CN107579112B - 一种全液态量子隧穿效应器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种全液态量子隧穿效应器件，包括作为电导体的两个以上的液态金属液滴，承载液态金属液滴的容器，用于分隔各液态金属液滴的绝缘或半绝缘液体，以及电极；所述液态金属液滴的尺寸为0.1nm。本发明还提出全液态量子隧穿效应器件的制备方法。本发明全液态量子隧穿效应器件改变了现有固体量子隧穿效应器件的既有观念和技术范畴，首次提供了全液态量子隧穿效应器件这种崭新概念的器件，引入了独特的导电性液态金属和作为绝缘或半绝缘体常规液体的两者的变形特性和良好结合性，扩展了传统量子器件的范畴。其本身可以为多种结构的形状自适应组合体，且液态金属种类及溶液浓度可调，因而可体现出更复杂的量子隧穿行为。
Description
技术领域
本发明属于电学器件领域，具体涉及一种具有量子隧穿效应的器件，及其制备方法。
背景技术
电学领域已知的是，两块金属(或半导体、超导体)之间若存在真空或绝缘或半绝缘体，电子一般是无法由金属一侧穿越到另一侧的，此时的绝缘或半绝缘层对电子来说是一个壁垒，或称为势阱。然而，当电绝缘或半绝缘层的厚度与de Broglie波长相当时，电子可沿隧道穿过薄的电绝缘或半绝缘层，这种由于电子波特性引起的量子力学特性，就是著名的量子隧穿效应(Quantum tunnelling effect)，也称约瑟夫森效应，其使得电子等微观粒子能够穿过原本无法通过的电绝缘或半绝缘层“墙壁”。这种通常在尺度上极薄的绝缘或半绝缘层，构成一个称为约瑟夫森“结”的元件。
在量子力学里，穿透过的波幅可以合乎物理学地解释为行进粒子，根据量子力学，微观粒子具有波的性质，因而具有不为零的概率穿过这些“墙壁”。当绝缘或半绝缘层太厚时，隧道效应不明显，太薄时，两侧导体实际上则连成一块，此两种情形均不发生约瑟夫森效应。当绝缘或半绝缘层既不太厚也不太薄时称为弱连接超导体。两块超导体夹一层薄绝缘或半绝缘材料的组合称S-I-S超导隧道结或约瑟夫森结。由于独特的性质，约瑟夫森效应已被广泛用于高敏感性微波探测器、磁力计，以及扫描隧道显微镜、超导量子干涉器(SQUID)等方面。
不难看出，迄今为止的所有实现量子隧穿效应的器件通常均由一个三明治刚体结构组成，其中间层为绝缘或半绝缘的薄区域，两侧一般为导电介质区域。在具体实现的材料物态中，中间层通常为绝缘或半绝缘材料，两侧区域为金属导体或超导体。这些结构由于是固体器件，中间层厚度无法调整，整个器件的形状无法变形、分割，一旦制备出来，则主要只能按其特定结构实现对应功能，在应用上会受到一定限制。
显然，若能将量子隧穿效应器件三明治刚体结构全部予以液态化，则可望实现前所未有的全液态量子隧穿效应器件，从而提供不同于传统器件的性能，有助于为新兴的量子工程提供更加智能的器件技术支撑，实现更广范围的量子技术应用，甚至推动量子技术产业呈现跨越式发展。本发明的目的正在于提供一种旨在突破传统量子隧穿技术范畴和概念的全液态量子隧穿效应器件。
发明内容
基于上述技术背景，为克服现有量子隧穿效应器件天然的刚体结构局限和变革传统器件无法自适应调整自身结构和变形的现状，本发明的目的在于通过首次引入液态金属导电体及非导电性液体的技术理念，借助其彼此的结构耦合提供一种全液态量子隧穿效应器件，通过对液态金属导电体及非导电性液体予以加力处理，可以获得广谱特性的可变形量子隧穿效应器件，由此实现超越传统固体概念的应用更为广泛的智能化量子器件如高性能量子存储、计算甚至是智能仿生器件等。
