設(shè)備可以被按比例縮小以降低能量消耗同時執(zhí)行穩(wěn)定并可再生的運行。舉例來說，從源到漏極的通道長度范圍為大約5到200nm，以及通道的寬度可以為大約5到lOOOnm，以及具體地，從大約10到500nm，以及更具體地，從大約10到200nm。由于微小的粒子尺寸和優(yōu)越的均勻性，該存儲設(shè)備可以適于存儲超過典型的納米浮柵存儲設(shè)備兩倍的電荷。
[0185]根據(jù)另一實施例，納米粒子層的納米粒子的平均粒子直徑范圍從大約1.3到1.9nm，以及具體地，從大約1.4到1.8nm。當(dāng)納米粒子層的納米粒子的平均粒子直徑范圍從大約1.3nm到1.9nm，以及具體地從大約1.4nm到1.8nm時，程序的運行和刪除操作可以通過單電荷的轉(zhuǎn)換實施(其為單個電子或單個空穴)。單電荷的轉(zhuǎn)換(單個電子或單個空穴)能夠控制帶有大約0.26V的極小電壓差的電荷存儲，其為有利特征。由于根據(jù)電壓級別的充電操作逐步出現(xiàn)，不僅可以實現(xiàn)單個能級的電池，而且可以實現(xiàn)多能級的電池。換句話說，當(dāng)納米粒子范圍的平均粒子直徑為大約1.3到1.9nm時，或更具體地從大約1.4到1.8nm時，該充電操作逐步出現(xiàn)(例如，電子接著電子，或空穴接著空穴)，并且每個被加入的單獨的電子或空穴可以與存儲信息的附加塊對應(yīng)。
[0186]隨著納米粒子通過向由隧穿絕緣層上的連接基團120A結(jié)合的金屬離子130施加能量而形成，納米粒子層的納米粒子140可以具有大約1.3到1.9nm的平均直徑，以及具體地，具有大約±20%的粒子半徑標(biāo)準(zhǔn)差的大約1.4到1.Snm的平均直徑。這種優(yōu)越的均勻性提供穩(wěn)定和均勻的電荷自陷位置以使得可以執(zhí)行穩(wěn)定及可再生的操作。同樣地，由于該納米粒子通過向由隧穿絕緣層上的連接基團120A結(jié)合的金屬離子130施加能量而形成，納米粒子層的納米粒子的密度范圍為大約113到10 1Vcm2以及，具體地，當(dāng)納米粒子的平均粒子直徑范圍從大約1.3到1.9nm時，該納米粒子密度范圍為大約0.2 X 114到20 X 10 14/cm2。由于納米粒子為高度均勻、高密度并被分隔，所以在浮柵中存儲的電荷可以為均勻并穩(wěn)定的，以及該浮柵可以具有優(yōu)越的電荷保持特性。同樣地，包括納米粒子的該存儲設(shè)備可以在低電壓上操作并被按比例縮小以在不破壞其性能、使用壽命以及運行穩(wěn)定性的前提下減少能量消耗。
[0187]根據(jù)另一實施例，納米粒子層的納米粒子的平均粒子直徑可以為大約1.2nm或更小，以及具體地，納米粒子層的納米粒子的平均粒子直徑可以為大約0.5到1.2nm，以及更具體地，從大約0.8到1.2nm。當(dāng)納米粒子層的納米粒子的平均粒子直徑為大約1.2nm或更小，以及更具體地，當(dāng)納米粒子層的納米粒子的平均粒子直徑從大約0.5nm至1.2nm，更具體地，從大約0.8到1.2nm時，在可以存在電子的電子最高電勢能和不存在電子的電子最低電勢能之間存在能隙。由于該能隙，潛在的窗口程序和刪除操作被擴展并且該電荷保持能力和持久度被改進(jìn)。
[0188]由于納米粒子140通過向由隧穿絕緣層上的連接基團120A結(jié)合的金屬離子130施加能量而形成，所以納米粒子層的納米粒子的平均粒子直徑可以為大約1.2nm或更小，以及具體地，納米粒子層的納米粒子的平均粒子直徑范圍為大約0.5到1.2nm，以及更具體地，大約±20%的粒子半徑標(biāo)準(zhǔn)差的從大約0.8到1.2nm的平均粒子直徑范圍。這種優(yōu)越的均勻性提供了穩(wěn)定和均勻的電荷自陷位置以使得可以實施穩(wěn)定和可再生的操作。
[0189]納米粒子層的納米粒子的密度范圍為從大約113到10 15/cm2,以及具體地，當(dāng)納米粒子的平均粒子直徑為大約1.2nm或更小，以及具體地，當(dāng)納米粒子層的納米粒子的平均粒子直徑為大約0.5到1.2nm以及更具體地，為大約0.8到1.2nm時，該納米粒子密度范圍為從大約0.2 X 114到30X10 1Vcm2。這樣高的納米粒子密度在擊穿電壓中、電荷自陷之前或之后，引發(fā)強烈的改變，并因此該存儲設(shè)備可以被按比例縮小以降低能量消耗。舉例來說，從源極到漏極的通道長度范圍可以為大約5到200nm，以及該通道的寬度可以為大約5到lOOOnm，以及具體地，從大約10到500nm，以及更具體地，從大約10到200nm。
