 팁 정점으로 옮겨간다(즉 H 활성화된 팁이 형성된다). 30%의 경우에 있어서, 탈착된 H 원자는, 도 11a에 보인 바와 같이, 막 형성된 DB와 가까운 H-Si 표면에서 발견되었다. 나머지 20%의 경우에 있어서, 팁 정점은 변하지 않고, 수소 원자도 새로 형성된 DB 근처에서 발견되지 않았는데, 이는 아마도 수소 원자가 정점 원자에서 멀리 떨어져 팁에 흡착되었거나, DB로부터 더 멀리 떨어진 표면에 증착되었거나, 또는 진공관으로 분출되었음을 암시하는 것이다.
도 11a는, DB가 팁에 의해 유도되어 형성된 직후 단일 수소 원자가 H-Si 표면상에 증착된채 발견되었을 때의 예를 보여주는 것이다. 이러한 대상체는 증가한 양의 바이어스로 견인되어 근방에 형성된 DB를 부동태화하는 것으로 보아, 단일 수소 원자인 것으로 확인된다(도 15a ~ 15c). 흥미롭게도, 수소 원자는, 도 11b에 보인 바와 같이, 빈 상태 STM 영상에서 어두운 할로에 의해 둘러싸여 있는 약간 밝은 돌출부로 보인다. 이는, 단일 DB에서와 유사한 국부화 대역 휨현상(bending)을 유도하는 하전 효과를 암시한다(14,16). 대응하는 주파수 이동 맵(도 11c)에 있어서, 물리흡착된 수소 원자는 2개의 인접 이량체 쌍들의 격자 왜곡을 유도하는 것으로 보인다. 비교적 높은 양의 전압(도 2-f의 예에서 +1.6 V)에서 영상화될 때, 수소 원자는 팁 정점에 의해 픽업된다(스캔을 통한 STM 콘트라스트 중간부의 변화를 통해 확인됨).
도 10a ~ 10d 및 도 11a ~ 11d의 예들에 있어, DB를 형성한 다음 증강된 STM 콘트라스트는 탈착된 단일 H 원자에 의한 팁 활성화의 첫 번째 확실한 지표이다. 콘트라스트는 수소가 표면으로부터 탈착되기 전과 후 각각에 해상 이량체(도 10b)로부터 해상 단일 원자(도 10d)로 변한다. 이는 CO 분자에서 잘 알려진 바와 유사한데, 즉 일단 전압 펄스가 가하여진 후에 팁 정점에 의해 분자가 픽업되면, 이는 STM 콘트라스트와 AFM 콘트라스트를 증강시킨다(24,30,31). 상이한 팁의 역학적 성질을 동정하는 것은 힘 곡선을 연구함으로써 달성된다(25,29,32). 단일 수소 원자와 규소 원자의 공유 결합이 기계적으로 유도된다. 도 12a는 본 발명의 방법을 이용하여 형성된 규소 DB를 보이는 H-Si 표면의 충전 상태 STM 영상을 보여준다. 빈 상태의 경우와 유사하게, 증강된 STM 콘트라스트가 눈에 띈다. 사실, H-Si 표면의 전형적인 충전 상태 STM 영상은, 일반적으로 이량체 열만을 보이지만(14), 도 12a에서는 이량체 열에 있는 이량체가 명백하게 해상된다.
AFM 스캐닝 모드로 도 12a의 단일 DB를 스캔한 결과, 즉 도 12b는 표면상 수소 원자 위에 수소로 활성화된 팁을 조준하였을 때 기록된 주파수 이동 대 변위 곡선을 보여준다. 활성화된 팁이 전술된 과정에 따라 제조될 때 약 -3Å에서 항상 최소값이 보인다. 이러한 특징들은 팁 정점에 있던 활성화 원자가 이완되기 때문이다(7,28,33).
Δf(z) 곡선이 활성화된 동일 팁을 사용하여 DB를 대상으로 작성될 때, 이 곡선은 도 12c 및 12d에 보인 바와 같이 DB에 팁이 매우 가까이 근접함에 따라 전향 및 후향 스윕 사이에 이력현상을 보이는데, 이는 AFM 접속부의 변화를 나타낸다(10,33,34). 후속 STM 영상이 획득될 때, DB는 수소 원자로 캡핑됨에 주목한다. 황색 화살표로 표시되는 결함은, 도 12e의 구역이 도 12a의 구역과 정확히 동일한 구역임을 보여주는 마커로서 사용된다. 뿐만 아니라, 도 12f에 보인 바와 같이 표면의 수소 원자 위에서 작성된 Δf(z) 곡선은 더 이상 수소 활성화된 팁의 특징을 이루는 최소값을 나타내지 않았다. 이는, 힘 곡선에서 최소값을 내는 팁이 실제로 단일 수소 원자에 의해 활성화되었음을 보여주는 것이다.
증강된 STM을 달성하는 팁은 또한 체계적으로 피상적인 범위의 최소값들을 보이는 특징적인 힘 곡선을 산출한다. 따라서, 도 10d, 11a 및 12a에 제시된 바와 같은, STM 콘트라스트 변화는 팁 정점이 단일 수소 원자에 의해 성공적으로 활성화되었음을 보여준다. H 활성화된 팁을 확인하기 위한 STM 콘트라스트 변화는 시간이 소요되는 작업인 Δf(z) 곡선 작성보다 훨씬 빨리 얻어지는 지표이므로, 이러한 STM 콘트라스트 변화는 캡핑을 통해 DB 가공 구조를 변경하는 것과 관련된 기술상의 응용례에 중요하다. 사실 정칙적이고 체계적인 팁 비손상 과정으로서 신뢰할 수 있는 캡핑은 STM 콘트라스트를 지표로서만 이용하여 이루어진다.
