(57)【要約】局在化された無秩序な系は、電子分光計としての新型装置において、単一電子型電子機器の室温での適用を実用化するために使用される。電子分光計として作用する該装置は、リソグラフィで製造された量子ドットから成る単一電子型電子機器の構成素子および回路に対して、インレットおよびアウトレットの形態を採る条導体結合素子として使用される、金属または半導体材料のナノ結晶材料から成る。そのようにして、量子ドットから構成された単一電子型電子機器に、エネルギー観点上極めて明確に特定された電子が供給される。それにより、そのような機器はフォノンに妨害されずに室温で作動可能である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
管理および測定の対象である単一電子型電子機器の構成素子および回路が、該素子および回路の入口および出口で、最初に伝導性の条導体、面または層を通じて外部と結合され、
前記伝導性の条導体、面または層は、０次元電子気体の場合に見られるようなエネルギー準位の大きく離れたナノ結晶材料から成り、かつ
金属化合物から外部に提供される、密集する多くのエネルギーを持つ電子が、０次元電子気体系の離散的準位によりエネルギー別に選別され、さらに分光学的方法によりエネルギー別に濾別されて検査対象の単一電子型電子機器に送り込まれる、
ことを特徴とする単一電子型電子機器の構成素子および回路の管理および測定のための電子分光計。
【請求項２】
結合素子である前記条導体は、０次元電子気体のエネルギー準位分布を持つ材料から成り、かつ
エネルギー準位の分割値が、選定測定温度におけるフォノン・エネルギーに相当していて少なくとも数ｍｅＶである、
ことを特徴とする請求項１に記載の単一電子型電子機器の構成素子および回路の管理および測定のための電子分光計。
【請求項３】
結合素子である前記条導体は、０次元電子気体のエネルギー準位分布を持つ材料から成り、かつ
前記単一電子型電子機器の構成素子内および回路内のクーロン・ブロッケードに対する熱障害作用を室温条件下で抑制するために、前記エネルギー準位の分割値は、室温におけるフォノン・エネルギーに相当していて少なくとも２７ｍｅＶである、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の単一電子型電子機器の構成素子および回路の管理および測定のための電子分光計。
【請求項４】
０次元電子気体の材料から成る結合素子である前記条導体の電子の転送が、電圧入力後、外部への接触部においてナノ結晶と前記単一電子型電子機器の構成素子および回路との間でのホッピングまたはトンネル効果により行われ、かつ
その場合に抵抗損が発生しない、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の単一電子型電子機器の構成素子および回路の室温での管理および測定のための電子分光計。
【請求項５】
検査対象である単一電子型電子機器の構成素子および回路に対して、エネルギー準位の大きく離れた特製量子ドットが前置接続及び後置接続され、かつ
前記量子ドットは、検査対象である単一電子型構成体への調整および適合化のため、そのエネルギー分割において圧力、引張、局部温度、スペクトル照明、電界強度、磁界強度など外からの物理的作用の行使下で、その影響力及び照準により調整され得る、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の単一電子型電子機器の構成素子および回路の室温での管理および測定のための電子分光計。
【請求項６】
検査対象である単一電子型電子機器の構成素子および回路に対して、エネルギー準位の大きく離れた特製量子ドットが前置接続及び後置接続され、
前記量子ドットは、圧力、引張、局部温度、スペクトル照明、電界強度、磁界強度など外からの物理的作用の行使下で、その影響力及び照準により調整され、かつ
そのようにして、分光学的に選別された透過電子が電子スピン別に選別特定および調整され、検査対象物に送り込まれる、
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の単一電子型電子機器の構成素子および回路の室温での管理および測定のための電子分光計。
【請求項７】
同じように構成された、エネルギー準位の大きく離れた特製量子ドットが後置接続され、
