Особенности электронного транспорта в неоднородных одноэлектронных структурах, страница 3

Данноезначение чувствительности является типичным для одноэлектронных тран­зисторов, работающих в традиционном режиме смещения постоянным напря­жением, однако, благодаря малому (номинально, нулевому) значению сред­него тока, предложенный режим может иметь некоторые преимущества, таккак благодаря пониженной выделяемой мощности может уменьшить влияниетранзистора-электрометра на измеряемую схему в прецизионных эксперимен­тах.Раздел 3.3 посвящён описанию методики и обсуждению результатовчисленного моделирования работы АОТ.

Для моделирования поведения асим­метричного транзистора в случае переменного сигнала накачки была приме­нена ортодоксальная теория одноэлектронного туннелирования Аверина иЛихарева и был сделан ряд естественных допущений:1. частота переменного напряжения, приложенного к образцу, много мень­шую средней частоты одноэлектронных колебаний ( ≪ /), что даётвозможность рассчитывать темпы туннелирования, применяя формулыдля фиксированных напряжений на электродах транзистора (квазиста­тическое приближение);142. амплитуда сигнала накачки достаточно мала, что для расчёта тока придостаточно низкой температуре даёт возможность ограничиться учётомтолько двух зарядовых состояний острова транзистора.При указанных выше предположениях мгновенное значение усреднённо­го по ансамблю тока через транзистор может быть представлено в виде:(0 , ) = 1 2(exp(−|1 |) − exp(−|2 |)), 1 1 + 2 2где безразмерные величины 1,2 =Σ (0∓ 2,1 ), 0 – избыточныйзаряд, наведённый на острове, 1,2 и 1,2 – сопротивление и ёмкость первогои второго туннельного перехода соответственно, Σ = 1 + 2 + , а –электронная температура, которая здесь предполагается равной температуретермостата.Измеряемая в эксперименте постоянная составляющая тока через тран­зистор ⟨(0 )⟩ рассчитывается посредством усреднения мгновенного значе­ния тока (0 ) с весом ( ) = √12 − 2, пропорциональным време­ни, в течении которого приложенное напряжение () находится в интервале[, + ].

Рассчитанная зависимость токового отклика ⟨(0 )⟩ от величи­ны избыточного заряда острова 0 представлена на Рис. 2 и находится вхорошем согласии с экспериментальными данными.Для нахождения оптимального режима работы АОТ проведено исследо­вание зависимости крутизны преобразования от степени асимметрии тун­нельных переходов в случае постоянного и переменного напряжений смеще­ния. Результаты численного расчёта крутизны преобразования для разныхтемператур и степени асимметрии транзистора представлены на Рис. 3 и по­казывают более крутую зависимость в случае режима накачки переменнымнапряжением. В заключение главы 3, приводится анализ возможностей ис­пользования такого транзистора в качестве электрометра.Результаты, описанные в третьей главе, опубликованы в работе [11].15Рис.

3. Зависимость максимальной крутизны преобразования одноэлектронного транзи­стора (электрометра) от степени его асимметрии в предположении малой ёмкости острова(0 ≪ 1,2 ). а) Смещение постоянным напряжением = , б) смещение переменнымнапряжением = sin .Четвёртая глава посвящена особенностям технологии изготовления,результатам экспериментального изучения и численного моделирования вто­рого объекта исследования – тонких неоднородных хромовых гранулирован­ных нанополосок.

В разделе 4.1 рассмотрены особенности процесса изготов­ления исследуемых структур. Для их изготовления был применён метод мно­готеневого напыления через жёсткую подвешенную маску. Напыление произ­водилась в два этапа под двумя различными углами к поверхности образца:посредством первого напыления формировалась исследуемая нанополос­ка, а затем, без разрыва вакуумного цикла, производилось формированиеподводящих электродов. Формирование нанополосок, изучавшихся в экспе­рименте, производилось посредством электронно-лучевого испарения гранулчистого хрома в разряженной атмосфере кислорода.

Для получения плёнок стребуемыми характеристиками (поверхностное сопротивление, характерныйразмер гранулы и т.д.) в процессе напыления подбирались такие технологи­ческие параметры, как рабочее давление газа и скорость распыления хрома.Подбор параметров напыления, обеспечивающих воспроизводимое получениевысокоомных плёнок, являлся главной технологической задачей на этапе из­16Рис. 4. Пример переключений между блокадным и проводящим состояниями на ВАХнанополоски ( =25 мК).