모든 Δf(z) 곡선은 터널링 전류가 전혀 부재할 때, 즉 0 V에서 작성되고, DB의 수소 캡핑은 오로지 팁이 상호작용이 일어날 수 있을 만큼 충분히 가까운 거리에 있을 때에만 진행된다. 그러므로 규소-수소 공유 결합은 기계적으로 유도된다. 특히 기계적으로 유도된 탈착도 또한 관찰되지만, 이는 격렬하지 않고 정확하게 진행되는 팁 유도 탈착과는 달리, 종종 팁 구조 변화 또는 다수 회의 수소 탈착을 초래하기도 한다. 팁 정점에 수소 원자가 픽업되기 전, 즉 초기의 팁 정점 구조는 정확히 동일하지는 않다. 그러므로 H-팁 결합은 CO 팁의 경우와 유사하게 H 활성화된 팁 모두에서 반드시 동일해야 하는 것은 아니다. 이는 팁 올림길이의 변화를 초래하고, 그 결과 캡핑이 유도된다. 센서 발진 진폭 또는 Δf(z) 획득 매개변수와 같은 기타 요인들도 또한 기여한다.
H 활성화된 팁은 고해상도 AFM 영상화 이외에 원자-원자 리소그래피에서 규소 DB 기반 나노전자 소자들을 제조 및 변형하는데 사용될 수 있다.
AFM은 DB의 화학 반응성의 특성규명을 허용하므로, STM 연구에 중요한 상호 보완적 견해를 제공한다. 더욱이 ATM은 STM과는 달리 팁으로부터의 최소화된 섭동, 예컨대 최소한의 팁 유도 대역 휨현상 및 전자/홀 주입으로써 대역 갭 내 DB와 DB 구조의 전자적 특성을 탐침하는 것을 허용한다(14,15).
도 13a는 표면 수소 원자 위에서 H 활성화된 팁을 이용하여 작성된 힘 곡선(청색 곡선) 및 단일 규소 DB를 이용하여 작성된 힘 곡선(적색 곡선)을 보여주는 것이다. 이러한 힘 곡선들은, 피드백 루프가 중단되기 전 STM 영상화 설정 점(30 pA 및 +1.3 V)에 의해 정의되는 팁 위치에 대응하는 Z(0 Å)를 시작점으로 이어서 작성되었다. 그러므로 2개의 곡선을 중첩시키는 것은 팁-표면 및 팁-DB 간 상호작용 힘의 직접적인 비교를 허용한다. 비교적 긴 팁-샘플간 거리로 인해 두 곡선은 거의 동일함에 주목한다. 오로지 짧은 팁 올림길이(본 실시예에 있어서는 약 -3.5 Å)일 때만이 차이를 보이는데, 이 경우 DB는 팁을 끌어당기는 상호작용을 훨씬 더 많이 증가시킨다. 이는, 협소한 범위의 힘이 상호작용 힘에 대한 주요 기여원임을 말해주는 것이다(35). 이는 또한 증착된 분자가 선택적으로 흡착될 수 있는, 화학적으로 비활성인 H-Si 표면상에서 DB가 반응성 화학 중심이라는 것과도 일치한다(36,37). Cu(111)보다는 NaCl에 더 잘 흡착되는 금 원자의 경우에 대하여 이미 보고된 바와 유사하게(38,39), DB상 국부화된 음 전하로 말미암는 협소한 범위의 정전기적 힘(11,13,14)은 아마도 DB상 팁-샘플간 강한 상호작용의 주요 기여원일 것이다.
도 13b 및 13c는 팁 올림길이가 상이할 때 H 활성화된 팁을 이용하여 획득된 주파수 이동 맵을 보여주는 것이다. 비교적 긴 팁-샘플간 거리에서(도 13b), 규소 원자를 장식하고 있는 각각의 수소 원자는 뚜렷이 보이고, 이 수소 원자는 2x1 재구성된 이량체 구조를 따른다. 표면에 탈착된 수소 원자로부터 형성되는 DB는 원자 크기의 어두운 돌출부로서 보이는데, 이는 DB 상에 훨씬 더 강한 팁-샘플간 상호작용력을 국부적으로 도입한다. H-Si 표면, 즉 표면에 더욱 가까이에서는(도 16a ~ 16e), 원자 큰트라스트로부터 결합 콘트라스트로의 진화가 확인된다(이에 관하여는 참고문헌(29)에 상세히 논의되어 있음). 도 13c에 있어서 더욱 큰 인력으로 말미암아 DB는 확대된 무늬로 보인다. 내부에서 확인되는 섭동은 피드백 루프가 일정한 발진 진폭을 유지할 수 없음으로 말미암아 여기 채널에서 발생하는 허상(artifact)이다(도 17a ~ 17c).
