CN100394254C - 折射率变化元件和折射率变化方法 - Google Patents

Abstract

提供一种折射率变化元件和折射率变化方法。折射率变化元件包括：包含具有离散能级的多个量子点和包围量子点的介电基体的结构部；和通过介电基体将电子注入量子点的电子注入部。

Description

折射率变化元件和折射率变化方法

(对相关申请的交叉引用)

本申请基于在2004年9月29日提交的在先的日本专利申请No.2004-285001，并要求其作为优先权，在此引用其全部内容作为参考。

技术领域

本发明涉及可通过利用电子和光大大改变其折射率的折射率变化元件和折射率变化方法。

背景技术

在使用光作为信息介质的光或电子功能元件或***中，必须控制构件材料或元件的折射率。这是因为光的传播特性受折射率控制。因此，不仅在光波导或光纤中，而且在光切换器件和光记录器件中，设计元件，以建立指定的折射率分布、在元件中配置具有指定折射率的材料，或改变材料的折射率是很重要的。

用于大大改变折射率的公知方法有例如(1)Stark偏移效应、(2)Franz-Keldysh效应、(3)Pockels效应、(4)克尔(Kerr)效应、(5)取向变化、(6)通过磁场进行的级***(level splitting)、(7)Cotton-Mouton效应、(8)光Stark偏移效应、(9)吸收饱和、(10)电磁致透明(EIT)、(11)光致异构化、(12)光辐射导致的结构改变、(13)光致电离、(14)压电反射效应、(15)温度带偏移效应(thermal band shift)、(16)温度异构化、(17)温度导致的结构改变。在例如日本专利公开特开2002-217488、日本专利公开特开平11-223701、日本专利公开特开平5-289123中公开了用Pockels效应改变折射率的技术。

折射率可以用复数表示，其中其实部表示狭义上的折射率，其虚部表示吸收。在上面列举的折射率变化机构中，复折射率的实部的变化在吸收区和吸收端较大，但在非吸收区很小，例如不大于1％。诸如光吸收型光开关的利用吸收率改变的光功能器件也处于研究之中。但是，吸收意味着承载信息的光束的强度降低。因此，希望复折射率的实部可在非吸收波长区中大大变化。在折射率变化材料中，液晶在非吸收波长区域中的复折射率的实部表现出不小于10％的异常大的变化。这是因为液晶中的折射率的变化是通过取向的变化而不是通过电子极化率的变化产生的。但是，考虑到折射率变化材料在光功能器件中的应用，诸如液晶的液态折射率变化材料应用领域大大受限。

发明内容

根据本发明的一个方面的折射率变化元件包括：包含具有离散能级的多个量子点和包围量子点的介电基体的结构部；和通过介电基体将电子注入量子点中的电子注入部。

根据本发明的另一方面的折射率变化元件包括：包含具有离散能级的多个量子点和包围量子点的介电基体的结构部；和通过介电基体从量子点释放电子的电子释放部。

根据本发明的另一方面的折射率变化元件包括：包含具有离散能级的多个量子点和包围量子点的介电基体的结构部，其特征在于，通过电子的注入转换为阴离子的量子点或通过电子的释放转换为阳离子的量子点不均匀地存在，使得结构部的折射率分布不均匀。

根据本发明的另一方面的折射率变化方法包括以下步骤：制备包含具有离散能级的多个量子点和包围量子点的介电基体的结构部，和将电子注入量子点中或从量子点中释放电子，以改变结构部的折射率。

附图说明

图1是表示根据本发明的实施方式的量子点的模型的透视图；

图2是表示串联连接分别由根据本发明的实施方式的量子点形成的五个电容器的状态的电路图；

图3是表示最低能量结构的Si₁₀H₁₆的示意图；

图4是表示最低能量结构的Hf₄Si₄O₁₂H₈的示意图；

图5是表示实施例1中的折射率变化元件的断面图；

图6是表示实施例2中的折射率变化元件的断面图；

图7是表示实施例3中的折射率变化元件的断面图；

图8A和图8B是表示在实施例4中形成的波导结构的断面图和平面图；

图9是表示实施例6中的、形成结构部的介电基体的相对介电常数和折射率之间的关系的图；

图10是表示实施例6中的、形成结构部的介电基体的相对介电常数和阴离子量子点的相对于中性量子点的折射率的变化率之间的关系的图；

图11是表示实施例6中的、构成结构部的介电基体的相对介电常数和阴离子量子点的单受占分子轨道(SOMO)能之间的关系的图；

图12是表示实施例7中的折射率变化元件的断面图；

图13是表示使用实施例7中的折射率变化元件的测量***的示意图；

图14是表示根据实施例7中的变更的折射率变化元件的断面图；

图15是表示实施例9中的折射率变化元件的断面图；

图16是表示实施例10中的折射率变化元件的分解透视图；

图17是表示实施例11中的在折射率变化元件中包含的一个单元的断面图；

图18是表示通过使用实施例11中的折射率变化元件形成的光子学晶体的平面图；

图19是表示通过使用实施例11中的折射率变化元件形成的波导的平面图。

具体实施方式

在本发明的实施方式中，折射率变化元件的结构部包括具有离散能级的多个量子点(或岛结构)和包围量子点的介电基体(或阻挡层)。

在本发明的实施方式中，在结构部中包含的量子点表示通过将电子限制在宽度约为德布罗意(De Broglie)波长的点状区域中使得其状态密度能量被离散化的零维电子***。使用选自包含金属微粒子、半导体微粒子、富勒烯(fullerene)分子、碳纳米管和有机分子的组中的至少一种材料作为量子点。

在本发明的实施方式中，形成结构部的介电基体优选具有7或更高的相对介电常数。

在本发明的实施方式中，电子注入部(或电子释放部)由例如具有使得结构部被夹在其间的一对电极和近场扫描光学显微镜(NSOM)的探针形成。

当电子注入部或电子释放器由具有使得结构部夹在其间的一对电极形成时，可以将一对电极中的至少一个配置为与结构部的一部分对应。在这种情况下，可以将一对电极中的至少一个分为多个部分。这种构造使得可以选择结构部的任何部分进行电子注入或电子释放，并选择性改变所选部分中的折射率。

在电子注入部或电子释放部由使得结构部夹在其间的一对电极形成的情况下，当光仅透过两个电极之间的结构部时，两个电极可以均对光不透明。但是，在通过成对电极进行光照射的许多情况下，两个极均须对光透明，或者，一个电极对光不透明，另一个电极对光透明。