本发明的另一个目的是提出所述全液态量子隧穿效应器件的制作方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种全液态量子隧穿效应器件，包括作为电导体的两个以上的液态金属液滴，承载所述液态金属液滴的容器，用于分隔各液态金属液滴的绝缘或半绝缘液体，以及电极；所述电极为与液态金属液滴连接的金属丝或液态金属本身；所述液态金属液滴的尺寸为0.1nm。
可选地，所述金属丝或液态金属本身的直径为1nm～1mm。所述封装容器可为固体结构如玻璃、硅制成的毛细管，也可为柔性材料如塑料、PDMS等制成的毛细管。
其中，所述绝缘或半绝缘液体选自H2O、乙醇、室温离子液体，液体油中的一种或多种，所述液体油选自煤油、柴油、汽油、润滑油、植物油中的一种或多种，所述植物油为麻油、菜油、豆油、花生油、葵花油、玉米油、橄榄油中的一种或多种；所述室温离子液体可以是BMIFeCl4但不限于此。
位于相邻两个液态金属液滴之间的绝缘或半绝缘液体的层厚为0.1nm～80nm。
优选地，所述绝缘或半绝缘液体为含有浓度为0～0.5mol/L表面活性剂的水；
和/或，
位于相邻两个液态金属液滴之间的绝缘或半绝缘液体的层厚为1nm～10nm。
其中，所述液态金属选自镓、铟、锡、铋、锌、镓基合金、铟基合金、锡基合金、铋基合金、锌基合金或铅基合金中的一种；
其中，所述镓基合金中镓质量含量为10wt％～100wt％；所述铋基合金中铋质量含量为10wt％～95wt％；所述铟基合金中铟质量含量为10wt％～95wt％。
进一步地，所述镓基合金中镓含量为50wt％～90wt％；所述铋基合金中铋含量为50wt％～90wt％，所述铟基合金中铟含量为50wt％～90wt％；
所述液态金属选自镓铟、镓锡、铋锡、铟铋、铟锡、镓铟锡、铋铟锡、铋铟锌、铟锡锌、铋锡铜、铋铟镉、镓铟锡锌、铟锡锌铋、铋铟锡银或锌铋银铜合金中的一种或多种。
本发明一种优选技术方案为，所述的全液态量子隧穿效应器件包括两个液态金属液滴，承载所述液态金属液滴的容器，用于分隔两个液态金属液滴的绝缘或半绝缘液体，以及电极；所述电极为与两个液态金属液滴分别连接的两根金属丝或液态金属本身；所述容器为毛细管，第一个液滴、绝缘或半绝缘液体分割层、第二个液滴在毛细管内，沿毛细管长度方向顺序排列。
更进一步地，所述全液态量子隧穿效应器件还包括调控机构，所述调控机构为活塞和分隔件，所述活塞设置于毛细管两端；所述分隔件位于两个液态金属液滴之间。
本发明所述全液态量子隧穿效应器件的制作方法，包括以下操作：
1)取液态金属，加入含有表面活性剂的溶液中，通过毛细管注射针推送挤压方式的机械注射方法打散为液滴，所述液滴为纳米级液滴、微米级液滴、毫米级液滴中的一种或多种；
根据需要可采用超声进一步打散至微米甚至纳米级液态金属；
2)将第一个液态金属液滴吸入容器，通过负压调整液滴在容器内的位置，在容器进口处留出空位；
3)向容器内加入绝缘或半绝缘液体；
4)借助负压操控，通过负压调整第一个液态金属液滴和绝缘或半绝缘溶液在容器内的位置，在容器进口处留出空位；
5)加入后续的液态金属液滴；在液滴上插入金属丝或以液态金属本身作为电极。