수소 원자에 의한 팁 정점의 부동태화 덕분에 고해상도 결합 콘트라스트 영상화가 달성될 수 있게 되었다(24,29). 수소 원자는 끌어당겨져 규소의 DB와 공유 결합을 형성할 수 있지만, 이는 샘플에 대한 팁 올림길이가 아주 짧을 때에만 가능하다. 이는, H 활성화된 팁이 경질이고, 반응성 흡착체 또는 표면 결함을 영상화하는데 사용될 수 있음을 보여준다.
STM 팁과 원자-원자 리소그래피를 이용하여 활성화된 DB 구조, 예컨대 QCA 회로, 2원 와이어 및 논리 게이트를 제조하기 위해서는 DB들간 결합이 활용될 수 있다(11,12,17). 대형의 다수 원자 회로에 있어서, 이 과정은 탈착의 정확한 제어를 필요로 하는데, 이러한 제어는 지금까지 적지 않은 DB에 대해 보고된 바 없으며 또한 달성하기가 어려웠다. 그러므로 다수의 DB 구조를 교정하거나 바꾸는 기술이 절실하게 요망된다. 뿐만 아니라, DB를 캡핑하는 것은 결합된 DB들의 가공 양자 상태의 조정을 허용한다.
도 14a는 동일한 이량체 열을 따라 결합된 DB들 중 별도 쌍 2개에 대한 충전 상태 STM 영상을 보여주는 것이다. 눈에 띄는 점은, H 활성화된 팁이 증강된 STM 콘트라스트 특징을 가진다는 점이다. 도 14b에 있어서, 우측면 DB는 이전 섹션에 기술된 바와 같이 기계적으로 유도된 H-Si 공유 결합을 이용하여 선택적으로 캡핑되었다. 도 14b는 도 11 및 도 12에 이미 도시된 바와 같은 STM 콘트라스트 변화를 보여주는 것이다. 또한 여기서 영상의 우측 면에 있는 단일 DB는 어두운 소형 할로에 의해 둘러싸여 있는 밝은 돌출부로서 보이는 한편, 결합된 또 다른 DB 2개의 모양은 변화를 보이지 않았다(11).
유사한 실험이 도 14c에 도시되어 있는데, 여기서 터널 결합 DB 3개는 H 활성화된 팁을 사용하여 영상화되었다. 이후 중앙 DB는 소거되고, 팁은 또 다른 수소 원자를 픽업함으로써 다시 활성화되며, 나머지 2개의 DB는 다시 영상화되었다(도 14d). 전후 영상에 거의 동일한 수소 팁이 사용될 때, 밝기에 변화가 있는 하이라이트 부분들은 단순히 종단화 원자의 변화로 말미암는 것이 아니라, 결합의 변경으로 말미암는 것이다.
도 14e는, 도 14f의 3D 모형에 도시된 바와 같이, 단일 H 원자에 의해 격리된 각각의 DB와 함께 동일 이량체 열을 따라서 존재하는 DB 4개의 충전 상태 영상을 보여주는 것이다. 대응하는 빈 상태 영상(도 14g)에서는 가시적 말단 원자들 사이에 4개의 밝은 돌출부가 추가로 있는, 더욱 복잡한 구조가 확인된다. 파동으로부터 유래하는 여기 상태 분자 궤도인 여분의 돌출부는 다수의 DB 시스템의 중첩부로서 작동한다. 본 발명자들은 여기서 팁 정점 상의 수소 원자가 결절점이 사라지도록 유도하면서, Si 원자의 제어되는 기계적 공유 결합(DB)을 통해 이와 같은 인공 분자 궤도가 능동적으로 변형됨을 보여주고 있다. 도 14f 및 14h는 각각 도 14e의 가장 우측에 있는 DB가 소거되어 변경된 충전 상태 및 빈 상태 분자 궤도를 보여주는 것이다. 충전 상태 영상은 DB 3개에 대응하는 밝은 돌출부 3개로 보였던 반면에, 빈 상태 영상은 이제 변경되어 앞선 4개의 밝은 돌출부 대신 2개의 밝은 돌출부를 보였다. 도 14e ~ 14h에 보인 바와 같이, DB 구조는 변경 전후 두 경우 모두에 대해 활성화되지 않은 팁을 사용하여 영상화되었다. 이는, 상이한 부가 결절들로부터 확인되는 DB들간 결합 변화를 더욱 부각시키는데, 이 때 밝은 돌출부의 출현/소멸은 팁의 변화로 말미암는 것이 아니라, 팁 정점상에 있던 수소 원자로 DB가 소거됨으로 말미암는 것이다.
도 14a ~ 14h의 예들을 통하여, 제어되면서 기계적으로 유도된 H 및 Si 공유 결합이 DB 구조의 비파괴 편집을 어떻게 허용하는지가 파악된다. 이러한 기술은, 스위치 형태로 진행되는 DB의 소거뿐만 아니라, 더욱 복잡한 DB 기반 패턴 및 소자의 구동에도 또한 추가 적용될 수 있다.
실험 4 - AFM 영상들에 있어 화학 결합 콘트라스트의 표시
관찰되는 화학 결합 콘트라스트는 분자들의 분자내 구조 또는 분자간 결합 중 어느 하나로서 해석된다. 이러한 콘트라스트는 짧은 팁-샘플 거리에서 우세해지는 Pauli 반발력으로부터 발생함이 제안된 바 있다(1,18). 대안적으로 이는 고전적인 힘의 장(force field) 모형(9,19)을 바탕으로 하는데, 여기서 팁의 가요성은 AFM 영상에 있어 화학 결합 콘트라스트를 초래하는 주된 효과가 있는 것으로 주장되고 있다.
