Автореферат (Теоретическое исследование электронного транспорта в молекулярном одноэлектронном транзисторе), страница 2

Впервые предложена методика параметризации значений уровней энергии, ответственных за электронный транспорт, позволяющая рассчитывать характеристикимногоатомных нанообъектов (более 100 атомов) без прямого квантового расчета.4. С помощью параметрически заданных спектров полных энергий наночастиц методомимитационного моделирования в режиме медленной энергетической релаксации(τ ∼ 10−10 с) проведен расчет диаграмм дифференциальной проводимости, вольтамперных характеристик и характеристик управления молекулярного одноэлектронноготранзистора на основе наночастиц золота с размерами 0.8 нм, 1.1 нм и 5.2 нм.Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением полученных результатов с экспериментальными данными, а также тем, что асимптотики квантово-механически рассчитанных значений параметров согласно принципу соответствия переходятв классические зависимости при росте размеров нанообъектов.

Положения теорииосновываются на известных достижениях фундаментальных и прикладных научныхдисциплин, связанных с предметом исследования диссертации.Практическая значимость. Метод расчета эффективной емкости молекулярныхобъектов может быть использован в качестве способа определения взаимных емкостейвходящих в молекулярное одноэлектронное устройство молекул и электродов и быть полезенпри конструировании практических устройств.Выявленные закономерности в формировании энергетических молекулярных спектровпозволяют значительно снизить требования к вычислительной мощности расчетныхкомплексов при проектировании сложных молекулярных систем.7Основные результаты и положения, выносимые на защиту:1. Предложен метод определения эффективной емкости нанообъектов, основанный наквантово-механическом расчете энергии их взаимодействия.

Метод позволяет рассчитывать взаимную емкость элементов в одноэлектронных системах, характеризующихсяслабой туннельной связью.2. Предложен и развит параметрический подход задания энергетических спектровмолекулярных кластеров и металлических нанокластеров с органической молекулярнойоболочкой. В основе параметрического метода лежит зависимость полной энергиинаночастиц от трех параметров: зарядовой энергии, химического потенциала иположения энергетических уровней внутри энергетической щели одночастичногоспектра наночастицы.3. Путем численного расчета из первых принципов показано возникновение потенциального барьера типа барьера Шоттки в контактной области металлического ядраи лигандной оболочки из молекул додекантиола. Присоединение каждого лигандазаряжает ядро наночастицы на заряд электрона +e и также сдвигает по структуре весьэнергетчиеский одночастичный спектр на −e по заряду.4.

На основе квантовых расчетов различных конфигураций золотых нанокластеровпоказано, что во влиянии лигандов-тиолов на электронные спектры золотых наночастицглавную роль играют атомы серы, а длина сероводородных окончаний не влияетна структуру энергетических спектров. Следовательно, подбором длины тиола приразработке одноэлектронных устройств можно регулировать емкость кулоновскогоострова и максимальную прозрачность туннельных барьеров, при этом не меняя егоэнергетических свойств и особенностей.5.

На примере золотых наночастиц размером 0.8 нм, 1.1 нм без лигандной оболочкии 5.2 нм с лигандной оболочкой продемонстрировано, что предложенная модельпараметризации энергетических спектров позволяет рассчитывать транспортныехарактеристики одноэлектронных транзисторов на основе золотых нанокластеров слигандами размером, делающим недоступным прямой квантового расчет из первыхпринципов. Это существенно упрощает проектирование одноэлектронных устройств наоснове таких золотых наночастиц и других многоатомных нанообъектов с подобнымисвойствами.8Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на следующихконференциях:ˆ Международная конференция «Микро- и наноэлектроника - 2012» (ICMNE – 2012),Звенигород, Россия, 2012;ˆ Международная конференция «Микро- и наноэлектроника - 2009» (ICMNE – 2009),Звенигород, Россия, 2009;ˆ XV Международная конференция студентов и аспирантов по фундаментальным наукам«Ломоносов-2008», Москва, Россия, 2008.Публикации.

Материалы диссертации опубликованы в 7 работах, в том числе в 2журнальных публикациях, входящих в перечень ВАК ведущих рецензируемых научныхжурналов, 2 публикациях по трудам конференций, включенных в систему цитирования WebOf Knowledge, а также в материалах 3 международных конференций. Список работ приведенв конце автореферата.Личный вклад автора. Все представленные в диссертации результаты расчетовполучены лично автором. Соискатель принимал непосредственное участие в постановкезадач, программной реализации и проведении расчетов.

Обработка полученных результатоврасчетов, их анализ и подготовка к публикации в статьях и конференциях проводиласьсовместно с соавторами, причем вклад диссертанта был определяющим.Структура и объем диссертации Диссертация состоит из 4-х глав и библиографии.Общий объем диссертации 172 страницы, включая 8 таблиц и 51 рисунок. Библиографиявключает 150 наименования на 14 страницах.9СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВ общей характеристике работы обоснована актуальность диссертационной работы,сформулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, показанапрактическая значимость полученных результатов, представлены выносимые на защитунаучные положения. Описана структура диссертации и приведен список печатных работ, вкоторых отражено ее основное содержание.В первой главе кратко рассмотрено современное состояние исследований в электроникев целом, актуальность и обоснованность перехода к молекулярной электронике.

Представленобзор экспериментальных и теоретических работ по созданию наноэлектронных элементовмолекулярного масштаба.Далее, дано краткое описание общепринятой теории коррелированного туннелированияэлектронов для классических электронных устройств и проведено обсуждение последнихрезультатов по исследованию молекулярных одноэлектронных устройств. Приведен обзоросновных типов молекулярных одноэлектронных транзисторов.Обоснована возможность введения для квантовых объектов «эффективных» аналоговосновных классических электрических параметров. Ранее [20] был предложен способопределения собственной эффективной емкости, применимый для любых уединенныхнаноразмерных объектов: от атомов до крупных молекулярных соединений.

Такой подходпозволяет в полной мере пользоваться аппаратом современной электронной схемотехникидля расчета достаточно сложных гибридных приборов [8, 9, 21]. Например, используяданные о молекуле, материалах электродов и подложки, а также их геометрии, дляодноэлектронного транзистора с одиночной молекулой в качестве центрального острова[22] квантовыми методами можно рассчитать эффективные емкостные параметры системы«электрод-молекула-электрод» и вычислить все электродинамические характеристикитранзистора в различных режимах работы. Впоследствии полученные уже электрическиехарактеристики могут использоваться для расчетов более сложных электронных устройствгибридного типа, содержащих большое количество таких транзисторов.В завершении первой главы показана необходимость изучения туннельного транспортаэлектронов в наноструктурах молекулярного масштаба с учетом одноэлектронных эффектови эффектов квантования энергетического спектра электронов.

Также определены проблемы ипоставлены задачи, которые необходимо решить при моделировании электронного транспортачерез нанообъекты различного размера и молекулярной структуры.10Во второй главе обсуждается проблема сопряжения молекулярных квантовыхэлементов с классическими металлическими и полупроводниковыми устройствами. Впродолжение темы «эффективных» аналогов основных классических электрическихпараметров, затронутой в первой главе, предложена методика определения взаимнойемкости для объектов наномасштаба, основанная на квантово-механическом расчете энергиивзаимодействия таких нанообъектов .В классической электростатике используется следующая характерная особенностьэлектростатического поля: потенциал поля имеет постоянное значение на всем протяжениикаждого отдельного проводника.