超灵敏微位移超灵敏微位移传感器传感器 基于单电子晶体管的基于单电子晶体管的 报告人报告人： 安雪华安雪华 02级级20系系主要内容主要内容v研究热点研究热点v单电子晶体管的优良性质单电子晶体管的优良性质v以单电子晶体管为基础设计的高灵敏度微位以单电子晶体管为基础设计的高灵敏度微位移传感器移传感器v结果与讨论结果与讨论v引文引文微位移传感器微位移传感器科学家的新宠儿科学家的新宠儿v研究意义：机械微观化，对研究意义：机械微观化，对纳米尺度振动位移的测量灵纳米尺度振动位移的测量灵敏度提出要求敏度提出要求v优良性质：优良性质：30 mK真空，真空，116-MHZ微振子，灵敏度：微振子，灵敏度：v热点：热点：Nature , Appling physics letter等近年多有等近年多有报道，引文中仅报道，引文中仅2003年相年相关文章就有关文章就有3篇。篇。单电子晶体管（单电子晶体管（SET）原理简介）原理简介v库仑阻塞与电子隧库仑阻塞与电子隧穿：微小隧道结中，穿：微小隧道结中，一个电子隧穿引起一个电子隧穿引起的电位变化对下一的电位变化对下一个电子隧穿产生阻个电子隧穿产生阻止作用。止作用。v栅电压向量子点引栅电压向量子点引入控制电荷，入控制电荷， 形形成三极管式电路。成三极管式电路。栅电压栅电压 可以完全可以完全控制器件的电导。控制器件的电导。具有晶体管的作用。具有晶体管的作用。v库仑岛上控制电荷与栅极的关系：库仑岛上控制电荷与栅极的关系：v库仑岛中电子数增加库仑岛中电子数增加1引起的电势变化：引起的电势变化： 库仑岛与弱电极极弱耦合在一起，控制栅极库仑岛与弱电极极弱耦合在一起，控制栅极电压可以改变库仑岛的电化学势，当库仑阻电压可以改变库仑岛的电化学势，当库仑阻塞状态与电子隧穿状态之间相互转化时，就塞状态与电子隧穿状态之间相互转化时，就会有小到只有几个电子的电流通过栅极电压会有小到只有几个电子的电流通过栅极电压的改变被探测到。的改变被探测到。v可见单电子管有着对弱电势改变非常好的探可见单电子管有着对弱电势改变非常好的探测灵敏度。通过控制栅极电压可以实现对少测灵敏度。通过控制栅极电压可以实现对少数电子运动的控制。数电子运动的控制。v 三极管式分子电子晶体管电路示意图三极管式分子电子晶体管电路示意图微位移传感器微位移传感器SET的应用的应用v原理：将单电子管与谐振梁电容耦合（如下图所示），原理：将单电子管与谐振梁电容耦合（如下图所示），振梁振动引起电容振梁振动引起电容C变化变化SET是最灵敏的静电计，已被证实的灵敏度在是最灵敏的静电计，已被证实的灵敏度在 以上。向放置在谐振器上的金属电极上施加偏以上。向放置在谐振器上的金属电极上施加偏压，此纳米谐振子的运动信息就会通过压，此纳米谐振子的运动信息就会通过SET栅栅极与施了偏压的金属电极探测出来极与施了偏压的金属电极探测出来 ：电容变化：电容变化量将会引起量将会引起SET岛上电荷的变化岛上电荷的变化 从而改变从而改变SET源极与栅极电位。源极与栅极电位。 ，灵敏度提高灵敏度提高SET栅压与电栅压与电极偏压反映极偏压反映放大信号放大信号振子通以交变电流通过振子通以交变电流通过外加磁场驱动，振幅与外加磁场驱动，振幅与频率有关频率有关放大放大SET响应信号响应信号通过电压与频率的通过电压与频率的关系计算灵敏度关系计算灵敏度v实验结果实验结果 2003年年 德国物理学家德国物理学家Robert等人在等人在Nature上的文章，他们从上的文章，他们从SET的响应数据算得：实的响应数据算得：实验最高灵敏度值为验最高灵敏度值为（振梁共振频率（振梁共振频率 ，温度，温度30mK） v问题：噪声问题：噪声v潜力：真空骤热提高振梁品质因子，得到更潜力：真空骤热提高振梁品质因子，得到更强的信号强的信号更好光刻技术缩短振子与距离更好光刻技术缩短振子与距离提高响应速度提高响应速度单电子晶体管位移传感器的应用前景v单电子器件有低功耗，小体积，高集成度，量子效应的特点，转化光、声、电为位移信号，制成各种传感器v分子生物学，医学诊断与治疗，宇宙微射线探测，袖珍设备，前景广阔v单电子泵，实现对单个电子的控制，对实现微观世界的可控有重要意义引文v19篇英文（Nature,Science,Physcis Review letter,Appling physcis letter,etc)，1篇中文v2003年3篇，Nature两篇v近三年的11篇Thank you!