专利摘要

本发明涉及一种基于金‑铁电单晶体系的负微分电阻效应器件及其制备，所述的负微分电阻效应器件包括分别作为源极和漏极的两个金电极，接触设置在两个金电极之间并构成中间散射区的铁电单晶，以及分别连接所述铁电单晶两边的栅极，所述的金电极、铁电单晶均为位于X轴和Y轴构成平面内的薄层材料，所述的两个金电极和铁电单晶以“金电极‑铁电单晶‑金电极”式的“三明治结构”沿Z轴周期性排列并构成所述负微分电阻效应器件。与现有技术相比，本发明的CdPbO3中Cd2+的4d轨道的态密度与金电极(Au)表面态之间耦合，导致在一定偏压范围内电流会随偏压增大反而减小的负微分电阻效应，有望成为下一代制备高性能电子元器件的候选。

权利要求

1.一种基于金-铁电单晶体系的负微分电阻效应器件，其特征在于，包括分别作为源极和漏极的两个金电极，接触设置在两个金电极之间并构成中间散射区的铁电单晶，以及分别连接所述铁电单晶两边的栅极，所述的金电极、铁电单晶均为位于X轴和Y轴构成平面内的薄层材料，所述的两个金电极和铁电单晶以“金电极-铁电单晶-金电极”式的“三明治结构”沿Z轴周期性排列并构成所述负微分电阻效应器件。

2.根据权利要求1所述的一种基于金-铁电单晶体系的负微分电阻效应器件，其特征在于，所述的两个金电极的间距为纳米量级，所述的铁电单晶薄层材料的沿Z轴方向的厚度为纳米量级。

3.根据权利要求1所述的一种基于金-铁电单晶体系的负微分电阻效应器件，其特征在于，所述的铁电单晶为铁电晶体CdPbO3。

4.根据权利要求3所述的一种基于金-铁电单晶体系的负微分电阻效应器件，其特征在于，所述的负微分电阻效应，是利用所述铁电单晶的阳离子Cd的4d轨道的态密度与金电极表面态之间耦合而形成的。

5.如权利要求1～4任一所述的基于金-铁电单晶体系的负微分电阻效应器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)利用金表面作为负微分电阻效应器件的源极和漏极；

(2)将构成中间散射区的铁电单晶的氧表面与金电极两端接触，形成氧化层；

(3)将位于X轴与Y轴构成平面内的金电极和铁电单晶的材料薄层在Z轴方向上排列形成“三明治结构”，并将所述“三明治结构”沿Z轴周期性排列构成层状结构的双电极体系的电输送系统；

(4)在所述电输送系统的铁电单晶两边设计出留作栅极的孔洞，并在孔洞中制作所述栅极，即得到所述负微分电阻效应器件。

说明书

技术领域

本发明涉及一种负微分电阻效应器件，尤其是涉及一种基于金-铁电单晶体系的负微分电阻效应器件及其制备。

背景技术

半导体晶体管是人类历史上最伟大的发明之一。传统的硅基半导体晶体管发展应用及取得了巨大的成功，但是硅基半导体晶体管的设计和制造是至上而下的模式，按照摩尔定律，电子器件的密度正逐渐的逼近物理和尺寸的极限。科学家和工程师预测单个硅基半导体晶体管的实际尺寸以及它们之间的实际距离将小于一个电子的波长。量子力学告诉我们一个电子的波长是10nm左右，当晶体管的尺寸小于这个长度时量子尺度效应(例如隧道效应)将大大影响晶体管的工作参数甚至使晶体管失效。从制造工艺上讲，传统的用于制造晶体管的激光刻蚀技术会在晶体管尺寸小于激光波长时失效。这些将最终制约传统硅基电子器件的尺寸和集成度，从理论上和实验角度上讲硅基半导体晶体管都将面临不可逾越障碍。所以，寻找更新、更强大的电子器件已经成为电子科学领域急需考虑和解决的问题。近年来年的研究也发现一些具有确定空间结构和电子结构的晶体具有特殊的电输运性质，而该类器件的出现将会弥补基于半导体材料器件的不足，有潜力成为下一代制备高性能电子元器件的候选。