根据本发明的实施方式的折射率变化元件还可以包含用光照射结构部的光源。

在本发明的实施方式中，通过介电基体将电子注入量子点或从量子点释放电子的可能机制包含：(1)克服阻挡层(barrier)的电子的注入(或释放)；(2)隧道效应；和(3)跳跃导电(hopping conduction)。例如，在电子根据电场跳出空气或真空的情况(1)中，可认为将克服空气或真空的阻挡层的电子注入结构中。在情况(2)中，如果介电基体较薄，那么可能出现隧穿。在情况(3)中，如果介电基体是非晶的或包含杂质或离子，则形成局部化能级，并由此通过跳跃传导电子。

现在将详细解释情况(2)的隧道效应。隧道效应表示这样一种效应，即，在包含电势高度为V₀的阻挡层的量子***中，当具有小于电势V₀的能量E的电子与阻挡层冲突时，电子隧穿该阻挡层。隧道效应是在几率t在阻挡层的内侧或外侧都不为零的情况下产生的。根据薛定鄂(Schrodinger)方程，穿过阻挡层的透过率即隧道效应的几率t由以下给出的等式表示：

$t=\frac{4E(V_0-E)}{V_0^2{\sinh }^2(a/2b)+4E(V_0-E)}$

这里，m_o表示电子的质量，

表示迪拉克常数(h/2π)，a表示阻挡层的厚度。

上面给出的等式表示随着阻挡层的厚度(a)变薄，隧穿趋于易于出现。

当将电子注入分散于介电基体中的具有离散能级的量子点时，需要下面的三个条件，以导致用于积蓄电子的库仑阻塞(Coulombblockage)：

kT＜＜E_C

$R_T>>\frac{h}{e^2}=R_Q$

Re(Z_t(ω))＞＞R_Q

这里，E_C表示带电能量，它由下面给出的等式表示：

$E_C=\frac{e^2}{{2C}_j}$

这里，C_j表示结电容(junction capacitance)，它由下面给的等式表示：

$C_j=\frac{\mathrm{\ϵS}}{a}$

这里，k表示玻尔兹曼常数，T表示温度，R_T表示结隧穿电阻，R_Q表示标准量子电阻(25.8kΩ)，Re(Zt(ω))表示外部电磁场环境的阻抗的实部，ε表示介电常数，S表示结面积，a表示阻挡层的厚度。

从以上给出的等式可以清楚地看出，要满足上面给出的三个条件，需要较小的结面积(S)和较大的阻挡层厚度(a)。由于结面积(S)表示量子点的表面积，因此必须减小量子点的尺寸。为了导致库仑阻塞，阻挡层厚度(a)必须较大。但是，为了引起隧道效应，阻挡层厚度(a)必须在一定程度上较小。因此，应将阻挡层厚度(a)设置到适当的范围。

当同时满足几个条件时，可以引起库仑阻塞。首先，提供阻挡层的介电基体必须足够薄，以使得电子可以隧穿阻挡层。第二，介电基体的带电能量(与量子点的受激能级对应的能量)必须高于环境热能kT(这里，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度)。因此，虽然阻挡层的静电容量应较低，但存在这样一种限制，即，作为对于确定静电容量的因素之一的阻挡层的厚度应足够薄，以如上所述产生隧道效应。因此，面积即量子点的表面积是决定性的因素，该因素必然要求减少量子点的尺寸。

从能级的观点考虑，库仑阻塞是由作为电极的能级的费米能级和通过隧道效应注入电子的量子点的能级E_C之间的关系决定的。具体而言，它通过单电子的注入以不低于环境温度能量的量满足待改变的Ec，该量由电极的能级和量子的能级之间的相对关系表示。

另一方面，折射率与基态能级(ground level)(HOMO：最高受占分子轨道；SOMO：单受占分子轨道)和受激能级(LUMO：最低受占分子轨道)之间的能隙有关，并由两个能级之间的相对关系决定。

虽然上述关系不相等，但如果改变某一个能级，那么一般来说与该能级改变有关的能隙也会改变。因此，库仑阻塞是用于通过电测量技术判断由该机制导致的折射率变化是否出现的准则之一。

应注意，虽然通过隧穿电流观察到库仑阻塞现象，但是即使在通过隧道电流以外的机制注入电子时也可以引起能级改变。例如，即使当注入克服阻挡层基体(barrier matrix)的电子时也可以观察到隧穿电流的阻止(blocking)。

在本发明的实施方式中，由于可以在将电子注入结构部后保持结构部中的折射率变化的效果，因此，在电子注入后可以从结构部去除电子注入部。如果将上述动作与记录装置相比，那么电子注入部与记录元件对应，被注入电子的结构部与介质(折射率变化介质)对应。

本发明提供用于实现折射率改变的新机制。根据本发明的实施方式的折射率变化元件可以产生比常规元件产生的折射率变化大的折射率变化。

本发明中的折射率变化的机制如下：具体地，如果将电子注入量子点中，则在大大有助于折射率的确定的原始量子点的最外层轨道(即HOMO)的外侧新形成最外层轨道(即SOMO)。如果这种量子点由介电材料包围，那么可以得到更大效果的折射率变化。相反，如果从量子点释放电子，则大大有助于折射率的确定的最外层轨道(即HOMO)大大改变。如果这种量子点由介电材料包围，那么可以得到更大效果的折射率变化。

根据本发明的实施方式的折射率变化元件提供与通过由Pockels效应表示的二阶或三阶非线性光学效应得到结构部的折射率变化的常规元件大大不同的效果。将其差别总结如下：

(1)在现有技术中，电子保持在用于向结构部施加电场的电极中。另一方面，在本发明的实施方式中，电子从电子注入部被注入结构部中的量子点中。或者，电子从结构部中的量子点被释放到电子释放部。

(2)在现有技术中，当停止对结构部施加电压时，非线性光学效应消失，且折射率变化的效果也消失。另一方面，在本发明的实施方式中，只要电子保持在量子点中，就能保持折射率变化的效果。

(3)根据现有技术利用的Pockels效应，折射率变化的程度最大为约10^-3。另一方面，在本发明的实施方式中，折射率变化的程度变为10^-1或更大。

(4)一般而言，有诸如光致变色的改变吸收光谱的几种公知的方法。并且，如从Kramers-Kronig关系导出的那样，吸收端附近的折射率变化相对较大。因此，通过改变吸收光谱或吸收系数改变复折射率的实部的方法得以很好地使用。但是，很难大大改变透明区的折射率。另一方面，本发明的实施方式中，即使在透明区中也可以提供较大的折射率变化。

(5)在一般的三维大块半导体的情况下，在同一激发带中存在大量的电子。结果，即使注入单个电子，占据该带(能级)的电子的分布的变化也非常小。另一方面，在本发明的实施方式中，量子点的能级是离散的，其结果是，可存在于单个能级中的电子的数量少至可数的程度。因此，当新将单个电子注入量子点中时，注入的电子占据不存在电子的能级。并且，由于量子点的能级是离散的，因此，吸收光谱的峰值具有较小的宽度，这意味着透明区较宽。