其中，步骤1)中，所述表面活性剂为硬脂酸、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、脂肪酸甘油酯、脂肪酸山梨坦(司盘)或聚山梨酯(吐温)中的一种或多种；表面活性剂的浓度为0.05～0.5mol/L，所述溶液为水溶液。
其中，所述容器为毛细管，步骤2)和步骤4)中，施加的负压互相独立地为10-100000Pa。
步骤5)中，后续的金属液滴可以是第二个金属液滴、共两个液滴；或后续金属液滴是第2～N个金属液滴，N为大于2的整数。
本发明具有如下优点：
1、改变了现有量子隧穿效应器件的既有观念和技术范畴，首次提供了全液态量子隧穿效应器件这种崭新概念的器件，巧妙地引入了独特的导电性液态金属和作为绝缘或半绝缘体常规液体的两者的变形特性和良好结合性；
2.液态量子隧穿效应器件显著扩展了传统量子器件的范畴。其本身并非一定是传统的三明治结构，可以为多种结构的形状自适应组合体。比如，大大小小的金属液滴浸入可防止其彼此融合的表面活化剂溶液中，即可自发形成量子隧穿效应器件，且液态金属种类及溶液浓度可调，因而可体现出更复杂的量子隧穿行为，由此可发展出更多量子器件。
3.除了具备极具独到性的液态、柔性、可变形性和灵活调节结构外，液态量子隧穿效应器件可制作出许多不同于传统量子器件的结构，比如，相应器件可以是金属液滴与其他固体导体之间结合绝缘或半绝缘的溶液组合而成，也可以是多种液态器件按特定空间和维度组合而成的集成化液态量子隧穿效应器件，组合形式超越了传统器件。
4、本发明中，只需确保绝缘或半绝缘液体的层厚在足够小的尺度如0.1nm～80nm，即可通过金属液滴三明治层状结构实现量子隧穿效应，是颠覆了传统观念的通过宏观手段实现微观量子器件效应的超常规技术手段。与传统的量子器件相比，液态量子隧穿效应器件制造难度得以大大减小，更加有利于低成本量子技术的应用；
5、由于液态量子隧穿效应器件的引入，使得传统的量子器件的电子互联难度大大降低，从而为制造普及性量子隧穿效应器件创造了条件；
6、液态量子隧穿效应器件的提出是对传统量子器件、金属材料乃至溶液特性认识的观念性革新，可由此引申出大量全新应用，甚至是类生物学行为的智能器件。
附图说明
图1：前期实验发现的金属液滴与同类液态金属之间因溶液中间层存在而不发生融合的现象；
图2为前期实验发现的金属液滴与同类液态金属之间因溶液中间层存在而导致的电阻跃迁现象。
图3是本发明全液态量子隧穿效应器件的结构示意。
图4是本发明全液态量子隧穿效应器件的活塞加压型结构示意。
图5是本发明全液态量子隧穿效应器件的分体结构示意。
图6是本发明全液态量子隧穿效应器件的自由组合结构示意。
图中：1、第一液态金属液滴；2、第二液态金属液滴；3、液态绝缘或半绝缘层；4、封装容器；5、电极丝；6、活塞加压机构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
前期试验中，我们发现弱碱性半绝缘溶液即可实现金属液滴直接的电阻跃迁，进一步研究发现采用纯净水后也可达到类似效果甚至更好性能。
前期的研究中使用的液态金属是GaIn(镓和铟，75.5％镓和24.5％铟重量百分比)和NaOH溶液(0.25mol/L)作为电解质。在实验中，阴极插入液面下的液态金属浴，阳极被放置在处于上部电解质溶液中的液态金属液滴中。在电极之间施加电压时，会立即启动液态金属浴的界面流动，此时，上部的金属液滴相当于在其上发生冲浪运动而不会与下面的液态金属融合。图1(a)为用高速摄像机(型号：IDT，NR4.S3,200帧/s)拍摄到的各种尺寸的冲浪液态金属液滴的侧视图。在0.25mol/L NaOH中的eGaIn的毛细管长度可在0.2mm-3mm之间。
