Лозовский В.Н. - Нанотехнология в электронике, страница 54

Сужение между ними представляет собой кванто)вую проволоку, диаметр которой можно регулироватьвеличиной смещения на затворах. Именно в такой струк)туре впервые экспериментально наблюдалось квантованиесопротивления (при 0,6 К).8.7.КОНТАКТЫК ОТДЕЛЬНЫМ МОЛЕКУЛАМПри проектировании молекулярных электронных схемключевой задачей является расчет электронного транспор)та в схеме.

Решение этой задачи требует знания электро)проводности отдельных молекул, используемых в качест)ве межсоединений, а также электрических характеристиктех молекул, которые служат базовыми элементами. Дляэкспериментального определения этих величин необходи)мо подсоединять источник тока и измерительные прибо)ры к концам индивидуальной молекулы. Проблема кон)тактов — одна из сложнейших в молекулярной электро)нике. Контакты должны быть омическими, иметь малоесопротивление по сравнению с сопротивлением самой мо)лекулы, а среда, окружающая и поддерживающая самумолекулу, должна иметь электрическое сопротивление нанесколько порядков более высокое, чем исследуемая мо)лекула. Только при таких условиях можно считать, чтоизмеренные характеристики относятся к самим молеку)лам и не искажены окружающей средой.В лабораторных условиях реализовано несколько мето)дов соединения молекул с электродами.

Хороший электри)ческий контакт дает химическая связь между молекулой306НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьи электродом. Экспериментально установлено, что сильнаяхимическая связь образуется между атомами серы (или се)лена) и атомами золота (или серебра). Поэтому в большин)стве опытов использовались золотые электроды и измеря)лось сопротивление органических молекул с концевымигруппами, содержащими атомы серы. Для формированияэлектродов, между которыми находятся молекулы, соеди)ненные с ними концами, применяется несколько методов.Рассмотрим некоторые из них.Механически контролируемый разрыв.

Схема устрой)ства для проведения механически контролируемого разры)ва показана на рис. 8.66. Эластичная подложка 1 покрыва)ется изолирующим слоем 2. Поверх слоя литографиче)ским способом наносится золотая полоска 3, состоящая издвух широких частей, соединенных узкой перемычкой(рис. 8.66б). Изолирующий слой вокруг золотой структу)ры удаляется травлением, при этом происходит его подтрав)ливание под золотой перемычкой, и образовавшийся мос)тик оказывается в подвешенном состоянии. В вакуумнойкамере подложка фиксируется в трех точках (в центре и покраям, рис.

8.66а), что дает возможность изгибать ее, при)жимая прутком 4 к упорам 5. Подложку осторожно изги)бают, при этом измеряется сопротивление между широки)ми концами золотой полоски. Узкий золотой мостик рас)тягивается и разрывается. Момент возникновения разрыва6 узкой части — мостика (рис. 8.66б) — фиксируется поскачку сопротивления. Регулируя изгиб подложки, мож)но сближать и удалять друг от друга концы мостика на не)обходимое расстояние. Точность установки расстояния ме)жду концами мостика составляет ~0,01 нм.

Устройство по)зволяет сближать концы мостика на расстояние, равноедлине молекулы.С помощью этого метода измерялась электропроводностьнескольких видов молекул. На рис. 8.66в,г,д приведеныструктуры трех видов молекул. Подготовленные электро)ды погружались в разбавленный раствор, содержащий ис)следуемые молекулы, и на поверхности электродов форми)ровался упорядоченный слой этих молекул.

Растворительиспарялся, электроды сближались до наступления прово)Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИа307вбгРис. 8.66Схема устройства дляпроведения механическиконтролируемого разрыва (а); золотая полоска доразрыва (б); структурымолекулпроводников (в, г);структура молекулыизолятора (д); молекулапроводник, соединеннаяс двумя золотыми электродами (е)дедимости между ними. При этом расстояние между концамимостика было равным длине молекулы (рис. 8.66е).В настоящее время нет метода микроскопии, позволяю*щего наблюдать молекулы в переходе между электродами.Но некоторые результаты (воспроизводимость величины308НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ.

Введение в специальностьсопротивления между контактами, вид зависимости диф#ференциальной проводимости dJ/dU от напряжения U) го#ворят в пользу того, что с двумя электродами контактиру#ет только одна молекула (см. рис. 8.66е).Молекулы#проводники (в) и (г) имеют одинаковуюдлину — 2 нм, одинаковые концевые группы, одинако#вую концевую симметрию. Их измеренное сопротивлениеприблизительно одинаково и составляет ~2 МОм.