单分子器件理论受到特别的关注，因为这个系统是一个由电压驱动的非平衡状态下的开放的量子系统。在低的偏置电压下，分子结的非平衡性质是可以忽略的，器件的电流-电压性质可以由平衡态的电子结构来计算。然而在较高的偏置电压下，更高级的处理是必需的。在弹性隧穿情况下(隧穿电子与系统没有进行能量交换)，可以通过计算透射系数从而可以计算电流，这个透射系数是以偏置电压为自变量的函数。对于非弹性隧穿情况可以用非平衡态格林函数解决。负微分电阻(negative differential resistance)就是在一定偏压范围内电流会随偏压增大反而减小。因为它是很多像Esaki二极管和振动隧道二极管(resonant tunneling diode)这些电子器件的基本效应，所以负微分电阻效应吸引了很多分子电子学研究者的兴趣。其中振动隧道二极管可应用在记忆芯片，开关和逻辑功能单元上。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于金-铁电单晶体系的负微分电阻效应器件及其制备，能够在实现由铁电晶体在金电极的连接下，由于CdPbO3中Cd2+的4d轨道的态密度与金电极(Au)表面态之间耦合，导致在一定偏压范围内电流会随偏压增大反而减小的负微分电阻效应，有望成为下一代制备高性能电子元器件的候选。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于金-铁电单晶体系的负微分电阻效应器件，包括分别作为源极和漏极的两个金电极，接触设置在两个金电极之间并构成中间散射区的铁电单晶，以及分别连接所述铁电单晶两边的栅极，所述的金电极、铁电单晶均为位于X轴和Y轴构成平面内的薄层材料，所述的两个金电极和铁电单晶以“金电极-铁电单晶-金电极”式的“三明治结构”沿Z轴周期性排列并构成所述负微分电阻效应器件。

作为上述方案的优选，所述的两个金电极的间距为纳米量级，所述的铁电单晶薄层材料的沿Z轴方向的厚度为纳米量级。

作为上述方案的优选，所述的铁电单晶为铁电晶体CdPbO3。

作为上述优选方案的更优选，所述的负微分电阻效应，是利用所述铁电单晶的阳离子Cd的4d轨道的态密度与金电极表面态之间耦合而形成的。

基于金-铁电单晶体系的负微分电阻效应器件的制备方法，包括以下步骤：

(1)利用金表面作为负微分电阻效应器件的源极和漏极；

(2)将构成中间散射区的铁电单晶的氧表面与金电极两端接触，形成氧化层；

(3)将位于X轴与Y轴构成平面内的金电极和铁电单晶的材料薄层在Z轴方向上排列形成“三明治结构”，并将所述“三明治结构”沿Z轴周期性排列构成层状结构的双电极体系的电输送系统；

(4)在所述电输送系统的铁电单晶两边设计出留作栅极的孔洞，并在孔洞中制作所述栅极，即得到所述负微分电阻效应器件。

本发明的基于金-铁电单晶体系的负微分电阻效应器件，源极和漏极要采用金作为电极材料，中间散射区采用铁电晶体CdPbO3作为隧穿层，所述的一种基于金-铁电单晶体系的负微分电阻效应器件，是利用所述铁电晶体的阳离子Cd的4d轨道的态密度与金电极(Au)表面态之间耦合而形成的，由于铁电晶体CdPbO3具有的自发极化和压电等性能，其与金电极表面接触形成了独特的负微分电阻效应。

与现有技术相比，本发明提供的负微分电阻效应器件，工作在室温条件下，由于铁电晶体CdPbO3具有的优良的自发极化和压电等性能，通过该化合物的氧表面和金电极结合，可以形成纳米量级的范围内双电极三明治结构。对于具有周期性结构的晶体，夹在金属电极之间的电子学器件体系是个非平衡非周期性的体系，其电子输运可以通过密度泛函方法处理。由于二价Cd离子的4d轨道的态密度与金电极(Au)表面态之间杂化效应而设计的一种铁电晶体器件，其与金电极表面接触形成了独特的具有负微分电阻效应电子学器件。

