Автореферат (Исследование электронного транспорта в планарных наноструктурах молекулярного масштаба), страница 4

После этого весь процессэлектромиграции повторялся снова. Таким способом за несколько десятковитераций удавалось существенно деформировать нанопровод-заготовку иполучать нанозазоры шириной менее 5 нм.Кроме этого, была обнаружена непригодность использования стандартнойтехнологии напыления золотой пленки с адгезионными слоями Cr и Ti дляполучения наноэлектродов методом электромиграции.Продемонстрированавозможность использования тонких слоев диэлектрика Al2O3 в качествеадгезионного слоя между подложкой SiO2 или управляющим электродом из Al итонкой металлической пленкой золота.В третьей части главы приведено исследование динамики саморазрывапленки на заключительном этапе процесса электромиграции.

На рисунке 5представлен график саморазрыва одного из образцов. С течением временипроисходит разрушение отдельных квантовых каналов проводимости вобразованном в ходе электромиграции месте сужения нанопровода. Проводимостьнанопровода на рисунке нормирована на проводимость одиночного квантовогоканала. Каждая ступенька графика соответствует всего несколькимсохранившимся квантовым каналам проводимости. Под действием остаточныхнапряжений в месте сужения нанопровода происходит разрыв ковалентных связейотдельных атомов и общая проводимость нанопровода дискретно уменьшается(наблюдение процесса обеспечивается за счет приложенного малого напряжения(3 мВ)). При этом процесс саморазрыва иногда бывает обратим, и на графикевидны кратковременные увеличения проводимости нанопровода.

Сопротивлениенанопровода до начала процесса саморазрыва (2 - 3 КОм) можно однозначносвязать с количеством сохранившихся после электромиграции квантовых каналовпроводимости и, как следствие, с типичным временем (30 - 60 мин) их разрушенияпод влиянием остаточных напряжений в пленке золота после проведения процессаэлектромиграции.15Рис.5.

Динамика процесса саморазрыва пленки по завершении процессаэлектромиграции. Четко видно скачкообразное изменение проводимости вразрываемой пленке, обусловленное разрушением одиночных каналовпроводимости (G0 -проводимость квантового канала)В заключении третьей главы описаны преимущества предложенногоалгоритма электромиграции.

Доказывается пригодность полученных малыхнанозазоров (менее 5 нм с выходом годных более 75 %, рисунок 6) для построенияна их основе наносистем молекулярного масштаба и дальнейшего исследованияхарактеристик таких систем.Рис.

6. Нанозазор 3 нм между золотыми наноэлектродами, созданный спомощью управляемого проведения процесса электромиграции16В четвѐртой главе рассмотрена реализованная методика осаждения объектовмолекулярного масштаба (наночастиц) в области созданных нанозазоров. Вовведении приведен обзор известных из литературы различных методик осаждениянаночастиц на поверхность, указаны основные преимущества и недостаткиданных методик.В первой части четвертой главы описывается реализованная методикаполучения атомарно гладкой поверхности золотой пленки (0.2 нм на площадях сразмерами до 50 - 100 нм) на поверхности слюды, пригодная для изучениямеханизмов закрепления наночастиц на поверхности золотых пленок.В ходе работы определена оптимальная для получения практически атомарногладкой поверхности золотой пленки длительность отжига пленок прификсированных параметрах пленки (толщина – 20 нм) и подложки (слюда 8 х 8 ммтолщиной 0.2 мм).

При отжиге образца в пламени газовой горелки (35% пропан,65% бутан, температура ~700 С) определенная длительность составила 0.5 - 1 с,при отжиге на керамической плитке определенные оптимальные параметрытемпературы и длительности отжига составили 250 С и 2 часа соответственно.Во второй части четвертой главы приведено описание разработанныхметодик размещения и закрепления наночастиц золота в созданные узкие (менее 5нм) нанозазоры между тонкопленочными золотыми наноэлектродами.