(6)根据本发明的实施方式的折射率变化元件的目的在于用作波导，并因此与伴随吸收或共振状态的激光器或放大器不同。因此，随着透明波区的宽度增加，作为光学器件的应用范围变宽。并且，根据本发明的实施方式的折射率变化元件在原理方面与通过吸收共振效应放大三阶非线性光学效应的量子点激子效应不同。根据本发明的实施方式的折射率变化元件表现出即使在透明区折射率也会变化的效果，这与量子点激子效应不同。

(7)在本发明的实施方式中，折射率不会在量子点以外的介电基体中被改变，其结果是，整体平均折射率变化随量子点密度的增加而增加。在使用根据本发明的实施方式的折射率变化元件作为波导时，设置量子点的密度使得平均折射率变化超过至少1.5％是有效的。上述1.5％的值是现在使用的波导的折射率变化的一般的值。

现在将结合上述本发明与现有技术中的差异给出有关原理的附加说明。入射到量子点上的光通过其电场使电子壳层振动(激发)。振动的电子壳层发射光。发射过程与爱因斯坦B-系数有关，并且，即使在非共振区，从激发到发射也需要一定的时间。当重复激发和发射时光被传播。激发和发射需要的时间决定光传播的相速度V_P。当C是真空中的光速时，V_P/C是本发明中要被改变的复折射率的实部。折射率通过下面给出的Lorentz-Lorenz方程与分子极化率有关：

$\frac{n^2-1}{n^2+2}\·V_{\mathrm{mol}}=\frac{4\mathrm{\π}}{3}\·N_A\·\mathrm{\α}\≡R_0$

$\frac{n^2-1}{n^2+2}\·V=\frac{4\mathrm{\π}}{3}\·\mathrm{\α}\≡\frac{R_0}{N_A}$

$\frac{n^2-1}{n^2+2}=\frac{4\mathrm{\π}}{3}\frac{\mathrm{\α}}{V}$

这里，V_mol表示每摩尔(N_A＝6.02×10²³)的体积。

由于ρ＝M/V_mol，因此可将以上方程重写为以下方程(Lorentz-Lorenz方程)：

$\left\{\frac{(n^2-1)}{(n^2+2)}\right\}\frac{M}{\mathrm{\ρ}}=\left(\frac{4\mathrm{\π}}{3}\right)N_A\mathrm{\α}$

这里，n表示折射率，M表示摩尔质量(每摩尔的质量)，ρ表示密度，N_A表示阿伏加德罗常数，α表示极化率。

要改变分子极化率，一般使用这样一种方法，即，向材料施加电场，以通过利用二阶或三阶非线性光学效应扭曲电子轨道。但是，这种方法只能改变分子极化率很小的量。另一方面，在将电子注入纳米尺寸的量子点中时，则新形成轨道并产生库仑斥力，以大大改变HOMO和LUMO的化学电势和HOMO-LUMO间隙。因此，通过这些效应大大改变极化率。另外，在从量子点释放电子时，没有新轨道形成，因此与电子注入的情况相比，折射率变化较小。但是，相对于由利用非线光学性效应的常规技术产生的变化相比，还是可以期望后一种情况中出现较大变化。

一般地，如果向量子点过量施加电子，那么量子点趋于不太可能稳定地存在。另一方面，当如本发明的实施方式那样由介电材料包围量子点时，通过介电缓和整体上使能量稳定，并还使得极化率变得较大。通过使得介电基体的LUMO比量子点的LUMO高，在电子注入时，电子可被量子点俘获。

可以通过假定一对电极之间的由串联连接的电容器组成的电路，该电容器由在量子点之间存在的介电材料形成，粗略计算电子注入时的驱动电压。图1示出模型电容器，其中，假定厚度为0.5nm的介电基体包围边长为1nm的立方体的量子点，以形成边长为2nm的电容器。将五个电容器串联连接，以形成图2中所示的电路。在假定对于每个电容器积蓄单个电子的基础上计算电压V。存在V＝Q/C的关系，这里，V表示电压，Q表示电荷，C表示电容器的电容。并且，电容C由下式表示：

C＝ε₀ε_rS/d

这里，ε₀表示真空的介电常数(ε₀＝8.85×10^-12F/m)，ε_r表示相对介电常数，S表示电容器的面积，d表示相邻电容器之间的距离。

在图2中所示的模型中，S＝1×10^-18m²，且d＝1×10^-9×5[m]。但应注意，包含量子点的总厚度是10nm。由于电荷(Q)与注入量子点中的五个电子的电荷对应，因此Q＝e×5＝1.6×10^-19[C]×5＝8×10^-19[C]。

如果ε_r＝10，那么C＝1.8×10^-20，结果是，电压V为约44V。如果假定总厚度为10nm，那么在ε_r＝10的情况下电压V是440V。但在ε_r＝100的情况下，电压V是44V。并且，在ε_r＝1000的情况下电压V是4.4V，这意味着可以很容易地注入电子。在以上模型中，当相对介电常数ε_r为880时，驱动电压V为约5V。从驱动电压的观点考虑，介电基体应具有该程度的相对介电常数。在想要增加厚度的情况下，可以增加电极的数量。另外，即使将结构部配置为与电极并列，也不会出现问题。

可以与上述电子注入的情况类似的方式考虑电子释放时的驱动电压。另外，在本发明的实施方式中，选择性地进行向量子点的电子的注入和从量子点的电子的释放中的任一个。换句话说，电子注入和电子释放不同时进行。

(实施例1)

在本实施例中，关于如何通过在真空中将单个电子注入量子点中改变与可见区邻近的折射率有关的电子极化率张量，进行模拟。极化率可分类为通过取向的极化率、通过振动的极化率和与电子激发有关的极化率。与以上三类相关的光(电磁波)的波长范围分别是：无线范围和毫波范围；中波范围和远红外范围；近红外光、可见光和紫外光范围。由于本实施例中的模拟与电子激发有关，因此模拟与近红外光、可见光和紫外光范围以及不含共振效应即没有吸收的波长范围中的极化率对应。如上所述，折射率和极化率之间的关系由Lorentz-Lorenz式子表示。

首先，关于在使用Si₁₀H₁₆作为量子点并在该量子点注入一个电子以将该量子点转换成Si₁₀H₁₆+e^-时的极化率变化的计算结果，进行说明。

用于计算的条件如下。基于使用Becke的三变量交换电势和Lee-Yang-Pearl的相关电势(B3LYP)的校正的密度功能理论(DFT)，进行电子结构计算。使用其中通过有效核心电势(ECP)对核心电子进行近似的CEP-31G基集(basis set)。通过解析能量微分法得到中性量子点和电子注入后的量子点的稳定结构。通过谐振频率分析确认Born-Oppenheimer能量面上的定常点是否是能量上最稳定的点。