H 종단화 Si(100) 표면을 영상화할 때의 화학 결합 콘트라스트는 2x1 재구성시의 규소 공유 결합 구조와 일치한다. 이러한 비평면형의 표면은 표면 면(surface plane)에 거의 수직인 H 원자와 함께, 상이한 배향을 보이는 다양한 Si-Si 및 Si-H 결합을 보인다. 우선, Si-Si 이량체는 표면 면에 평행하여, AFM의 결합 영상화 능력 시험 시 그 대상이 되는 제1 비흡착 분자를 제공한다. 결합은 또한 지금까지 연구된 탄소 종들의 결합(1.5 Å 미만)에 비해 범상치 않게 길어서(약 2.4 Å), 탐침이 공유 결합된 원자들 사이의 공간에 더 잘 접근하도록 허용한다. H 원자에 의한 이량체의 종단화는 구성 규소 원자들이 sp3 유사 특징을 보유하도록 만들어 버리고, 이로써 이량체는 표면 면으로부터 실질적으로 튕겨져나와 버클링(buckling)되는 것이 방지된다(24). AFM 연구 표본으로서의 이량체의 또 다른 고유한 특징은 이 자체가 오로지 σ 결합만으로 이루어진 특징을 가진다는 점이다. 지금까지 연구된 π 결합과는 달리, σ 결합은 표면에 대해 수직 방향으로 더 급격하게 붕괴되는 것으로 보아, 본 발명자들이 공유 결합된 원자들 간에 개략적으로 도시하였던 '스틱형 결합(stick bond)'과 거의 일치한다. 마지막으로 끝과 끝이 맞닿아 배열된 2개의 H 종단화 이량체(이량체 열들에 인접하는 2개의 이량체) 상 H 원자 2개의 확정적이고 정확히 공지된 근접성은, H 함유 분자가 조밀하게 병렬될 때 결합에 오류를 보이는 표시와 관련하여 제기된 최근의 추측들을 시험할 훌륭한 기회를 제공한다.
반응성 팁 또는 부동태화된 팁(이 둘 다는 자체가 만들어내는 전형적인 힘의 곡선으로 확인됨) 중 어느 하나를 수득하기 위하여, 텅스텐 팁을 구비한 qPlus 센서는 e-빔 및 전기장 이온 현미경(FIM)으로 현장 외에서 세정된 후 수소 종단화 규소 표면과 더불어 현장 내에서 제조될 수 있다. 밀도 함수 밀착 결합(Density Functional Tight Binding; DFTB) 기반 접근법은 DFT와 유사하게 AFM 영상들을 정확히 효율적으로 모의한다.
e-빔 및 FIM을 이용하는 현장 외 팁 세정 과정이 수행되면, 상기 접근법 수행 직후 표면에 대한 스캐닝 터널링 현미경(STM)의 원자 해상력이 달성된다. 그러나 영상은 종종 허상, 예컨대 2개/다수 개의 팁인 것으로 보이는데(도 18a 참조), 이 점은 데이터 해석을 부정확하게 만든다. 그러므로 팁을 현장 내 기술에 의해 더 처리하여 단일 원자 팁 정점을 수득할 필요가 있다. 금속 표면이 연구될 때, 이 과정은 보통 높은 전압 펄스를 적용하고 팁의 거칠은 만입부를 표면에 닿게 한 다음, CO와 같은 분자를 사용하여 팁을 활성화함으로써 수행된다. 연구 대상 표면 구역을 파괴하지 않고 안정적인 팁을 제공하는, 격렬하지 않게 진행되는 방법이 사용된다.
이 방법은 팁을, 규소 팁 정점을 만드는 규소 표면과 제어되는 방식으로 접촉시킴으로써 개시된다(26). 그 다음, H-Si(100) 표면상에는 팁 유도성 수소 탈착에 의해 나출 규소 구역이 형성된다(27-29). 도 18a의 예에서 4 V 및 150 pA에서 약 6분 동안 스캔한 다음, 규소 팁 정점을 수소로 코팅함으로써 (5x5) nm2의 정사각형 구역이 형성된다. 그 다음, 팁은 나출 규소 구역에 가까이 접근하게 되고, 이후에는 새로운 STM 영상이 획득되어, 발생 가능한 팁 변화가 있었는지 검토된다. 이 과정은 허상이 생성되지 않고 표면에 뚜렷한 STM 영상이 얻어질 때까지(도 18b 참조) 반복된다. 도 18b에서 적색 화살표로 표시된, 작고 어두운 무늬들은 상기 팁 제조 및 H 활성화 공정이 종결된 후 생성된 H 종단화 규소 이량체의 것이다. 팁은 수소 불포함 이량체 위에 위치하게 된 다음, 표면에 약 6 Å 더 가까이 접근하였다. 재 영상화는 새로 H 종단화된 이량체를 확인시켜 주었다. 이와 유사하게, 이로부터 제조된 H 종단화 이량체는 이미 기술된 바 있다(30). 이처럼 규소 이량체를 H 원자로 캡핑하는 작업은, H 탈착 제조 방법의 결과로서 팁 상 다수의 H 원자가 존재하게 되었음을 나타내기 위해 수행되었다.
