[发明专利]光学设备及该设备的用途

说明书

本发明涉及光学设备(100)和光学设备(100)的用途。光学设备(100)包括：源电极(2)；漏电极(4)；源电极(2)与漏电极(4)之间的间隙区域(6)；位于间隙区域(6)中的用于使源电极(2)和漏电极(4)连接和断开并用于改变间隙区域(6)的光学性质和/或等离子体性质的簇(8)；以及用于使光进入间隙区域(6)和使光从间隙区域(6)出射的光学耦合元件(10)。

本申请要求于2015年6月3日提交的第DE 10 2015 006 873.3号德国专利申请的权益，该德国专利申请的内容通过引用并入本文。

动机：

微纳电子器件、光学器件和等离子体器件是迅速发展的领域，并且提供当前信息技术的基础。然而，这些技术面临七个关键问题：

随着数据处理量和数据传输量的不断增加，计算和数据处理的能量消耗不断增加，现在已经达到电能生产总量的相当大的百分比(在工业国家中约为10％)。迫切需要为每个逻辑操作降低能量消耗。降至达到单个原子和分子级别的微型化的较小型设备将允许显著降低能量消耗。

由于能量消耗通常随着操作电压的平方而增加，因此期望超低电压的操作。硅基微纳电子器件由于基于半导体的微米电子器件的半导电间隙而面临低电压操作的限制。

微纳电子器件与纳米光学器件以及纳米等离子体器件的耦合提出了这样的问题，即微纳电子器件通常基于硅半导体技术和纳米光学器件以及特别是涉及金属的等离子体器件。将期望公共的材料平台，例如用全金属设备实现晶体管和电子逻辑门的功能。

应该进一步增加数据传输速率特别是数据处理速率，以应对日益增长的数据处理需求。电气数据处理速率正在达到技术限制，数据处理速率(每秒的逻辑操作)的增加通常只有以为每个逻辑操作消耗更高的能量为代价来实现。

拥有在纳米尺度甚至在原子尺度和分子尺度上的纳米光学设备和纳米等离子体设备将是非常令人期望的。不幸地，光的波长具有500nm的数量级，到目前为止阻止了达到这个期望的长度尺度。因此，不幸地，虽然纳米电子器件可以是小的并且光子器件和等离子体器件可以是快速的，但没有达到纳米电子器件的长度尺度。

量子级别上的电子器件和光子器件/等离子体器件将是非常令人期望的，其中量子化状态通过物理和量子力学的基本定律来提供，从而允许具有量子级别的逻辑操作不是由设备的制造商而是由量子力学的定律精确地限定的。到目前为止，这种设备通常在非常低的温度下操作，优选地，在毫开尔文温度范围内操作。然而，对于实际使用，量子设备在室温下操作将是令人期望的。

最重要的是，仍然缺少并且需要将纳米电子和纳米光学或纳米等离子体功能结合在同一个设备中且处于相同的长度尺度(理想地处于纳米尺度甚至原子尺度)的设备。

通过公开的发明解决的问题：

以上描述的信息处理技术的这些关键问题通过本文公开的发明而被处理和解决。利用以下描述的原子尺度等离子体晶体管和原子尺度光子晶体管(包括单原子等离子体晶体管和单分子等离子体晶体管的情况)，有可能将纳米电子器件以及纳米光子器件和纳米等离子体器件结合在同一个设备中，以实现每个逻辑操作的超低能量消耗及降至毫伏范围的超低操作电压，并且通过完全且仅使用丰富可用的、环境友好的和无毒的材料来将纳米电子器件以及纳米光子器件和纳米等离子体器件结合在同一个材料平台内。

背景技术：

在文献[1-21]中描述了使用由施加到独立的第三栅电极的电压进行控制的可切换金属结点(junction)而能够在原子尺度进行切换的设备。使用结点中的可移动金属原子，此设备可以降至单原子级别进行操作。然而，此设备没有利用结点的光子性质或等离子体性质，并且没有使用半导体、有机物、电介质甚至分子功能(例如，在具有电性质、光学性质或机械性质甚至致动器性质的接触区域或间隙区域中的分子)的存在。