特許 7407980 複合酸化物の界面における導電状態の低電圧電子ビーム制御

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-12-21

(45)【発行日】2024-01-04

(54)【発明の名称】複合酸化物の界面における導電状態の低電圧電子ビーム制御

(51)【国際特許分類】

   H10N 60/01 20230101AFI20231222BHJP

   H01L 29/06 20060101ALI20231222BHJP

   B82Y 40/00 20110101ALI20231222BHJP

   H01J 37/305 20060101ALI20231222BHJP

【ＦＩ】

H10N60/01 Z

H01L29/06 601N

B82Y40/00

H01J37/305 B

【請求項の数】 18

(21)【出願番号】P 2022581730

(86)(22)【出願日】2021-02-11

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-06-06

(86)【国際出願番号】 US2021017644

(87)【国際公開番号】W WO2021211197

(87)【国際公開日】2021-10-21

【審査請求日】2023-01-12

(31)【優先権主張番号】63/009,211

(32)【優先日】2020-04-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】506147560

【氏名又は名称】ユニバーシティ オブ ピッツバーグ－オブ ザ コモンウェルス システム オブ ハイヤー エデュケーション

【氏名又は名称原語表記】ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＰＩＴＴＳＢＵＲＧＨ ＯＦ ＴＨＥ ＣＯＭＭＯＮＷＥＡＬＴＨ ＳＹＳＴＥＭ ＯＦ ＨＩＧＨＥＲ ＥＤＵＣＡＴＩＯＮ

(74)【代理人】

【識別番号】100123788

【弁理士】

【氏名又は名称】宮崎 昭夫

(74)【代理人】

【識別番号】100127454

【弁理士】

【氏名又は名称】緒方 雅昭

(72)【発明者】

【氏名】レヴィー、 ジェレミー

【審査官】岩本 勉

(56)【参考文献】

【文献】 LEE, Gwangyeob et al.，“Electron beam induced epitaxial crystallization in a conducting and insulating a-LaAlO3/SrTiO3 system”，RSC Advances，2017年，Vol. 7，No. 64，p.40279-40285，DOI: 10.1039/C7RA06353A

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ１０Ｎ ６０／０１

Ｈ０１Ｌ ２９／０６

Ｂ８２Ｙ ４０／００

Ｈ０１Ｊ ３７／３０５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

（ａ）超低電圧電子ビームを、第２の絶縁層上に配置された第１の絶縁層の表面に導き、
（ｂ）超低電圧電子ビームを当てることで前記第１の絶縁層の表面を改変し、前記第１の絶縁層と前記第２の絶縁層との間にある界面を、第１の電子特性を有する第１の状態と第２の電子特性を有する第２の状態との間で選択的に切り替え、
前記切り替えが、前記第１の絶縁層と前記第２の絶縁層の構造のトポグラフィーに識別可能な変化を与えることなく実行される、方法。

【請求項2】

前記第１の状態が絶縁状態であり、前記第２の状態が導電状態である、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

約０．１ｍｍ／ｓｅｃよりも速く約１５ｍｍ／ｓｅｃ未満の速度で前記界面に導電線を書き込む、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記第１の絶縁層の表面を改変することは、前記第１の絶縁層の表面の一部を改変することを含み、前記第１の絶縁層の前記表面の一部は、約２ナノメートルまたは約２００ナノメートル以下の特徴サイズを有する、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記第１の絶縁層がＬａＡｌＯ₃を有し、前記第２の絶縁層がＳｒＴｉＯ₃を有する、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記第１の絶縁層上に配置された上層を通して前記超低電圧電子ビームを導く、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

前記第１の絶縁層がＳｒＴｉＯ₃を有し、前記第２の絶縁層がＬａＡｌＯ₃を有し、前記第１の絶縁層上に配置された上層を通して前記超低電圧電子ビームを導く、請求項１に記載の方法。

【請求項8】

前記上層がグラフェンを有する、請求項６に記載の方法。

【請求項9】

前記界面にナノワイヤを書き込む、請求項１に記載の方法。

【請求項10】

（ａ）第１の絶縁層及び第２の絶縁層と、
（ｂ）前記第１の絶縁層と前記第２の絶縁層との間の界面と、
（ｃ）前記第１の絶縁層上に配置された上層と、
を有し、
前記界面の電子特性が、前記第１の絶縁層に導かれる超低電圧電子ビームに反応して改変可能である、再構成可能デバイス。

【請求項11】

前記第１の絶縁層がＬａＡｌＯ₃を有する、請求項１０に記載の再構成可能デバイス。

【請求項12】

前記第２の絶縁層がＳｒＴｉＯ₃を有する、請求項１０に記載の再構成可能デバイス。

【請求項13】

前記上層がグラフェンを有する、請求項１０に記載の再構成可能デバイス。

【請求項14】

前記第１の絶縁層が、ＬａＴｉＯ₃、ＬａＶＯ₃、ＫＴａＯ₃、ＣａＺｒＯ₃及びα?Ａｌ₂Ｏ₃からなるグループから選択される化合物を含む、請求項１０に記載の再構成可能デバイス。

【請求項15】

前記第１の絶縁層がＳｒＴｉＯ₃を有し、前記第２の絶縁層がＬａＡｌＯ₃を有する、請求項１０に記載の再構成可能デバイス。

【請求項16】

（ａ）１つまたは複数のデバイス電極と、
（ｂ）前記１つまたは複数のデバイス電極と結合するように構成された１つまたは複数の界面電極と、
（ｃ）第１の絶縁層及び第２の絶縁層と、
（ｄ）前記第１の絶縁層と前記第２の絶縁層との間にあって、前記１つまたは複数の界面電極と結合された界面と、
（ｅ）前記第１の絶縁層上に配置された上層と、
を有し、
超低電圧電子ビームを前記第１の絶縁層に導くことで再構成可能な、電子アセンブリ。

【請求項17】

前記上層がグラフェンを有する、請求項１６に記載の電子アセンブリ。

【請求項18】

前記第１の絶縁層がＬａＡｌＯ₃を有し、前記第２の絶縁層がＳｒＴｉＯ₃を有する、請求項１６に記載の電子アセンブリ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本出願は、２０２０年４月１３日に出願された米国仮特許出願第６３／００９，２１１号を基礎とする利益及び優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

【0002】

本発明は、米国海軍省によって授与された認可番号Ｎ０００１４－１５－１－２８４７の下で政府の支援を受けて行われた。政府は本発明について一定の権利を有する。

【0003】

本開示は、酸化物構造及びそのような構造間の界面の挙動に関する。

【背景技術】

【0004】

２次元電子液体は、２つの絶縁性非磁性酸化物ＬａＡｌＯ₃（「ＬＡＯ」）及びＳｒＴｉＯ₃（「ＳＴＯ」）の間の界面に形成される。界面は、様々な電気的な物理現象を示し、さまざまな特性を有する。

【0005】

２つの絶縁性非磁性酸化物間の界面の制御を含む新しいデバイス、システム及び方法が当該技術分野で必要とされている。本開示は、その必要性を満たす。

【発明の概要】

【0006】

本開示は、例えばＬａＡｌＯ₃（「ＬＡＯ」）及びＳｒＴｉＯ₃（「ＳＴＯ」）の２つの絶縁性非磁性酸化物間の界面の制御を含むデバイス、システム及び方法に関する。これらの酸化物間の界面の代表的な物質特性は、超伝導、強いラシュバ等のスピン軌道結合及び強磁性を含む様々な現象で特徴付けられる。

【0007】

さらに、本開示は、ＬＡＯ／ＳＴＯ及びグラフェン／ＬＡＯ／ＳＴＯヘテロ構造における金属－絶縁体遷移の可逆的超低電圧電子ビームリソグラフィ（ＵＬＶ-ＥＢＬ：Ultra-Low-Voltage Electron-Beam Lithography）ベースのパターニングのための技術に関する。この技術により、約１０ｎｍ未満の分解能と、超伝導等の低温で望ましい特性を示すナノ構造の形成が可能になる。本明細書で開示されるＵＬＶ-ＥＢＬ技術は、より高い書き込み速度及びスケーラビリティを提供し、例えば、ＴＨｚ及び光学系の光検出器のアレイ、並びにグラフェンベースのナノデバイスを有する、量子デバイスのより複雑なファミリーの開発に貢献する。

【0008】

本開示の一実施形態は、超低電圧電子ビームを第１の絶縁層の表面に導く方法を提供する。第１の絶縁層は第２の絶縁層上に配置される。本方法は、超低電圧（ＵＬＶ）電子ビームを用いて第１の絶縁層の表面を改変し、それによって、第１の絶縁層と第２の絶縁層との間にある界面を、第１の電子物性を有する第１の状態と第２の電子物性を有する第２の状態との間で選択的に切り替える。

【0009】

本明細書に記載の方法の一態様において、第１の状態は絶縁状態であり、第２の状態は導電状態である。別の態様において、第１の状態は第１の導電状態であり、第２の状態は第２の導電状態である。

【0010】

本明細書に記載の方法の別の態様において、本方法は、約０．１ｍｍ／ｓｅｃよりも速く、約１５ｍｍ／ｓｅｃ未満の速度で界面に導電線を書き込むことをさらに有する。

【0011】

一実施形態において、第１の絶縁層の表面を改変することは、第１の絶縁層の表面の一部を改変することを含み、第１の絶縁層の表面の一部は、約２ナノメートル以上かつ約２００ナノメートル以下の特徴サイズを有する。

【0012】

別の実施形態において、本明細書に記載の方法では、絶縁状態、導電状態、超伝導状態、強誘電状態または強磁性状態のうちの少なくとも１つを実現するように界面の改変が可能である。

【0013】

別の実施形態において、本明細書に記載の方法は、第１の絶縁層上に配置された上層を通して超低電圧電子ビームを導くことをさらに含んでいてもよい。一態様において、上層はグラフェンを有する。

【0014】

一実施形態において、本明細書に記載の方法は、界面にナノワイヤを書き込むことをさらに有する。

【0015】

別の実施形態において、第１の絶縁層はＬａＡｌＯ₃を有し、第２の絶縁層はＳｒＴｉＯ₃を有する。別の実施形態において、第１の絶縁層はＳｒＴｉＯ₃を有し、第２の絶縁層はＬａＡｌＯ₃を有する。

【0016】

本開示の別の実施形態は、第１の絶縁層及び第２の絶縁層を含む再構成可能デバイスを提供する。再構成可能デバイスは、第１の絶縁層と第２の絶縁層との間に界面を有する。再構成可能デバイスは、第１の絶縁層上に配置された上層を含む。界面の電子物性は、第１の絶縁層に導かれる超低電圧電子ビームに反応して改変可能である。

