CN102282646A - 量子点超级电容器和电子电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种固态能量存储设备，该固态能量存储设备具有至少一个量子限制物质(QCS)，其中QCS(102)可包括量子点(QD)、量子阱或纳米线。本发明还包括：至少一个QCS纳入于其中的介电材料(104)的至少一个层；设置在介电材料的至少一个层的顶表面上的第一导电电极(106)；设置在介电材料的至少一个层的底表面上的第二导电电极(108)，其中配置第一电极和第二电极以将电荷转移至至少一个QCS，当配置电路以跨第一电极和第二电极提供电势时，该电势将转移的电荷从至少一个QCS排放至电路。
Description
技术领域
本发明总地涉及能量存储设备。更具体地，本发明涉及固态电容器和电池。
背景技术
能量存储是大量和多种电子设备的关键组件，尤其是对移动设备和车辆而言。能量存储设备包括存储电荷以稍后通过电路放电的电容器以及依靠离子和化学反应存储和释放能量的电池。已有能量存储设备具有许多缺点，包括低能量存储密度、慢充电/放电性能以及高劣化率。例如，已有电池中的低存储密度一般需要设计大而重的设备来存储足够量的能量。
尺寸和重量需求可能降低电池供电的设备的性能，例如在混合动力型车辆或电车中。由于存储在电池中的离子的大尺寸和重量，电池具有低存储密度。传输已有电池中的离子也造成慢充电和放电性能。此外，已有电池对离子传输的依赖性造成电池的高劣化率。能量存储设备已基于非常大范围的物理效应。例如，可采用电场来将能量存储在电容器中，并可采用化学反应(包括离子运动)来将能量存储在电池中。然而，电容器中的能量存储可能受设备几何形状(例如具有有限面积的2D电容器极板)的限制，并且电池可能因为电化学反应中固有的离子运动而具有慢响应时间。因此，提供具有比电容器更高的能量密度、比电池更快的充电/放电和/或寿命远比电池长久的能量存储将会是业内的一大进步。
发明内容
本发明提供一种固态能量存储设备，该固态能量存储设备具有：至少一个量子限制物质(QCS)；介电材料的至少一个层，至少一个QCS纳入到该介电材料的至少一个层中；配置在介电材料的至少一个层的顶表面上的第一导电电极以及配置在介电材料的至少一个层的底表面上的第二导电电极，其中第一电极和第二电极设置成将电荷转移至至少一个QCS，其中当电路设置成跨第一电极和第二电极提供电势时，该电势将转移的电荷从至少一个QCS排放至电路。
根据本发明的一个方面，QCS可包括量子点(QD)、量子阱或纳米线。
在另一方面，固态能量存储设备的充电速率是根据能维持至少两个QCS之间的间隙的结构的厚度、至少一个QCS和一个电极之间的间隙的厚度、QCS和介电层之间的能垒或介电材料的至少一个层的介电常数定义的。
在本发明的又一方面，固态能量存储设备的放电速率是根据能维持至少两个QCS之间的间隙的结构的厚度、至少一个QCS和一个电极之间的间隙的厚度、QCS和介电层之间的能垒或介电材料的至少一个层的介电常数定义的。
在本发明的另一方面，根据可包括QCS尺寸或QCS材料的诸特征，多个QCS以分梯度方式配置在第一电极和第二电极之间。另外，梯度中的相对大尺寸QCS可包括量子点、量子阱、纳米线和块状(bulk)材料。根据这个方面，梯度中的相对大尺寸QCS包括具有第一功函数的材料，而梯度中的相对小QCS包括第二功函数。
根据本发明的一个方面，多个QCS按照尺寸设置，其中相对大尺寸的至少一个QCS被相对小尺寸QCS的阵列包围。在这个方面，相对大尺寸QCS可以是量子点、量子阱、纳米线或块状材料。此外，相对大尺寸QCS包括具有第一功函数的材料而相对小尺寸QCS包括第二功函数。
在本发明的另一方面，通过材料配置QCS，其中具有高功函数的材料被相对低功函数QCS的阵列包围。
在本发明的另一方面，通过材料配置QCS，其中具有低功函数的材料被相对高功函数QCS的阵列包围。
在本发明的另一方面，配置多个QCS以使其具有功函数梯度。