これらの量子ドットは、圧力、引張、局部温度、電界強度、磁界強度など外からの物理的作用の行使下で、その影響力及び照準により調整され、かつ
分光学的に選別された透過電子が電子スピン別に選別分析され、その結果検査対象物の作用特性が測定および分析を通して把握される、
ことを特徴とする請求項６に記載の単一電子型電子機器の構成素子および回路の室温での管理および測定のための電子分光計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子分光計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
単一電子型電子機器、すなわちシングル・エレクトロン・トンネル（ＳＥＴ）タイプ電子機器の現在における測定法、製造法およびそれらの応用（例えばＳＥＴタイプのトランジスタ）は、金属または半導体の接触部により電気測定機器と接触可能な状態に置かれている半導体（例えば横型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓへテロ構造）または金属量子ドットに基づいている［Ｔ．Ｈ．Ｏｏｓｔｅｒｋａｍｐ， Ｌ．Ｐ．Ｋｏｕｗｅｎｈｏｖｅｎ， Ａ．Ｅ．Ａ．Ｋｏｏｌｅｎ， Ｎ．Ｃ．ｖａｎ ｄｅｒ ＶａａｒｔおよびＣ．Ｊ．Ｐ．Ｍ．Ｈａｒｍａｎｓ， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ． ７８， １５３６（１９９７）］。従来の技術による薄膜製造法では寸法２０ｎｍ領域の量子ドットに達しているが、該量子ドットは、量子メカニズムの法則から、数１００μｅＶの電子準位の分離を可能にするエネルギー準位しか有していない。隣接する離散エネルギー階層間の距離が僅かなので、これらの量子ドット系のクーロン・ブロッケードで発生する、および誘起される現象を観察および応用するためには非常に低い低温（＜４Ｋ）が必要である。その条件では、金属格子内に存在するエネルギーＫＴのフォノンはもはや電子を励起できず、したがってエネルギー準位を次々と高めることはできない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、単一電子型電子機器用の室温下測定法を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この課題は、独立請求項およびそれに加えて従属請求項により解決される。
【０００５】
無秩序なナノ結晶系の局在化された０次元状態を電子分光計に活用することによって、単一電子型電子機器（シングルエレクトロン・トンネルタイプ、ＳＥＴ）の室温での適用を実現させる新型装置について説明する。電子分光計は、非伝導性マトリックス内の金属ナノ結晶または半導体ナノ結晶から成るナノ結晶構造の複合加工材で作られている、単一電子型電子機器の回路と外部への誘導用金属伝導体とを結合させる条導体結合素子から成っている。インレットのナノ結晶には、個別ナノ粒子電子気体の電子波長モードにおける中心電位の固有溶液に対するボーア条件に対応して、空間的およびエネルギー的に離散した値を取る、つまりは強度に量子化された系（０次元電子気体）である、局在化された電子波パケットが存在する。この系内に存在する電子は離散状態であり、例えば電圧入力やフォノンの影響などの外的励起を受けて、自由でエネルギー的に好ましい次の位置へ移行または飛び出す（「ホッピング」伝導を起こす）まではその場に留まっている。この離散エネルギー距離に依存して、かつ離散エネルギー距離の適切な選択により、設定温度に対して電子伝導を抑制または促進させることができる。
【０００６】
上記電子分光計の場合、検査対象である量子ドットの系や、構成素子あるいは回路を電気接続するための量子ドットに対し、無秩序状態にある適当な材料を前置接続および後置接続することで、量子ドット系、およびＳＥＴトランジスタなどＳＥＴ応用機器における実用化のための当原理を利用している。これらの材料内では室温でも電子がその位置に「付着」するという事実に基づき、過度に高い温度の適用による量子ドットまたはクーロン・ブロッケードへの障害作用は未然に防止される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下では本発明を図面に基づきより詳しく説明する。
【０００８】
