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僅由幾個原子簇甚至單個原子組成的電晶體曾經是不可想象的，由於它們具有無與倫比的記憶體和處理能力，因此有望成為新一代計算機的構件。但是，要充分發揮這些微小的電晶體（也可以理解為微型電子開關）的潛力，研究人員必須找到一種方法來製造出許多這種難以製造的元件。

現在，美國國家標準與技術研究所（NIST）和馬里蘭大學的的研究人員開發出了一種逐步製造原子級器件的方法。利用這種方法，NIST領導的團隊成為世界上僅有的第二個構造單原子電晶體的研究人員，也是第一個製造出一系列單電子電晶體，並對器件的幾何形狀進行原子尺度控制的研究人員。

科學家們證明，他們可以精確地調整單個電子流過電晶體中的物理間隙或電子屏障的速度，儘管經典物理學中禁止電子透過電晶體中的物理間隙或電子屏障，因為它們缺乏足夠的能量。這種嚴格意義上的量子現象，被稱為量子隧道，只有當空隙極小的時候，例如微型電晶體中的空隙才會變得重要。對量子隧道的精確控制是關鍵，因為它能使電晶體以只有透過量子力學才能實現的方式 “糾纏 ”來相互連線，併為創造量子位元（qubits）提供了新的可能性，這些位元可用於量子計算。

為了製造單原子和少原子電晶體，該團隊依靠一種已知的技術，在矽晶片上覆蓋一層氫原子，氫原子容易與矽結合。然後用掃描隧道顯微鏡去除選定位置上的氫原子。剩餘的氫氣起到了屏障的作用，因此當研究小組將磷化氫氣體（PH3）照射到矽表面時，單個的PH3分子只附著在氫原子被去除的位置上。然後，研究人員對矽表面進行了加熱。熱量使PH3中的氫原子噴出，並使留下的磷原子嵌入表面。透過額外的處理，繫結的磷原子創造了一系列高穩定性的單原子或少原子器件的基礎，這些器件有可能作為準位元。

NIST研究人員Richard Silver表示，NIST團隊設計的方法中的兩個步驟是用矽保護層將磷原子密封，然後與嵌入的原子進行電接觸，這兩個步驟對於可靠地製造出許多原子精密器件的副本似乎是至關重要的。

過去，研究人員通常是在所有矽層生長時進行加熱以消除缺陷，確保矽具有將單原子器件與傳統的矽片電子元件整合在一起所需的純晶體結構。但NIST的科學家們發現，這種加熱可能會使磷原子移位，並有可能破壞原子級器件的結構。相反，該研究小組在室溫下沉積了最初的幾層矽層，讓磷原子留在原地。只有在後續層沉積時，研究小組才會施加熱量。

“我們相信我們的應用層的方法可以提供更穩定、更精確的原子級器件。”Silver說。即使有一個原子不在原位，也會改變以單個或小原子團為特徵的電氣元件的導電性和其他特性。

該團隊還開發了一種新的技術，用於與埋藏的原子進行電接觸的關鍵步驟，使其作為電路的一部分進行工作。NIST的科學家們在矽表面的特定區域輕輕地加熱了一層金屬鈀，應用於矽表面的特定區域，這些區域直接位於矽包埋器件的選定元件上方。加熱後的鈀與矽發生反應，形成一種名為矽化鈀的導電合金，它自然地穿透矽，與磷原子接觸。

在最近一期的《Advanced Functional Materials》雜誌上，Silver和他的同事，包括Xiqiao Wang、Jonathan Wyrick、Michael Stewart Jr。和Curt Richter等人強調，他們的接觸方法的成功率接近100%。Wyrick指出：“你可以擁有世界上最好的單原子電晶體器件，但如果你不能與之接觸，那麼它就毫無用處。”

Richter說：“製造單原子電晶體 是一個困難而複雜的過程，我們已經列出了步驟，這樣其他團隊就不需要透過試錯來進行了。”

在今天發表在《Communications Physics》雜誌上的相關研究中，Silver和他的同事們證明，他們可以精確地控制單個電子在單電子電晶體中透過原子上隧道屏障的速率。NIST的研究人員和他們的同事們製造了一系列的單電子電晶體，除了隧道間隙的大小不同外，其他方面都完全相同。對電流的測量表明，透過增加或減少電晶體元件之間的間隙小於一奈米（十億分之一米），該團隊可以以可預測的方式精確控制單個電子透過電晶體的流動。

“由於量子隧道是任何量子器件的基礎，包括量子位元的構建，所以能夠一次控制一個電子的流動是一項重大成就。”Wyrick說。此外，Richter還說，隨著工程師們在微小的計算機晶片上封裝越來越多的電路，以及元件之間的差距不斷縮小，理解和控制量子隧道的效果將變得更加關鍵。

論文標題為《AtombyAtom Fabrication of Single and Few Dopant Quantum Devices