根据本发明的另一方面，根据尺寸设置多个QCS，其中相对小尺寸QCS被相对大尺寸QCS的阵列包围。在这个方面，相对大尺寸QCS可包括量子点、量子阱、纳米线或块状材料。
在本发明的又一方面，固态能量存储设备包括具有设置成串联或并联的电输出的至少两个固态能量存储设备。
再一方面，至少一个阵列的QCS在介电材料的至少一个层的表面上形成至少一个机能层。在这个方面，机能层可包括具有不同功函数的不同材料，其中机能层设置成在第一电极和第二电极之间形成化学势梯度。这里，机能层可包括配置在介电层内的QD阵列、配置在介电层内的量子阱阵列、配置在介电层内的纳米线阵列或配置在介电层内的块状材料，或任意上述组合。此外，机能层可包括电子亲合势大于至少一个介电层的电子亲合势的材料。根据当前方面，至少一个机能层可配置在另一机能层上。另外，至少一个机能层可配置在第一介电材料中而至少另一个机能层可配置在至少第二介电材料中。这里，势垒层可配置在这些机能层之间。在这个方面，QCS可配置成尺寸或材料分梯度的。
根据本发明的又一方面，至少一个阵列的QCS在介电材料的至少一个层之间形成至少一个机能层。
在本发明的一个方面，提供一种固态能量存储设备，其具有：至少一个量子限制物质(QCS)，该至少一个QCS纳入到介电材料的至少一个层中；配置在介电材料的顶表面上的第一导电电极以及配置在介电材料的底表面上的第二导电电极，其中第一电极和第二电极设置成对介电材料和QCS极化。
附图说明
通过结合附图阅读下面的详细说明将理解本发明的目的和优点，在附图中：
图1示出根据本发明的固态能量设备的示意图。
图2a-2c示出根据本发明的不同量子限制物质。
图3a-3b示出根据本发明的内嵌有QCS的固态能量设备。
图4a-4d示出根据本发明的按照尺寸配置的QCS的实施例。
图5a-5b示出根据本发明的按照尺寸串联和并联配置的固态能量设备的电路图。
图6示出根据本发明的具有带梯度模式的QCS和能垒的两个机能层的固态能量存储设备，其中机能层具有梯度模式的QCS。
图7示出根据本发明的重复层叠的固态能量设备。
图8a-8j示出根据本发明的制造固态能量设备的步骤。
具体实施方式
尽管下面的详细说明为解说目的而包含许多细节，但本领域内普通技术人员很容易理解，对下面示例性细节的许多变型和变更落在本发明的范围内。因此，对本发明的下面优选实施例的阐述是没有任何共性丧失并且不对所要求保护的发明强加任何限制。
本发明针对能克服已有能量存储设备的前述缺点的固态能量存储设备。本发明的设备包括内嵌到介电材料中或配置在介电材料表面上的一个或多个量子限制结构(QCS)，并由例如两个或更多个金属电极的导电电极包围。当对电极充电时，至少一些电荷被转移至QCS。此外，电极充电引起介电材料和QCS的极化。当电极从充电电路断开时，一些电荷残留在QCS中并可存储以供稍后放电。通过跨电极施加适当电势，可将QCS放电，这造成电流流动。
需要注意的是，本发明针对具有非常高存储密度的电容器和电子电池。由于本发明的能量存储设备使用QD而不是离子来存储电子，因此提供具有高存储容量的小而轻的设备。此外，电子传输允许快速充电和放电。本发明的固态设备也具有优于已有能量存储设备的改善的劣化特性。在当前方法中，能量存储是经由体积中的电子完成的，与表面电荷(例如电容器)或离子(例如电池)相反。
在本发明的实施例中，设备的充电/放电速率和存储容量是可调的。充电和放电速率取决于QD之间的间隙和介电材料的介电常数，因此可通过改变QD之间的距离、介电常数或其组合来改变速率。充电和放电速率还取决于介电材料和QD的电子亲合势。
在一个实施例中，能量存储设备具有不同尺寸的QCS。优选地，大QCS位于一个电极附近而较小的QCS位于相对的电极附近。电荷优先存储在较大QCS中。即使当电池处于中性时，尺寸分布的梯度也允许QCS极化，即较大的QCS由于靠近较小的QCS而被极化。当对设备充电时，多余的电荷优先地包含在较大点内，由此增加所存储的电荷。在另一实施例中，较小QCS的阵列配置在较大QCS周围。替代地，较小QCS可由较大QCS的阵列包围。要注意，QCS可具有宽范围的尺寸。尤其在某些实施例中，较大QCS可由纳米线或量子阱代替和/或较小QCS可象单个原子那么小。