【0017】

そのような再構成可能デバイスの一実施形態において、第１の絶縁層はＬａＡｌＯ₃を有する。別の実施形態において、第２の絶縁層はＳｒＴｉＯ₃を有する。さらに、上層はグラフェンを含んでいてもよい。

【0018】

再構成可能デバイスのさらに別の実施形態において、第１の絶縁層は、ＬａＡｌＯ₃、ＳｒＴｉＯ₃、ＬａＴｉＯ₃、ＬａＶＯ₃、ＫＴａＯ₃、ＣａＺｒＯ₃及びα-Ａｌ₂Ｏ₃からなるグループから選択される化合物を有する。

【0019】

本開示の別の実施形態は、１つまたは複数のデバイス電極を含む電子アセンブリを提供する。電子アセンブリは、１つまたは複数のデバイス電極と結合するように構成された１つまたは複数の界面電極を含む。電子アセンブリは、第１の絶縁層及び第２の絶縁層を含む。電子アセンブリは、第１の絶縁層と第２の絶縁層との間の界面を含む。界面は、１つ以上の界面電極と結合される。電子アセンブリは、第１の絶縁層上に配置された上層を含む。さらに、電子アセンブリは、超低電圧電子ビームを第１の絶縁層に導くことで再構成可能である。

【0020】

一態様において、上層はグラフェンを有する。別の態様において、第１の絶縁層はＬａＡｌＯ₃を有し、第２の絶縁層はＳｒＴｉＯ₃を有する。

【0021】

図面及び詳細な説明の前述した概要及び以下の説明の両方は、例示的かつ説明的なものである。それらは、本発明のさらなる詳細を提供することを意図しており、限定するものと解釈するべきではない。他の目的、利点及び新規な特徴は、以下の本発明の詳細な説明から当業者には容易に明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】図１は、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、再構成可能デバイス及び低電圧電子ビームの概略図である。

【0023】

【図2A】図２Ａは、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、ＬａＡｌＯ₃／ＳｒＴｉＯ₃ヘテロ構造のトポグラフィーを示す図である。

【0024】

【図2B】図２Ｂは、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、電子ビーム及びＬａＡｌＯ₃／ＳｒＴｉＯ₃ヘテロ構造の概略図である。

【0025】

【図2C】図２Ｃは、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、コンダクタンスの時間トレースのグラフを示す図である。

【0026】

【図2D-E】

【0027】

図２Ｄ－Ｅは、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、再構成可能デバイス及び低電圧電子ビームの概略図、並びに２次元電子ガス（２ＤＥＧ）のナノワイヤの構造を示す図である。

【0028】

【図2F】図２Ｆは、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、１００Ｖの電子ビーム（ｅビーム）でナノワイヤを書き込むことによる２つの界面電極の接続に関連するコンダクタンスを示す図である。

【0029】

【図2G】図２Ｇは、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、負にバイアスされたＡＦＭチップを用いたＥＴＬＶ-ＥＢＬ生成ナノワイヤの原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）消去を示す図である。

【0030】

【図3A】図３Ａは、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、ワイヤを有するＬａＡｌＯ₃／ＳｒＴｉＯ₃ヘテロ構造の概略図である。

【0031】

【図3B】図３Ｂは、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、図３ＡのＬａＡｌＯ₃／ＳｒＴｉＯ₃ヘテロ構造の詳細な概略図である。

【0032】

【図3C】図３Ｃは、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、離間距離の関数としてのコンダクタンスのグラフを示す図である。

【0033】

【図3D】図３Ｄは、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、ギャップが変化するナノワイヤ書き込みの概略図である。

【0034】

【図3E】図３Ｅは、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、図３Ｄのナノワイヤの概略図である。

【0035】

【図3F】図３Ｆは、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、離間距離の関数としてのコンダクタンスのグラフを示す図である。

【0036】

【図3G】図３Ｇは、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、再構成可能デバイスの概略図である。

【0037】

【図3H】図３Ｈは、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、冷却曲線を示す図である。

【0038】

【図3I】図３Ｉは、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、電流及び電圧情報を示す図である。

【0039】

【図3J】図３Ｊは、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、Ｂ及びＩの関数としてプロットされた電流及び電圧情報を示す図である。

【0040】

【図4A】図４Ａは、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、グラフェンの上層を有するＬａＡｌＯ₃／ＳｒＴｉＯ₃ヘテロ構造の概略図である。

【0041】

【図4B】図４Ｂは、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、グラフェンの上層を有するＬａＡｌＯ₃／ＳｒＴｉＯ₃ヘテロ構造の概略図である。

【0042】

【図4C】図４Ｃは、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、グラフェン及びＬａＡｌＯ₃／ＳｒＴｉＯ₃ヘテロ構造のトポグラフィーを示す図である。

【0043】

【図4D】図４Ｄは、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態によるコンダクタンスの時間トレースのグラフを示す図である。

【0044】

【図4E】図４Ｅは、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、照射量の関数としてのコンダクタンスのグラフを示す図である。

【0045】

【図4F】図４Ｆは、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、グラフェン／ＬＡＯ／ＳＴＯ上の再構成可能デバイスの概略図を示す図である。

【0046】

【図4G-H】

【0047】

図４Ｇ－Ｈは、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、ＬＡＯ／ＳＴＯ上のグラフェンのＡＦＭプロファイルを示す図、並びにＬＡＯ／ＳＴＯ上のグラフェンのＡＦＭ画像を示す図である。

【0048】

【図4I】図４Ｉは、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、２つの界面電極を接続する幅１μｍのストリップを書き込むときのコンダクタンスの変化を示す図である。

【0049】

【図4J】図４Ｊは、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、照射量係数を増加させながら一連の５ｎｍ幅のワイヤを書き込んでいる間のコンダクタンスの変化を示す図である。

【0050】

【図4K】図４Ｋは、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、異なる幅のワイヤに関する正規化された無次元照射量係数Ｄに対するコンダクタンスの変化ΔＧを示す図である。

【0051】

【図5】図５は、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、電子ビーム及びＬａＡｌＯ₃／ＳｒＴｉＯ₃ヘテロ構造の概略図である。

【0052】

【図6】図６は、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、コンダクタンスのプロットを示す図である。

【0053】

【図7A】図７Ａは、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、ｈＢＮ／グラフェン／ＬＡＯ／ＳＴＯ上の再構成可能デバイスの概略図である。

【0054】

【図7B】図７Ｂは、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、図７Ａの再構成可能デバイスの概略図である。

【0055】

【図7C】図７Ｃは、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、ｈＢＮ／グラフェン／ＬＡＯ／ＳＴＯ上の再構成可能デバイスの概略図である。

【0056】

【図7D】図７Ｄは、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、図７Ｃの再構成可能デバイスの概略図である。

【0057】

【図7E】図７Ｅは、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、ｈＢＮ／グラフェン／ＬＡＯ／ＳＴＯ上の再構成可能デバイスの概略図である。

【0058】

【図7F】図７Ｆは、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、図７Ｅの再構成可能デバイスの概略図である。

【0059】

【図7G】図７Ｇは、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、ｈＢＮ／グラフェン／ＬＡＯ／ＳＴＯ上の再構成可能デバイスの概略図である。

【0060】

【図7H】図７Ｈは、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、図７Ｇの再構成可能デバイスの詳細な概略図である。

【0061】

【図8】図８は、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態によるコンダクタンスのプロットを示す図である。

【0062】

【図9】図９は、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、異なる照射量でのコンダクタンスのプロットを示す図である。

【0063】

【図10】図１０は、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、２次元複合酸化物の界面の電子物性を設定するための例示的な方法を示すフローチャートである。

【0064】

【図11A】図１１Ａは、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、ハニカムパターンを含む再構成可能デバイスを示す図である。

【0065】

【図11B】図１１Ｂは、本明細書で示され、説明される１つまたは複数の実施形態による、ハニカムパターンを含む再構成可能デバイスを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0066】

各図面における同様の参照番号及び指定は、同様の要素を示す。
Ｉ．概要

【0067】

本開示は、今までに例のない柔軟性及び空間分解能を備えた、２次元（２Ｄ）複合酸化物の界面の電子物性を再構成するための新規技術を対象とする。特に、低電圧電子ビームを用いて、個々の電子間の平均間隔と同等の空間分解能（例えば、約２ｎｍまたは本明細書に記載されている他の分解能）で、例示的なＬａＡｌＯ₃／ＳｒＴｉＯ₃の界面を、絶縁状態、導電状態、超伝導状態、強誘電状態及び強磁性状態の間で可逆的に切り替えることを可能にする。

【0068】

量子物質及び量子物質シミュレーションへのアプローチは、量子方程式に従う高度に構成可能な量子システムの合成及び制御を含む場合がある。特に、１つのアプローチは、単一の原子を光の定在波に閉じ込めることで人工的な原子格子を形成することである。これらのシステムを説明する理論モデル（例えば、「フェルミハバード」モデル）は、高温超伝導体の挙動を理解するのに役に立つ。さらに、量子シミュレーション及び関連する量子場には、原子的及び光学的アプローチを含む場合がある。以下の説明から明らかなように、本明細書で開示する特定の実施形態は、量子物質の挙動を示す。

【0069】

以下、添付の図面で示される様々な実施形態を参照する。同一の、機能的に類似の、及び／または構造的に類似の部品を参照するために、可能な限り、図面全体を通して同じ参照番号を使用する。図面の構成要素は、必ずしも正確な縮尺で描かれているわけではなく、例示的な実施形態の原理を示すことに重点が置かれている。

【0070】

低電圧電子ビームを使用して複合酸化物の界面で導電状態を制御するためのシステム及び方法の様々な実施形態が本明細書に記載されている。拡張性のある合成された量子物質は、再構成可能な酸化物ナノエレクトロニクスプラットフォームを使用して形成できる。例えば、例示的なシステムは、ＬａＡｌＯ₃の薄い層とＳｒＴｉＯ₃の厚い層から形成された酸化物ヘテロ構造を含む。システムは、高分解能（例えば、約１０ｎｍ未満、例えば、約２ｎｍ）を維持しつつ、超低電圧（例えば、約１０Ｖ、約１１Ｖ、約１２Ｖ、約１３Ｖ、約１４Ｖ、約１５Ｖまたは任意の他の適切な低電圧）で動作する走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）を含んでいてもよい。他の態様において、分解能は、約９ｎｍ未満、約８ｎｍ未満、約７ｎｍ未満、約６ｎｍ未満、約５ｎｍ未満、約４ｎｍ未満、約３ｎｍ未満または約２ｎｍ未満を維持してもよい。一態様において、高分解能は、約０．１ｎｍよりも上で、かつ本明細書に記載された任意の値よりも下で維持される。

【0071】

リソグラフィ用に構成された超低電圧走査電子顕微鏡（ＵＬＶ－ＳＥＭ）は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）よりも約１０³倍速くナノ構造を形成するように構成されている。

