超灵敏微位移传感器
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❖ 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
❖ 19篇英文（Nature,Science,Physcis Review letter,Appling physcis letter,etc)，1篇中文
❖ 2003年3篇，Nature两篇 ❖ 近三年的11篇
主要内容
❖ 研究热点 ❖ 单电子晶体管的优良性质 ❖ 以单电子晶体管为基础设计的高灵敏度微位
移传感器 ❖ 结果与讨论 ❖ 引文
微位移传感器——科学家的新宠儿
❖ 研究意义：机械微观化，
210 mHz 对纳米尺度振动位移的测
量灵敏度提出要求
15
1/ 2
❖ 优良性质：30 mK真空，
116-MHZ微振子，灵敏度：
❖ 库仑岛上控制电荷与栅极的关系：
q0 CgVg ❖ 库仑岛中电子数增加1引起的电势变化：
U d
(N)
U(N)
U(N
1)
N
N
(1/ C
2) e2
e
Cg C
Vg
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 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 的改变被探测到。
❖ 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 数电子运动的控制。
❖
三极管式分子电子晶体管电路示意图
微位移传感器——SET的应用
❖ 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C变化
SET是最灵敏的静电计，已被证实的灵敏度在
105 eHz 1/ 2
❖ 问题：噪声 ❖ 潜力：真空骤热提高振梁品质因子，得到更
强的信号 更好光刻技术缩短振子与ＳＥＴ距离 提高响应速度
单电子晶体管位移传感器的应用前景
❖ 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
❖ 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
100倍！ ❖ 热点：Nature , Appling physics letter等近年多有 报道，引文中仅2003年相
关文章就有3篇。
单电子晶体管（SET）原理简介
❖ 库仑阻塞与电子隧 穿：微小隧道结中， 一个电子隧穿引起 的电位变化对下一 个电子隧穿产生阻 止作用。
❖ 栅电压向量子点引 入控制电荷， 形 成三极管式电路。 栅电压 Vg 可以完全 控制器件的电导。 具有晶体管的作用。
振子通以交变电流通过 外加磁场驱动，振幅与
频率有关
通过电压与频率的 关系计算灵敏度
❖ 实验结果
2003年 德国物理学家Robert等人在Nature 上的文章，他们从SET的响应数据算得：实 验最高灵敏度值为
（振梁共振频率 f0 116.7MHz ，温度3 1015 mHz1/ 2
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SET栅 极与施了偏压的金属电极探测出来 ：电容变化
量将会引起SET岛上电荷的变化
q VbeamC
S
， C d
从而改变SET源极与栅极电位。
Vbeam
q 放大信号 灵敏度提高
SET栅压与电 放大SET响应信号 极偏压反映
引文
❖ 19篇英文（Nature,Science,Physcis Review letter,Appling physcis letter,etc)，1篇中文
❖ 2003年3篇，Nature两篇 ❖ 近三年的11篇
主要内容
❖ 研究热点 ❖ 单电子晶体管的优良性质 ❖ 以单电子晶体管为基础设计的高灵敏度微位
移传感器 ❖ 结果与讨论 ❖ 引文
微位移传感器——科学家的新宠儿
❖ 研究意义：机械微观化，
210 mHz 对纳米尺度振动位移的测
量灵敏度提出要求
15
1/ 2
❖ 优良性质：30 mK真空，
116-MHZ微振子，灵敏度：
❖ 库仑岛上控制电荷与栅极的关系：
q0 CgVg ❖ 库仑岛中电子数增加1引起的电势变化：
U d
(N)
U(N)
U(N
1)
N
N
(1/ C
2) e2
e
Cg C
Vg
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 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 的改变被探测到。
❖ 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 数电子运动的控制。
❖
三极管式分子电子晶体管电路示意图
微位移传感器——SET的应用
❖ 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C变化
SET是最灵敏的静电计，已被证实的灵敏度在
105 eHz 1/ 2
❖ 问题：噪声 ❖ 潜力：真空骤热提高振梁品质因子，得到更
强的信号 更好光刻技术缩短振子与ＳＥＴ距离 提高响应速度
单电子晶体管位移传感器的应用前景
❖ 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
❖ 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
100倍！ ❖ 热点：Nature , Appling physics letter等近年多有 报道，引文中仅2003年相
关文章就有3篇。
单电子晶体管（SET）原理简介
❖ 库仑阻塞与电子隧 穿：微小隧道结中， 一个电子隧穿引起 的电位变化对下一 个电子隧穿产生阻 止作用。
❖ 栅电压向量子点引 入控制电荷， 形 成三极管式电路。 栅电压 Vg 可以完全 控制器件的电导。 具有晶体管的作用。
振子通以交变电流通过 外加磁场驱动，振幅与
频率有关
通过电压与频率的 关系计算灵敏度
❖ 实验结果
2003年 德国物理学家Robert等人在Nature 上的文章，他们从SET的响应数据算得：实 验最高灵敏度值为
（振梁共振频率 f0 116.7MHz ，温度3 1015 mHz1/ 2
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SET栅 极与施了偏压的金属电极探测出来 ：电容变化
量将会引起SET岛上电荷的变化
q VbeamC
S
， C d
从而改变SET源极与栅极电位。
Vbeam
q 放大信号 灵敏度提高
SET栅压与电 放大SET响应信号 极偏压反映