팁이 부동태화되었을 때의 특징은 힘 분광법을 이용하여 추가로 확인된다. 도 18c의 예에서처럼 수소 탈착 과정 이전에 획득된 H-Si 표면의 전형적인 힘의 곡선은 반응성이 매우 클 때의 특징을 명백히 보여준다. 다른 한편, 도 18d의 예에서처럼 수소 탈착 과정 이후에 획득된 힘의 곡선은 부동태화되었을 때의 특징을 보여준다. 이는 반응성의 금속 팁과 CO 부동태화된 팁 간에 관찰되는 차이를 연상시킨다(23,31). H 부동태화된 팁이 표면에 매우 가까이 접근하게 되면, 팁은 다시 반응성으로 바뀔 수 있다. 그러므로 반응성 팁과 부동태화된 팁 간 전환이 가능하다.
도 19a는 규소 원자들 사이의 상이한 σ 결합들, 구체적으로 표면 면에 평행하는 이량체 결합들뿐만 아니라 규소 배면 결합(back bond)이 확인될 수 있는, H-Si(100)-2x1 표면 구조의'볼 앤드 스틱'모형을 제시한다. 전술된 방법 이후에 얻어진, 안정적으로 부동태화된 팁이 사용되면, 도 19b에서와 같이 STM을 통해 무결점 소 구역이 영상화될 수 있다. 그 다음, 피드백 루프가 중단되고, 바이어스는 0 V로 설정되며, 스캐너는 AFM 스캐닝 모드로 전환된다. 피드백 루프가 중단되기 전 STM 영상화 설정 점들에 의해 정의되는 팁 위치는 기준으로 취하여진다(즉 Z = Å). 도 2c ~ h는 상이한 올림길이에서의 일련의 AFM 주파수 이동 맵을 보여주는 것이다. 이러한 영상들은 일정한 높이 모드에서 촬영되므로, 팁-샘플의 반발 상호작용이 더 큰 부분은 더 밝게 보였다. 이러한 예에서, 상당한 콘트라스트가 Z = 3.0 Å에서 가시화되기 시작하였는데(도 19c), 여기서 본 발명자들은 밝은 돌출부로 보이고, 명확한 2x1 재구성으로 조직화된 단일 원자들을 똑똑히 확인하였다. 팁이 표면에 더 가까이 접근함에 따라(도 19c의 경우 0.2 Å), 신호 대 노이즈는 향상되었고, 원자 콘트라스트는 더욱 뚜렷해졌다. 표면 모형을 AFM 영상에 중첩시키는 작업은, 본 발명자들이 이러한 팁-샘플간 거리에서 오로지 수소화된 규소 원자만이 가시적임을 더욱 부각시키는 것을 허용하였다.
그러나 팁-샘플 거리가 감소함에 따라서(Z = -3.4 Å), 이량체의 원자들 간에는 도 19e에서 분명히 보이는 바와 같이 밝고 선명한 결합 유사 무늬가 보였다. 이러한 무늬들은 규소 이량체 결합으로 말미암는 것으로 보인다. 또한 도 19a의 표면 모형에 따르면, 이량체와 제2 층의 규소 원자들 간 배면 결합과 일치하는 무늬가 눈에 띈다. 비록 이러한 표면은 NC-AFM을 이용하여 이미 실험상으로(32,33)뿐만 아니라 이론상으로(34,35) 연구되었지만, 여기에 보고된 바와 같은 공지의 결합 구조와 일치하는 영상들로의 진화는 여태까지 없었다.
흥미롭게도, 도 19f에서 팁 올림길이가 Z = -3.6 Å으로 감소하면, 규소내 콘트라스트 증강에 더하여 선명한 새 무늬가 수소 원자 2개 사이 규소 이량체 간 열 영역에 보이는 것이 확인되었다. 이 무늬는 도 19g 및 19h에서 더욱 뚜렷하게 보인다. 규소 이량체 결합에 대응하는 결합 콘트라스트로 보이는 것과는 달리, 이량체간 영역에 있는 무늬는 규소 표면의 '볼 앤드 스틱' 모형(도 19h)으로부터 이해될 수 있는 바와 같이 실제 화학 결합과 대응하지 않았다. 더욱이 이 모형은, 이러한 AFM 무늬 역시 제3 층 규소 원자의 위치와 대응하지 않음도 보여준다.
주목할 점은, 영상화가 진행되는 동안 특히 팁 높이가 매우 짧을 때 팁과 기판의 지형은 변경된다는 점이다. 비섭동 기판 구조를 확인하기 위해서는, 여러 팁 높이에서 모의된 영상화 과정에 대한 후보 구조와 대상체를 생성하는 것이 필요하다. 이러한 방식으로 수행된 모의실험은 구조의 힘 유도 변경을 포착하고, 이로써 실험과 비교될 수 있는 모형화된 영상이 획득된다.