【0072】

複合ＬａＡｌＯ₃／ＳｒＴｉＯ₃（ＬＡＯ／ＳＴＯ）酸化物ヘテロ構造は、ＳＴＯ系の特性に少なくとも部分的に起因する幅広い物理現象を示す。ＬＡＯの薄い層（例えば、約４単位セル以下）がＴｉＯ₂終端ＳＴＯ上で成長すると、２次元電子ガスが界面で自然に形成される。このシステムは、様々な条件下で、超伝導、磁性、ゲート調整可能なスピン軌道相互作用及び調整可能な金属－絶縁体遷移またはそれらの任意の組み合わせ等の特性の１つまたは複数を示す。金属－絶縁体遷移は、光、イオンビーム照射、バックゲート電圧の印加、導電性原子間力顕微鏡（ｃ-ＡＦＭ：conductive Atomic Force Microscope）リソグラフィ、またはそれらの任意の組み合わせによって制御できる。

【0073】

ｃ-ＡＦＭリソグラフィは、ＬＡＯ／ＳＴＯにおける金属－絶縁体遷移の正確なナノスケール制御を容易にする。この技術は、水循環、例えばＬＡＯの表面に吸着された水からＯＨを選択的に除去し、残りのＨ⁺イオンがＬＡＯ／ＳＴＯの界面をドープできるようにすることを含む。ｃ-ＡＦＭチップに正の電圧を印加すると、ＬＡＯ／ＳＴＯの界面が導電状態に局所的に切り替わり、負の電圧を印加すると絶縁相に戻る。ｃ-ＡＦＭ技術は、複合酸化物系や２次元電子ガス（２ＤＥＧ：Two-Dimensional Electron Gas）の界面に適用して、弾道ナノワイヤ、電子導波管、単一電子トランジスタ等を形成できる。ｃ－ＡＦＭリソグラフィの現実的な制約には、例えば代表的なＡＦＭの比較的小さい走査範囲（例えば、約１００μｍ）及び遅い書き込み速度（例えば、約１μｍ／ｓｅｃ）が含まれる。

【0074】

ＡＦＭチップアレイを用いた並列書き込みは、これまでに概説した様々な制約に対処し、より複雑なデバイスを形成できる。電子ビームリソグラフィ（ＥＢＬ）パターニングは、より複雑なレイアウトの大型デバイスを形成できるようになると期待されている。ＥＢＬは、ＰＭＭＡ等のレジストで利用可能であり、これは一般に、不可逆であるアディティブまたはサブトラクティブ・リソグラフィステップで使用できる。

【0075】

本開示のシステム及び方法は、超低電圧電子ビームリソグラフィ（ＵＬＶ-ＥＢＬ）技術を用いて、ＬＡＯ／ＳＴＯヘテロ構造における金属－絶縁体遷移の可逆的制御へのアプローチを実証する。低電圧電子ビームのアプローチは、絶縁性の高い酸化物材料の高エネルギー電子ビームに伴う損傷のリスクを回避する。特に、代表的な（例えば、約１０ｋｅＶ以上の）電子加速エネルギーの電子浸透は、酸化物材料に損傷を与える可能性がある。さらに、材料自体のエッチングは、制御不能な、多くの場合は構造の歪みに敏感な下層の材料で望ましくない挙動を引き起こす可能性がある。損傷及び／または歪みのリスクは、本明細書の例示的で非限定的な実施形態で開示するように、低電圧電子ビームのリソグラフィ技術を用いることで改善される。

【0076】

少なくとも１つの実施形態において、前述した技術は、電子ビームレジストを用いて実行できる。本明細書で開示する技術は、ｃ-ＡＦＭリソグラフィと同等の空間精度を有し、ＬＡＯ／ＳＴＯ構造のトポグラフィーに識別可能な変化を伴わずに、ＬＡＯ／ＳＴＯの界面の導電率を迅速かつ大規模に切り替えることを可能にする。ｃ-ＡＦＭリソグラフィよりも大幅に高速であることに加えて、ＵＬＶ－ＥＢＬ技術は、単層グラフェン等のファンデルワールス（ｖｄＷ：van der Waals）材料を介したパターニングを容易にする。ＵＬＶ－ＥＢＬ技術は、ＬＡＯ／ＳＴＯベースのナノエレクトロニクスと幅広い２Ｄ層状材料との組み合わせを可能にする。
システム構成

【0077】

図１は、少なくとも１つの実施形態による、再構成可能デバイス１３０及び低電圧電子ビームを含むシステム１００の概略図である。システム１００は、電子銃１０２（例えば、電子エミッタ）を含む。電子銃１０２は、電子ビーム１０８（例えば、平行電子ビーム、集束電子ビーム等）を生成するように構成される。電子ビーム１０８は、少なくとも１つの実施形態において、低電圧電子ビームである。例えば、低電圧電子ビームは、約２００Ｖの加速電圧（Ｖａｃｃ）を有する電子ビームであってもよい。いくつかの実施形態において、加速電圧は、約１００Ｖから約１０００Ｖの間、すなわちこれら２つの値の間の任意の電圧であればよい。加速電圧は、より低くすることも可能である。例えば、加速電圧は、異なる値、例えば、約１０から約２０Ｖの間、またはこれら２つの値の間の任意の値にわたって変動してもよい。

【0078】

少なくとも１つの実施形態において、システム１００は、第１の絶縁層１１２及び第２の絶縁層１１４を含む再構成可能デバイス１３０を有する。第１の絶縁層１１２は、第２の絶縁層１１４上に配置される。第１の絶縁層１１２は、表面１１０を含む。第１絶縁層１１２は、ＬａＴｉＯ₃を含む。電子ビーム１０８は、第１の絶縁層１１２を損傷させることなく、第１の絶縁層１１２を通過できる。電子ビーム１０８は、第１の絶縁層１１２を損傷させることなく第１の絶縁層１１２の通過に必要な低い加速電圧にすればよい。少なくとも１つの実施形態において、第２の絶縁層１１４はＳｒＴｉＯ₃を含む。少なくとも１つの実施形態において、第１の絶縁層１１２または第２の絶縁層１１４のうちの１つ、または第１及び第２の層１１２、１１４の両方は、ＬａＡｌＯ₃、ＳｒＴｉＯ₃、ＬａＶＯ₃、ＫＴａＯ₃、ＣａＺｒＯ₃及びα-Ａｌ₂Ｏ₃、あるいはそれらの組み合わせからなるグループから選択される化合物を含む。

【0079】

少なくとも１つの実施形態において、再構成可能デバイス１３０は、界面１２０（例えば、バリア層または中間層等）を含む。界面１２０は、第１の絶縁層１１２と第２の絶縁層１１４との間に配置される。界面１２０の少なくとも１つの電子物性は、第１の絶縁層１１２に導かれる電子ビーム１０８に反応して改変可能である。例えば、改変できる電子物性には、導電率、コンダクタンス及び抵抗率が含まれる。界面１２０は、互いに接触する２つの層間の平面を含む。界面１２０は、平面から各層内に延在する約４単位胞（unit cell）の厚さを含む。いくつかの実施形態において、厚さは、例えば、約３単位胞から約５単位胞、または約２単位胞から約６単位胞である。界面は、ＴｉＯ₂層等のパッシベーション層をさらに含んでいてもよく、接触面内または接触面の周囲で２つの層の一方または両方の表面を終端させる。

【0080】

第１の絶縁層１１２の表面１１０に導かれた電子ビーム１０８は、表面１１０を帯電させるように構成される。例えば、表面１１０は、電子ビームによる第１の絶縁層１１２の帯電により正に帯電するように構成される。システム１００は、第１の絶縁層１１２の表面１１０に陽子１１８を含み、界面１２０に電子を含むように構成される。例えば、第１の絶縁層１１２の表面１１０に導かれた電子ビーム１０８は、界面１２０を導電状態に切り替えることができる。電子ビーム１０８は静電気的に走査される。例えば、電子ビーム１０８は、第１の絶縁層１１２の表面１１０を帯電させることができる。

【0081】

少なくとも１つの実施形態において、システム１００は、少なくとも１つのアノード１０４を含む。少なくとも１つのアノード１０４は、電子ビーム１０８を加速するように構成された加速アノード（例えば、加速電圧が印加されるアノード）であってもよい。システム１００は、電子ビーム１０８を集束するコイルまたは磁石等の少なくとも１つの集束部品１０６をさらに含んでいてもよい。少なくとも１つの実施形態において、再構成可能デバイス１３０は、界面接点１２２を含む。例えば、界面接点１２２は、いくつかの実施形態において、Ｔｉ／Ａｕの界面接点を含む。界面接点１２２は接地できる。
酸化物ヘテロ構造

【0082】

図２Ａは、少なくとも１つの実施形態における、ＬａＡｌＯ₃／ＳｒＴｉＯ₃ヘテロ構造のトポグラフィーを示している。以下の考察では、そのようなヘテロ構造の一例の構成及び調査について説明する。

【0083】

典型的なＬａＡｌＯ₃／ＳｒＴｉＯ₃ヘテロ構造は、２次元（２Ｄ）複合酸化物である。ＬＡＯの薄い層（例えば、約３から約４単位胞、約３から約３．５単位胞、または約３．４単位胞）は、パルスレーザー蒸着（ＰＬＤ：Pulsed Laser Deposition）によってＴｉＯ₂終端ＳＴＯ（００１）基板上に成長される。ＬＡＯの厚さは、反射高エネルギー電子回折（ＲＨＥＥＤ：Reflection High-energy Electron Diffraction）振動によって決定できる。ＬＡＯの厚さは、ｃ－ＡＦＭリソグラフィのために、絶縁体から金属への遷移が起こる所定の厚さに近づけつつ、界面を絶縁するように制御できる。ＬＡＯ／ＳＴＯ構造は、当初は界面がＭΩの抵抗で絶縁されている。フォトリソグラフィーを使用して、該構造上に少なくとも１層のＴｉ／Ａｕ（例えば約５ｎｍのＴｉと約２０ｎｍのＡｕ）を堆積させ、ＬＡＯ／ＳＴＯの界面に低抵抗電気接点を備えたいわゆる「キャンバス」を形成する。キャンバスは、約１００×約１００μｍ²のクリア（空いている）領域（または任意の他の適切なサイズの領域）内に電極によって画定されて囲まれた領域を含む。中央のキャンバスは、電子ビーム露光用に指定できる。

【0084】

本開示の他の態様において、Ｔｉ／Ａｕ層は、厚さを変えることが可能であり、例えば、Ｔｉは、約１ｎｍ、約２ｎｍ、約３ｎｍ、約４ｎｍ、約５ｎｍ、約６ｎｍ、約７ｎｍ、約８ｎｍ、約９または約１０ｎｍの厚さに変えることが可能であり、及び／または、Ａｕは、約１５ｎｍ、約１６ｎｍ、約１７ｎｍ、約１８ｎｍ、約１９ｎｍ、約２０ｎｍ、約２１ｎｍ、約２２ｎｍ、約２３ｎｍ、約２４ｎｍまたは約２５ｎｍの厚さに変えることができる。