附图说明

图1为本发明的负微分电阻效应器件的结构示意图；

图2为本发明的负微分电阻效应器件的电流电压关系图；

图3为本发明的负微分电阻效应器件的输运谱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，一种基于金-铁电单晶体系的负微分电阻效应器件系统包括间距在纳米量级的两个金电极作为源极和漏极，铁电单晶CdPbO3作为中间散射区。其中所述左右电极材料均为金，由厚度纳米量级的铁电晶体薄层在z轴方向和左右金电极依次排列构成三维周期性层状结构，铁电单晶还接触所述源极，。在电子学器件的电输运中，电流主要由进入输运运窗口(transport window)的透射通道提供。这些透射通道由电极的能带与铁电晶体的能级相匹配产生，这里的铁电晶体能级是投影自洽-哈密顿的能级，因为在电极的耦合下，铁电晶体能级和夹在电极之间的各能级是不一样的。电极的能带会随偏压的变化而平移和弯曲，散射区的左右部分的能级会在左右不同的偏置电压下有不同的响应，如果左右两侧的能级在偏置电压的驱动下先是匹配而又不不匹配，这样可能会使进入输运通道的透射通道先增加后减少，也就是电流先增加后减少，由此产生负微分电阻效应。

基于金-铁电单晶体系的负微分电阻效应器件的结构，电流方向沿着z方向。描述电子分布的密度矩阵可以从一系列的格林函数矩阵得到。其密度矩阵和格林函数矩阵的L-C-R(左电极-中间散射区-右电极)部分，这部分可以从有限矩阵的逆矩阵得到，

其中HL，HR和HC分别是L，R和C区域的哈密顿矩阵。VL(VR)是L(R)区域和C区域的相互作用。L，R之间的耦合在半无限长电极的其他部分全部由自洽能ΣL和ΣR计入。用于对于金电极和铁电晶体接触表面部分被充分弛豫，直到原子间的作用力小于 电流由如下公式得到

其中 是费米-狄拉克(Fermi-Dirac)分布，μL,R是左右电极的化学势。T(E，Vb)是在能量E和偏置电压Vb下的透射系数。我们使用的电子温度是1000K。

图2所示的本发明所述的负微分电阻效应器件的电流电压关系图；该图显示电流变化如下：在0～0.3V的范围内，电流增加非常缓慢；在0.50～0.70V的范围内，电流相对快速地增加；然而在0.70～0.80V的范围内，电流达到饱和并且随着偏置电压的增加而略微降低；在0.80～1.00V的范围内，电流迅速增加。根据上述结果，可以看到在偏压0.7～0.8V之间，随着偏压的增加，电流却随之下降，形成了有趣的负微分电阻效应。

图3所示的本发明所述的负微分电阻效应器件的输运谱，该图显示了该输运系统的几种不同偏置中的透射谱。当几个有限偏压被施加到左和右电极时，左和右电极中的电化学电势分别向下和向上移动Vb/2。在0.00～1.00V之间的不同偏压(Vb)中，发现透射谱呈现类似的峰和特性。通过比较在费米能级附近的不同偏压下的峰值，我们发现，随着偏压逐渐增加，峰向下移动。值得注意的是，对于高于费米能级的零偏压，存在分别位于0.50和0.90eV的两个小T(Vb，E)峰。当在0.20～1.00V的范围内施加偏压时，两个T(Vb，E)峰向左移动。特别是在0.70～0.80V的范围内，注意到一个小的T(Vb，E)峰值进入在0.20eV附近的传输窗口并逐渐变弱，这是该输运系统中NDR效应的起源。考虑到Au电极与铌酸锂型CdPbO3中相邻O原子的耦合，随着偏置电压的增加，分子轨道能态的结合变弱，导致该铁电隧道结形成了负微分电阻效应。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

基于金-铁电单晶体系的负微分电阻效应器件及其制备专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。