AFM 영상을 모의하기 위해서는, 이론상 정확한 높이(level)를 선택하여, 진행중인 필연적 물리 현상 및 화학 현상을 정확히 숙지함과 동시에, 연산을 다루기 쉽게 유지하는 것이 중요하다. 또한 팁과 기판의 원자론적 정의는 다수의 경우에 있어서 필요조건이다. 제1 원칙의 틀 가운데, 특히 팁-샘플이 멀리 격리될 때 약한 장거리력(long-range force)을 포함시키기 위해 분산 보정이 고려되는 경우 DFT는 첫 번째 선택사항이다. 불행하게도 DFT는 다수의 시스템, 특히 분자에 대해서뿐만 아니라 벌크 구조에 대해서도 영상화가 수행되어야 하는 시스템에 있어서 비용면에서 고가이다. 이에, 비용면에서 더 저렴하지만, 규소 기반 시스템용으로 전통적인 반 국부 활성화를 이용하는 DFT의 결과와 거의 동일한 결과를 제공할 수 있는 DFTB가 사용된다(36).
모형화된 시스템이 도 20a에 도시되어 있다. 팁에 관한 것으로 간주되는 재구성 피라미드 유사 구조는 치우쳐 부동태화된 규소 이량체로 끝나므로, 정점은 수소 원자이다. 이 팁은 이 작업에 사용된, 부동태화된 AFM 팁과 비슷한 것으로서, 규소와 수소 원자로 이루어져 있다. '이량체 팁'이라 칭하여지는 유사한 모형 팁이 문헌에 이미 연구되었으며, 만족할만한 결과들이 보고되어 있다(13,37,38). 여기에서 본 발명자들은 규소 비속박 결합의 수소 부동태화와 함께 더 큰 안정성을 제공하는, 더 많은 벌크 구조를 팁의 기저부에 배치하였다. 이러한 구조는, 기저부 원자를 동결시킬 필요 없이 다양한 순이론적 방법에 의해 기하학적으로 최적화될 수 있으며, 이로써 팁 원자상에서의 힘 판독시 정확도를 높여주는 비변형 구조가 달성된다.
기판으로서는 하나의 열당 이량체 6개로 이루어진 이량체 열 3개를 포함하고, H-Si(100)-2x1 규소 슬랩으로 이루어진 수퍼-셀(super-cell)이 사용된다. 이때의 슬랩은 수소 원자로 종단되는 바닥면을 가지는 규소층 10개로 이루어져 있다. 슬랩의 최하단 규소 층 2개와 팁의 최상단 규소 원자는, 이 슬랩과 팁을 부동태화한 수소와 함께 고정되고, 그 결과 AFM의 일정한 높이에 대한 준거확립이 허용된다. 나머지 원자들은 0.02 eV/Å의 힘 임계치(force threshold)로 이완된다.
처음에 팁은 기판에 대해 상이한 올림길이에 위치하게 된다. 높이는 최상단 기판 원자와 최하단 팁 원자 사이의 거리로서 측정된다. 팁 원자상에 가하여지는 힘은 이완된 후에 판독되고, 이후 팁은 다음 지점의 연산을 위해 x-방향 또는 y-방향으로 0.1Å 이동한다. 각각의 팁 올림길이에서 이량체 열을 따라서, 그리고 이량체 열을 가로질러 하나의 수소 원자로부터 그 다음에 있는 등가의 수소 원자에 이르기까지 스캔이 수행된다. 각각의 올림길이에서, 도 20b에 보인 결과들로 약 3000회의 기하학적 최적화 연산이 이루어졌다.
실험 결과들과 잘 일치되게, 팁 올림위치가 더 높을 때 이량체 원자들은 밝은 돌출부로 보였다. 팁이 표면에 접근함에 따라서, 원자 무늬들은 희미해지기 시작하였고, 이때 규소 이량체 결합 영역에 있는 무늬들이 보이기 시작하였다. 마지막으로 매우 낮은 올림위치(0.5 Å)에서는 뚜렷한 이량체 결합과 이의 구성 원자들이 분간할 수 없게 되었다. 게다가, 더 낮은 팁 올림위치에서의 실험 결과들과 유사한 영상을 보이는 이량체간 영역에는 오류를 보이는 결합 무늬가 보였음에 주목한다.
그 다음, 이 표면을 영상화하고, 또한 상이한 이량체 열들에 있는 인접한 이량체들 간에 등록되는, AFM의 지형학적 무늬를 증강시킴에 있어서 팁 가요성의 효과가 논의되는데, 여기에는 수소 결합이나 공유 결합은 존재하지 않는 것으로 확실히 공지되어 있다. 원자론적 모형화는 이 점에서 유용한 통찰력을 제공할 수 있다. 모의실험에 있어서 팁의 가요성은 유의미한 역할을 가진다. 그 역할은 몇몇 구조상의 이완을 제한함으로써 해상된다. 기판의 표면 원자들을 이전과 같이 이완시키는 한편 팁 원자 모두를 고정함으로써, 추가 모의실험 세트가 수행되었다. 그 결과는 도 20c에 도시되어 있는데, 이량체 결합 영역은 더욱 진한 무늬로 확인되었고, 낮은 팁 올림위치에서 조차도 밝은 원자 돌출부가 확인되었다. 이는, 경질의 팁이 이동의 자유가 더 떨어지기 때문인데, 이로 말미암아 팁 상에서는 더욱 강한 힘이 판독되도록 유도된다. 결과적으로, 결합 콘트라스트는 약간 감소한다. 그럼에도 불구하고, 도 20c는 본 발명자들이 Si-Si 결합이 위치하는 부분인 것으로 파악하고 있는 곳에 결합 콘트라스트로 보이는 것을 보여준다. 이는, 비록 팁의 가요성이 이량체에 대한 화학 결합 유사 콘트라스트를 관찰하는데 필요한 것은 아니지만, 이와 같이 콘트라스트를 증강시키는 것은 분명함을 보여준다. 뿐만 아니라, 팁의 가요성은 이량체간 콘트라스트를 더욱 잘 보이게 만든다. 이는, 분자들 내부와 분자들 사이의 결합들로 말미암은 콘트라스트를 설명하기 위한 CO 분자의 가요성의 역할에 대하여 문헌에서 다루어지고 있는 논란을 연상시킨다(9,10,16,17,22).