一旦电场被去除，冲浪液滴立即与液态金属浴合并(图1(b))。这种由于变形的液态金属/电解质界面提供的悬浮力足够强到可以保持一个冲击液滴始终悬浮与液态金属浴的上面，二者之间则由绝缘或半绝缘的溶液分隔开，从而形成隧道层(图1(c))。此外，连续添加液态金属液滴可以形成集群聚集在一起(图1(d))。
与传统的气膜悬浮液不同的是，上述研究的冲浪机理归因于及液态金属液滴与液态金属浴之间的液膜(NaOH溶液)。这可以通过测量电阻来加以验证：在两个优良导体之间插入电介质膜将导致电阻R显着增加。测量R在切断施加电压R前后的演变情况，如图2(a)所示。在冲浪状态(图2(a)-i)期间，当液滴上施加的电压可以维持悬浮时，我们测量到数百欧姆的典型电阻值。在终止电压之后，电阻减小约为一个数量级(图3(a)-ii)。在预聚结状态之后，电阻R进一步下降到一欧姆以下，表明液态金属液滴和液态金属浴有直接金属接触(聚结状态)(图3(a)-iii)。预聚合状态和聚结状态之间的差别明确地表明，液膜的存在确实增加了两个液态金属体之间的电阻，这也是可将其发展隧道结的原因之一。
在图2(b)中可以看出，当液滴体积范围为20uL至1000uL时，液滴尺寸的增加将降低溶液膜的电阻。在图2(b)的右上角插图中对于可以被视为球体的小液滴可获得放大的电阻。
通过以上实验发现，金属液滴与液态金属之间虽属于同一类物质，但可通过一个介于其间的溶液薄层分割开而不发生融合，而金属液滴与同类液态金属之间因溶液中间层存在而导致的电阻跃迁。借助这一金属液滴在液态金属表面的冲浪效应，可实现如本发明所述的全液态量子隧穿效应器件。
实施例1
图3是本实施例提供的全液态量子隧穿效应器件的结构示意图。
所述全液态量子隧穿效应器件，包括作为电导体的两个由镓铟合金Ga24.5In制成的体积为10微升的液态金属液滴，分别记为第一液态金属液滴1和第二液态金属液滴2，承载液态金属液滴的封装容器4是直径为1mm的玻璃毛细管，分隔于两个液态金属液滴之间的液态绝缘或半绝缘层3是由体积为1微升的绝缘或半绝缘液体水形成，以及两根直径为0.1mm的电极丝5(金丝)。
所述全液态量子隧穿效应器件由两个液态金属液滴及其之间的绝缘或半绝缘液体水共同构成；
所述封装于液态金属液滴及绝缘或半绝缘液体可通过电极调控彼此间的空间几何相对位置，由此实现绝缘或半绝缘液体的层厚在10nm，该过程也可借助金属液滴的重力行为实现。
为了避免金属液滴的融合，以及辅助制备过程。本发明在制备过程，在所述绝缘或半绝缘液体中添加了浓度为0.1mol/L的表面活化剂十二烷基硫酸钠。
本实施方案提供的全液态量子隧穿效应器件的制备方法，包括如下步骤：
1)取液态金属，加入含有表面活化剂的水溶液中，通过毛细管注射针机械注射方法打散至微米级液态金属；
2)将第一液态金属液滴1吸入玻璃毛细管封装容器4内，通过负压为10Pa(表压)使之更深吸入容器管内，由此在管口处留出空位；
3)在玻璃毛细管封装容器4管口留出空位处，加入绝缘或半绝缘液体，具体为体积1微升的水。
4)借助负压操控10Pa(表压)，再度将上述金属液滴连同绝缘或半绝缘溶液吸入容器管内，以便在管口处再次留出空位；
5)在封装容器4管口所留出的空位中，加入第二个金属液滴；此时，在两液滴上插入电极导线，作为器件响应的电量输入端；