图3是表示最低能量结构的Si₁₀H₁₆的示意图。Si₁₀H₁₆的中性分子的能量E和极化率P如下：

E＝-48.1834515651au (1au＝27.2116eV)，

$P=\left(\begin{array}{ccc}\mathrm{xx}& \mathrm{xy}& \mathrm{xz}\\ & \mathrm{yy}& \mathrm{yz}\\ & & \mathrm{zz}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}268.0& 0.0& 268.0\\ & 268.0& 0.0\\ & & 268.0\end{array}\right),$

(极化率张量分量)，

单位：au＝Bohr³，

平均极化率＝1/3(xx+yy+zz)＝268.0au，

LUMO：-0.01630，

HOMO：-0.27565，

阴离子型分子Si₁₀H₁₆+e^-的能量E和极化率P如下：

E＝-48.1908485619au，

$P=\left(\begin{array}{ccc}\mathrm{xx}& \mathrm{xy}& \mathrm{xz}\\ & \mathrm{yy}& \mathrm{yz}\\ & & \mathrm{zz}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}293.601& 5.568& 14.142\\ & 295.314& 28.995\\ & & 322.444\end{array}\right),$

平均极化率＝303.8au，

LUMO：0.09850，

HOMO：-0.00559，

可以理解，通过将单个电子注入Si₁₀H₁₆的量子点中产生的阴离子型分子在能量上是稳定的。

表1示出Si₁₀H₁₆的平均极化率(P)、平均极化率(P)变化率、折射率(n，估计值)和折射率(n)变化率。

表1

	P(平均)[au]	P变化率[％]	n[-]	n变化率[％]
					中性分子	268.0	-	3.955	-
阴离子型分子	303.8	13.4	6.978	76.4

作为参考，非吸收区中的大块Si的折射率为约3.5，与表1中的计算结果差别不大。应注意，大块Si的密度被设为恒定(设该密度为2.33g/cm³)，且为了简化将摩尔质量设为Si₁₀。从表1可以清楚地看到，平均极化率变化率和折射率变化率非常大。当在将两个电子注入量子点的基础上进行计算时，发现平均极化率会更显著地变化。已发现，与两电子注入的情况相比，其中注入单个电子的量子点在能量上稍微更加稳定，表示在这种情况下产生库仑阻塞现象。由于在假定量子点的环境是真空状态(真空能级)的基础上进行计算，因此，结电容(junction capacitance)非常小，静电能量比室温下的kT大。

下面，关于Hf₄Si₄O₁₂H₈进行与以上实施例类似的计算。图4是表示能量最低结构的Hf₄Si₄O₁₂H₈的示意图。Hf₄Si₄O₁₂H₈的中性分子的能量E和极化率P如下：

E＝-408.582554343au，

$P=\left(\begin{array}{ccc}\mathrm{xx}& \mathrm{xy}& \mathrm{xz}\\ & \mathrm{yy}& \mathrm{yz}\\ & & \mathrm{zz}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}248.84& -0.015& -0.037\\ & 248.836& 0.019\\ & & 248.915\end{array}\right),$

平均极化率＝248.9au，

LUMO：-0.04349，

HOMO：-0.29859，

阴离子型分子Hf₄Si₄O₁₂H₈+e^-的能量E和极化率P如下：

E＝-408.606974089au

$P=\left(\begin{array}{ccc}\mathrm{xx}& \mathrm{xy}& \mathrm{xz}\\ & \mathrm{yy}& \mathrm{yz}\\ & & \mathrm{zz}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}315.752& -0.009& -0.028\\ & 315.712& 0.036\\ & & 315.635\end{array}\right),$

平均极化率＝315.7au，

LUMO：0.06944，

HOMO：-0.00781，

表2示出Hf₄Si₄O₁₂H₈的平均极化率(P)、平均极化率(P)变化率、折射率(n，估计值)和折射率(n)变化率。

表2

	P(平均)[au]	P变化率[％]	n[-]	n变化率[％]
					中性分子	248.9	-	3.1	-
阴离子型分子	315.7	26.8	7.5	140

表2表示，对于Hf₄Si₄O₁₂H₈，平均极化率变化率和折射率变化率比Si₁₀H₁₆大。应当理解，属于周期表中的第六周期的Hf的最外层轨道比属于第三周期的Si的大，因此在Hf中由电子注入产生的折射率效果更大。

下面，关于图5中所示的折射率变化元件，检测通过将电子注入在介电基体中存在的量子点中导致的折射率变化。

对Si衬底11进行氧化，以在其表面上形成厚度为200nm的SiO₂膜12。通过化学汽相淀积(CVD)在SiO₂膜12上淀积多晶硅(多晶硅)薄膜，然后对多晶硅膜进行氧化，以形成Si₁₀量于点13。然后，在样品之上配置NSOM探针101，以用照明/收集模式对样品进行观察。探针101具有锥形尖端，并在锥形表面上涂敷金属涂层102。

在第一步中，通过原子力显微镜(AFM)检查其中存在单个Si₁₀量子点的约30nm²的区域。上面给出的30nm的值对应于NSOM的空间分辨率。然后，在探针101的金属涂层102和Si衬底11之间施加电场，以将电子注入Si₁₀量子点13中，由此将量子点13转换成阴离子14。然后，以照明/收集的模式测量样品的反射率变化，以计算折射率变化。

样品的反射率变化包含SiO₂膜12和Si₁₀量子点13两者的反射率变化。因此，Si₁₀量子点13的折射率变化的估计要考虑到SiO₂膜12和Si₁₀量子点13的体积比，结果是，Si₁₀量子点13的折射率变化的计算结果为2.1。当假定Si₁₀量子点13的折射率为3.5时，其变化率对应于60％，证明上述计算基本正确。

(实施例2)

在本实施例中，使用C₆₀富勒烯作为量子点。如D.Porath和O.Millo在应用物理杂志(J.Appl.Phys.)，第81卷(1997)，第2241页中的文章所述，C₆₀富勒烯引起库仑阻塞是本领域技术人员公知的。

关于图6中所示的折射率变化元件，检查通过将电子注入介电基体中的量子点导致的折射率变化。

在玻璃衬底21上形成的ITO电极22上，通过旋涂以约500nm的厚度形成聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)膜23。然后，在PMMA膜23上溅射尺寸为约0.7nm的C₆₀量子点24。然后，将样品加热到100℃并保温5分钟，然后将样品冷却到室温。由此使C₆₀量子点24紧密地键合到PMMA膜23上。在样品之上配置其上涂敷金属涂层102的NSOM探针101，以用收集模式对样品进行观察。还在样品之上配置物镜111，以用激光束照射样品。照射的激光束的一部分穿过样品，剩余部分的激光束被样品反射。在这种情况下，如果C₆₀量子点24的折射率发生变化，那么反射率在C₆₀量子点24的界面上也发生变化，导致被探针101收集的反射光的量发生变化。

