Автореферат (Исследование электронного транспорта в планарных наноструктурах молекулярного масштаба)

На правах рукописиСтепанов Антон СергеевичИсследование электронного транспорта в планарных наноструктурахмолекулярного масштаба01.04.04 – физическая электроника01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физикиАвтореферат диссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2014Работа выполнена в Центре фундаментальных исследований Национальногоисследовательского центра "Курчатовский институт"Научные руководители:доктор физико-математических наук,Снигирев Олег Васильевичкандидат физико-математических наук,Солдатов Евгений СергеевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор, заведующий кафедрой общей и экспериментальной физикиМосковского педагогического государственного университетаГольцман Григорий Наумовичкандидат физико-математических наук,заведующий лабораторией физических свойств нанокомпозитных материалов дляинформационных технологий Института радиотехники и электроникиим.

В.А. Котельникова Российской академии наукКолесов Владимир ВладимировичВедущая организация:Физико-технологический институтРоссийской академии наукЗащита состоится «5» июня 2014 года в 17-00 на заседании диссертационногосовета Д 501.001.66 при Московском государственном университете имениМ.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д.

1, стр. 2,Физический факультет МГУ, ауд. СФА.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке МГУ имениМ.В.Ломоносова и на сайте phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-001-66/ .Автореферат разосланУченый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.66,кандидат физико-математических наук«3» апреля 2014 годаИ.Н.Карташов2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования. Идея о том, что молекулы и квантовыеточки могут проводить электрический ток, была высказана достаточно давно.Однако именно сейчас эта возможность становится особенно актуальной.Молекулы, молекулярные соединения и наночастицы обладают фактическинеисчерпаемым разнообразием электрических, оптических, магнитных свойств ихарактеристик.

Это дает возможность рассматривать их как перспективныхкандидатов на создание электронных элементов - выпрямителей, диэлектриков,транзисторов и ячеек памяти следующего поколения. Предельно малые размеры(до 1 нм и меньше) молекулярных соединений, одиночных молекул или малыхнаночастиц позволяют говорить о возможном получении сверхплотной упаковкитаких элементов на поверхности (1012 - 1013 на см2). Исследование свойствмолекул (или ее аналогов в виде наночастиц) на основе химических реакций далодовольно много для понимания их свойств и характеристик молекул, нозадумываться об их практическом применении в электронных устройствах нельзябез возможности прямого исследования электронного транспорта черезодиночные молекулы и молекулярные соединения.

Чем ближе такие прямыеисследования будут к традиционным методам изучения полупроводниковыхматериалов, тем легче в будущем молекулы найдут практическое применение вреальных цифровых устройствах.Сейчас поиск и исследование молекулярных соединений перестают бытьуделом научного сообщества. Большие полупроводниковые компании активноищут новые подходы к созданию новой элементной базы.

На данный момент припроизводстве заказных микросхем используются технологические нормы 22 нм.Дальнейшие увеличения плотности элементов и тактовой частоты микросхемневозможны без уменьшения технологических норм. Крупнейшие компаниипланируют переход на производственную норму 14 нм в ближайшем будущем.При размерах менее 14 нм все отчетливее становится понятна непригодностьтрадиционных подходов к созданию полупроводниковых устройств. На стольмалых масштабах начинает существенно проявляться влияние примесей вполупроводниковых материалах, падает качество изолирующих слоев, возникаютсложности в процессе литографии и совмещения разных слоев масок междусобой.При проектировании элементов с размерами менее 10 нм открываетсявозможность использования новых физико-технических подходов к создаваемым3устройствам. В том числе становится возможным использование одиночныхмолекулярных кластеров в качестве рабочих элементов.

В последнее время сталипоявляться работы по конструированию электронных устройств на наноуровне, вчастности, путем размещения с помощью иглы атомно-силового микроскопаодиночных протеиновых белков (10 нм) между металлическими электродами.Более того, недавно с помощью сканирующего туннельного микроскопа иводородной литографии в зазор между электродами, образующими исток-стоктранзистора, был помещен одиночный атом фосфора и исследован транспортэлектронов через него. Однако эти способы очень экзотичны итруднопроецируются на производственные технологии.Более перспективным направлением может стать использование эффектакоррелированного туннелирования электронов в туннельных наноструктурах.