[0190]該電介質(zhì)有機材料150可以被結(jié)合到生長的金屬納米粒子140的表面上。該電介質(zhì)有機材料150防止電流通過金屬納米粒子140流動。金屬納米粒子140的表面可以利用該電介質(zhì)有機材料150涂覆，以及該電介質(zhì)有機材料150可以填充彼此間隔設(shè)置的金屬納米粒子140間的空隙。當(dāng)表面活性劑被提供到金屬離子130時，其為金屬納米粒子140生長前的金屬納米粒子140的狀態(tài)，或者在能量應(yīng)用過程中的金屬納米粒子，該表面活性劑可以在金屬納米粒子140的表面上保持。由于該表面活性劑可以為電介質(zhì)有機材料，所以電介質(zhì)有機材料150的進(jìn)一步添加可以是不需要的。同樣地，雖然在附圖中未示出，但是另一電介質(zhì)材料可以在由電介質(zhì)有機材料150涂覆的金屬納米粒子140之間形成。
[0191]金屬納米粒子140可以在連接層120上面間隔設(shè)置以形成納米粒子層。該納米粒子層可以包括被結(jié)合到或涂覆了金屬納米粒子表面的電介質(zhì)有機材料(或有機表面活性劑)。同樣地，雖然在附圖中未示出，但是添加的電介質(zhì)材料可以在由電介質(zhì)有機材料150涂覆的金屬納米粒子140之間形成。換句話說，在電介質(zhì)有機材料150形成之后，無機氧化物材料可以被附加地形成以便于更穩(wěn)定地固定金屬納米粒子140。同樣地，無機氧化物(未示出)材料可以不使用電介質(zhì)有機材料150而直接附加地形成。
[0192]根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的納米浮柵可以具有垂直的多重堆疊結(jié)構(gòu)。換句話說，該納米結(jié)構(gòu)可以具有連接層120和納米粒子層被可交替地或重復(fù)地堆疊的堆疊結(jié)構(gòu)。適于被結(jié)合到上部連接層的電介質(zhì)層可以進(jìn)一步被包含。如果形成下部納米粒子層的該電介質(zhì)材料具有適于結(jié)合到上部連接層的連接基團的官能團時，那么下部納米粒子層和上部連接層之間的進(jìn)一步的電介質(zhì)層將不再需要。簡言之，是否形成下部納米粒子層和上部連接層之間的電介質(zhì)層可以基于形成納米粒子層的電介質(zhì)材料的種類而確定。
[0193]【根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的改進(jìn)的納米浮柵和形成該納米浮柵的方法】
[0194]圖3A到3D為描述根據(jù)本發(fā)明的第二實施例形成納米浮柵的方法的剖視圖。
[0195]用于根據(jù)本發(fā)明的第二實施例制造納米浮柵的方法可以包括形成結(jié)合到襯底210的表面上的連接基團224的電介質(zhì)材料粒子載體222 (參見圖3A)，向連接基團224結(jié)合金屬離子230 (參見圖3B)，以及通過向金屬納米粒子240施加能量將金屬離子230轉(zhuǎn)化為金屬納米離子240 (參見圖3C)。同樣地，該方法可以包括向形成金屬納米粒子240的結(jié)構(gòu)提供電介質(zhì)有機材料250 (參見圖3D)。該方法可以進(jìn)一步包括在能量施加之前或之中提供一種或多種有機表面活性劑。
[0196]圖3A示出了襯底210，其中電介質(zhì)材料粒子載體222被結(jié)合到連接基團224。該襯底210可以包括硅襯底212和在硅襯底212上面形成的表面層214。該表面層214可以為作為隧穿絕緣層起作用的硅氧化物層。
[0197]該襯底210可以為柔性襯底或透明襯底。當(dāng)使用柔性襯底時，襯底210的表面層214可以為具有氫氧根(-OH)官能團的有機材料。
[0198]在本發(fā)明的第二實施例中，該襯底210可以具有在本發(fā)明的第一實施例中描述的材料和結(jié)構(gòu)。