在另一优选实施例中，能量存储设备可包括彼此相连的多个重复单元，例如通过将多个单元在彼此顶部层叠而成。这些单元中的每一个本身能存储一定量的电荷，因此具有多个重复单元的设备能存储更大量的电荷。由于连续层叠的这些单元的电压是加性的，并且能量密度随电压的平方而缩放，因此在该实施例中能获得高得多的能量密度。
在另一实施例中，配置QD可由不同材料制成。另外，第一QD可由具有比第二QD更大功函数的材料制成。电子转移起因于邻近材料之间的费米能级差，因此可通过更大的费米能级差来获得更大的极化。
根据本发明的又一些实施例，可通过在绝缘基质的任一侧设置导电电极来提供改善的能量存储。一个或多个机能层配置在绝缘基质中，通过薄(大约1nm-25nm)绝缘层或厚(大约10nm-700nm)绝缘层彼此隔开，通过所述薄绝缘层可发生隧穿，而所述厚绝缘层对电流来说是高阻性的。机能层可包含具有不同费米能级的QCS以产生化学势梯度。此外，机能层可以是量子限制的，如同量子阱、纳米线或量子点。这些量子限制可提供调整机能层的费米能级的手段。机能层可以是金属性的或者是半导体，并能包含电子亲合势高于绝缘基质的电子亲合势的内嵌QCS。该绝缘基质材料应当具有高的击穿电压。若干机能层可在彼此的顶部层叠。
电子隧穿形成平衡的电势梯度以使电化学势保持均衡。当某一极性的电压施加于设备时，它消除均衡化学势以迫使电子进入更高费米能级的材料(即充电电流流动)。当撤去电压时，某些电荷仍然存在于机能层中。这就是设备的充电状态。当从设备汲取放电电流时，电极的电压降低，并且所存储的电荷将流至较低费米能量材料。这就是放电循环，并且机能层之间以及从机能层至电极的电子流动将构成电流。
本发明的应用包括电车能量存储(EV或PHEV电池)、便携式电子设备(膝上计算机、蜂窝电话等)以及军用设备/武器，其优点包括高能量密度存储(可能大于250瓦时/公斤)、高功率密度存储(～108瓦/公斤)、快充电/放电速率以及由于没有化学反应的随时间低劣化率。其它优势包括没有运动原子/离子、没有灾难和不安全故障的危险。
现在参见附图，图1示出根据本发明的固态能量存储设备100的示意图。如图所示，固态能量存储设备100包括：至少一个量子限制物质(QCS)102；介电材料的至少一个层104，至少一个QCS 102纳入到该介电材料的至少一个层104中；配置在介电材料的至少一个层104的顶表面上的第一导电电极106；以及配置在介电材料的至少一个层104的底表面上的第二导电电极108，其中第一电极106和第二电极108配置成将电荷转移至至少一个QCS 102，当电路配置成跨第一电极106和第二电极108提供电势时，该电势将转移的电荷从至少一个QCS 102排放至电路。
图2a-2c示出根据本发明的不同量子限制物质200，其中图2a示出量子点(QD)202，图2b示出量子阱204而图2c示出纳米线206。
根据本发明，固态能量存储设备100的充电速率或放电速率是根据设备结构定义的，所述设备结构可包括至少两个QCS 102之间的间隙、至少一个QCS 102和一个电极106/108之间的间隙、QCS 102和介电层104之间的能垒或介电材料104的至少一个层的介电常数。
在本发明的一个实施例中，图3a-3b示出内嵌在固态存储设备300内并位于介电材料304/308的至少一个层的表面上的QCS。在这方面，包含QCS 302/306的不同层包括具有不同功函数的不同材料，其中QCS层302/306配置成在第一电极310和第二电极312之间形成化学势梯度。要理解，至少一个QCS层302可配置在第一介电材料304中而至少另一QCS层306可配置在至少第二介电材料308中。根据本发明，QCS层302/306可包括：i)配置在介电层内的QD的阵列，ii)配置在介电层内的量子阱的阵列，(iii)配置在介电层内的纳米线的阵列以及(iv)配置在介电层中的块状材料，或其任意组合形式。此外，QCS层302/306可包括电子亲合势比至少一个介电层304/308的电子亲合势更高的材料，其中至少一个介电层304/308的能带隙可以高于2eV并优选地高于3eV。根据本方面，至少一个QCS层302/306可配置在另一QCS层上，如图3b所示。在这个方面，QCS可配置成尺寸或材料分梯度的，如图6所示。