6)根据需要，可在两电极导线通电，用于改变金属液滴在容器管道内的位置，从而挤压液态绝缘或半绝缘层3的厚薄度，以实现不同的量子隧穿效应强度。此处，实施1-10V范围的电压即可通过改变液态金属表面张力调整其相对位置，控制界面层的厚度在1nm-20nm之间。
实施例2
图4是本实施例提供的全液态量子隧穿效应器件的活塞加压型结构示意图。与实施例1不同的是，用于改变金属液滴在容器管道内的位置，从而挤压绝缘或半绝缘溶液界面层厚薄度的方法，采用了活塞加压机构6，其余材料和结构与实施例1一致。
实施例3-14
全液态量子隧穿效应器件，其结构单元包括液态金属、液态绝缘或半绝缘层、封装容器、电极丝(铜丝)，与实施例1的区别在于液态绝缘或半绝缘层材料不同(参见下表)。该全液态量子隧穿效应器件的制作方法同实施例1。
表1：实施例3-14绝缘或半绝缘层材料
实施例15
全液态量子隧穿效应器件，其与实施例1的区别仅在于采用了如图4所示的活塞加压结构。
实施例16
全液态量子隧穿效应器件，与实施例1-15的区别仅在于液态金属不同，该量子隧穿效应器件的液态金属为铋基合金BiIn21Sn12Pb18。
本实施例量子隧穿效应器件的制作方法同实施例1的区别仅在于，将铋基合金BiIn21Sn12Pb18置于250℃的真空恒温箱中恒温4小时，然后用磁力搅拌器搅拌50分钟，制得液态状态的铋基合金BiIn21Sn12Pb18。
其中，铋基合金BiIn21Sn12Pb18的制作方法包括：按照质量比49:21:12:18的比例分别称取纯铋、纯铟、纯锡和纯铅，放入不锈钢容器中，将容器置于250℃的真空恒温箱中恒温4小时，随后用磁力搅拌器搅拌50分钟，即制得铋基合金BiIn21Sn12Pb18，其熔点为58℃。
实施例17
全液态量子隧穿效应器件，与实施例1-16的区别仅在于液态金属和液态绝缘或半绝缘材料的种类可由多种组合而成。
实施例18
图5是本发明全液态量子隧穿效应器件的分体结构示意。此实施例全液态量子隧穿效应器件，与实施例1-17的区别仅在于液态金属容器为分体结构，此分体结构组合后也可在交界面处构成可调控液态绝缘或半绝缘层厚薄度的分隔件，从而实现量子隧穿效应。
实施例19
图6是本实施例的全液态量子隧穿效应器件的自由组合结构示意。此实施例全液态量子隧穿效应器件，与实施例1-17的区别仅在于液态金属自由搁置于容器中，彼此临近组合后也可在交界面处构成可调控厚薄度的液态绝缘或半绝缘层，从而也可实现量子隧穿效应。若大量液态金属液滴彼此组合，可形成阵列式全液态量子隧穿效应器件。
实施例20
液态量子隧穿效应器件，与实施例1-19的区别在于仅采用了一个液态金属液滴，另一导电材料为刚体金属如金、银，此导电性液-固组合结构也可在交界面处构成可调控厚薄度的液态绝缘或半绝缘层，从而实现量子隧穿效应。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应当涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种全液态量子隧穿效应器件，其特征在于，包括作为电导体的两个以上的液态金属液滴，承载所述液态金属液滴的容器，用于分隔各液态金属液滴的绝缘或半绝缘液体，以及电极；所述电极为与液态金属液滴连接的金属丝或液态金属本身；所述液态金属液滴的尺寸为0.1nm。