図１は作業原理を表わしたものである。量子ドット１はその左右とも電気接触部２からは空間的に距離があって、０次元電子気体材料３に取り囲まれた状態にある。電気接点は、接触電子５の電位を変えることのできる電圧源４に繋がっている。正規接触６の状態から０次元電子気体の離散状態への電子の移行は、接触材料の熱電子のエネルギーが電圧源を通じて、０次元系の離散準位に一致するように高められた場合にしか可能でない。しかも、そのエネルギー準位がｋＴｒｏｏｍより幅広く分離していれば、室温電子はブロックされる。したがって、量子ドット１は「凍結」電子環境に取り囲まれた状態にある。これら冷電子の量子ドットへの転送は、量子ドットの準位の１つが、同様に電圧源により移行可能な０次元電子気体の準位に一致した場合に限り可能である。転送過程はそれ以降、電子が電気接触部に到達して離散した電流／電圧特性を持つ閉回路を形成するまで、正規０次元電子環境の中で再現される。
【０００９】
上記の方法は粒子線での誘導溶着の実験により実現され、室温における電気測定によって有効性が実証された。この新しい材料製造法は、最大限の局在化条件において有機金属化合物および出力密度最高レベルの粒子線を使用することを特徴としている。基材表面上に吸着した有機金属化合物の層は、粒子線の照射によりナノ結晶性物質へと変化する。このナノ結晶複合材料は、非導電性マトリックス内に閉じ込められた偏析状態の貴金属系微結晶から成っている。そのようにして、これらの材料は、局在化したエネルギー状態がすべての転送過程（ホッピング）にとって重要な役割を果たしている無秩序な系を形成している。導電性は次式で表わされる：
【数１】
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ただし、Ｔｏおよびｘは定数であり、３次元混成物（サーメット）に対してはｘ≒０．５が成立する。この法則は、粒子線での誘導溶着によって製造された有機金属系材料に対する実験で確証されており、金やプラチナを含有する材料については広い温度領域にわたりべき数ｘ≒０．５が当てはまる。ホッピング誘導活性化エネルギーまたは占有可能な隣接位置どうしの離散エネルギー状態間の距離は、温度に依存して３０〜１５０ｍｅＶの間にあるので、これらの材料は、好ましくも、０次元環境として室温量子ドット系には適している。
【００１０】
本方法は、有機金属化合物の使用を特徴とする新しい金属製造法、つまり粒子線での誘導溶着の過程で、その有効性が実験的に実証されており、これによれば、量子ドット系においては室温条件で電圧振幅約５０ｍＶまでのクーロン振動が現われる。
【００１１】
図２は、例えば金含有の有機金属系原物質から粒子線での誘導溶着によって製造される、連続接続された直径３０ｃｍの複数量子ドットから成る量子ドット系７を図示したものである。その場合、量子ドット自体も、微結晶の電子気体を量子化する、量子大ｎｍ領域のナノ結晶材料から構成されている。左インレット８および右インレット９の双方とも同様に溶着法により非導電性マトリックス内のナノ微結晶から製造されており、０次元電子気体として、すなわちエネルギーの選択された電子を構造体に供給するためのエネルギー・フィルタとして用いられる。電気接触部１０および１１は、回路の管理のため、その３次元電子気体を必要電子に補給し、外部の計測電子機器へ信号を伝送する。
【００１２】
該電子分光計装置は、粒子線での誘導溶着工程により製造された構造体での実験によりその有効性が実証された。辺縁誤差２ｎｍ、ドット直径５ｎｍまでの微小構造が、走査型電子顕微鏡またはＳＴＭ走査型トンネル顕微鏡（走査型トンネル顕微鏡）で作り出される。
【００１３】
上記の電子分光計装置は、溶着経過を、したがってまた材料組成をコンピュータで制御しながら構成したものであり、ナノ結晶内の電子波がその構造上干渉し合って、位置的およびエネルギー的に局在化された電子波パケットになることによって局在化０次元系が形成される無秩序な結晶系から成る、上記方法で製造された新型ナノ結晶材料を使用する。そのように、ナノ結晶は大きなエネルギー準位距離を持つ０次元電子気体を有している。ナノ結晶内のこの離散的エネルギー階層間では、微結晶の直径が２〜４ｎｍの場合では１５０ｍｅＶまでの差が生じるので、クーロン・ブロッケードに対する妨害または障害は、室温でＫＴ＝２５ｍｅＶのエネルギーを持つフォノンによる電子励起によっても抑制される。フォノンが散乱せずに広がることのできる広い結晶格子は存在しないという事実から、ナノ結晶材料内にはフォノンが存在することはない。それにより、信号伝送電子に対するエネルギー妨害はなお一層少なくなる。