【0085】

電子加速を１００Ｖに下げた電子ビームリソグラフィ装置（例えば、ドイツ、ドルトムント、Ｒａｉｔｈ ＧｍＢＨ社製のＲａｉｔｈ ｅ－ＬｉＮＥ）は、構造の評価に用いることができる。少なくとも１つの実施形態において、焦点合わせ及び位置合わせを支援するために、典型的な構造の端部にマーカーをパターン化できる。測定された電子ビーム電流Ｉ_eは約１９５ｐＡであり、書き込みフィールドは約１００μｍ×約１００μｍに設定される。ＵＬＶ－ＥＢＬ書き込み及び電気測定中、試料室の真空度は約１×１０^-6ｍｂａｒで維持される。ＬＡＯ／ＳＴＯ構造は光に敏感な場合があるため、試料ステージの位置と電子ビーム銃の位置を調整するために使用される試料室内の光学照明は、初期セットアップ後にオフになり、ＵＬＶ－ＥＢＬ書き込み中、該構造は無光状態または低照度状態で保たれる。２ＤＥＧデバイスのコンダクタンスは、ＵＬＶ－ＥＢＬ書き込みプロセス中はその場で観察される。サンプルのヘテロ構造を希釈冷凍機に移し、約５０ｍＫから約３００Ｋ（またはこれら２つの値の間の任意の値）の温度範囲で、最大約９Ｔの磁場で電気遷移測定を実行できるようにする。ｃ－ＡＦＭリソグラフィは、英国、アビンドン、Ｏｘｆｏｒｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製のＡｓｙｌｕｍ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ＭＦＰ－３Ｄ ＡＦＭ等のＡＦＰリソグラフィ装置をコンタクトモードで使用して実施できる。

【0086】

図２Ｂは、電子ビーム及びＬａＡｉＯ₃／ＳｒＴｉＯ₃ヘテロ構造を示す概略図である。第１の絶縁層１１２（例えば、ＬａＡｌＯ₃層）の表面１１０に導かれた電子ビーム１０８は、界面１２０を導電状態に切り替えることができる。ワイヤ２０２（例えば、導線、導線チャネル）はヘテロ構造上に書き込むことができる。図２Ｃは、コンダクタンスの時間トレースのグラフを示す図である。図２Ｃから分かるように、ワイヤ２０２がヘテロ構造上に書き込まれる前、コンダクタンスはゼロである。ワイヤ２０２がヘテロ構造上に書き込まれた後、コンダクタンスは３０μＳから３５μＳの間の値に増加し、その後、減少して約２０μＳから約２５μＳの間の非ゼロ値（例えば、約２０μＳ、約２１μＳ、約２２μＳ、約２３μＳ、約２４μＳまたは約２５μＳ）で安定する。

【0087】

図２Ｄ－Ｅは、再構成可能デバイス１３０及び低電圧電子ビームを示す概略図、並びに２次元電子ガス（２ＤＥＧ）のナノワイヤ構造を示す図である。再構成可能デバイス１３０は、本明細書で説明するように、ＵＬＶ－ＥＢＬ書き込み技術による書き込み及び／またはｃ－ＡＦＭ消去技術による消去を行うように構成される。再構成可能デバイス１３０は、第１の絶縁層１１２（例えば、ＬａＡｌＯ₃層）、第２の絶縁層１１４（例えば、ＳｒＴｉＯ₃層）及びワイヤ２０２を含む。電子ビーム１０８は、第１の絶縁層１１２に導かれてもよい。再構成可能デバイス１３０は、基板（例えば、シリコン基板）上に配置される。例えば、ＬＡＯ／ＳＴＯ膜はシリコン上に配置できる。

【0088】

いくつかの実施形態において、第２の絶縁層１１４は、第１の絶縁層１１２よりも厚くてよい。例えば、薄いＬａＡｌＯ₃層をより厚いＳｒＴｉＯ₃層上に配置できる。第１の絶縁層１１２は、第２の絶縁層１１４よりも厚くてよい。例えば、厚いＳｒＴｉＯ₃層（例えば、約０．１ｍｍ、約０．２ｍｍ、約０．３ｍｍ、約０．４ｍｍ、約０．５ｍｍ等）を、それよりも薄いＬａＡｌＯ₃層（例えば、約１ｎｍ、約１．１ｎｍ、約１．２ｎｍ、約１．３ｎｍ、約１．４ｎｍ、約１．５ｎｍ等）上に配置できる。

【0089】

ナノワイヤ構成は、全幅ｗ＝５０ｎｍのドット（例えば、滞留ポイント２１０）の帯状パターンを含む。ドットの帯状パターンは、図２Ｄ－Ｅで示すように、ＵＬＶ－ＥＢＬを用いて２つの電極間で露出される。平均電子照射量は、Ｄ_r＝（Ｉ_eτ）／ｄｓｄｌとして定義できる。ここで、Ｉ_eはビーム電流、τは滞留時間、ｄｓ＝ｄｌ＝約１０ｎｍはステップサイズとライン間隔である。チャネルを露出させるために使用される照射量は、約Ｄ_r＝１９５μＣ／ｃｍ²（または、約１５０μＣ／ｃｍ²、約１５５μＣ／ｃｍ²、約１６０μＣ／ｃｍ²、約１６５μＣ／ｃｍ²、約１７０μＣ／ｃｍ²、約１７５μＣ／ｃｍ²、約１８０μＣ／ｃｍ²、約１８５μＣ／ｃｍ²、約１９０μＣ／ｃｍ²、約１９５μＣ／ｃｍ²、約２００μＣ／ｃｍ²、約２０５μＣ／ｃｍ²、約２１０μＣ／ｃｍ²、約２１５μＣ／ｃｍ²、約２２０μＣ／ｃｍ²または約２２５μＣ／ｃｍ²等の任意の他の適切な値）である。滞留ポイント２１０は、約１０ｎｍ（または、例えば、約５ｎｍ、約６ｎｍ、約７ｎｍ、約８ｎｍ、約９ｎｍ、約１０ｎｍ、約１１ｎｍ、約１２ｎｍ、約１３ｎｍ、約１４ｎｍ、約１５ｎｍ、約１６ｎｍ、約１７ｎｍ、約１８ｎｍ、約２０ｎｍ、またはこれらの数値の間の任意の値等）の間隔を有する。様々な実施形態によれば、滞留ポイント間の間隔は均一な間隔または不均一な間隔であってもよい。

【0090】

図２Ｆは、１００Ｖの電子ビーム（ｅビーム）でナノワイヤを書き込むことで２つの界面電極を接続したときのコンダクタンスを示す図である。図２Ｆは、サンプルヘテロ構造の特定の特性の関数である「オフ」値によって支配される、約１５３．７のオン／オフ比を有するコンダクタンスの上昇を示している。ヘテロ構造は、ＡＦＭに移動させることが可能であり、例えば周囲大気条件下においてゲル内（例えばゲル容器内）で保持できる。

【0091】

図２Ｅは、負にバイアスされたＡＦＭチップによる、ＵＬＶ－ＥＢＬ生成ナノワイヤの原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）消去を示す図である。図２Ｅは、導電チャネルが絶縁されている、負にバイアスされたＡＦＭチップからの「切断」を示している。ナノ構造を局所的に消去するｃ－ＡＦＭリソグラフィの能力は、書き込みプロセスが可逆的であることを示している。導電率は、ｃ－ＡＦＭベースの方法と同様の方法で制御できる。

【0092】

図３Ａは、少なくとも１つの実施形態による、配線を有するＬａＡｌＯ₃／ＳｒＴｉＯ₃ヘテロ構造を示す概略図である。図３Ｂは、図３ＡのＬａＡｌＯ₃／ＳｒＴｉＯ₃ヘテロ構造の詳細を示す概略図である。第１のワイヤ２０２Ａは、離間距離ｄだけ第２のワイヤ２０２Ｂから離間される。例えば、第１のワイヤ２０２Ａの端部は、離間距離ｄだけ第２のワイヤ２０２Ｂの端部から離間される。図３Ｃは、コンダクタンスを離間距離ｄの関数として示している。グラフは、電子ビーム１０８のおおよその分解能を示している。約１０ｎｍを超える離間距離では、ワイヤ２０２間にコンダクタンスは本質的に存在しない。約１０ｎｍ未満の離間距離では、ワイヤ２０２間に導電経路が存在する。この例では、グラフは、電子ビーム１０８が数十ナノメートル程度の特徴物を形成することを示している。

【0093】

図３Ｄは、少なくとも１つの実施形態による、様々なギャップを有するナノワイヤの書き込みを示す概略図である。図３Ｅは、図３Ｄのナノワイヤの詳細を示す概略図である。ナノワイヤは距離Ｓで互いに離間している。例えば、Ｓは約５μｍ（または、約１μｍ、約２μｍ、約３μｍ、約４μｍ、約５μｍ、約６μｍ、約７μｍ、約８μｍ、約９μｍまたは約１０μｍ等のその他の適切な値）である。ナノワイヤは、長さｄのギャップを有していてもよい（例えば、離間距離、ギャップサイズ）。

【0094】

図３Ｆは、離間距離の関数としてコンダクタンスのグラフを示している。ギャップサイズが約５ｎｍから約２０ｎｍの範囲、すなわち、約６ｎｍ、約７ｎｍ、約８ｎｍ、約９ｎｍ、約１０ｎｍ、約１１ｎｍ、約１２ｎｍ、約１３ｎｍ、約１４ｎｍ、約１５ｎｍ、約１６ｎｍ、約１７ｎｍ、約１８ｎｍ、約１９ｎｍまたは約２０ｎｍ等、またはこれらの値の間の任意の値である場合、コンダクタンスΔＧに有意な変化が現れる。これは、この範囲の書き込み分解能でギャップがカバーされ始めることを示している。書き込みプロセスの分解能は、約１０ｎｍ、あるいは本明細書に記載された他の値であってもよい。分解能は、例えば、特定の書き込みパラメータ及び／またはＬＡＯ／ＳＴＯのサンプル間のバリエーションに基づいて変化する可能性がある。