Данныеметодики являются заключительным этапом в создании одной из системмолекулярного масштаба - планарного одноэлектронного транзистора. В работебыли использованы золотые наночастицы промышленно изготовленные (фирмыSigma-Aldrich) с диаметрами 2 – 3 и 3 - 5 нм, покрытые оболочкой издодекантиолов ((Au)-SCH2(CH2)10CH3).Показано преимущество эффективности осаждения наночастиц в нанозазорегравитационным методом (оседание частиц из раствора с последующимвысушиванием остатков раствора) перед нанесением методом центрифугирования.Подобраны концентрации малых (2 - 3 нм и 3 - 5 нм) наночастиц, подходящиедля создания наносистем молекулярного масштаба, в частности, для созданияодноэлектронного транзистора с зазором сток-исток менее 5 нм определенаоптимальная (одна наночастица на площадь 20 нм х 50 нм, охватывающуюнанозазор) концентрация наночастиц в растворителе 0.01 мг/мл.В заключении четвертой главы представлено сравнение различныхпримененных методик осаждения наночастиц на поверхность золотых электродов.Применение гравитационного метода осаждения малых наночастиц золота (2 - 5нм), покрытых оболочкой из додекантиолов, при концентрации частиц в17растворителе 0.01 мг/мл обеспечивает создание наносистем молекулярногомасштаба на основе одиночных наночастиц.В пятой главе исследуется транспорт электронов через полученныепредельно малые зазоры (2 – 3 нм) в планарных наноэлектродах (глава 3), а такжечерез золотые наночастицы, помещенные в такие нанозазоры (глава 4).В первой части пятой главы приведено описание созданной измерительнойустановки для исследования электрических характеристик высокоомныхнаноструктур молекулярного масштаба.

Большое входное сопротивление (более100ГОм)установкипозволилопроводитьисследование(токутечки/сопротивление) получаемых нанозазоров (менее 5 нм) и изучатьэлектронный транспорт через практически любой объект (молекулу,молекулярные соединения или наночастицу), который может быть помещен внанозазор.Во второй части пятой главы приведены характерные электрическиехарактеристики полученных нанозазоров с размером менее 5 нм.

Разработаннаяэкспериментальная установка вместе с предложенным алгоритмом проведенияэлектромиграции позволили получать такие нанозазоры в более чем 75 % случаев.Первоначально геометрия каждого нанозазора оценивалась в растровомэлектронном микроскопе, после чего измерялась его вольтампернаяхарактеристика.Рис 7. Экспериментальная ВАХ прямого подбарьерного туннелированияполученного нанозазора и ВАХ, построенная по методу Симмонса длятуннелирования через зазоры 2-3 нм.18Для исследования качества получившихся нанозазоров (отсутствиевнутри нанозазоров наночастиц золота, иногда образующихся в ходеэлектромиграции или саморазрыва) и определения характера транспортаэлектроновпроводилосьсравнениеэкспериментальнойвольтампернойхарактеристики с теоретически рассчитанной зависимостью туннельного тока отнапряжения (по методу Симмонса, рисунок 7):=2ℎ∆ 2 −4∆ℎ2 − ( + )⁡(−4∆ℎ2( + ))Формула Симмонса связывает между собой геометрические параметрызазора (величина зазора между электродами (Δх), площадь туннельного контакта(S)) и его физические характеристики (величину потенциального барьера (φ)).С использованием параметров нанозазоров, определенных в электронноммикроскопе (ширина зазора около 3 нм), и параметров пленок, заложенныхтехнологически (толщина 15 нм), удавалось определять величину потенциальногобарьера и оценивать площадь туннельного контакта.

В случае, приведенном нарисунке 7, площадь контакта составила около 100 нм2, а ширина зазора - 3 нм, чтохорошо соответствует реальной геометрии контакта, наблюдаемой в растровыйэлектронный микроскоп (рисунок 6). Величина потенциального барьера ( 0.65 эВ )при этом получалась меньше работы выхода с поверхности золота. Однакоотносительно малая работа выхода пленки золота нашла подтверждение придальнейшем исследовании электронного транспорта через нанозазор методомФаулера-Нордгейма и согласуется с литературными данными для нанозазоров.В третьей части пятой главы рассмотрен электронный транспорт,наблюдаемый в созданных нанозазорах с размерами 5 нм и более.Для определения характера транспорта в случае больших зазоров, а также дляподтверждения малого значения работы выхода с поверхности золотой пленкибыл проведен анализ измеренных вольтамперных характеристик по методуФаулера-Нордгейма (рисунок 8): =2.2 3 28ℎ∆ 2 −82.96ℎ322где φ - работа выхода из металла, Δх - ширина зазора.19Рис.8.

Вольтамперная характеристика, построенная в координатах ФаулераНордгейма для нанозазора 5 нм.При малых напряжениях на нанозазоре наблюдается режим прямоготуннелирования электронов через нанозазор. При больших напряжениях,напротив, наблюдается эмиссия электронов с поверхности золотой пленки.Анализ области перехода позволяет определить работу выхода электронов изпленки золота, которая оказалась аномально низкой ( < 1 эВ ). Это подтверждаетправильность значений, полученных при анализе вольтамперных характеристикнанозазоров по методу Симмонса.