Стрелки указывают направления измерения ВАХ и резкие пере­ключения между блокадным и проводящим состояниями.готовления образцов. Достаточно высокая воспроизводимость при изготовле­нии образцов достигалась за счёт применения дополнительной фазы предрас­пыления, во время которой происходила стабилизация условий в напылитель­ной камере, а также благодаря использованию автоматизированной системыконтроля процесса напыления. Исследуемые нанополоски имели линейныеразмеры в плане 100 нм×200 нм, 100 нм×500 нм и 100 нм×1000 нм и толщинупорядка 8 нм. Их поверхностное сопротивление на квадрат при температуре =25 мК составляло величину = 15 ÷ 35 кОм, заметно превышающуюквантовое сопротивление = ℎ/42 ≈ 6.5 кОм, что свидетельствовало об от­сутствии металлического характера проводимости плёнок. Применение выше­описанного метода позволило изготовить плёнки, обладающие практическизаданными характеристиками (электрическим сопротивлением), с разбросомпараметров на уровне 10-15%.Раздел 4.2 содержит результаты экспериментального изучения хромо­17вых гранулированных плёнок.

В нём, в частности, отмечено, что при низкихтемпературах вольт-амперные характеристики изготовленных нанополосок,имеющих достаточно высокое сопротивление, демонстрируют кулоновскуюблокаду, напряжение порога которой составляет в наших образцах несколькомилливольт. В районе порога блокады возникает резкий переход плёнок изблокадного состояния в проводящее, при этом обратное переключение воз­можно лишь при существенно меньшем напряжении. При таком переходетранспортный ток изменяется лавинообразно (за время, меньшее чем времен­ное разрешение измерительной системы) на величину Δ, которая составля­ет от нескольких десятков пикоампер до долей наноампера и выше (Рис. 4).Насколько известно автору, такое поведение ВАХ нанополосок ранее не на­блюдалось.Во второй части четвёртой главы приведены результаты эксперименталь­ного исследования структуры хромовых плёнок, выполненного при помощипросвечивающего электронного микроскопа.

Отмечено, что плёнка состоитиз плотноупакованных металлических гранул неправильной формы, имею­щих средний размер 10-20 нм, разделённых между собой оксидной плёнкой,формирующей туннельный барьер между ними. Вместе с тем, отмечено на­личие более крупных металлических образований, состоящих из несколькихсредних гранул, которые либо соединены непосредственно (омически), либо,по всей видимости, разделены туннельными барьерами высокой прозрачно­сти. Такие образования из гранул можно также рассматривать как отдельныеострова большого размера и, соответственно, большей ёмкости.В конце раздела 4.2, на основании результатов исследования структурыплёнок, предлагается модель, описывающая исследуемые образцы. Учиты­вая геометрические размеры образцов, исследуемые нанополоски моделиру­ются как двумерные сетки, состоящие из 10 × 20, 10 × 50 и 10 × 100 эле­ментов, в узлах которых расположены металлические острова, соединённые18Рис. 5.

Поверхность потенциальной энергии фрагмента сетки проводящих гранул вблизинеоднородности с координатами (, ) = (5, 24) ( - поперечная координата, - продоль­ная координата), состоящей из пяти островов, связанных гальванически. Нижняя (тёмная)поверхность – профиль потенциальной энергии без избыточных электронов в центре неод­нородности, верхняя (светлая) поверхность – профиль потенциальной энергии с однимизбыточным электроном, локализованным в центре неоднородности.с соседними островами туннельными переходами. В целях упрощения моделивсе узлы такой сетки имеют одинаковые параметры (собственную 0 и меж­граннульную ёмкости, а также межгранульное туннельное сопротивление ≫ = ℎ/2 ≈ 25.8 кОм), за исключением одной или нескольких локаль­ных неоднородностей, которые состоят из нескольких островов, связанныхмежду собой гальванически.

Такие неоднородности соответствуют плотно со­единившимся гранулам, образовавшимся при изготовлении в случайных ме­стах плёнки. Данная модель используется для моделирования транспортныхпроцессов в нанополосках. Результаты моделирования представлены в раз­деле 4.3.В этом разделе при помощи численного расчёта изучается механизм вли­яния неоднородностей на одноэлектронный транспорт в нанополоске. Пока­зано, что локальная неоднородность (крупный остров) образует зарядовую19Рис. 6. Профиль потенциальной энергии двумерной сетки гранул шириной = 10 перехо­дов и длиной = 50 переходов в области кулоновской блокады. Величина потенциальнойэнергии пропорциональна плотности серого цвета согласно приведённой шкале. Данныеконтурные графики соответствуют различным устойчивым зарядовым конфигурациям(соответствующее напряжение на образце указано в левом верхнем углу каждого графи­ка).