应当理解，C₆₀量子点24具有为约0.7nm的尺寸，但NSOM探针101的空间分辨率为约30nm。因此，NSOM探针101观察不到单个C₆₀量子点24，但可观察到密集的C₆₀量子点24。

当在探针101的金属涂层102和玻璃衬底21上的ITO电极22之间施加电场、以将电子注入C₆₀量子点24中、由此将量子点24转换成阴离子25时，通过库仑阻塞效应防止进一步将电子注入阴离子25中。然后，将电子注入位于探针101邻近的另一C₆₀量子点24中。以这种方式，将电子均匀地注入探针101附近的多个C₆₀量子点24中。

当在探针101的金属涂层102和玻璃衬底21上的ITO电极22之间施加频率为1kHz的0～-10V的高频电压时，进行观察。已发现，当C₆₀量子点24在30nm或更高的范围之上密集时，到达探针101的反射光的量由于折射率变化而变化。

为了进行比较，组装梳形电极并在电极上淀积LiNbO₃。在这种条件下，在电极之间施加约10⁷V/m的电场，以检查由Pockels效应产生的折射率变化。其结果是，光路长度十分短，以至于不能得到详细的值。但是，已发现对于C₆₀量子点24的反射光的变化是对于LiNbO₃的至少10倍。

(实施例3)

在本实施例中，使用钴(Co)纳米粒子作为量子点，并通过使用图7中所示的折射率变化元件，检查通过将电荷注入介电基体中的量子点中引起的折射率变化。

在玻璃衬底31上形成的ITO电极32上，对SiO₂和钴(Co)进行共溅射。从TEM观察发现，形成为基体的SiO₂膜33具有8nm的厚度，并在SiO₂膜33中形成尺寸为约1.4nm的Co量子点。这些Co量子点34以密集的方式存在。

如实施例2那样配置NSOM探针，以测量折射率变化。在探针101的金属涂层102和在玻璃衬底31上形成的ITO电极32之间施加电压，以将电荷注入C0量子点34中。在这种情况下，以1kHz的频率分别地施加+20V或-20V的电压约100ms，以形成阴离子或阳离子35。由于当停止电压施加时电荷被放电，因此发现折射率以指数的方式逐渐回到初始值。在施加+20V的情况下时间常数为约9分钟，在施加-20V的情况下时间常数为约3分钟。以这种方式，可以暂时改变折射率。

已发现，如果增加Co量子点34的尺寸，或升高温度，时间常数会趋于缩短。由于即使当电压的极性逆转时注入的电荷也会被放电，因此确认折射率在这种情况下也回到初始值。

(实施例4)

在本实施例中，使用C₆₀富勒烯作为量子点，以形成如图8A和图8B中所示的弯曲的波导结构。图8A是波导结构的断面图，图8B是平面图。

用具有分散在其中的C₆₀量子点44的聚苯乙烯膜43涂敷在玻璃衬底41上形成的ITO电极42。以与聚苯乙烯膜43紧密接触的方式形成弯曲的宽度为约5mm的铜薄板45。在ITO电极42接地的状态下，通过向铜薄板45施加-35V的电压，将电子注入C₆₀量子点44中，以改变铜薄板45的下部分的折射率。然后，使激光束入射到位于铜薄膜45下面的聚苯乙烯膜43的一个端面上。结果，弯曲的铜薄板45的下部分可被用作波导，以引导激光束，其结果是，激光束从位于铜薄膜45下面的聚苯乙烯膜43的另一个端面发射出来。以这种方式，可非常容易地形成波导。

(实施例5)

在本实施例中，对于单个电子被注入在介电基体中存在的量子点中或从其中释放的情况，模拟折射率变化。这里，将结果与真空中的量子点进行比较。

使用图3中所示的硅纳米粒子(Si₁₀H₁₆)作为量子点。假定在真空中配置Si₁₀H₁₆量子点的结构部(不使用介电基体的情况)和在用作介电基体的相对介电常数为2.247的苯中配置Si₁₀H₁₆量子点的结构部。在每种情况中，分别对于电中性分子的形式、注入单个电子的阴离子型分子的形式或释放单个电子的阳离子分子的形式的Si₁₀H₁₆量子点，计算极化率变化。基于使用Becke的三变量交换电势和Lee-Yang-Pearl的相关电势(B3LYP)的校正的密度功能理论(DFT)，对极化率进行计算，这里使用CEP-31G作为基集(basis set)。根据Lorentz-Lorenz方程计算折射率。在这种情况下，将Si₁₀H₁₆量子点的密度估计为大块Si的50％即1.165g/cm³，以计算单个Si₁₀H₁₆量子点的体积V。模拟结果如下：

在真空中配置的Si₁₀H₁₆量子点的折射率(n)和折射率变化率如下：

                         n       变化率

中性Si₁₀H₁₆量子点        1.77    -

阴离子型Si₁₀H₁₆量子点    1.91    8％

阳离子型Si₁₀H₁₆量子点    1.79    1％

在苯中配置的Si₁₀H₁₆量子点的折射率(n)和折射率变化率如下：

                         n       变化率

中性Si₁₀H₁₆量子点        1.99    -

阴离子型Si₁₀H₁₆量子点    2.24    12％

阳离子型Si₁₀H₁₆量子点    2.02    2％

从以上给出的结果可以看出，将电子注入介电基体中的量子点或从其中释放电子时的折射率变化率、比将电子注入真空中的量子点或从其中释放电子时的大。

并且，在将电子注入真空中的Si₁₀H₁₆量子点和将电子注入苯中的Si₁₀H₁₆量子点的情况的每一种中，计算单受占分子轨道(SOMO)能量。结果如下：

真空中： -0.00559au

苯中：   -0.06661au

结果清楚地表示，由于周围的介电基体的存在，被注入电子的Si₁₀H₁₆量子点的SOMO得到稳定化。

(实施例6)

对于单个电子被注入被具有各种相对介电常数值的介电基体包围的量子点或从其中释放的情况，模拟折射率变化。

如实施例5那样，使用硅纳米粒子(Si₁₀H₁₆)作为量子点，并假定在相对介电常数各不相同的六种类型的介电基体的每一种中配置Si₁₀H₁₆量子点的结构部。在这些情况的每一种中，分别对于电中性分子的形式或注入单个电子的阴离子型分子的形式的Si₁₀H₁₆量子点，计算折射率变化，并进一步根据Lorentz-Lorenz方程计算折射率。所有的计算条件与实施例5相同。