QCS可通过材料配置，其中具有高功函数的材料被相对低功函数QCS的阵列包围。替代地，具有低功函数的材料可被相对高功函数QCS的阵列包围。另外，可设置多个QCS以使其具有功函数梯度。根据本发明的另一实施例，图4a-4b示出根据尺寸400设置的QCS的实施例，其中图4a示出相对大尺寸QCS 402被相对小尺寸QCS 404的阵列包围。相对大尺寸的QCS402包括具有第一功函数φ1的材料而相对小尺寸的QCS 404包括第二功函数φs，其中根据一个实施例，第一功函数φ1大于第二功函数φs。如图4b所示，本发明的另一实施例包括由相对大尺寸QCS 401的阵列包围的相对小尺寸QCS 404。在图4a和4b所示的实施例中，相对大尺寸QCS 402可包括量子点404、量子阱402、如图4c和4d所示的块状材料406或纳米线408。
图5a-5b示出串联和并联设置的固态能量设备的电路图。在本发明的一个实施例中，固态能量存储设备包括至少两个固态能量存储设备100，其电输出502如图5a所示串联配置或如图5b所示并联配置。
在本发明的一个实施例中，多个QCS根据一些特征以梯度模式设置在第一电极和第二电极之间，所述特征可包括QCS的尺寸或QCS的材料，其中横跨第一电极和第二电极之间的梯度存在电荷极化。图6示出根据本发明的示例性尺寸梯度模式的QCS固态能量存储设备600，在该例中示出设置在相对薄的介电层604/608内的机能层602/606中的QD尺寸梯度，其中介电层604/608内的QD梯度形成厚度在
范围内的机能层。要理解，机能层中的QCS可以是QD、量子阱、纳米线或块状材料。图6进一步示出相对厚的绝缘层610，该绝缘层610具有范围在1nm-500μm的厚度以及相对高的电子亲合势、相对高的能带隙和相对高的击穿电压。层610被设置在两相对薄介电层304/308之间，相对薄介电层304/308具有范围在0.3nm-300μm的厚度。绝缘层610是固态能量存储设备600的可选层。层610的能带隙可高于1eV并优选地高于4eV。击穿电场优选地高于1MV/cm并更优选地高于3MV/cm。第一电极612具有相对小的功函数φs并被设置在第一相对薄的介电层604的顶表面上，其中相对小的功函数φs可低于4eV并优选地低于3eV。用作具有相对小的功函数φs的第一电极612的一些示例性材料可包括Zn、Li、Na、Mg、K、Ca、Rb、Sr、Ba、Cs、掺杂的金刚石和Y，这只是其中的一部分。第二电极614具有相对大的功函数φ1并被设置在第二相对薄的介电层606的底表面上，其中相对大的功函数φ1可高于4.5eV并优选地高于5.5eV。用作具有相对大的功函数φ1的第二电极312的一些示例性材料可包括Au、Pt、W、Al、Cu、Ag、Ti、Se、Ge、Pd、Ni、Co、Rh、Ir和Os，这只是其中的一部分。使用例如Ni、Pt、Cu、Ag、Au和Ir的高态密度(DOS)材料(这只是其中的一部分)，量子限制的有源层的尺寸梯度是可高度极化的。本发明提供在基质材料中化学稳定(例如如果基质材料是氧化物则不被氧化)的QCS。用作介电层的材料的一些示例包括，但不局限于，Al2O3、Si、TiO2、氮化钛、氮氧化钛、Ge、ZnO、ZrO2、HfO2、SiO2、Si3N4、Y2O3、BaTiO3、SrO、SrTiO3及其组合物。根据本发明，用作QCS的材料示例可包括例如Pt、Au、Ni、Ag、W、Ti、Al、Cu、Pd、Cs、Li、Na、K、Y、Sr和Ba的金属。用作QCS的材料的其它示例可包括例如PbSe、PbS、ZnS、CdSe、CdS、ZnSe、Ge、Si、Sn的低能带隙半导体和例如RuO2的导电氧化物。