【００１４】
図３は、図２の原理に沿って実験的に構成した構造体に対して電流安定化作動のもと室温（２０℃）で測定した装置の電流／電圧特性を表したものである。
【００１５】
室温での測定の場合、低温での二重量子ドットにおいても同じように観察される約５０ｍＶまでの特徴的な離散的な電圧振幅が見られる。
【００１６】
該電子分光計は、エネルギー準位の大きく離れた特製量子ドットから成る検査対象の単一電子型電子機器の構成素子および回路に対して、ナノ結晶の供給および誘導が達成されれば、ただしその条件下で圧力、引張、局部温度、スペクトル照明、電界強度、磁界強度など外からの物理的作用の行使下で、その影響力と照準により、検査に使用する電子のエネルギーおよびスピンを調整すること、および分光学的に選別された透過電子を電子スピン別に選別特定および調整すること、およびそれを検査対象物に送り込むことが可能であれば、好ましくも、単一電子型電子機器の構成素子および回路の検査のための実用的な測定器となる。さらに、同じように構成された、エネルギー準位の大きく離れた特製量子ドットを検査対象物に後置接続するのも有利である。そうすることで、圧力、引張、局部温度、電界強度、磁界強度など外からの物理的作用の行使下で、その影響力及び照準により調整を行うこと、分光学的に選別された透過電子を電子スピン別に選別分析すること、およびその結果検査対象物の作用特性を測定および分析を通して把握することが可能になる。
【００１７】
図４は、構成素子７の作用を予備調整１２，１３および分析するための、エネルギーやスピンの選択領域を持つ電子分光計の実施形態を示す図である。
【００１８】
以上のように、局在化された無秩序な系は、電子分光計としての新型装置において、単一電子型電子機器の室温での適用を実用化するために使用される。電子分光計として作用する該装置は、リソグラフィで製造された量子ドットから成る単一電子型電子機器の構成素子および回路に対して、インレットおよびアウトレットの形態を採る条導体結合素子として使用される、金属または半導体材料のナノ結晶材料でできている。そのナノ結晶材料の電子系は、その中に専ら空間的にもエネルギー的にも局在化した（離散した）、エネルギー距離数ｍｅＶの電子状態（０次元電子気体）を持っていることが特徴である。このことはまた、量子ドットのエネルギー準位系をも際立たせている。電子は従来の金属性接触部で３次元の電子気体を生成するが、直接接触により当０次元電子気体に移送され、条導体内で０次元電子気体の離散エネルギー状態だけをなお保持できるように分光学的に濾別される。この離散エネルギー状態の距離が室温、即ち＞ｋＴ＝２７ｍｅＶにおけるフォノンのエネルギーより大きければ、電子の転送が、０次元電子気体を有する材料の離散エネルギー状態から起こる「ホッピング」の伝導メカニズムに基づく外接電圧によってのみ可能であるように、系が接続伝導体としての金属から移動して来るすべての電子をブロッキング（濾別）する。そのようにして、量子ドットから構成された単一電子型電子機器に、エネルギー観点上極めて明確に特定された電子が供給される。それにより、そのような機器はフォノンに妨害されずに室温で作動可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】単一電子型電子機器用の電子分光計の概略図である。
【図２】用意された金属性接続構造体の中へ、コンピュータ制御のもとで金含有原物質を粒子線で誘導溶着することによって製造可能な電子分光計の実施形態を示す図である。
【図３】図２に基づいて実験的に構成した、量子ドット系内のクーロン振動測定のための電子分光計における電流安定化状態での電流／電圧特性を示す図である。
【図４】構成素子の作用を予備調整および分析するためのエネルギーやスピンの選択領域を持つ電子分光計の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１      量子ドット
７      構成素子
【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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