图9是表示形成结构部的介电基体的相对介电常数和折射率之间的关系的图。图9表示以下内容。无论介电基体的相对介电常数如何，其中注入电子的阴离子量子点的折射率都比中性量子点高。并且，在阴离子量子点和中性量子点的每一个中，折射率都随介电基体的相对介电常数的增加而增加。

图10是表示形成结构部的介电基体的相对介电常数和阴离子量子点的相对于中性量子点的折射率的变化率之间的关系的图。从图10可以清楚地看出，随介电基体的相对介电常数的增加，阴离子量子点的折射率变化率增加。特别是，当介电基体的相对介电常数是7或更大时，阴离子量子点的折射率变化率变大。

相对介电常数为约7的介电基体的情况下的折射率和折射率变化率是相对介电常数为约50的介电基体的情况下的约60％。

另外，上面给出的说明包含仅检查量子点的折射率变化的情况。但是，在将电子注入量子点中时，周围的介电基体的波函数也发生变化，其结果是，可以进一步促进折射率的变化。

图11是表示形成结构部的介电基体的相对介电常数和阴离子量子点的单受占分子轨道(SOMO)能量之间的关系的图。图11清楚地表示，随包围量子点的介电基体的相对介电常数的增加，其中注入电子的阴离子量子点的单受占分子轨道进一步得到稳定。特别是，当相对介电常数不小于7时，SOMO能量较低。以这种方式，在使用具有较高的相对介电常数的介电基体的情况下，注入量子点的电子通过介电缓和效应得以稳定，以使得可以注入更多的电子。

(实施例7)

制备图12中示出的折射率变化元件200。如图12所示，折射率变化元件200包含在衬底201上交替层叠的ITO电极202和结构部203。结构部203是包含五个循环层叠的隧穿阻挡层SiO₂层204(相对介电常数为约4)和尺寸各为约0.7nm的Si₁₀量子点的层205，和在其上面附加的隧穿阻挡层SiO₂层204的叠层。结构部203的厚度为约10nm。另外，形成包含十个循环层叠的ITO电极202和结构部203，和在其上面附加的ITO层202的叠层。折射率变化元件200的总厚度为约100nm。其间夹有结构部203的成对ITO电极202的一个接地，并向另一个ITO电极202施加电压。

施加的电压以0、V、0、V的方式在0和V之间重复变化，以降低电压V。另外，可以0、V、2V、3V的方式改变施加的电压。但在这种情况下，需要更高的电压。施加到折射率变化元件的电压V缓慢上升到120V。

图13是表示使用图12中所示的折射率变化元件的测量***的示意图。从激光器211发射的激光束被半反射镜212和镜子213反射，以用作动作光照射折射率变化元件200。穿过折射率变化元件200的激光束经由半反射镜214投射到屏幕220上。另一方面，从激光器211发射并穿过半反射镜212的激光束被镜子215和半反射镜214反射，以作为基准光投射到屏幕220上。结果，在屏幕220上出现由动作光和基准光形成的干涉条纹。

当使用波长为413nm的激光束且其间夹有结构部203的成对ITO电极202之间的电压逐渐增加时，可以确认干涉条纹在屏幕220上移动。这意味着通过向结构部203施加电压，将电子注入量子点中，使得整个折射率变化元件200的折射率发生变化。

作为图12中所示的折射率变化元件的变更，制备图14中所示的折射率变化元件。除了图12中所示的构造外，图14中所示的折射率变化元件还包含在各Si₁₀量子点层205的一端形成的源极207和在其另一端形成的漏极208。在这种情况下，在施加电压V的结构部203的最上面的SiO₂层204上形成的ITO电极202执行栅极的功能。

用波长为413nm的激光束的一部分(动作光)照射图14中所示的折射率变化元件的样品，并用激光束的另一部分作为图13中所示的测量***中的基准光，以观察屏幕220上的干涉条纹。在这种情况下，在源极和漏极之间施加200mV的电压，并测量电流值，以确认库仑阻塞现象。在这种条件下，施加到栅极上的电压逐渐增加。结果，与库仑阻塞现象的发生同步，干涉条纹开始移动。从观察中可以确认折射率正在变化。

(实施例8)

通过使用相对介电常数为3000的钛酸钡作为介电基体，以代替实施例7中使用的SiO₂，制备图12中所示的折射率变化元件，并通过使用图13中所示的装置，对干涉条纹进行观察。结果确认，与实施例7相比，干涉条纹的移动速度增加约30％。

类似地，在通过使用相对介电常数为约7的透明硝酸纤维素塑胶作为介电基体以代替实施例7中使用的SiO₂、制备折射率变化元件时，确认与实施例7相比，干涉条纹的移动速度增加约12％。

这些结果意味着介电基体的相对介电常数的增加促进由于向折射率变化元件施加电压导致的折射率变化。

(实施例9)

关于图15中所示的折射率变化元件，检查由于将电子注入介电基体中的量子点中导致的折射率变化。

在在玻璃衬底51上形成的ITO电极52上，形成在介电基体53中分散量子点的结构部。作为介电基体的材料，使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，二氧化钛、SiO₂或聚苯乙烯。作为量子点的材料，使用Au纳米粒子、Si纳米粒子、富勒烯(C₆₀)分子、碳纳米管或二茂铁分子。表3表示量子点材料和介电基体材料的组合。在各种情况下，结构部的厚度为约50nm。并且，将结构部中的量子点54的体积比率设为约5体积％。

要在照明模式下进行观察，在样品之上配置其上涂敷金属(Au)涂层102的NSOM探针101。在探针101的金属涂层102和在玻璃衬底51上形成的ITO电极52之间连接脉冲发生器121。在这种条件下，在金属涂层102和ITO电极52之间施加电压，以使得通过隧道效应将电子注入量子点54中或从量子点54中释放电子。

如果结构部的折射率发生变化，来自结构部的反射光也发生变化。在图15中所示的折射率变化元件中，用从探针101的尖端表面发射的近场光对结构部进行照射，以检测来自结构部的反射光。来自结构部的反射光被光检测器131检测，被同步(lock-in)放大器132放大，并然后被计算机133分析。

当通过脉冲发生器121施120Hz的AC电压时，电子在适当电压下隧穿介电基体53，从而导致将电子被注入量子点54中或从量子点54中释放。结果，可以观察与AC电压同步的折射率变化和反射率变化。

为了参照，对于Ga_0.42In_0.58As_0.9P_0.1/InP的量子阱薄膜，通过利用量子限定的Stark效应，检测折射率变化。在GaInAsP/InP的情况下，折射率变化随施加的电场的增加而增加。将施加的电压的大小设为36.5V，该电压是击穿前的电压。