[0199]被結(jié)合到連接基團224的電介質(zhì)材料粒子載體222在襯底210上面形成多個以形成載體層220。
[0200]制造被結(jié)合到連接基團224的載體層220可以包括通過在將連接基團224溶解在溶劑中的連接基團溶液中混合電介質(zhì)材料粉末以制備載體層材料并將該載體層材料沉積在襯底210上。在襯底210上應(yīng)用載體層材料的旋涂方法可以被使用，或者在載體層材料被溶解的溶液中浸漬襯底210的流體沉積法可以被使用。
[0201]該電介質(zhì)材料粒子載體222可以包括具有以下至少一種元素的氧化物:金屬、過渡金屬、貧金屬，以及類金屬。同樣地，該電介質(zhì)材料粒子載體222可以包括至少一種選自以下的材料:氧化硅、氧化鉿、氧化鋁、氧化鋯、鋇鈦復(fù)合氧化物、氧化釔、氧化鎢、氧化鉭、氧化鋅、氧化鈦、氧化錫、鋇鋯復(fù)合氧化物、氮化硅、氮氧化硅、硅酸鋯、硅酸鉿以及聚合物。
[0202]該連接基團120A可以為有機分子，其適于被化學(xué)結(jié)合到或者被吸附在電介質(zhì)材料粒子載體222的表面上并被化學(xué)結(jié)合到金屬離子230。具體地說，該連接基團224可以為有機分子，其包括適于被化學(xué)結(jié)合到或者被吸附在電介質(zhì)材料粒子載體222的表面的第一官能團以及隨后被形成的適于被化學(xué)結(jié)合到金屬離子的第二官能團。該連接基團224還可以包括用于將第一官能團和第二官能團相互連接的鏈?zhǔn)焦倌軋F。該連接基團224可以包括適于結(jié)合到金屬離子的一個官能團，其選自以下群組:胺基、羧酸基、以及硫醇基。關(guān)于連接基團224，本發(fā)明的第一實施例中描述的多種示例可以被應(yīng)用。
[0203]圖3B示出了被結(jié)合到連接基團224的金屬離子230。該金屬離子230可以被結(jié)合到連接基團224的官能團。該金屬離子230可以通過向襯底(具有在其上形成的連接基團)提供金屬前體而形成。特別地，該金屬離子230可以通過向襯底210應(yīng)用金屬前體溶液或向襯底210應(yīng)用氣態(tài)金屬前體而形成。用于將金屬離子230結(jié)合到連接基團224的方法以及用于該方法的材料可以為如上所述的本發(fā)明的第一實施例描述的各種方法及材料。
[0204]圖3C示出了通過施加能量和生長金屬離子230形成的金屬納米粒子240。被施加以形成納米粒子的能量可以為選自以下的一種或多種能量:熱能、化學(xué)能、光能、震動能、離子束能、電子束能、以及輻射能。各種實施例可以與本發(fā)明的第一實施例相同或相似。
[0205]在根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的制造方法中，i)納米粒子的尺寸可以通過提供結(jié)合到或者被吸附在有機表面活性劑并隨后通過能量應(yīng)用來控制。另外，ii)納米粒子的尺寸可以通過在能量施加的過程中提供結(jié)合到或者被吸附在金屬離子的有機表面活性劑在生長期間被控制。這種有機表面活性劑的提供可以在生產(chǎn)過程中選擇性地實施。作為對使用單個種類的有機表面活性劑的替代，多種有機表面活性劑被使用。
[0206]為了更有效地抑制金屬離子的轉(zhuǎn)移，第一有機材料和不同種類的第二有機材料可以被作為表面活性劑使用。
[0207]該第一有機材料可以為氮基或含硫的有機化合物。舉例來說，該含硫的有機材料可以包括在一個端部具有硫醇基的線型的或分支的碳?xì)浠衔?。在一個特定的示例中，該含硫的有機化合物可以選自以下化合物中的一個或多個:HS-Cn-CH3(n:2到20的整數(shù))、η-十二烷硫醇、甲硫醇、乙硫醇、丁硫醇、乙基己基硫醇、異辛基硫醇、叔-十二烷硫醇、硫代乙二醇乙酸(th1glycolacetic acid)、巰基丙酸、巰基乙醇、硫代正丙醇、硫代正丁醇、硫代正乙醇以及辛基巰基乙酸鹽。
[0208]該第二有機材料可以為相轉(zhuǎn)移催化基的有機化合物，舉例來說，季銨或磷鹽。更具體地，該第二有機表面活性劑可以選自以下的一個或多個:四辛基溴化銨(tetraocyIyammonium)、四乙錢、四正丁基溴化錢(4-n-butyIammonium)、氯化四甲錢，以及四丁銨氟化物。
