Original publish date:Mar 26, 2003
編輯 Agape 報導
科學家利用奈米銀束﹐成功地製造出以電子訊號輸入﹑光學信號輸出﹑並可在室溫之下運作的光電邏輯元件。
分子元件(molecular electronic devices) -將傳統電子元件縮小到僅有幾個分子大小的尺度-的開發﹐在現今的奈米科技熱潮中﹐始終是科學家們努力研究的課題之一。然而﹐當一切的電子活動都局限在只有數至數十奈米的範圍時﹐不僅要考慮量子效應﹐更得採用新的技術來製造並且測量這樣的分子元件。此外﹐環境溫度造成的雜訊﹐也是限制量子元件在接近室溫的溫度下操作的重要因素之一。在這一期的美國國家科學院會刊的報導中﹐喬治亞理工學院的Tae-Hee Lee與所屬的Robert Dickson研究小組﹐成功地製造出奈米尺度的光電元件﹐具有可以在室溫下進行電-光邏輯運作的功能。
Lee等人﹐是利用電子遷移(electron migration) 的原理﹐將銀薄膜通以電流﹐利用電腦控制﹐精確地在薄膜中的某些區域製造出奈米尺度的接面(break junction)。這些接面一旦形成﹐會迅速在其表面產生氧化銀(Ag2O)的保護層。這層氧化銀不但防止其下的銀層繼續氧化﹐並且成為電子穿隧的能障(barrier) ﹐使得整個接面成為一個金屬-絕緣體-金屬的結構。而在接面兩邊Ag2O之間﹐存在著為2到8個銀原子(Ag2-Ag8)所形成的奈米束(nanocluster)。這些奈米束中存在著一系列的能階﹐可以允許電子﹑電洞在短時間內再結合(recombine) ﹐透過電光效應(electrolumiscence)以光子的形式釋放能量。
經過反覆的嘗試與仔細的分析﹐Lee等人發現可以利用持續時間小於3.5ns的交流(25MHz) 脈衝﹐以正-負-正-負…的極性順序﹐來使這些奈米銀束因電光效應而發光。其中的原理是正向的脈衝能將電洞先注入Ag層中﹐由於其能階的位置﹐被注入的電洞會被局限在Ag層中。隨後而來的負向的脈衝﹐則是將電子注入Ag層中。若是這些電子沒有經過熱消耗衰退﹐它們就能與被局限在Ag層中的電洞結合釋放出光子。
這種分子元件的優點在於它採用電子的輸入訊號﹐卻能產生光訊號的輸出。基於光訊號彼此之間不會互相干擾﹐並且其電光效應在室溫下不受影響﹐這樣的元件非常適合於應用在邏輯電路上。有鑒於此﹐Lee等人將數個奈米接面耦合﹐利用2.6ns ﹑25MHz ﹑2.2 V的正向脈衝及不同大小的負向脈衝﹐成功地製造出相加器(full adder) 電路 ﹐能夠行使3個位元的AND ﹑OR ﹑NOT ﹑以及XOR的邏輯運算。
有了成功的第一步﹐Lee與所屬的Robert Dickson研究小組﹐正準備製造更大的元件陣列﹐來進行更多位元的運算。並且﹐他們也希望對於這些奈米銀束的結構﹑形成方式作更深入詳細的研究。他們的研究成果﹐的確為量子元件的開發提供了令人振奮的消息。相信隨著奈米科技的進展﹐更多新的結果將逐漸被發現。
原始論文：
PhysicsWeb: Silver nanoclusters make logic gates
Discrete two-terminal single nanocluster quantum optoelectronic logic operations at room temperature, Tae-Hee Lee and Robert M. Dickson, Proceedings of national Academy of Science, 100, 3043 (2003)
參考來源：
- PhysicsWeb: Silver nanoclusters make logic gates
- Proceedings of national Academy of Science: Discrete two-terminal single nanocluster quantum optoelectronic logic operations at room temperature
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