Автореферат (Теоретическое исследование электронного транспорта в молекулярном одноэлектронном транзисторе)

На правах рукописиГерасимов Ярослав СергеевичТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ТРАНСПОРТАВ МОЛЕКУЛЯРНОМ ОДНОЭЛЕКТРОННОМ ТРАНЗИСТОРЕ01.04.04 – Физическая электроника01.04.07 – Физика конденсированного состоянияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2014Работа выполнена в Центре фундаментальных исследований НИЦ «Курчатовский институт».Научные руководители:доктор физико-математических наук,профессорСнигирев Олег Васильевичкандидат физико-математических наукШорохов Владислав ВладимировичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук, чл.-корр.

РАНЛукичев Владимир Федорович(Физико-технологический институт Российской академиинаук, заместитель директора по научной работе),кандидат физико-математических наукСеменов Александр Владимирович(Московский педагогический государственный университет,доцент).Ведущая организация:ФедеральноенаукигосударственноеИнститутбюджетноерадиотехникииучреждениеэлектроникиим.В.А.Котельникова РАНЗащита состоится 5 июня 2014 года в 16 часов 00 минут на заседании диссертационного советаД.501.001.66 при Московском государственном университете им. М.В.

Ломоносова расположенном поадресу: 119991, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, д. 1, стр. 2, Физическийфакультет МГУ, ауд. СФА.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке МГУ им. М.В. Ломоносова и на сайтеphys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-001-66/.Автореферат разослан 4 апреля 2014 года.Ученый секретарьдиссертационного совета Д.501.001.66,кандидат физико-математических наукКарташов И.Н.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы.Общей тенденцией современной полупроводниковой электроники является постоянноевозрастание плотности элементов на кристалле микросхем.

Продвижение CMOS/КМОПтехнологии изготовления электронных схем в область суб-20 нм размеров на сегодняшнийдень стало реальностью. Дальнейшая миниатюризация в рамках традиционной планарнойструктуры транзисторов ведет к усложнению и значительному удорожанию технологическогопроцесса. В электронных устройствах с характерными размерами порядка единиц нанометроввозникают квантовые эффекты, для классической КМОП технологии являющиеся по сути“паразитными”. К таким эффектам относятся межэлектродное туннелирование электронов иразмерное квантование энергетического спектра наноструктур молекулярного масштаба.В этой связи для будущего развития электроники весьма перспективным представляетсяпереход к одноэлектронным элементам и устройствам, использующим транспорт одиночныхэлектронов и построенным на базе наноструктур молекулярного масштаба [1], характерныйразмер которых не превышает нескольких нанометров. Признанными преимуществамиодноэлектронных устройств являются, в частности, предельно малое энергопотребление,высокая плотность упаковки активных элементов (порядка 1012 1/см2 ) и очень большаяскорость вычислений (до 1012 операций в секунду) [2, 3].

Характерный размер базовыхэлементов таких устройств определяет их максимальную рабочую температуру. Высокаярабочая температура (вплоть до комнатной, 300 К) может быть достигнута за счетуменьшения используемых нанообъектов. В связи с этим использование одиночныхмолекулярных объектов размером в единицы нанометров в качестве составных элементовтаких электронных наноустройств сегодня представляет огромный интерес.

Модельно и напрактике были показаны как реализация логических цифровых операций с использованиемодноэлектронных транзисторов на основе наночастиц [4, 5], так и возможность созданияодномолекулярной памяти при комнатной температуре [6]. Недавно экспериментально былпродемонстрирован и один из первых одноэлектронных транзисторов на одиночном атоме[7].Данная диссертационная работа посвящена исследованию и решению задач,возникающих при конструировании новых элементов молекулярной электроники, а такжетеоретическому анализу транспортных характеристик и свойств таких молекулярныхустройств.3Реализация и практическое использование молекулярных квантовых приборовподразумевает их сопряжение с классическими металлическими и полупроводниковымиэлементами.

Расчеты характеристик и проектирование подобного рода гибридных устройств[8, 9] осложнены проблемой согласования двух принципиально разных подходов ктеоретическому описанию процессов, происходящих в их микро и макро частях. Поэтомуактуальной задачей является разработка методов описания таких устройств, которыепозволили бы с учетом квантовых особенностей нанообъектов применять эти методы припроектировании электронных схем. Одним из часто используемых параметров электрическихсхем в классической электронике является взаимная емкость элементов, фундаментальнаяприменимость которой для молекулярных наноструктур ранее была мало исследована.При разработке одноэлектронных молекулярных устройств [10] неизбежно возникаетзадача подбора молекулярных объектов с необходимыми свойствами.

Изучение влияния дискретной структуры молекулярных спектров на транспортные характеристики (вольт-амперныеи характеристики управления) одноэлектронного молекулярного транзистора [11–15] наих основе позволит осуществлять такой подбор по требуемым токовым характеристикам.Теоретическое решение такой фундаментальной задачи требует многоэтапного исследованиябольшого количества разного класса молекулярных объектов, что включает в себя:1.

