[發(fā)明專利]一種基于量子隧道效應(yīng)的機(jī)械式光電開關(guān)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810152121.6
• 申請日: 2018-02-14
• 公開（公告）號: CN108306632B
• 公開（公告）日: 2021-12-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐慶昊;周琦;鞏旭鵬;靳雷生
• 申請（專利權(quán)）人: 南京郵電大學(xué)
• 主分類號: H03K17/78
• 分類號: H03K17/78;H03K17/94
• 代理公司: 南京正聯(lián)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 32243
• 代理人: 王素琴

本發(fā)明涉及微/納機(jī)械電子系統(tǒng)(MEMS/NEMS)技術(shù)領(lǐng)域，具體的說，是一種基于量子隧道效應(yīng)的弱耦合機(jī)械式光電開關(guān)，該光電開關(guān)由兩個(gè)通過機(jī)械耦合的懸臂梁組成，分別為主動(dòng)懸臂梁和被動(dòng)懸臂梁，兩個(gè)梁通過機(jī)械部件耦合；當(dāng)存在光壓時(shí)，被動(dòng)梁動(dòng)力學(xué)特性發(fā)生變化，并通過機(jī)械耦合部件反饋到主動(dòng)梁；由于存在量子隧道效應(yīng)，主動(dòng)梁對反饋產(chǎn)生的位移變化極為敏感；在機(jī)械耦合系數(shù)一定時(shí)，不同光強(qiáng)下，主動(dòng)梁存在著持續(xù)振蕩和中止振蕩兩種狀態(tài)，將持續(xù)振蕩視為開關(guān)閉合，振蕩中止視為開關(guān)斷開；最終，通過調(diào)整機(jī)械耦合部分的耦合系數(shù)，可以在不同光強(qiáng)下實(shí)現(xiàn)開關(guān)的開啟和閉合。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微/納機(jī)械電子系統(tǒng)(MEMS/NEMS)技術(shù)領(lǐng)域，具體的說，是一種基于量子隧道效應(yīng)的弱耦合機(jī)械式光電開關(guān)。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)的光電開關(guān)大多基于半導(dǎo)體中的光吸收/光輻射機(jī)制，所采用半導(dǎo)體材料往往只能探測到特定波長的光子。此外，如果不采用外圍電路的情況下，該類開關(guān)很難和一些特定的微/納機(jī)械部件實(shí)現(xiàn)高度集成。而在微/納機(jī)械電子系統(tǒng)(MEMS/NEMS)中，又往往需要將光-機(jī)械-電子三者集成起來，從而實(shí)現(xiàn)多物理場傳感，致動(dòng)和換能。因此，發(fā)明一種能和微/納機(jī)械電子系統(tǒng)兼容的光電開關(guān)，變的尤為重要。本發(fā)明針對該問題，提出一種基于量子隧道效應(yīng)的弱耦合機(jī)械式光電開關(guān)，可以將光壓力通過一個(gè)弱耦合的梁結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)光電之間的轉(zhuǎn)換，從而控制電流的開關(guān)。此發(fā)明具有和MEMS/NEMS高度集成，不受光子波長限制等優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于提供一種基于量子隧道效應(yīng)的機(jī)械式光電開關(guān)，該開關(guān)在不太光強(qiáng)下主動(dòng)臂對光強(qiáng)進(jìn)行監(jiān)測，在特定光強(qiáng)范圍內(nèi)被動(dòng)臂之間將會(huì)實(shí)現(xiàn)電子的傳輸和關(guān)斷。由于基于量子隧道效應(yīng)機(jī)制，該光電開關(guān)器件具有高敏感、穩(wěn)定性好、高集成度等普通開關(guān)所不具有的優(yōu)點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種基于量子隧道效應(yīng)的機(jī)械式光電開關(guān)，由兩個(gè)機(jī)械耦合的機(jī)械懸臂梁組成，設(shè)定為主動(dòng)懸臂梁和被動(dòng)懸臂梁，主動(dòng)懸臂梁和被動(dòng)懸臂梁一端自由懸掛，另一端通過機(jī)械部件耦合，主動(dòng)懸臂梁的末端有金屬電極G，電極G左右兩邊設(shè)定有兩個(gè)機(jī)械固定的電極S和D，在S和D之間一定的直流電壓作用下，懸臂沿水平方向產(chǎn)生自激振蕩，并發(fā)生量子隧道效應(yīng)，并通過機(jī)械耦合部件，可以實(shí)現(xiàn)和被動(dòng)懸臂梁之間發(fā)生光電信息交換，被動(dòng)懸臂梁自由端制有微鏡。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，采用的器件規(guī)格為：(1)機(jī)械耦合參數(shù)：k_i＝0.002；(2)初始電導(dǎo)：G_GS＝G_DG＝1×10^-10S、(3)初始電容：C_GS＝C_DG＝1×10^-18F、C_GB＝1×10^-18F；(4)主動(dòng)臂梁、被動(dòng)臂梁尺寸：80nm×10nm×10nm。

本發(fā)明裝置由兩個(gè)機(jī)械耦合的懸臂梁組成，其中一端自由懸掛，另一端通過長方體材料機(jī)械耦合，且該長方體底面固定，非自由懸掛懸臂梁(主動(dòng)懸臂梁)的末端存在金屬模塊，同時(shí)兩端有兩個(gè)機(jī)械固定的電極，可分別看作源S和漏D，通電后主動(dòng)懸臂梁由于靜電力向S(或D)端移動(dòng)加載(或卸載)電荷，然后返回D(或S)端移動(dòng)卸載(或加載)電荷。在S和D之間一定的直流電壓作用下，懸臂沿水平方向產(chǎn)生自激振蕩。并通過機(jī)械耦合驅(qū)動(dòng)另一懸臂(被動(dòng)懸臂梁)而產(chǎn)生振動(dòng)。

當(dāng)有光照射至被動(dòng)懸臂梁時(shí)，誘導(dǎo)被動(dòng)懸臂力學(xué)特性發(fā)生變化，通過機(jī)械耦合反饋到主動(dòng)懸臂梁。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)極小，主動(dòng)臂在振蕩時(shí)存在量子隧道效應(yīng)，從而引起主動(dòng)臂力學(xué)性能發(fā)生變化。在不同光強(qiáng)下，主動(dòng)臂存在著持續(xù)振蕩和中止振蕩兩種狀態(tài)，將持續(xù)振蕩視為開關(guān)閉合，振蕩中止視為開關(guān)斷開。最終，通過調(diào)整連接特殊材料的耦合系數(shù)，可以在不同光強(qiáng)下實(shí)現(xiàn)開關(guān)的閉合和斷開。