【0095】

図３Ｇは、再構成可能デバイス１３０の概略図である。室温における遷移特性は重要であるが、デバイスが低温で導電性を維持できることは、量子デバイスアプリケーションにとって特に重要である。ＵＬＶ－ＥＢＬによって形成されたデバイスの低温遷移特性が示されている。図３Ｇは、４端子デバイス（例えば、再構成可能デバイス１３０）を示している。遷移測定は、例えば、ベース温度Ｔが約５０ｍＫの希釈冷凍機で実施できる。図３Ｈは、Ｔに対する冷却曲線Ｒを示している。導電チャネル（例えば、ワイヤ２０２、ナノワイヤ）は、温度Ｔが約５０ｍＫに到達するまで存在する。他の態様において、温度Ｔは、例えば、約４０ｍＫ、約４１ｍＫ、約４２ｍＫ、約４３ｍＫ、約４４ｍＫ、約４５ｍＫ、約４６ｍＫ、約４７ｍＫ、約４８ｍＫ、約４９ｍＫ、約５０ｍＫ、約５１ｍＫ、約５２ｍＫ、約５３ｍＫ、約５４ｍＫ、約５５ｍＫ、約５６ｍＫ、約５７ｍＫ、約５８ｍＫ、約５９ｍＫ、または約５０ｍＫに到達してもよい。ナノワイヤは、約２ｎｍの幅ｗを有することができる。他の態様において、ナノワイヤは、約１ｎｍ、約１．１ｎｍ、約１．２ｎｍ、約１．３ｎｍ、約１．４ｎｍ、約１．５ｎｍ、約１．６ｎｍ、約１．７ｎｍ、約１．８ｎｍ、約１．９ｎｍ、約２ｎｍ、約２．１ｎｍ、約３ｎｍ、約４ｎｍ、約５ｎｍ、または、約３．２ｎｍ、約４．１ｎｍ、約４．８ｎｍ等のこれらの値の間の任意の値の幅ｗを有することができる。少なくとも１つの実施形態において、超伝導の挙動は、約２００ｍＫから開始することが示されている。他の態様において、超伝導の挙動は、約１９０ｍＫ、約１９５ｍＫ、約２００ｍＫ、約２０５ｍＫまたは約２１０ｍＫから開始することが示されている。

【0096】

図３Ｉは、Ｂ＝０Ｔで超伝導相を示す、Ｔ＝５０ｍＫにおけるＩＶ測定を示している。図３Ｊは、Ｂ及びＩの関数としてプロットされたｄＶ／ｄＩを示している。図３Ｊは、図３Ｉから抽出された臨界電流Ｉｃ＝２８０ｎＡの値及び上部臨界磁場Ｈ_c＝８２ｍＴを示す、コンダクタンスｄＶ／ｄｌの変化に対するバイアス電流Ｉ及び磁場Ｂの強度マップを示している。

【0097】

図４Ａは、上層４０２を有するＬａＡｌＯ₃／ＳｒＴｉＯ₃ヘテロ構造を示す概略図である。上層４０２は、グラフェンを含んでいてもよい。しかしながら、いくつかの実施形態において、上層４０２はグラフェンに限定されない。例えば、上層４０２は、六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ：hexagonal Boron Nitride）、ＮｂＳｅ₂、ＴａＳ₂及びＭｏＳ₂等の２次元（２Ｄ）材料を含む。上層４０２は、容易に剥離されるファンデルワールス材料を含んでいてもよい。ファンデルワールス材料は、例えば、面内共有結合及び層間相互作用を有する材料を含む。上層４０２は、遷移金属ジカルコゲナイド単層を含んでいてもよい。上層４０２は、モノカルコゲナイド単層（例えば、ＩＶ族モノカルコゲナイド、ホスホレン、ガリウムモノカルコゲナイド、インジウムモノカルコゲナイド等）を含んでいてもよい。上層４０２は、極薄（例えば、約１００ｎｍ以下、約９５ｎｍ以下、約９０ｎｍ以下、約８５ｎｍ以下、約８０ｎ以下ｍまたは約７５ｎｍ以下、または任意の他の適切な値以下の）層を含んでいてもよい。ＬａＡｌＯ₃／ＳｒＴｉＯ₃ヘテロ構造は、第１の絶縁層１１２上に配置された１つ以上の上層４０２を含んでいてもよい。

【0098】

さらに、再構成可能デバイス１３０は、第１の絶縁層１１２上に配置された上層４０２を含んでいてもよい。例えば、再構成可能デバイス１３０は、ＬａＡｌＯ₃層上に配置された上層４０２を含む。上層４０２は、ファンデルワールス材料を含んでいてもよい。上層４０２の下部に導電パスを書き込むことができる。ファンデルワールス層の下部に導電パスを書き込むことができる。ファンデルワールス層は、グラフェン、窒化ホウ素または２テルル化タングステンを含んでいてもよい。上層４０２は、グラフェンで構成されてもよい。例えば、上層４０２は２層グラフェンを含んでいてもよい。電子ビーム１０８は、第１の絶縁層１１２上に配置された上層４０２を通して書き込むことができる。電子ビーム１０８は、グラフェンを通して書き込むことができる。例えば、電子ビーム１０８は、グラフェンを貫通し、界面１２０の電子物性を改変できる。電子ビーム１０８は、上層４０２を損傷させることなく、上層４０２を通して書き込むことができる。再構成可能デバイス１３０は、第１の絶縁層１１２上に配置された１つまたは複数の上層４０２を含んでいてもよい。上層４０２は２重層を含んでいてもよい。２重層は、モアレパターンを含んでいてもよい。モアレパターンは、１．１度で１０ｎｍの周期性を有する。第２の絶縁層１１４は、上層４０２より厚くてもよい。再構成可能デバイス１３０は、上層４０２、第１の絶縁層１１２及び第２の絶縁層１１４を含んでいてもよい。第１の絶縁層１１２は、第２の絶縁層１１４より厚くてもよい。例えば、厚いＳｒＴｉＯ₃層を薄いＬａＡｌＯ₃層上に配置できる。上層４０２は、厚いＳｒＴｉＯ₃層上に配置できる。

【0099】

図４Ｂは、グラフェンの上層を有するＬａＡｌＯ₃／ＳｒＴｉＯ₃ヘテロ構造を示す概略図である。図４Ｃは、グラフェン及びＬａＡｌＯ₃／ＳｒＴｉＯ₃ヘテロ構造のトポグラフィーを示す図である。図４Ｄは、コンダクタンスの時間トレースを示すグラフである。該グラフは、ワイヤ２０２がヘテロ構造上に書き込まれる前はコンダクタンスがゼロであることを示している。ワイヤ２０２がヘテロ構造上に書き込まれた後、コンダクタンスは約１．４μＳから約１．８μＳの間の値まで増加し、その後、減少して約１μＳから約１．２μＳの間の非ゼロ値で安定する。図４Ｅは、電子の照射量（ｄｏｓａｇｅ）の関数としてコンダクタンスを示すグラフである。該グラフは、ワイヤ２０２の幅が照射量によって変化することを示している。

【0100】

図４Ｆは、例示的な実施形態による、グラフェン／ＬＡＯ／ＳＴＯ上の再構成可能デバイス１３０を示す概略図である。一例によれば、（化学蒸着によって成長された）グラフェンはＬＡＯ／ＳＴＯ上に移され、長方形にパターン化される。グラフェンは、ＬＡＯ／ＳＴＯの界面電極から電気的に絶縁されている。図４Ｇ－Ｈは、ＬＡＯ／ＳＴＯ上のグラフェンのＡＦＭプロファイル、並びにＬＡＯ／ＳＴＯ上のグラフェンのＡＦＭ画像を示している。グラフェンは、ＳＴＯ表面に関して共形（conformal）である。

【0101】

パターニングに続いて、約１μｍの幅ｗを有する導電チャネルが露出され、図４Ｉで示すように実質的にコンダクタンスを上昇させる。ＵＬＶ－ＥＢＬの書き込み中に総コンダクタンスが増大し、電子ビームがオフになった後に急激に減少し、約１２００ｓｅｃの時間ｔでピーク特性が得られる。電子照射量及びナノワイヤ幅の両方の関数としてチャネルのコンダクタンスを評価できる。Ｄ₀＝約９７５μＣ／ｃｍ²の照射量（または他の態様において、照射量Ｄ₀＝約９００μＣ／ｃｍ²、約９２５μＣ／ｃｍ²、約９５０μＣ／ｃｍ²、約９７５μＣ／ｃｍ²、約１０００μＣ／ｃｍ²、約１０２５μＣ／ｃｍ²または約１０５０μＣ／ｃｍ²）は、電子ビームの実面積照射量（Ｄ_r＝Ｄ₀Ｄ）を変化させて選択できる。ここで、Ｄは無次元の正規化された照射量係数で定義される。特に、照射量は、相互作用を最小限に抑えるために、約５μｍの間隔でリードに接続される一連のワイヤ（約５ｎｍのナノワイヤ幅、または本明細書に記載された任意の他の幅を有する）を書き込んでいる間、変化させる。また、間隔は、例えば、約１μｍ、約２μｍ、約３μｍ、約４μｍ、約５μｍ、約６μｍ、約７μｍ、約８μｍ、約９μｍ、約１０μｍ、またはこれらの間の任意の値であってもよい。コンダクタンスの変化ΔＧは、図４Ｊで示すように、電子照射量と共に増大する。異なる幅を有するワイヤの正規化された照射量係数Ｄに対するコンダクタンスの変化ΔＧは図４Ｋで示している。

【0102】

ＵＬＶ-ＥＢＬを介したＬＡＯ／ＳＴＯの界面の可逆的ドーピングは、本明細書の例示的な実施形態にしたがって実行される。ＳＴＯ層またはＬＡＯ層の酸素空孔は、フェルミエネルギーに関するＳＴＯの伝導帯をシフトさせる可能性がある。統計的量子モンテカルロシミュレーション（英国、ケンブリッジ、ケンブリッジ大学で開発されたＣＡＳＩＮＯソフトウェアを用いて実行される）によると、電子はＳＴＯ層に到達する前に停止する可能性がある。電子ビームのエネルギーが低いため、ＳＴＯにおける酸素空孔の直接的な電子ビーム誘起の生成が除外される可能性がある。イオンの電子衝撃脱離を利用して、ドーピングを逆行させることができる。少なくとも１つの実施形態において、ＬＡＯの表面は、高真空条件下でも存在し続ける少なくとも１つの水の単一層によって覆われる。グラフェン／ＬＡＯ／ＳＴＯの場合、様々なメカニズムが考えられる。窒化ホウ素／グラフェンヘテロ構造の電子ビームの照射は、グラフェン／ＬＡＯ／ＳＴＯの界面のＳｉＯ₂バリアに印加される電圧及び／または可逆的ゲーティングに応じて、グラフェン層を可逆的にドープするために使用できる。ｃ－ＡＦＭリソグラフィでは、陽子がグラフェン層を貫通し、可逆的なコンダクタンスの変化が界面液体層及び／または酸素空孔によって少なくとも部分的に調節されると理解されている。