[0209]在能量施加前或之中提供的有機表面活性劑可以被結(jié)合或被吸附到金屬離子核中或被結(jié)合到連接基團的金屬離子上，以及由施加的能量引發(fā)的納米粒子的成核和生長可以通過被結(jié)合或被吸附到金屬離子上的有機表面活性劑而控制。換句話說，能夠使金屬納米粒子240生長地更微小并更均勻。
[0210]圖3D示出了被結(jié)合到通過施加能量而生長的金屬納米粒子240的電介質(zhì)有機材料250。該電介質(zhì)有機材料250可以涂覆金屬納米粒子240的表面或填充金屬納米粒子240之間的間隙。該電介質(zhì)有機材料250可以在納米粒子之間提供絕緣以更可靠地防止納米粒子間的電流流動。
[0211]如果足夠量的有機表面活性劑在之前的步驟中被提供，即是說，如果在能量施加前或之中被應(yīng)用的表面活性劑保持在生長的納米粒子的表面上以在納米粒子之間提供充分的絕緣，則該電介質(zhì)有機材料250不需要被加入到生長的納米粒子240的表面上。換句話說，由于根據(jù)形成的納米粒子的所期望的尺寸決定是否使用有機表面活性劑，所以附加的電介質(zhì)有機材料250的形成是選擇性的。用于形成電介質(zhì)有機材料250的方法和用于該方法的材料可以與本發(fā)明的第一實施例中的方法和材料相同或相似。
[0212]在本發(fā)明的第二實施例中，形成電介質(zhì)有機材料250的方法以及用于該方法的材料可以與本發(fā)明的第一實施例中的方法和材料相同或相似。
[0213]參考圖3D，根據(jù)本發(fā)明的第二實施例中的制造方法形成的該納米浮柵被詳細(xì)地描述。
[0214]參考圖3D，根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的該納米浮柵可以包括形成在襯底210上面并結(jié)合到連接基團224的電介質(zhì)粒子載體222，以及從被結(jié)合到連接基團224的金屬離子230生長的金屬納米粒子240。同樣地，該納米浮柵可以進(jìn)一步包括被結(jié)合到金屬納米粒子240的電介質(zhì)有機材料250。
[0215]該襯底210可以包括作為隧穿絕緣層的表面層214。該表面層214可以包括氧化層。具體地說，襯底210的表面層214的非限定示例可以為選自以下至少一種材料的層:氧化娃、氧化給、氧化鋁、氧化錯、鋇鈦復(fù)合氧化物、氧化紀(jì)、氧化鶴、氧化鉭、氧化鋅、氧化鈦、氧化錫、鋇鋯復(fù)合氧化物、氮化硅、氮氧化硅、硅酸鋯，以及硅酸鉿。
[0216]該襯底210可以為柔性襯底，其可以包括具有氫氧根(-OH)官能團的表面層214。該柔性襯底可以選自以下中的一個或兩個或多個的混合:聚乙烯對苯二甲酸酯(PET)、聚萘二甲酸乙二酯(PEN)、聚酰亞胺(PI)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、三乙酰纖維素(TAC)、聚醚砜(PES)、以及聚二甲硅氧烷(PDMS)。
[0217]該電介質(zhì)材料粒子載體222可以為具有選自以下的至少一個元素的氧化物粒子:金屬、過渡金屬、貧金屬，以及類金屬。該電介質(zhì)材料粒子載體222可以具有大約10到20nm的平均粒子直徑。該電介質(zhì)材料粒子載體222在厚度上可以為一個或多個電介質(zhì)材料粒子載體。
[0218]同樣地，該電介質(zhì)材料粒子載體222可以包括選自以下的至少一種材料:氧化硅、氧化給、氧化鋁、氧化錯、鋇鈦復(fù)合氧化物、氧化紀(jì)、氧化鶴、氧化鉭、氧化鋅、氧化鈦、氧化錫、鋇鋯復(fù)合氧化物、氮化硅、氮氧化硅、硅酸鋯、硅酸鉿以及聚合物。
[0219]該連接基團224可以為有機分子。該納米浮柵可以包括由結(jié)合到襯底210的表面的連接基團224形成的連接層。該連接層可以為形成在電介質(zhì)材料粒子載體222的表面上的自組裝單分子層。該連接基團224可以包括選自以下的一個官能團:胺基、羧酸基，以及硫醇基。連接基團120A的每個可以包括被結(jié)合到電介質(zhì)材料粒子載體222的表面上的第一官能團，結(jié)合到金屬離子230的第二官能團，以及用于將第一官能團和第二官能團相互連接的鏈?zhǔn)交鶊F。
[0220]該金屬納米粒子24