Сущест#вуют молекулы#проводники с иным сопротивлением (20–100 МОм). Для молекул#изоляторов типа (д) сопротивле#ние составляло ~5 ГОм.Метод электромиграции. Метод аналогичен предыду#щему. В качестве исходной также используется золотаяпластинка шириной ~100 нм и толщиной ~15 нм, располо#женная на изолирующей подложке и имеющая посерединемостик — сужение. Пластинка погружается в раствор, со#держащий исследуемые молекулы, которые формируютупорядоченный монослой на поверхности пластинки. Попластинке пропускается ток возрастающей величины, про#исходит электромиграция атомов золота, и пластинка раз#рывается в самом узком месте.

Получается зазор шириной1–2 нм, куда электрическим полем втягивается молекулаи прикрепляется концевыми атомами серы к электродам —краям разрыва. Таким способом была соединена с элек#тродами молекула#транзистор в устройстве, описанном вразделе 7.8.5.Метод димеров. Недостатками двух предыдущих мето#дов являются отсутствие достоверных данных о числе моле#кул между электродами и отсутствие информации о форме иструктуре металлических контактов вблизи молекулы.

Ме#тод димеров позволяет с большей надежностью установитьналичие между контактами единственной молекулы.Для синтеза димеров раствор молекул с тиоловымигруппами на обоих концах смешивался с коллоиднымичастицами золота диаметром 10–50 нм. Расстояние меж#ду ними может составлять ~1 нм (рис. 8.67в), что пример#но соответствует длине молекулы ВDMТ. Структуры ис#следованных молекул показаны на рис. 8.67а. Молекулыприкреплялись к коллоидным частицам посредством об#309Часть 3.

ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИабвРис. 8.67Структуры трехисследованных молекул:а — 1,4$бензол$диметанотиол (ВDMТ);4,4¢$бифенилдитинол (ВРD); би$(4$меркаптофенил)$эфир (ВРЕ); б —электронномикроскопические изо$бражения димеров, тримеров и тет$рамеров ВDМТ; в — димеры колло$идных частиц; г — схема димера вконтакте с двумя электродами.гразования прочных химических связей между концевы$ми атомами серы и атомами золота.

Если к определеннойколлоидной частице присоединялась не одна молекула,то формировались тримеры, тетрамеры и т. д. Многоме$ры составляли несколько процентов от общего числа час$тиц. На рис. 8.67б приведены изображения димеров, три$меров и тетрамеров.

Изображение димера представленона рис. 8.67в. Для доказательства того, что большинстводимеров содержат только одну связующую молекулу, срав$нивались величины концентраций димеров с исходнымиконцентрациями молекул и коллоидных частиц. Димерыдиаметром 30 нм помещались с помощью специальнойпроцедуры на электроды (рис.

8.67г).Измерения показали, что переходное сопротивление«электродноколлоидная частица» имеет величину ~10 МОм,сопротивление молекул ВРD (проводников) изменяется впределах 5–0,5 ГОм при изменении напряжения в преде$лах 0,1–0,5 В. Для молекул ВРЕ и ВDМТ проводимостьпоявляется при напряжении ~1,5 В и ~1 В соответственнои составляет ~5 ГОм. В молекулах ВРЕ атом кислородамежду сопряженными кольцами (рис. 8.67а) полностью310НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьподавляет проводимость при U < 1,5 В.

Аналогичный эф%фект имеет место для молекул ВDМТ, в которых конце%вые метиленовые группы подавляют перекрытие молеку%лярных орбиталей с контактами.Таким образом, к настоящему времени найдены спо%собы соединения концов некоторых органических молекулс электродами. Экспериментально показано, что индиви%дуальные молекулы способны проводить ток; измерено со%противление ряда молекул.

Показано, что проводимостьмолекулы зависит от ее структуры и что вольт%амперныехарактеристики перехода «металл–молекула–металл» не%линейны. На кривых зависимостей J(U) имеются особен%ности, которые можно интерпретировать как проявлениекулоновской блокады.8.8.ЛИНЕЙНАЯ МЕРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙС ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОННЫХИ АТОМНОСИЛОВЫХ МИКРОСКОПОВ8.8.1.НАЗНАЧЕНИЕ ЛИНЕЙНЫХ МЕРВ настоящее время измерения в микро% и наномерно%вом диапазонах осуществляются с помощью растровыхэлектронных и сканирующих зондовых микроскопов. На%пример, на предприятиях, производящих микроэлектрон%ные устройства, имеются операторы, измеряющие линей%ные размеры элементов ИМС в процессе их изготовления.Измерения производятся на электронных и атомно%сило%вых микроскопах.