2.根据权利要求1所述的全液态量子隧穿效应器件，其特征在于，所述绝缘或半绝缘液体选自H2O、乙醇、室温离子液体、液体油中的一种或多种，所述液体油选自煤油、柴油、汽油、润滑油、植物油中的一种或多种，所述植物油为麻油、菜油、豆油、花生油、葵花油、玉米油、橄榄油中的一种或多种；
位于相邻两个液态金属液滴之间的绝缘或半绝缘液体的层厚为0.1nm～80nm。
3.根据权利要求2所述的全液态量子隧穿效应器件，其特征在于，所述绝缘或半绝缘液体为含有浓度为0～0.5mol/L表面活性剂的水；和/或，
位于相邻两个液态金属液滴之间的绝缘或半绝缘液体的层厚为1nm～10nm。
4.根据权利要求1所述的全液态量子隧穿效应器件，其特征在于，所述液态金属选自镓、铟、锡、铋、锌、镓基合金、铟基合金、锡基合金、铋基合金、锌基合金或铅基合金中的一种；
其中，所述镓基合金中镓质量含量为10wt％～100wt％；所述铋基合金中铋质量含量为10wt％～95wt％；所述铟基合金中铟质量含量为10wt％～95wt％。
5.根据权利要求4所述的全液态量子隧穿效应器件，其特征在于，所述镓基合金中镓含量为50wt％～90wt％；所述铋基合金中铋含量为50wt％～90wt％，所述铟基合金中铟含量为50wt％～90wt％；
所述液态金属选自镓铟、镓锡、铋锡、铟铋、铟锡、镓铟锡、铋铟锡、铋铟锌、铟锡锌、铋锡铜、铋铟镉、镓铟锡锌、铟锡锌铋、铋铟锡银或锌铋银铜合金中的一种或多种。
6.根据权利要求1～5任一项所述的全液态量子隧穿效应器件，其特征在于，包括两个液态金属液滴、承载所述液态金属液滴的容器、用于分隔两个液态金属液滴的绝缘或半绝缘液体、以及电极；所述电极为与两个液态金属液滴分别连接的两根金属丝或液态金属本身；所述容器为毛细管，第一个液滴、绝缘或半绝缘液体分割层、第二个液滴在毛细管内，沿毛细管长度方向顺序排列。
7.根据权利要求6所述的全液态量子隧穿效应器件，其特征在于，所述全液态量子隧穿效应器件还包括调控机构，所述调控机构为活塞和分隔件，所述活塞设置于毛细管两端；所述分隔件位于两个液态金属液滴之间。
8.权利要求1～7任一所述全液态量子隧穿效应器件的制作方法，其特征在于，包括以下操作：
1)取液态金属，加入含有表面活性剂的溶液中，通过毛细管注射针推送挤压方式的机械注射方法打散为液滴，所述液滴为纳米级液滴、微米级液滴、毫米级液滴中的一种或多种；
2)将第一个液态金属液滴吸入容器，通过负压调整液滴在容器内的位置，在容器进口处留出空位；
3)向容器内加入绝缘或半绝缘液体；
4)借助负压操控，通过负压调整第一个液态金属液滴和绝缘或半绝缘液体在容器内的位置，在容器进口处留出空位；
5)加入后续的液态金属液滴；在液滴上插入金属丝或以液态金属本身作为电极。
9.根据权利要求8所述全液态量子隧穿效应器件的制作方法，其特征在于，步骤1)中，所述表面活性剂为硬脂酸、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、脂肪酸甘油酯、脂肪酸山梨坦或聚山梨酯中的一种或多种；表面活性剂的浓度为0.05～0.5mol/L，所述溶液为水溶液。
10.根据权利要求8或9所述全液态量子隧穿效应器件的制作方法，其特征在于，所述容器为毛细管，步骤2)和步骤4)中，施加的负压互相独立地为10-100000Pa。
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