具有相对高能带隙和相对高击穿电压的相对厚绝缘层610可由例如ZnS、TiO2、Al2O3、ZrO2、Y2O3、HfO2、Si3N4、SiO2、其它氧化物、氮化物、硫化物、硒化物的材料制成，这只是其中的一部分。根据本实施例，提供跨尺寸梯度602/606的功函数的连续变化。另外，梯度中相对大尺寸QCS 616可包括量子阱、纳米线和块状材料，其中根据一个实施例，相对大尺寸QCS 616可具有实际上与块状材料一样大的最小尺寸，例如对金属而言超过3nm-10nm而对一些半导体而言超过40nm，或至少大于相对小的QCS。根据这个方面，梯度602/606中相对大尺寸的QCS 616包括具有第一功函数的材料，而梯度602/606中相对小尺寸的QCS 618包括第二功函数，其中根据一个实施例，相对小的QCS 618对金属而言可具有从1个原子至3-10nm的最小尺寸，并对半导体而言具有高于40nm的最小尺寸。
在本发明的另一实施例中，图7示出重复叠层的固态能量设备700。这里，固态能量设备的叠层702可包括介电层704、设置在介电层704上的量子阱层706、设置在量子阱层706上的相对薄介电层708以及设置在相对薄介电层708上的相对超小QD 710的阵列。这里示出两个叠层702，但要理解叠层可在电极712/714之间任意地重复多次。
在本发明的另一实施例中，图8a-8j示出用于制造固态能量设备的可行步骤顺序800。如本领域内技术人员所显而易见的那样，许多步骤和方法的变化是可行的，这里给出下列示例性顺序。如图8a所示，例如玻璃的衬底802被清洗并使用溅射镀膜、蒸镀或旋涂工艺将背面电极804沉积到衬底802上。替代地，可将金属箔用作衬底。对组件进行清洗并使用原子层沉积(ALD)沉积QCS结构808的10nm-200nm有源层806，如图8b所示。图8c示出在活性层806上设置掩模层810并将活性层808蚀刻成要求的形状或图案的下一步骤，其中图8d示出去除的掩模810和被清洗过的结构。图8e示出使用CVD或PVD来沉积100nm-500nm绝缘层812的步骤，该绝缘层812被清洗和有选择地平整化。图8f示出使用ALD在绝缘层812b上沉积另一10nm至200nm的有源层814的步骤。在该结构上提供另一掩模层816并对该结构进行蚀刻，如图8g所示，掩模层随后在下一步骤中被去除并对结构进行清洗。图8h示出从结构底部至顶部沉积的金属剥离(lift off)掩模层818，并使用溅射、蒸镀或旋涂来沉积顶部电极820，如图8i所示。图8j示出将金属剥离层818去除并清洗最终结构821以进行切割和引线接合。
已根据若干示例性实施例对本发明进行了说明，这些实施例在所有方面都是旨在解说而非限定。因此，本发明能够有许多详细实现变化，这些变化可由本领域内普通技术人员从本文包含的说明中得出。例如，尺寸梯度QCS的示例可与具有材料梯度的材料结合，也可以任何方式配置。又如，QCS可采用例如球形、圆锥、棱锥的任何形状或例如三角形或圆的近似二维形状。
所有这些变化被认为落在由下面的权利要求及其法定等效物定义的本发明的范围和精神内。
Claims (24)
1.一种固态能量存储设备，包括：
a.至少一个量子限制物质(QCS)；
b.至少一层介电材料，其中所述至少一个QCS纳入于所述介电材料的至少一个层中；以及
c.设置在所述介电材料的至少一个层的顶表面上的第一导电电极以及设置在所述介电材料的至少一个层的底表面上的第二导电电极，其中所述第一电极和所述第二电极设置成将电荷转移至所述至少一个QCS，从而当电路设置成跨所述第一电极和所述第二电极提供电势时，所述电势将所转移的电荷从至少一个QCS排放至电路。
2.如权利要求1所述的固态能量存储设备，其特征在于，所述QCS是从包含量子点(QD)、量子阱和纳米线的组中选择的。
3.如权利要求1所述的固态能量存储设备，其特征在于，所述固态能量存储设备的充电速率是根据从下组中选择的标准来定义的，所述组包括：至少两个所述QCS之间的间隙的厚度、至少一个所述QCS和一个所述电极之间的间隙的厚度、所述QCS和所述介电层之间的能垒以及所述介电材料的所述至少一个层的介电常数。