测量中使用的波长如下。各材料在下面给出的波长上具有较小吸收系数，这意味着是透明区。

GaInAs P/InP       1.53μm

二茂铁(Ferrocene)  800nm

其它量子点         650nm

反射光的量用GaInAsP/InP的反射光的量进行归一化。结果示于表3中。

如表3所示，在将电子注入由Au纳米粒子、Si纳米粒子、富勒烯分子、碳纳米管和二茂铁分子中的任一种形成的量子点中的情况下，可以得到较大的折射率变化。特别地，当介电基体具有更高的相对介电常数时，折射率变化增加。

在本实施例中，将结构部中的量子点的体积比率设为约5％。但是，如果量子点的体积比率增加，折射率变化也增加。

表3

量子点的材料(尺寸)	基体的材料(相对介电常数)	量子点的体积比率(％)	归一化的反射光量
				GaInAsP/InP	-	100％	1
Au(0.5nm)	PMMA(4)	5％	1.1
				Au(0.5nm)	二氧化钛(100)	5％	1.4
Si(0.7nm)	SiO<sub>2</sub>(4)	5％	2.1
				Si(0.7nm)	二氧化钛(100)	5％	2.7
C<sub>60</sub>(0.7nm)	聚苯乙烯(2.6)	5％	1.1
				C<sub>60</sub>(0.7nm)	二氧化钛(100)	5％	1.5
单壁碳纳米管(1nm)	聚苯乙烯(2.6)	5％	1.08
				单壁碳纳米管(1nm)	二氧化钛(100)	5％	1.4
二茂铁	PMMA(4)	5％	1.1
				二茂铁	二氧化钛(100)	5％	1.4

(实施例10)

图16是表示适用在液晶显示面板等中使用的简单矩阵结构的电极的折射率变化元件的分解透视图。

层叠其上形成X电极302的玻璃衬底301、隧穿阻挡层303、结构部304、另一隧穿阻挡层305和其上形成Y电极307的玻璃衬底306。通过在介电基体中分散量子点，制备结构部304。X电极302和Y电极307与电源单元310连接，且电源单元310由计算机320控制。

仅在X电极302和Y电极307的存在电势差的交点上向结构部304中的量子点注入电子，这引起这些点的折射率变化。在这种装置中，可以改变任意部分的折射率。因此，可以制造任意构造的光波导电路。

另外，本发明的折射率变化元件不限于图16中所示的形成X电极302和Y电极307的简单矩阵的构造。作为替代方案，可以在应改变折射率的各部分即单元中形成薄膜晶体管(TFT)。

然后，在图16中所示的折射率变化元件中，使得具有X电极302的玻璃衬底301和具有Y电极的玻璃衬底306可被去除。X电极和Y电极与结构部接触，并且，在将电子注入量子点的状态下形成光波导后，去除X电极和Y电极，然后立即确认作为光波导的功能。结果，已确认结构都提供作为光波导的希望的效果。

(实施例11)

在本实施例中，制造包含多段接合的折射率变化元件。不仅在单一接合中，而且在多段接合中导致库仑阻塞现象。这已由称为“库仑阶段”的现象证明。

图17是表示本实施例中的折射率变化元件的一个单元的断面图。该单元具有这样一种结构，即，在其上形成ITO电极(X电极)62的SiO₂衬底61上，层叠厚度为约3nm的SiO₂隧穿阻挡层63、通过在SiO₂基体65中分散尺寸为约1nm的Si₁₀量子点66制造的结构部64、厚度为约3nm的另一SiO₂隧穿阻挡层67、ITO电极(Y电极)68和覆盖SiO₂层69。在结构部64中，不仅在面内方向而且在厚度方向上，在SiO₂基体65中随机配置大量的Si₁₀量子点66。SiO₂基体65足够薄，以使得在Si₁₀量子点66之间的间隙中可存在电子隧穿。

单个单元的平面尺寸为约40nm²。在100nm²的衬底61上形成这种单元，以形成四方格子。与图16相同地，ITO电极(X电极)62和另一ITO电极(Y电极)68被配置为形成简单矩阵。

当在有指定位置的单元中将电子注入量子点66中时，在指定的定时向所选的X电极62施加正电压，并向所选的Y电极68施加负电压。此时，用于其中没有注入电子的单元的电极接地。由于在将电子注入量子点66中所需的电压上存在阈值，因此除了X电极和Y电极之间的电压差超过阈值，电子注入不会发生。

如果在所选的单元的电极间施加0～±100V的高频电压以将电子注入量子点66中，则可以改变所选单元的折射率。施加高频电压的原因是为了将电子注入不规定电压的所希望的单元中。由于各单元具有存储功能，因此一旦将电子注入单元，则电子得到保留。

首先，如图18中给出的平面图所示，通过以与入射光的波长接近的的量级的周期在具有高折射率的区域中周期性地配置具有低折射率的区域，形成光学晶体。在图18中，通过将电子注入有指定位置的单元中，形成高折射率单元401，并以形成光学晶体的格子点403的方式在高折射率单元401中密排低折射率单元402的多个组(三角形格子)，格子点403被形成为尺寸为约200nm的伪圆柱。光学晶体具有波长为800nm的光不可以穿过的光带隙。另外，格子点403的配置不限于图18中所示的二维密排。作为替代方案，也可以以诸如四方格子的其它排列配置格子点403。

然后，如图19中给出的平面图所示，在结构部64中形成弯曲的波导410。在这种情况下，在与波导410对应的区域内的所有单元中注入电子，以形成高折射率单元。在图19中，光穿过位于结构部64的一侧上的波导410的入口入射。并且，沿结构部64的相对侧配置三个光检测器A～C(411、412、413)。光检测器(B)412位于入射到波导410上的光的光轴的延长线上。光检测器(C)413位于波导410的出口的邻近。光检测器(A)411的位置远离光检测器(B)412和光检测器(C)413。

当在结构部64的所有单元都没有被注入电子的情况下从与图19中所示的波导的入口对应的位置入射激光时，光检测器(B)412检测到入射光的95％的量的光。光量的损失是由散射导致的。

在图19中所示的波导410以外的区域中，通过以形成图18中所示的规则排列光学晶体的格子点的方式将电子注入指定的单元，形成高折射率单元。在这种条件下，使波长为800nm的激光束入射到波导410。结果，激光束没有被光检测器(B)412检测到，但被光检测器(C)413检测到。

另一方面，在没有将电子注入图19中所示的波导410以外的部分中的单元中时，即在没有形成光学晶体的格子点时，光检测器(C)413检测到超过入射光的80％的光量的光。这样，即使没有光学晶体中形成波导，也可以形成通常的波导。因此，本发明中的折射率变化元件使得可以以可编程的方式改变折射率分布。

(实施例12)