【0103】

前述の技術は、酸化物の界面層及び／または２次元層を通る大規模で複雑なナノ構造の迅速な形成を可能にすると考えられる。特に、本開示のシステム及び方法は、単層グラフェン以外のＬＡＯ／ＳＴＯとｖｄＷ材料との間のヘテロ構造に拡張できる。

【0104】

図５は、電子ビーム及びＬａＡｌＯ₃／ＳｒＴｉＯ₃ヘテロ構造（例えば、電子アセンブリ）を示す概略図である。ヘテロ構造は、第１の絶縁層１１２及び第２の絶縁層１１４を含む。いくつかの実施形態において、電子アセンブリは、１つまたは複数のデバイス電極（例えば、界面接点１２２）を含む。電子アセンブリは、１つまたは複数の界面電極５０２を含む。１つまたは複数の界面電極５０２は、１つまたは複数のデバイス電極と結合するように構成される。電子アセンブリは、第１の絶縁層１１２及び第２の絶縁層１１４を含む。

【0105】

電子アセンブリは、第１の絶縁層１１２と第２の絶縁層１１４との間に界面１２０を含む。界面１２０は、１つまたは複数の界面電極５０２と結合される。電子アセンブリは、第１の絶縁層１１２上に配置された上層４０２を含む。電子アセンブリは、超低電圧電子ビームを第１の絶縁層に導くことで再構成可能である。いくつかの実施形態において、電子アセンブリは、グラフェンを含む上層４０２を含む。いくつかの実施形態において、第１の絶縁層１１２はＳｒＴｉＯ₃を含み、第２の絶縁層１１４はＬａＡｌＯ₃を含む。いくつかの実施形態において、第１の絶縁層１１２はＬａＡｌＯ₃を含み、第２の絶縁層１１４はＳｒＴｉＯ₃を含む。

【0106】

図６は、時間に対するコンダクタンスのプロットを示している。ナノワイヤの書き込み前に測定されたコンダクタンス（Ｇ）は、約０シーメンス（Ｓ）である。ナノワイヤの書き込み後、測定されたコンダクタンスは、約２．５μＳから約３．５μＳの間である。コンダクタンスは定常状態に到達する。プロットは、ナノワイヤの書き込みが導電チャネルを形成することを示している。いくつかの実施形態において、書き込みフィールドは約５００μｍであり、最小ステップサイズは約０．００７８μｍであり、ビーム電流は約０．４６９４ｎＡであり、エリアステップサイズは約０．０２３４μｍであり、エリアライン間隔は約０．０２３４μｍであり、エリア滞留時間は約０．０１３９９８ｍｓであり、エリア照射量は約１２０μＣ／ｃｍ²であり、ビーム速度は約１．６７１６６７４ｍｍ／ｓである。エリア照射量は、ビーム電流と滞留時間の積と、ステップサイズとライン間隔の積との比に対応する（照射量＝（ビーム電流×エリア滞留時間）／（ステップサイズ×ライン間隔））。

【0107】

本開示の他の態様において、書き込みフィールドは、約３００μｍ、約３２５μｍ、約３５０μｍ、約３７５μｍ、約４００μｍ、約４２５μｍ、約４５０μｍ、約４７５μｍ、約５００μｍ、約５２５μｍ、約５５０μｍ、約５７５μｍ、約６００μｍ、約６２５μｍ、約６５０μｍ、約６７５μｍ、または約７００μｍ、もしくはこれらの値の間あるいは本明細書に記載された任意の他の適切な値の範囲にすることができる。本開示の他の態様において、最小ステップサイズは、約０．００７μｍ、約０．００７１μｍ、約０．００７２μｍ、約０．００７３μｍ、約０．００７４μｍ、約０．００７５μｍ、約０．００７６μｍ、約０．００７７μｍ、約０．００７８μｍ、約０．００７９μｍ、約０．００８μｍ、約０．００８１μｍ、約０．００８２μｍ、約０．００８３μｍ、約０．００８４μｍ、約０．００８５μｍ、約０．００８６μｍ、約０．００８７μｍ、約０．００８８μｍ、約０．００８９μｍ、または約０．００９μｍ、もしくはこれらの値の間あるいは本明細書に記載された任意の他の適切な値である。本開示の他の態様において、エリアライン間隔は、約０．０２３０ｎｍ、約０．０２３１ｎｍ、約０．０２３２ｎｍ、約０．０２３３ｎｍ、約０．０２３４ｎｍ、約０．０２３５ｎｍ、約０．０２３６ｎｍ、約０．０２３７ｎｍ、約０．０２３８ｎｍ、約０．０２３９ｎｍ、約０．０２４０ｎｍ、またはこれらの値の間あるいは本明細書に記載された任意の他の適切な値である。本開示の他の態様において、エリア滞留時間は、約０．０１１ｍｓ、約０．０１２ｍｓ、約０．１３ｍｓ、約０．０１３９９８ｍｓ、約０．０１４ｍｓ、約０．１５ｍｓ、またはこれらの値の間あるいは本明細書に記載された任意の他の適切な値である。本開示の他の態様において、エリア照射量は、約７５μＣ／ｃｍ²、約８０μＣ／ｃｍ²、約８５μＣ／ｃｍ²、約９０μＣ／ｃｍ²、約９５μＣ／ｃｍ²、約１００μＣ／ｃｍ²、約１０５μＣ／ｃｍ²、約１１０μＣ／ｃｍ²、約１１５μＣ／ｃｍ²、約１２０μＣ／ｃｍ²、約１２５μＣ／ｃｍ²、約１３０μＣ／ｃｍ²、約１３５μＣ／ｃｍ²、約１４０μＣ／ｃｍ²、約１４５μＣ／ｃｍ²、または約１５０μＣ／ｃｍ²、もしくはこれらの値の間あるいは本明細書に記載された任意の他の適切な値である。最後に、本開示の他の態様において、ビーム速度は、約１．１ｍｍ／ｓ、約１．２ｍｍ／ｓ、約１．３ｍｍ／ｓ、約１．４ｍｍ／ｓ、約１．５ｍｍ／ｓ、約１．６ｍｍ／ｓ、約１．６７１６６７４ｍｍ／ｓ、約１．７ｍｍ／ｓ、約１．８ｍｍ／ｓ、約１．９ｍｍ／ｓ、約２ｍｍ／ｓ、またはこれらの値の間あるいは本明細書に記載された任意の他の適切な値である。

【0108】

図７Ａは、ｈＢＮ／グラフェン／ＬＡＯ／ＳＴＯ上の再構成可能デバイスを示す概略図である。六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）は、グラフェン（Ｇｒ）の上層上に配置される。図７Ａにおける構造のｈＢＮの厚さは、約２５ｎｍである。図７Ｂは、図７Ａの再構成可能デバイスの詳細を示す概略図である。図７Ｃは、ｈＢＮ／グラフェン／ＬＡＯ／ＳＴＯ上の再構成可能デバイスを示す概略図である。六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）は、グラフェン（Ｇｒ）の上層上に配置される。図７Ｃにおける構造のｈＢＮの厚さは、約１５ｎｍである。図７Ｄは、図７Ｃの再構成可能デバイスの詳細を示す概略図である。図７Ｅは、ｈＢＮ／グラフェン／ＬＡＯ／ＳＴＯ上の再構成可能デバイスを示す概略図である。六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）は、グラフェン（Ｇｒ）の上層上に配置される。図７Ｅにおける構造のｈＢＮの厚さは、約２０ｎｍである。図７Ｆは、図７Ｅの再構成可能デバイスの詳細を示す概略図である。図７Ｇは、ｈＢＮ／グラフェン／ＬＡＯ／ＳＴＯ上の再構成可能デバイスを示す概略図である。六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）は、グラフェン（Ｇｒ）の上層上に配置される。図７Ｇにおける構造のｈＢＮの厚さは、約１５ｎｍである。図７Ｈは、図７Ｇの再構成可能デバイスの詳細を示す概略図である。１つまたは複数の実施形態において、ｈＢＮの厚さは、約１０ｎｍから約３０ｎｍ（例えば、約１０ｎｍ、約１１ｎｍ、約１２ｎｍ、約１３ｎｍ、約１４ｎｍ、約１５ｎｍ、約１６ｎｍ、約１７ｎｍ、約１８ｎｍ、約１９ｎｍ、約２０ｎｍ、約２１ｎｍ、約２２ｎｍ、約２３ｎｍ、約２４ｎｍ、約２５ｎｍ、約２６ｎｍ、約２７ｎｍ、約２８ｎｍ、約２９ｎｍ、または約３０ｎｍ、もしくはこれらの値の間あるいは本明細書に記載された任意の他の適切な値）の範囲である。いくつかの実施形態において、グラフェンの上層がＬａＡｌＯ₃層上に配置され、ＬａＡｌＯ₃層がＳｒＴｉＯ₃層上に配置される。ナノワイヤは、ｈＢＮカプセル化グラフェン領域を通して書き込むことができる。

【0109】

図８は、時間に対するコンダクタンスのプロットを示している。ナノワイヤの書き込み前に測定されたコンダクタンス（Ｇ）は約０シーメンス（Ｓ）である。ナノワイヤの書き込み後に測定されたコンダクタンスは約３００ｎＳから約１μＳの間である。コンダクタンスは定常状態に到達する。プロットは、ナノワイヤの書き込みが導電チャネルを形成することを示している。ナノワイヤは、図７Ａ－７Ｈで示したｈＢＮカプセル化グラフェン領域を通して書き込むことができる。いくつかの実施形態において、書き込みフィールドは約５００μｍであり、最小ステップサイズは約０．００７８μｍであり、ビーム電流は約０．０２５０６８ｎＡであり、エリアステップサイズは約０．０２３４μｍであり、エリアライン間隔は約０．０２３４μｍであり、エリア滞留時間は約０．０１０９２１ｍｓであり、エリア照射量は約５０μＣ／ｃｍ²であり、ビーム速度は約２．１４２２６６０９ｍｍ／ｓである。エリア照射量は、（ビーム電流×エリア滞留時間）／（ステップサイズ×ライン間隔）と等しくなる。本システムは、書き込みフィールドの位置合わせと３点の位置合わせとを含む。

【0110】

図９は、異なる照射量での時間に対するコンダクタンスのプロットを示している。ナノワイヤの書き込み前に測定されたコンダクタンス（Ｇ）は約０シーメンス（Ｓ）である。上述の図８で示したように、ナノワイヤの書き込み後、測定されたコンダクタンスは、約３００ｎＳから約１．２μＳの間である。コンダクタンスは定常状態に到達する。プロットは、ナノワイヤの書き込みが導電チャネルを形成することを示している。ナノワイヤは、図７Ａ－７Ｈで示したｈＢＮカプセル化グラフェン領域を通して書き込むことができる。エリア照射量は、例えば、約５０μＣ／ｃｍ²、約１００μＣ／ｃｍ²及び約２００μＣ／ｃｍ²の照射量を含む。
電子物性制御技術