4.如权利要求1所述的固态能量存储设备，其特征在于，所述固态能量存储设备的放电速率是根据从下组中选择的标准来定义的，所述组包括：至少两个所述QCS之间的间隙的厚度、至少一个所述QCS和一个所述电极之间的间隙的厚度、所述QCS和所述介电层之间的能垒以及所述介电材料的所述至少一个层的介电常数。
5.如权利要求1所述的固态能量存储设备，其特征在于，多个所述QCS根据从由所述QCS的尺寸或所述的QCS材料构成的组中选择的特征以梯度方式配置在所述第一电极和所述第二电极之间。
6.如权利要求5所述的固态能量存储设备，其特征在于，提供跨所述尺寸梯度的功函数的连续变化。
7.如权利要求5所述的固态能量存储设备，其特征在于，所述梯度中的相对大尺寸的所述QCS从由量子点、量子阱、纳米线和块状材料构成的组中选取。
8.如权利要求5所述的固态能量存储设备，其特征在于，所述梯度中的相对大尺寸的所述QCS包括具有第一功函数的材料，而所述梯度中的相对小尺寸的QCS包括第二功函数。
9.如权利要求1所述的固态能量存储设备，其特征在于，按照尺寸配置多个所述QCS，其中相对大尺寸的至少一个所述QCS被相对小尺寸的所述QCS的阵列包围。
10.如权利要求9所述的固态能量存储设备，其特征在于，所述相对大尺寸的QCS从由量子点、量子阱、纳米线和块状材料构成的组中选择。
11.如权利要求9所述的固态能量存储设备，其特征在于，所述相对大尺寸的所述QCS包括具有第一功函数的材料而所述相对小尺寸的QCS包括第二功函数。
12.如权利要求1所述的固态能量存储设备，其特征在于，按照尺寸配置多个所述QCS，其中相对小尺寸的至少一个所述QCS被相对大尺寸的所述QCS的阵列包围。
13.如权利要求12所述的固态能量存储设备，其特征在于，所述相对大尺寸的QCS从由量子点、量子阱、纳米线和块状材料构成的组中选择。
14.如权利要求1所述的固态能量存储设备，其特征在于，所述固态能量存储设备包括至少两个所述固态能量存储设备，至少两个所述固态能量存储设备的电输出串联或并联设置。
15.如权利要求1所述的固态能量存储设备，其特征在于，所述QCS的至少一个阵列在所述介电材料的至少一个层的表面上形成至少一个机能层。
16.如权利要求15所述的固态能量存储设备，其特征在于，所述机能层包括具有不同功函数的不同材料，其中所述机能层设置成在所述第一电极和所述第二电极之间形成化学势梯度。
17.如权利要求15所述的固态能量存储设备，其特征在于，所述机能层从设置在所述介电层内的QD阵列、设置在所述介电层内的量子阱阵列、设置在所述介电层内的纳米线阵列以及设置在所述介电层内的块状材料中选择。
18.如权利要求15所述的固态能量存储设备，其特征在于，所述机能层包括电子亲合势低于所述至少一个介电层的电子亲合势的材料。
19.如权利要求15所述的固态能量存储设备，其特征在于，至少一个所述机能层设置在另一所述机能层上。
20.如权利要求15所述的固态能量存储设备，其特征在于，至少一个所述机能层设置在第一介电材料中而至少另一所述机能层设置在至少第二介电材料中。
21.如权利要求15所述的固态能量存储设备，其特征在于，势垒层设置在所述机能层之间。
22.如权利要求15所述的固态能量存储设备，其特征在于，所述QCS设置成尺寸或材料分梯度的。
23.如权利要求1所述的固态能量存储设备，其特征在于，所述QCS的至少一个阵列在所述介电材料的所述至少一个层之间形成至少一个机能层。
24.一种固态能量存储设备，包括：
a.至少一个量子限制物质(QCS)；
b.至少一层介电材料，其中所述至少一个QCS纳入到所述介电材料的至少一个层中；以及
c.设置在所述介电材料的至少一个层的顶表面上的第一导电电极以及设置在所述介电材料的至少一个层的底表面上的第二导电电极，其中所述第一电极和所述第二电极设置成对所述介电材料和所述QCS极化。
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