квантовый расчет из первых принципов энергетических спектров и характеристикмолекулярного объекта для тех энергетических состояний, в которые он переходит впроцессе электронного транспорта через него;2. расчет транспортных характеристик одноэлектронного устройства на основе этогомолекулярного объекта.Это априори сопряжено с большой вычислительной сложностью – в особенности приисследовании энергетических спектров громоздких молекулярных соединений (более 200атомов - см., например, [16, 17]).Естественным путем осуществления столь масштабных исследований являетсямаксимальное сокращение числа необходимых квантовых расчетов.

Для этого нужноисследовать энергетические характеристики и спектры молекулярных объектов на предметналичия общих закономерностей, которые можно было бы определить из небольшогоограниченного числа энергетических состояний системы. Кроме того, набор этихэнергетических характеристик должен определять главные отличительные особенностинанообъекта.4Использование таких закономерностей предположительно может позволить параметризовать энергетические характеристики нанообъектов, избежав прямого долгого расчетабольшого числа, например, заряженных и энергетически возбужденных состояний. Внашем случае мы будем называть параметризацией – определение закона измененияглавных характеристик нанообъекта от некоторого набора параметров.

Например, такойхарактеристикой для молекулы может быть энергия определенных электронных уровнейспектра, через которые происходит транспорт электронов в системе, а параметрами, откоторых эта энергия зависит – полный электрический заряд молекулы Q или размер dмолекулы.Таким образом, с помощью параметризации тех свойств молекул и наночастиц, которыеотвечают за возникновение особенностей на ВАХ одноэлектронных транзисторов на основеэтих нанообъектов, можно упростить моделирование электронного транспорта при изучениисложных молекулярных соединений и нанокластеров.Как указано выше, размер используемых в одноэлектронном устройстве нанообъектовопределяет его максимально возможную рабочую температуру.

В практическом планеустойчивость пространственной структуры компонентов наноустройства – одна из наиболееважных характеристик. По этой причине популярными [4, 12, 14, 18] и перспективнымипретендентами для создания одноэлектронных транзисторов являются золотые наночастицы.Размер химически синтезированных золотых наночастиц может контролироваться сточностью до 10% [14, 19].В то же время золотые частицы покрывают лигандной оболочкой, для закреплениянаночастиц на поверхности, на которую они наносятся, и для предотвращения ихслипания между собой.

Подбором длины и типа органических молекул-лигандов(например, алкантиолов) можно корректировать электрическую емкость частицы в целом иконтролировать туннельное сопротивление лигандной оболочки.Моделирование электронного транспорта через золотые наночастицы осложненобольшим числом атомов в частицах размером уже более 1 нм, а также необходимостьюучитывать наличие лигандной оболочки. Дело в том, что влияние лигандов на энергетическийспектр «чистой» золотой наночастицы мало изучено, и также требует отдельногорассмотрения.В настоящей работе представлены результаты теоретических исследований, посвященных упомянутым вопросам и задачам.5Объектом исследования является одноэлектронный мономолекулярный транзистор(ОМТ), в котором нанообъект (молекула или наночастица), помещенный в качествецентрального острова в нанозазор, образует с металлическими электродами два туннельныхперехода типа «нанообъект-электрод».Цель диссертационной работы.

Основной целью диссертационной работы являетсяисследование транспортных характеристик мономолекулярных одноэлектронных транзисторов путем их численного моделирования, а также изучение энергетических и электрическихпараметров молекулярных наноразмерных объектов, выступающих в роли базовых элементовданных устройств.Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:1.

Проведение многоэтапного квантового расчета энергетических и электрическиххарактеристик нанообъектов (молекул, молекулярных соединений, наночастиц).2. Разработка теоретического метода определения эффективной взаимной емкости длямолекулярных объектов наномасштаба.3. Изучение структуры дискретных одночастичных энергетических спектров молекул инаночастиц, а также их влияния на особенности транспортных характеристик одноэлектронных транзисторов при помощи имитационного моделирования туннельноготранспорта через систему.4. Создание аналитической модели для определения емкостных и энергетическиххарактеристик наночастиц золота размером более 1 нм, и получение характеристикуправления мономолекулярного одноэлектронного транзистора на основе такихнаночастиц.5. Изучение влияния лигандов на энергетические параметры золотых наночастиц различного размера и на транспортные характеристики одноэлектронного молекулярноготранзистора на их основе.6.

Исследование возможности применения золотых наночастиц, покрытых лиганднойоболочкой, для создания одноэлектронных устройств при температурах вплоть докомнатной в зависимости от размера этих частиц.Научная новизна настоящей работы заключается в следующих наиболее важныхрезультатах:61. Впервые предложен и разработан метод определения взаимной емкости для объектовнаномасштаба (молекул, молекулярных кластеров, квантовых точек/наночастиц),основанный на квантовом расчете энергии электрического взаимодействия такихнанообъектов в приближении слабой туннельной связи на расстоянии порядка 1 нм.2. Прямой квантовый расчет совокупности энергетических спектров молекул фуллеренаC60 и карборана C2 B10 H12 позволил выделить в них одночастичные энергетическиеуровни, отвечающие за электронный транспорт. Для одноэлектронных молекулярныхтранзисторов (ОМТ), основанных на этих молекулах, впервые рассчитаны транспортныехарактеристики при низких температурах.3.