【0111】

図１０は、２次元（２Ｄ）複合酸化物の界面の電子物性を設定する（例えば、プログラミングする）ための例示的な方法１０００を示すフローチャートである。簡単に概説すると、方法１０００は、絶縁層の表面に電子ビームを導くことを含む（ステップ１００２）。方法１０００は、第１の絶縁層の表面を改変することを含む（ステップ１００４）。方法１０００は、第１の状態と第２の状態との間で界面を切り替えることを含む（ステップ１００６）。方法１０００は、界面にナノワイヤを書き込むことを含む（ステップ１００８）。

【0112】

さらに詳細には、方法１０００は、絶縁層の表面に電子ビームを導くことを含む（ステップ１００２）。電子ビームを絶縁層の表面に導くことは、超低電圧電子ビームを第１の絶縁層の表面に導くことを含む。第１の絶縁層は、第２の絶縁層上に配置される。第１絶縁層はＳｒＴｉＯ₃を含み、第２絶縁層はＬａＡｌＯ₃を含む。電子ビームの方向付けは、超低電圧電子ビームリソグラフィ技術の一部である。超低電圧電子ビームリソグラフィ技術は、書き込まれたパターンの寿命を延ばすために、真空条件下で実施される。

【0113】

方法１０００は、第１の絶縁層の表面を改変することを含む（ステップ１００４）。第１の絶縁層の表面を改変することは、超低電圧電子ビームを当てることで第１の絶縁層の表面を改変し、第１の電子物性を有する第１の状態と第２の電子物性を有する第２の状態との間で界面を選択的に切り替えることを含む。いくつかの実施形態において、第１の状態は絶縁状態であり、第２の状態は導電状態である。いくつかの実施形態において、第１の状態は第１の導電状態であり、第２の状態は第２の導電状態である。第２の導電状態は、第１の導電状態よりも高いコンダクタンスを有する。少なくとも１つの実施形態において、導電状態は、長期に及ぶ空気への露出が原因である自然減衰のために可逆的である。

【0114】

第１の絶縁層の表面を改変することは、第１の絶縁層の表面の一部を改変することを含む。第１の絶縁層の表面の一部は、約２ナノメートル以上、かつ約２００ナノメートル以下の特徴サイズを有する。例えば、いくつかの実施形態において、この部位は、約３ナノメートル以上、かつ約４ナノメートル未満の特徴サイズを有する。いくつかの実施形態において、特徴サイズは、約２ナノメートル未満、例えば約１．２ナノメートルであってもよい。本開示の他の態様において、第１の絶縁層の表面の一部は、約２ｎｍ以上、約３ｎｍ以上、約４ｎｍ以上、約５ｎｍ以上、約６ｎｍ以上、約７ｎｍ以上、約８ｎｍ以上、約９ｎｍ以上、約１０ｎｍ以上、約１１ｎｍ以上、約１２ｎｍ以上、約１３ｎｍ以上、約１４ｎｍ以上、約１５ｎｍ以上、約１６ｎｍ以上、約１７ｎｍ以上、約１８ｎｍ以上、約１９ｎｍ以上、約２０ｎｍ以上、約２１ｎｍ以上、約２２ｎｍ以上、約２３ｎｍ以上、約２４ｎｍ以上、または約２５ｎｍ以上、あるいはこれらの値の間の任意の量、例えば約１．２ｎｍ以上、約１．５ｎｍ以上、約１．７５ｎｍ以上の特徴サイズを有してもよい。本開示の他の態様において、第１の絶縁層の表面の一部は、約２００ｎｍ以下、約１９５ｎｍ以下、約１９０ｎｍ以下、約１８５ｎｍ以下、約１８０ｎｍ以下、約１７５ｎｍ以下、約１７０ｎｍ以下、約１７０ｎｍ以下、約１７０ｎｍ以下、約１６５ｎｍ以下、約１６０ｎｍ以下、約１５５ｎｍ以下、または約１５０ｎｍ以下、あるいはこれらの値の間の任意の量、例えば約１９５．２ｎｍ以下、約１９５．５ｎｍ以下、約１９５．７５ｎｍ以下の特徴サイズを有してもよい。

【0115】

第１の絶縁層の表面を改変することは、絶縁状態、導電状態、超伝導状態、強誘電状態及び強磁性状態のうちの少なくとも１つを実現するように界面の一部を切り替えることを含む。例えば、電子ビームは、第１の絶縁層の表面を改変して、界面の電子物性を変化させることができる。

【0116】

方法１０００は、第１の状態と第２の状態との間で界面を切り替えることを含む（ステップ１００６）。例えば、第１の状態と第２の状態との間で界面を切り替えることは、絶縁状態と導電状態との間で界面を切り替えることを含んでもよい。第１の状態と第２の状態との間で界面を切り替えることは、絶縁状態と導電状態との間で界面を切り替えることを含んでもよい。第１の状態と第２の状態との間で界面を切り替えることは、第１の導電状態と第２の導電状態との間で界面を切り替えることを含んでいてもよい。

【0117】

方法１０００は、界面にナノワイヤ（例えば、導電線、ナノスケールの特徴物、パターン等）を書き込むことを含む（ステップ１００８）。ナノワイヤを書き込むことは、約０．１ｍｍ／ｓｅｃ以上で約１５ｍｍ／ｓｅｃ以下、約１ｍｍ／ｓｅｃ以上で約１５ｍｍ／ｓｅｃ以下、約２ｍｍ／ｓｅｃ以上で約１５ｍｍ／ｓｅｃ以下、約３ｍｍ／ｓｅｃ以上で約１５ｍｍ／ｓｅｃ以下、約４ｍｍ／ｓｅｃ以上で約１５ｍｍ／ｓｅｃ以下、または約５ｍｍ／ｓｅｃ以上で約１５ｍｍ／ｓｅｃ以下の速度で界面に導電線を書き込むことを含む。例えば、本方法は、約１０ｍｍ／ｓｅｃの速度でナノスケールの特徴物を書き込むことを含む。いくつかの実施形態において、ナノスケールの特徴物の書き込みは、１５ｍｍ／ｓｅｃを超える速度で行うこともできる。例えば、ナノスケールの特徴物の書き込みは、約２０ｍｍ／ｓｅｃの速度で実現できる。ナノワイヤを書き込むことは、界面にナノワイヤを書き込むことを含む。ナノスケールの特徴物の書き込みには、ナノスケールの特徴物の消去も含まれる。導電線の消去は、書き込みプロセス（例えば、書き込み技術）が可逆的（例えば、再構成可能）であることを示している。

【0118】

本開示の他の態様において、ナノワイヤを書き込むことは、約０．１ｍｍ／ｓｅｃ以上、約０．２ｍｍ／ｓｅｃ以上、約０．３ｍｍ／ｓｅｃ以上、約０．４ｍｍ／ｓｅｃ以上、約０．５ｍｍ／ｓｅｃ以上、約０．６ｍｍ／ｓｅｃ以上、約０．７ｍｍ／ｓｅｃ以上、約０．８ｍｍ／ｓｅｃ以上、約０．９ｍｍ／ｓｅｃ以上、約１ｍｍ／ｓｅｃ以上、約２ｍｍ／ｓｅｃ以上、約３ｍｍ／ｓｅｃ以上、約４ｍｍ／ｓｅｃ以上、約５ｍｍ／ｓｅｃ以上、約６ｍｍ／ｓｅｃ以上、約７ｍｍ／ｓｅｃ以上、約８ｍｍ／ｓｅｃ以上、約９、約１０ｍｍ／ｓｅｃ以上、約１１ｍｍ／ｓｅｃ以上、約１２ｍｍ／ｓｅｃ以上、約１３ｍｍ／ｓｅｃ以上、約１４ｍｍ／ｓｅｃ以上、約１５ｍｍ／ｓｅｃ以上、またはこれらの値の間の任意の適切な値、例えば約２．５ｍｍ／ｓｅｃ以上、約３．５ｍｍ／ｓｅｃ以上、または約４．５ｍｍ／ｓｅｃ以上の速度で界面に導電線を書き込むことを含む。本開示の他の態様において、ナノワイヤを書き込むことは、本明細書に記載された任意の値よりも大きく、かつ約２５ｍｍ／ｓｅｃ以下、約２４ｍｍ／ｓｅｃ以下、約２３ｍｍ／ｓｅｃ以下、約２２ｍｍ／ｓｅｃ以下、約２１ｍｍ／ｓｅｃ以下、約２０ｍｍ／ｓｅｃ以下、約１９ｍｍ／ｓｅｃ以下、約１８ｍｍ／ｓｅｃ以下、約１７ｍｍ／ｓｅｃ以下、約１６ｍｍ／ｓｅｃ以下、または約１５ｍｍ／ｓｅｃ以下、あるいはこれらの値の間の任意の適切な値、例えば約２０．５ｍｍ／ｓｅｃ以下、約２３．５ｍｍ／ｓｅｃ以下、約２４．５ｍｍ／ｓｅｃ以下の速度で界面に導電線を書き込むことを含む。

【0119】

少なくとも１つの実施形態における書き込み技術は、上層及び／または第１の絶縁層の原子配置が実質的に保存されるという点で、実質的に非破壊的である。本方法は、上層の下部に再構成可能なナノスケール電極を形成することを含む。例えば、本方法は、２Ｄ材料（例えば、六方晶窒化ホウ素、グラフェン、六方晶窒化ホウ素ヘテロ構造等）層の直下に再構成可能なナノスケール電極を形成することを含む。

【0120】

少なくとも１つの実施形態において、本方法は、周期構造を有するパターンを形成することを含む。例えば、パターンは六角形のパターンを含む。パターンには、トポロジー的に保護されたチャネルが含まれる場合がある。パターンは、約１０ｎｍの間隔を有するハニカムパターン等の六角構造を含む。パターンは、例えば、非周期パターン、準周期パターンまたは回転対称パターンであってもよく、原子間の間隔によって支配される周期構造に限定されない。例えば、パターンは、２回対称、３回対称、４回対称、５回対称、６回対称、または８回対称を有していてもよい。本開示の他の態様において、ハニカム間隔は、例えば、約５ｎｍ、約６ｎｍ、約７ｎｍ、約８ｎｍ、約９ｎｍ、約１０ｎｍ、約１１ｎｍ、約１２ｎｍ、約１３ｎｍ、約１４ｎｍ、約１５ｎｍ、またはこれらの値の間の任意で適切な値でもよい。

【0121】

方法１０００を再び参照すると、本方法は、第１の絶縁層上に配置された上層を通して、超低電圧電子ビームを導くことをさらに含む。上層は、グラフェンを含むが、これに限定されない。

