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

Теоретическое решение такойфундаментальной задачи требует многоэтапного исследования большого количестваразного 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 переходитв процессе 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 (более200 атомов - см., например, [16, 17]).Естественным путем осуществления столь масштабных исследований являетсямаксимальное сокращение числа необходимых квантовых расчетов.

Для этого нужно7исследовать энергетические характеристики и спектры молекулярных объектов напредмет наличия общих закономерностей, которые можно было бы определить изнебольшого ограниченного числа энергетических состояний системы. Кроме того,набор этих энергетических характеристик должен определять главные отличительныеособенности нанообъекта.Использование таких закономерностей предположительно может позволитьпараметризовать энергетические характеристики нанообъектов, избежав прямогодолгого расчета большого числа, например, заряженных и энергетически возбужденныхсостояний. В нашем случае мы будем называть параметризацией – определение законаизменения главных характеристик нанообъекта от некоторого набора параметров.Например, такой характеристикой для молекулы может быть энергия определенныхэлектронных уровней спектра, через которые происходит транспорт электронов всистеме, а параметрами, от которых эта энергия зависит – полный электрический зарядмолекулы Q или размер d молекулы.Таким образом, с помощью параметризации тех свойств молекул и наночастиц,которые отвечают за возникновение особенностей на ВАХ одноэлектронныхтранзисторов на основе этих нанообъектов, можно упростить моделированиеэлектронного транспорта при изучении сложных молекулярных соединений инанокластеров.Как указано выше, размер используемых в одноэлектронном устройстве нанообъектов определяет его максимально возможную рабочую температуру.

В практическомплане устойчивость пространственной структуры компонентов наноустройства – однаиз наиболее важных характеристик. По этой причине популярными [4, 12, 14, 18] иперспективными претендентами для создания одноэлектронных транзисторов являютсязолотые наночастицы. Размер химически синтезированных золотых наночастиц можетконтролироваться с точностью 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 вцелом и контролировать туннельное сопротивление лигандной оболочки.Моделирование электронного транспорта через золотые наночастицы осложнено8большим числом атомов в частицах размером уже более 1 нм, а также необходимостьюучитывать наличие лигандной оболочки. Дело в том, что влияние лигандов наэнергетический спектр «чистой» золотой наночастицы мало изучено, и также требуетотдельного рассмотрения.В настоящей работе представлены результаты теоретических исследований,посвященных упомянутым вопросам и задачам.Объектом исследования является одноэлектронный мономолекулярный транзистор(ОМТ), в котором нанообъект (молекула или наночастица), помещенный в качествецентрального острова в нанозазор, образует с металлическими электродами дватуннельных перехода типа «нанообъект-электрод».Цель диссертационной работы.

Основной целью диссертационной работы является исследование транспортных характеристик мономолекулярных одноэлектронныхтранзисторов путем их численного моделирования, а также изучение энергетическихи электрических параметров молекулярных наноразмерных объектов, выступающих вроли базовых элементов данных 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 емкостидля молекулярных объектов наномасштаба.3. Изучение структуры дискретных одночастичных энергетических спектровмолекул и наночастиц, а также их влияния на особенности транспортныххарактеристик одноэлектронных транзисторов при помощи имитационногомоделирования туннельного транспорта 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 наночастицразличного размера и на транспортные характеристики одноэлектронногомолекулярного транзистора на их основе.96. Исследование возможности применения золотых наночастиц, покрытых лигандной оболочкой, для создания одноэлектронных устройств при температурах вплотьдо комнатной в зависимости от размера этих частиц.Научная новизна настоящей работы заключается в следующих наиболее важныхрезультатах:1. Впервые предложен и разработан метод определения взаимной емкостидля объектов наномасштаба (молекул, молекулярных кластеров, квантовыхточек/наночастиц), основанный на квантовом расчете энергии электрическоговзаимодействия таких нанообъектов в приближении слабой туннельной связи нарасстоянии порядка 1 нм.2.

Прямой квантовый расчет совокупности энергетических спектров молекулфуллерена C60 и карборана C2 B10 H12 позволил выделить в них одночастичныеэнергетические уровни, отвечающие за электронный транспорт. Для одноэлектронных молекулярных транзисторов (ОМТ), основанных на этих молекулах, впервыерассчитаны транспортные характеристики при низких температурах.3. 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 наночастицметодом имитационного моделирования в режиме медленной энергетическойрелаксации (τ∼10−10 с) проведен расчет диаграмм дифференциальнойпроводимости, вольт-амперных характеристик и характеристик управлениямолекулярного одноэлектронного транзистора на основе наночастиц золота сразмерами 0.8 нм, 1.1 нм и 5.2 нм.Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением полученныхрезультатов с экспериментальными данными, а также тем, что асимптотики квантово-механически рассчитанных значений параметров согласно принципу соответствияпереходят в классические зависимости при росте размеров нанообъектов.

Положениятеории основываются на известных достижениях фундаментальных и прикладныхнаучных дисциплин, связанных с предметом исследования диссертации.10Практическая значимость. Метод расчета эффективной емкости молекулярныхобъектов может быть использован в качестве способа определения взаимных емкостейвходящих в молекулярное одноэлектронное устройство молекул и электродов и бытьполезен при конструировании практических устройств.Выявленные закономерности в формировании энергетических молекулярныхспектров позволяют значительно снизить требования к вычислительной мощностирасчетных комплексов при проектировании сложных молекулярных систем.Основные результаты и положения, выносимые на защиту:1. Предложен метод определения эффективной емкости нанообъектов, основанныйна квантово-механическом расчете энергии их взаимодействия. Метод позволяетрассчитывать взаимную емкость элементов в одноэлектронных системах,характеризующихся слабой туннельной связью.2.

Предложен и развит параметрический подход задания энергетических спектровмолекулярных кластеров и металлических нанокластеров с органическоймолекулярной оболочкой. В основе параметрического метода лежит зависимостьполной энергии наночастиц от трех параметров: зарядовой энергии, химическогопотенциала и положения энергетических уровней внутри энергетической щелиодночастичного спектра 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 структуревесь энергетчиеский одночастичный спектр на −e по заряду.4.

На основе квантовых расчетов различных конфигураций золотых нанокластеровпоказано, что во влиянии лигандов-тиолов на электронные спектры золотыхнаночастиц главную роль играют атомы серы, а длина сероводородных окончанийне влияет на структуру энергетических спектров. Следовательно, подбором длинытиола при разработке одноэлектронных устройств можно регулировать емкостькулоновского острова и максимальную прозрачность туннельных барьеров, приэтом не меняя его энергетических свойств и особенностей.115. 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 нанокластеровс лигандами размером, делающим недоступным прямой квантового расчет изпервых принципов.

Это существенно упрощает проектирование одноэлектронныхустройств на основе таких золотых наночастиц и других многоатомныхнанообъектов с подобными свойствами.Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались наследующих конференциях: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 фундаментальнымнаукам «Ломоносов-2008», Москва, Россия, 2008.Публикации.