실제 화학 결합들에 대응하는 무늬들과 규소 이량체간 영역에 보이는 무늬들 간 고해상 AFM 영상들의 차이를 부각시키기 위해, 상이한 시스템 2가지를 이용하는 추가적 연산 결과들이 제시된다. 연산은 매우 낮은 팁 올림위치에서 행하여진다. 이러한 경우들에 있어서, 팁은 가요성을 띄되, 기판은 동결된다. 제1 시스템에서, 기판은 이전과 같이 이완된 위치에서 동결된 원자들을 가진다. 제2 시스템에서, 이량체 수소는 약간 휘어지되, 이의 결합 길이는 평형 값(즉 1.5 Å)으로 유지되므로, 이량체와 이량체간 수소 사이의 거리는 평형을 이루는 경우에 대해 역전된다(도 21a 및 21b 참조). 이 점은 본 발명자들에게, Si-Si 결합으로 말미암아 AFM 화학 결합 콘트라스트가 우세하게 되었는지 여부, 또는 이것이 인접하여 이격된 H 원자들 위를 가요성 팁으로 스캔한 결과 그 이상인지 여부를 연구할 기회를 준다.
기판의 강도로 말미암아 콘트라스트가 약간 감소하기는 하지만, 제1 시스템에서 이량체 결합인 것으로 보이는 것은 이전과 같이 가시적이었다. 흥미롭게도, 이량체간 영역에서의 H-H 거리는 이량체에서의 H-H 거리에 비해 더 짧음에도 불구하고, 제2 시스템에서의 영상 콘트라스트는 Si-Si 이량체 결합 위에서는 훨씬 더 선명하였다. 만일 이량체 결합 영역에서 보이는 무늬가 이량체에 부착된 H 원자를 가지는 가요성 팁의 주름으로 말미암은 허상이라면, 이전에 그러했던 바와 같이 H 원자가 격리될 때 이량체 결합 유사 무늬는 줄어드는 것이 확인될 것이다. 더군다나, 명확하진 않지만, 이량체 위보다 열간 영역에 더 진한 무늬가 보일 것이다. 이 점은, H-H 궤도 중첩이 실험에서 확인되는 이량체내 결합 무늬의 주요 기여원이 아님을 보여준다. 이 시점에서 본 발명자들은, 지금까지 영상화된 또 다른 표면 평행 결합 원자들과 달리, 원자는 σ 결합 원자이지, π 결합 원자가 아님을 또다시 깨달았다.
더욱이 도 21b의 결과들은 더 낮은 올림위치에서 실험상, 그리고 이론상 AFM 영상들에 보이는 배면 결합 무늬들의 원천을 설명하는데 도움이 된다. 이 도면에 보인 바와 같이, 이량체내 수소 사이의 거리는 3.5 Å로서, 이는 상이한 이량체 열 상에 있는 인접 H 원자들 사이의 거리 3.9 Å에 못미쳤다. 그러나 규소 배면 결합이 예상되는 곳(도 19a)에 훨씬 더 두드러지는, 영상상의 무늬들을 확인하는 것은 여전히 가능하였다. 연산 능 안에서 보았을 때, 규소 원자, 가능하게는 Si-Si σ 결합은 배면 결합들에 대응하는 결합 무늬 콘트라스트에 대한 주요 기여원이고, H-H 중첩부는 여기서 부수적 역할을 담당하는 것으로 보인다.
요약하면, 본 발명은 수소 부동태화된 팁이 신뢰성있게 제조 및 동정될 수 있음을 확립한다. 이 부동태화된 팁은 H-Si(100)-2xl 표면을 영상화하는데 사용된다. AFM 모의실험에 DFTB 기반 접근법이 사용되면, 상이한 팁 올림위치에서의 AFM 영상들의 진화가 성공적으로 재현된다. 팁의 가요성은 진정한 공유 결합인 것으로 알려진 것에 대한 AFM 영상에 있어서 모양(appearance)을 증강시키고 선명하게 만든다. 더욱이, 가까이 근접하여 존재하는 미결합 원자들은 결합된 것으로 보일 수 있고, 오류 상(false impression)은 팁의 가요성에 의해 증강되는 것으로 보인다.
본 명세서에 인용된 참고문헌들은, 각 문헌이 개별적으로 그리고 명시적으로 참조로 인용되어 있다는 것과 동일한 정도로 참조로 인용되어 있다.
본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 이하 첨부된 특허청구범위에 한정된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않고, 본 발명의 바람직한 구현예들에 수정 및 변경이 가하여질 수 있음을, 전술한 상세한 설명과 도면, 그리고 특허청구범위로부터 인지할 것이다.