Какпоказано в настоящей диссертации, это направление совместимо с современнымитехнологиями создания комплементарных структур металл-оксид-полупроводник(КМОП) и может стать основным для создания электронных устройств новогопоколения. Устройства на основе данного эффекта, так называемыеодноэлектронные транзисторы, имеют малый размер (единицы и десятки нм),сравнимый с размером больших молекул или малых наночастиц, ибеспрецедентно низкий уровень выделяемого тепла (нВт).

Таким образом, крайнеактуальными являются задачи создания планарных туннельных наноструктурмолекулярного (нанометрового) масштаба и исследования их электрическиххарактеристик.Основным элементом электронных схем являются транзисторы. Поэтомусоздание лабораторного макета планарного транзистора, в котором используетсяэффект коррелированного туннелирования электронов, очень актуально. Такойтранзистор может стать одним из основных элементов пост-КМОП технологии.Первый 3х-мерный прототип такого одноэлектронного транзистора былреализован с использованием сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Вэксперименте транзистор представлял собой молекулу таллиевого производногокарборанового кластера 1.7-(СH3)2-1.2-C2B10H9Tl(OCOCF3)2, слабо связаннуютуннельными переходами с проводящей подложкой с одной стороны и иглоймикроскопа с другой.

Затвором для данного транзистора служил металлическийэлектрод, находящийся близко к используемой в качестве «острова» транзисторамолекуле. В таком 3х-мерном лабораторном макете транзистора удалосьнаблюдать коррелированный транспорт одиночных электронов через молекулу4остров с регистрацией характеристик управления при комнатной температуре,предельно высокой для эффекта коррелированного туннелирования электронов.Понятно, что построение каких-либо устройств на базе такого транзисторавозможно только при его планарной реализации.Основнымиэлементамиодноэлектронноготранзистораявляютсяцентральный остров (наночастица или молекула) и туннельные переходы кподводящим металлическим электродам истока и стока.

Размер наночастицы илимолекулы, как центрального острова, по сути, влияет на размер всей структуры вцелом и, самое главное, определяет максимальную температуру, при которойустройство еще сохраняет свою работоспособность в режиме коррелированного(одноэлектронного) туннелирования. Оценки показывают, что одноэлектронныйрежим работы такого транзистора при комнатной температуре реализуется приразмере центрального острова меньше 3 нм.

Именно при этом условии такойтранзистор, выполненный по планарной технологии, будет иметь практическуюценность и возможность применения в различных устройствах наноэлектроники.Указанный выше размер острова (3 нм) приводит на первом этапе к задачамсоздания и исследования транспорта электронов в наноструктуре электрод –молекула (или наночастица) – электрод.Целью работы являлись поиск и разработка практических методовсоздания наноструктур на основе одиночных молекул (наночастиц) иисследование особенностей электронного транспорта в наноструктурахмолекулярного масштаба.Для достижения этой цели в диссертации решались следующие задачи:1.

Поиск и разработка лабораторной технологии создания тонкопленочноймногослойной структуры надежно изолированных друг от друга нанопроводов (сширинами менее 100 нм), пригодных для создания электродов нанотранзистора.2. Создание установки (стенда), позволяющей проводить электромиграциюатомов в нанопроводах и обладающей способностью быстро отслеживатьизменение состояния нанопроводов для обеспечения контроля над процессом ихразрыва. Установка должна обладать возможностью измерений электрическиххарактеристик туннельных наноструктур и иметь для этого достаточно большоевходное сопротивление (более 10 ГОм).3. Исследование процесса разрыва тонких металлических пленок методомэлектромиграции с целью создания лабораторной технологии контролируемогоразрыва тонкопленочных нанопроводов и получения в них предельно малых (5 - 65нм) нанозазоров, пригодных для размещения одиночных молекул или наночастицс размерами 2 - 3 нм.4.