变更图12中所示的折射率变化元件，使得用与图16类似的X电极和Y电极代替其间夹有结构部203的一对电极，并增加总的叠层数以将总体厚度增加到10mm。在该折射率变化元件中，硅量子点的厚度是元件的总体厚度的约30％。硅的折射率为约3.5，硅量子点的最大折射率变化率是12％。因此，最大折射率差乘以厚度得到的值是3.5×0.12×10×0.3＝1.26。

另一方面，在直径为50mm的玻璃平凸透镜中，由焦距800mm的中心部和周边部的折射率差(1.5)乘以厚度得到的值是1.5×0.8＝1.2，该值与上述值1.26基本相等。

制造具有图12所示的结构且尺寸为50mm的折射率变化元件。通过控制施加的电压，在同心圆上改变元件的折射率，使得使其中心部分具有最大的折射率、其周边部分具有最小的折射率，由此将折射率分布设置为圆弧状。已确认该折射率变化元件产生与焦距为800mm的玻璃平凸透镜基本相同的效果。

还可以通过改变诸如施加的电压的设置使本发明的折射率变化元件具有凹透镜或非球面透镜的特性，或改变其焦距。例如，已确认可以通过改变与衬底平行的面内的单位长度的折射率变化率，对焦距进行控制。如果束尺寸非常小，可以实现不能用玻璃透镜制造的短焦距透镜。

在折射率变化元件的表面上，为防止反射形成具有尺寸小于半波长的凹凸的半波长结构(sub-wavelength structure)，结果是反射率从10％减少到3％。如果在折射率变化元件的表面上形成多层膜，可以完全防止反射。

本发明不限于上述实施例。例如，本领域技术人员可以通过适当地选择基于以上说明的在本发明中使用的折射率变化元件的特定结构、形状、材料、尺寸、数量和配置，对本发明的折射率变化元件进行变更，以使本发明类似地发挥作用，从而得到类似的效果。很显然，上述变更包含在本发明的技术范围内。

并且，可由本领域技术人员通过变更上述的根据本发明的实施例的折射率变化元件和折射率变化方法的设计实现的折射率变化元件和折射率变化在本发明的技术范围内。

本领域技术人员很容易想到其它优点和变更方式。因此，在更宽方面的本发明不限于上面示出和说明的特定细节和代表性的实施例。因此，在不背离由所附的权利要求书和它们的等同物限定的一般发明概念的精神和范围的条件下，可以进行各种变更。

Claims (23)

1.一种折射率变化元件，包括：

包含具有离散能级的多个量子点和包围所述量子点的介电基体的结构部；和

通过所述介电基体将电子注入所述量子点的电子注入部。

2.根据权利要求1的折射率变化元件，还包括向所述结构部照射光的光源。

3.根据权利要求1的折射率变化元件，其特征在于，所述电子注入部由使所述结构部夹在其间的一对电极形成，且所述一对电极的至少一个被配置为与所述结构部的一部分对应。

4.根据权利要求1的折射率变化元件，其特征在于，所述电子注入部由使所述结构部夹在其间的一对电极形成，且所述一对电极的至少一个是透明的。

5.根据权利要求1的折射率变化元件，其特征在于，所述介电基体具有7或更高的相对介电常数。

6.根据权利要求1的折射率变化元件，其特征在于，所述量子点包含选自包含金属微粒子、半导体微粒子、富勒烯分子、碳纳米管和有机分子的组中的一种材料。

7.一种折射率变化元件，包括：

包含具有离散能级的多个量子点和包围所述量子点的介电基体的结构部；和

通过所述介电基体从所述量子点释放电子的电子释放部。

8.根据权利要求7的折射率变化元件，还包括向所述结构部照射光的光源。

9.根据权利要求7的折射率变化元件，其特征在于，所述电子释放部由使所述结构部夹在其间的一对电极形成，且所述一对电极的至少一个被配置为与所述结构部的一部分对应。

10.根据权利要求7的折射率变化元件，其特征在于，所述电子释放部由使所述结构部夹在其间的一对电极形成，且所述一对电极的至少一个是透明的。

11.根据权利要求7的折射率变化元件，其特征在于，所述介电基体具有7或更高的相对介电常数。

12.根据权利要求7的折射率变化元件，其特征在于，所述量子点包含选自包含金属微粒子、半导体微粒子、富勒烯分子、碳纳米管和有机分子的组中的一种材料。

13.一种折射率变化元件，包括：包含具有离散能级的多个量子点和包围所述量子点的介电基体的结构部，其特征在于，通过电子的注入被转换为阴离子的量子点或通过电子的释放被转换为阳离子的量子点不均匀地存在，以使所述结构部的折射率分布不均匀。

14.根据权利要求13的折射率变化元件，其特征在于，所述介电基体具有7或更高的相对介电常数。

15.根据权利要求13的折射率变化元件，其特征在于，所还量子点包含选自包含金属微粒子、半导体微粒子、富勒烯分子、碳纳米管和有机分子的组中的一种材料。

16.一种折射率变化方法，包括以下步骤：

制备包含具有离散能级的多个量子点和包围所述量子点的介电基体的结构部，和

将电子注入所述量子点或从所述量子点释放电子，以改变所述结构部的折射率。

17.根据权利要求16的折射率变化方法，其特征在于，所述介电基体具有7或更高的相对介电常数。

18.根据权利要求16的折射率变化方法，其特征在于，所还量子点包含选自包含金属微粒子、半导体微粒子、富勒烯分子、碳纳米管和有机分子的组中的一种材料。

19.一种折射率变化元件，包括：

可以表现出库仑阻塞现象的结构部；和

将电子注入所述结构部的电子注入部，

其特征在于，所述元件基于由于所述库仑阻塞现象产生的所述结构部的能级的变化，改变其折射率，所述库仑阻塞现象是通过从所述电子注入部到所述结构部的电子注入而产生的。

20.根据权利要求19的折射率变化元件，其特征在于，所述从所述电子注入部到所述结构部的电子注入是由隧穿产生的。

21.根据权利要求19的折射率变化元件，其特征在于，所述结构部包含岛结构和包围所述岛结构的阻挡层，且所述电子注入部可以通过克服所述阻挡层的电势高度将电子注入所述结构部中。

22.一种光波导元件，包含以入射光的波长的量级的周期周期性配置的多个根据权利要求19的折射率变化元件，以形成对于所述入射光的光带，所述光波导元件可以通过改变所述折射率变化元件的一部分中的所述折射率形成对于所述入射光的光波导。

23.一种折射率变化方法，包括以下步骤：

制备可以表现出库仑阻塞现象的结构部；和

从电子注入部将电子注入所述结构部中，以通过所述库仑阻塞现象改变所述结构部的能级，由此改变所述结构部的所述折射率。

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