Claims (30)

  1. 비속박 결합 무리를 이루는 각각의 비속박 결합이 비속박 결합 상태 중 0개, 1개 또는 2개의 전자에 각각 대응하고, 3가지 이온화 상태, 즉 +1, 0 또는 -1 중 하나를 보이는, 제1의 비속박 결합 무리를 또 다른 H 종단화 규소 표면상에 포함하고;
    상기 제1의 비속박 결합 무리는 서로 가까이 근접하여 모일 때 규소 대역 갭에서 에너지를 발휘하는 비속박 결합 상태를 보이되, 상기 제1의 비속박 결합 무리를 이루는 비속박 결합 하나의 이온화 상태는 선택적으로 제어되는 다수의 규소 원자 양자점.
  2. 제1항에 있어서, 상기 비속박 결합 무리는 3개의 비속박 결합인 점.
  3. 제1항에 있어서, 상기 비속박 결합 무리는 4개의 비속박 결합인 점.
  4. 제1항에 있어서, 상기 비속박 결합 무리는 5개의 비속박 결합인 점.
  5. 제1항에 있어서, 상기 비속박 결합 무리는 6개 내지 10개의 비속박 결합인 점.
  6. 제1항에 있어서, 상기 비속박 결합 무리는 10개를 초과하는 비속박 결합인 점.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1의 비속박 결합 무리는 선형인 점.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1의 비속박 결합 무리는 인접하는 H 종단화 규소 원자상에 있는 점.
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1의 비속박 결합 무리들 중에는 적어도 하나의 H 종단화 규소 원자 개재물(intermediate)이 존재하는 점.
  10. 제1항에 있어서, 비속박 결합 각각이 비속박 결합 상태 중 0개, 1개 또는 2개의 전자에 각각 대응하고, 3가지 이온화 상태, 즉 +1, 0 또는 -1 중 하나를 보이는, 제2의 비속박 결합 무리를 또 다른 H 종단화 규소 표면상에 추가로 포함하고; 상기 제2의 비속박 결합 무리는 서로 가까이 근접하여 모일 때 규소 대역 갭에서 에너지를 발휘하는 비속박 결합 상태를 보이되, 상기 제2의 비속박 결합 무리를 이루는 비속박 결합 하나의 이온화 상태는 선택적으로 제어되는 점.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제2의 비속박 결합 무리는 2개 내지 10,000개의 비속박 결합을 포함하는 점.
  12. 제10항에 있어서, 상기 제2의 비속박 결합 무리는 상기 제1의 비속박 결합 무리에 평행하여 위치하는 점.
  13. 제10항에 있어서, 상기 제2의 비속박 결합 무리는 상기 제1의 비속박 결합 무리에 수직으로 위치하는 점.
  14. 제10항에 있어서, 상기 제2의 비속박 결합 무리는 상기 제1의 비속박 결합 무리에 대해 120의 각도로 위치하는 점.
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 규소 표면은 Si(111), Si(110) 또는 Si(100) 중 어느 하나인 점.
  16. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1의 비속박 결합 무리와 상기 제2의 비속박 결합 무리는 규소 표면상에 V-형상을 형성하는 점.
  17. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 제3의 비속박 결합 무리를 추가로 포함하되, 제1, 제2 및 제3의 비속박 결합 무리는 규소 표면상에 삼각형 형상 또는 Y-형상을 형성하는 점.
  18. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 제3의 비속박 결합 무리와 제4의 비속박 결합 무리를 추가로 포함하되, 제1, 제2, 제3 및 제4의 비속박 결합 무리는 규소 표면상에 정사각형 형상 또는 직사각형 형상을 형성하는 점.
  19. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 입력 및 출력을 추가로 포함하는 점.
  20. 제10항에 있어서, 입력으로서 AFM 팁과, 제3의 비속박 결합 무리를 추가로 포함하되, 제1, 제2 및 제3의 비속박 결합 무리는 규소 표면상에 Y-형상을 형성하는 점.
  21. 제20항에 있어서, 상기 AMF 팁이 전자 또는 수소 원자를 선택적으로 부가 또는 빼는 점.
  22. 제20항에 있어서, 상기 입력과 출력이 게이트를 형성하는 점.
  23. 제22항에 있어서, 상기 게이트는 OR 게이트인 점.
  24. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 점이 평형 상태로 복구하는 것을 허용하기 위해 점의 말단에 정전기적 바이어스가 가하여져 이를 추가로 포함하게 된 점.
  25. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 점은 매 10-13초 미만의 정도로 클락킹 작동을 수행할 수 있는 점.
  26. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 점의 도핑 수준은 점이 중성으로 하전되도록 조정되는 점.
  27. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 점은 캡슐화되는 점.
  28. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비속박 결합 무리는 H 원자로 종단화된 규소 원자에 의해 둘러싸여 있는 점.
  29. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비속박 결합 무리는 제1 말단을 마주보고 있는 말단과 통신되는 제1 말단에서 섭동이 일어나는 와이어를 형성하는 점.
  30. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 의한 다수의 규소 원자 양자 점들 중 적어도 하나; 및
    이 다수의 규소 원자 양자 점들 중 적어도 하나와 전자 통신 상태에 있는 최소한의 접속부
    를 포함하는 전자 디바이스.
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