【0122】

図１１Ａは、例示的な実施形態による、ハニカムパターンを含む再構成可能デバイスを示している。再構成可能デバイスは、少なくとも１つのグラフェンリードを備えたホールバー型デバイスを含む。グラフェンリードを備えたホールバーデバイスは、少なくとも１つの電極（例えば、Ａｕ電極）によって電気的に接続され、ＬＡＯ／ＳＴＯナノ構造の下方からゲート制御される。図１１Ｂは、例示的な実施形態による、ハニカムパターンを含む再構成可能デバイスを示している。再構成可能デバイスは、ＵＬＶ－ＥＢＬを用いて形成されたグラフェンナノ接合の２Ｄアレイに基づく非線形光変調器を含むことができる。

【0123】

上記から理解されるように、本明細書に記載の例示的な酸化物ヘテロ構造は、量子物質の構築を容易にするために使用できる。特に、ＵＬＶ-ＳＥＭは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）よりも数百倍速い速度、またはＡＦＭよりも千（１，０００）倍速い速度で、本明細書に記載のナノ構造を形成するために使用される。ＵＬＶ-ＳＥＭで形成されたナノ構造は、真空状態を壊すことなくミリケルビン温度で測定するためのボトムローディング希釈冷凍機に移し、ナノ構造パターンを改変する可能性がある空気への露出を防ぐことができる。このアプローチにより、より大きなサイズと複雑な複合量子物質の形成が可能になる。
ＩＩ．定義と用語

【0124】

本明細書で使用される方向の用語、例えば、上、下、右、左、前、後、上、下、垂直、水平は、描かれた図を参照してのみ表され、別段の明示的な記載がない限り、絶対的な方向を意味するものではない。

【0125】

特に明記しない限り、本明細書に記載の方法は、その手順が特定の順序で実行される必要があると解釈されることも、装置が特定の方向を必要とすると解釈されることも決して意図していない。したがって、方法の請求項がその手順が従うべき順序を実際に述べていない場合、または装置の請求項が個々の構成要素に対する順序あるいは方向を実際に述べていない場合、または手順が特定の順序に限定されるべきであることが特許請求の範囲や明細書で特に述べられていない場合、または装置の構成要素に関する特定の順序あるいは方向が記載されていない場合、いかなる場合においても順序あるいは方向が推測されることを意図するものではない。これは、手順の配列、動作フロー、構成要素の順序または構成要素の方向に関するロジックの内容、文法構成または句読点に由来する平易な意味、並びに明細書に記載されている実施形態の数またはタイプを含む、解釈のためのあらゆる可能な非明示的根拠に適用される。

【0126】

本明細書で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈が明示しない限り、複数の用語対象を含む。それ故、例えば、「ａ」構成要素に対する記載は、文脈が明らかにそうでないことを示さない限り、２つ以上のそのような構成要素を有する態様を含む。また、「または」という単語は、前に「いずれか一方」を付けずに使用した場合（あるいは、「または」が明確に排他的であることを示す他の同様の言葉、例えば、ｘまたはｙの一方のみ等）は、包含的であると解釈されるべきである（例えば、「ｘまたはｙ」は、ｘまたはｙの一方または両方を意味する）。

【0127】

また、「及び／または」という用語も包含的であると解釈されるべきである（例えば、「ｘ及び／またはｙ」は、ｘまたはｙの一方または両方を意味する）。「及び／または」もしくは「または」が３つ以上のアイテムのグループの接続詞として使用されている状況では、該グループは１つのアイテムのみ、全てのアイテムを一緒に、またはアイテムの任意の組み合わせまたは数を含むと解釈すべきである。さらに、本明細書及び特許請求の範囲で使用される、持つ、持つこと、含む、含むこと等の用語は、有する及び有することという用語と同義であると解釈されるべきである。「及び／または」によって具体的に識別される要素以外の他の要素は、それらの具体的に識別される要素に関連するか関連しないかに係わらず、任意に存在してもよい。非限定的な例として、「Ｘ及び／またはＹ」の言及は、一実施形態では、Ｘのみ（場合によってＹ以外の要素を含む）を指す場合があり、いくつかの実施形態では、Ｙのみ（場合によってＸ以外の要素を含む）を指す場合があり、さらにいくつかの実施形態では、Ｘ及びＹの両方（任意に他の要素を含む）を指す場合がある。

【0128】

図面は、正確な縮尺率で描かれた１つまたは複数の実施形態及び／または正確な縮尺率で描かれていない１つまたは複数の実施形態を示すものとして解釈されるべきである。これは、図面が、例えば（ａ）全て正確な縮尺率で描かれている、（ｂ）正確な縮尺率で描かれていない、または（ｃ）正確な縮尺率で描かれている１つまたは複数の特徴物と、正確な縮尺率で描かれていない１つまたは複数の特徴物とを示している、と解釈されることを意味する。したがって、図面は、図示された特徴物のいずれかのサイズ、比率及び／またはその他のディメンジョンを、単独で、または互いに対して列挙するためのサポートを提供するのに役に立つ。さらに、そのような全てのサイズ、比率及び／またはその他のディメンジョンは、いずれかの方向に０～１００％可変であると理解すべきであり、したがって、そのような値、またはそのような値で形成される可能性のある全ての範囲または下位範囲を列挙する各請求項のサポートを提供する。

【0129】

特定の例への言及、「すなわち」の使用、「発明」という言葉の使用等は、例外（ｂ）を呼び出したり、列挙された請求項の範囲を制限したりすることを意味するものではない。例外（ｂ）が適用される場合を除き、本明細書に含まれるいかなる内容も、免責事項または特許請求範囲の否認と見なされるべきではない。

【0130】

さらに、本開示の特徴または態様がマーカッシュ群で記述されている場合、当業者は本開示が任意の個々のメンバーまたはマーカッシュ群のメンバーのサブグループに関しても記述されていることを理解するであろう。

【0131】

特に明記しない限り、本明細書に記載の本発明の様々な特徴は、特に任意の組み合わせで使用できることを意図している。さらに、本開示は、いくつかの実施形態において、本明細書に記載された任意の特徴または特徴の組み合わせが除外または省略されることも企図する。例えば、複合体が成分Ａ，Ｂ及びＣを含むと明細書に記載されている場合、Ａ、ＢまたはＣのいずれか、またはそれらの組み合わせを省略し、単独でまたは任意の組み合わせで排除する可能性があることを意図する。

【0132】

本明細書で使用される場合、「約」は、当業者によって理解され、それが使用される文脈に応じてある程度変化する。その用語が使用される文脈を考えると、当業者に明確でない用語が使用されている場合、「約」は特定の用語のプラスまたはマイナス１０％までを意味する。

【0133】

特定の実施形態について図示及び説明したが、後述する特許請求の範囲で定義された、より広い態様における技術から逸脱することなく、当業者は変更及び修正を行うことができることを理解されたい。

【0134】

本明細書に例示的に記載された実施形態は、本明細書に具体的に開示されていない、要素または複数の要素、限定事項または複数の限定事項がなくても適切に実施できる。そのため、例えば、「有する」、「含む」、「含有する」等の用語は、制限なしに広範に読むべきである。さらに、本明細書で使用される用語及び表現は、限定ではなく説明の用語として使用しており、それらの用語及び表現の使用において、説明され示された特徴またはその一部の均等物を除外する意図はないが、請求項に記載された技術の範囲内で様々な変更が可能であることが認識される。さらに、「から本質的になる」という語句は、具体的に列挙された要素及び請求項に記載された技術の基本的及び新規な特徴に実質的に影響を与えない追加の要素を含むと理解される。「からなる」という語句は、指定されていない要素を除外する。

【0135】

本開示は、本出願に記載された特定の実施形態に限定されるべきではない。当業者には明らかなように、その主旨及び範囲から逸脱することなく、多くの修正及び変更を行うことができる。本明細書に列挙したものに加えて、本開示の範囲内の機能的に同等の方法及び組成物は、前述の説明から当業者には明らかであろう。そのような修正及び変更は、添付の特許請求の範囲内に含むことを意図している。本開示は、添付の特許請求の範囲の条件によってのみ限定されるべきであり、そのような特許請求の範囲が権利を有する同等物の全範囲と共にある。本開示は、特定の方法、化合物または組成物に限定されず、もちろん変化し得ることが理解されるべきである。本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明するだけのものであり、限定することを意図していないことも理解されたい。

【0136】

当業者によって理解されるように、あらゆる目的のために、特に書面による説明を提供することに関して、本明細書に開示される全ての範囲はまた、エンドポイントを含め、ありとあらゆる可能な下位範囲及びその下位範囲の組み合わせを包含する。したがって、開示された全ての範囲は、全ての下位範囲または各範囲に包含される全ての個々の値を列挙する請求項を包含し、それを裏付けるものと理解するべきである。例えば、１から１０の範囲は、１の最小値と１０の最大値の間、つまり１以上の最小値で始まり、１０以下の最大値（例：５．５～１０、２．３４～３．５６等）または１～１０の任意の値（例：３、５．８、９．９９９４等）及び／またはそれらを含む全ての下位範囲または個々の値を列挙する請求項を包含し、それを裏付けるものと考えるべきである。

【0137】

リストされた範囲は、十分に説明し、同じ範囲を少なくとも等しい２分の１、３分の１、４分の１、５分の１、１０分の１等に分解できるようにするものとして容易に認識できる。非限定的な例として、本明細書で説明する各範囲は、下３分の１、中３分の１、上３分の１等に容易に分類することができる。また、当業者によって理解されるように、「～まで」、「少なくとも」、「より大きい」、「より小さい」等の全ての用語は、列挙された数を含む、可能な範囲を指す。その後、上記のように部分範囲に分割される。さらに、当業者には理解されるように、範囲には個々のメンバーが含まれる。したがって、例えば、１～３層を有するグループは、１、２または３層を有するグループを指す。同様に、１～５層を有するグループは、１、２、３、４または５層を有するグループ等を指す。

【0138】

本明細書で参照される刊行物、特許出願、特許及び他の文書は、個々の刊行物、特許出願、特許または他の文書が、その全体が参照により組み込まれることが具体的かつ個別に示されているかのように、参照により本明細書に組み込まれる。参照により組み込まれる本テキストに含まれる定義は、本開示の定義と矛盾する限り除外される。

【0139】

他の実施形態は、以下の特許請求の範囲に記載されている。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D-E】

【図2F】

【図2G】

【図3A-3B】

【図3C】

【図3D-3E】

【図3F】

【図3G】

【図3H】

【図3I】

【図3J】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図4E】

【図4F】

【図4G-H】

【図4I】

【図4J】

【図4K】

【図5】

【図6】

【図7A-7B】

【図7C-7D】

【図7E-7F】

【図7G-7H】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11A】

【図11B】