Диссертация (Теоретическое исследование электронного транспорта в молекулярном одноэлектронном транзисторе), страница 3

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 цитированияWeb Of Knowledge, а также в материалах 3 международных конференций. Список работприведен в 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 полученныхрезультатов расчетов, их анализ и подготовка к публикации в статьях и конференцияхпроводилась совместно 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.Библиография включает 150 наименования на 14 страницах.12Глава 1ВведениеВ основе большинства современных электронных устройств лежит кремний.У кремния есть одно большое преимущество — из него можно делать огромные(по микроэлектронным меркам) цельные полупроводниковые кристаллы.

Методыизготовления электроники, развитые за предшествующие десятилетия, как разрешализадачиприспособленияиразмещенияполупроводниковвполезныхэлектронных устройствах. Такие методы не обязательно являются наилучшими илиединственно возможными для создания электронных устройств. Доминированиекремния объясняется, в первую очередь, нашим пониманием его физических свойстви нашей способностью использовать их в реальных устройствах.Успехи в литографической технике и в изучении твердотельных системпривели нас на новую ступень развития электроники, где могут использоватьсяи новые физические принципы, и новые материалы.

Возможности общепринятыхтехнологий микроэлектроники ограничены размером рабочих элементов (транзисторов)и плотностью их размещения на кристалле [20]. В связи с общей тенденциейминиатюризациисущественнуюрольуженачинаютигратьдефекты[21]инеоднородности атомарных слоев, из которых эти элементы сформированы. Крометого высокая тепловая диссипация может приводить к разрушению самих электронныхэлементов.Всё это заставляет искать новые, альтернативные пути развития [22]. Активноразвивающейся в этом направлении дисциплиной на сегодняшний день являетсямолекулярная электроника [21, 23, 24]. В молекулярной электронике в качествесоставных структурных элементов устройств используются металлоорганичские иорганические молекулы [25] или наночастицы с характерными размерами в единицынанометров. Переход на молекулярный уровень открывает возможность встраиванияв общепринятые КМОП–структуры новых наноразмерных рабочих элементов на базеодиночных молекул.

На выходе же таких гибридных устройств по-прежнему будутрегистрироваться обычные ток и напряжение.131.1. Молекулярная электроника, перспективыЭлектронные устройства на основе наномасштабных молекулярных объектовпредставляют интерес по многим причинам. Целый ряд преимуществ делаетисследования в этой области весьма перспективными:ˆ Главной отличительной особенностью молекул является их малый размер(0.5 – 10 нм). Если из одной или нескольких молекул удастся сделать транзисторили сенсор, то станет возможным уменьшение характерных размеров электронныхкомпонентов до масштабов, прежде недоступных.ˆ Молекулы достаточно недороги, как расходный материал. При этом они обладаютпостоянством химического состава и пространственной структуры, что являетсявесьма положительным фактором для воспроизводимости будущих устройств сопределенными параметрами.Дело в том, что уменьшение размеров компонентов наноэлектронных устройствприводит к проблеме чрезвычайно сильной зависимости их электронных итранспортных характеристик от малейших вариаций геометрических размеров.Таким образом, молекулы гарантируют повторяемость свойств этих объектов наатомарном уровне.ˆ При необходимости можно подбирать молекулы с уникальными функцио-нальными свойствами.

Помимо индивидуальных электронных свойств многиемолекулы обладают интересными оптическими, магнитными, термоэлектрическими, электромеханическими свойствами, что может позволить создаватьновые устройства с характеристиками, недоступными с применением обычныхматериалов и подходов [26]. В качестве примера такого типа материалов,уже получивших большое распространение, можно назвать и органическиесветодиоды, и жидко-кристаллические дисплеи, и солнечные батареи.ˆ Электронная структура молекул может существенно влиять на электронный токв системе. Малые молекулы обладают дискретными электронными уровнями[27], которые могут быть доступны или запрещены для транспорта электронов.Вследствие этого для различных молекул такие эффекты, как туннелирование и14одноэлектронные зарядовые эффекты (условия возможности наблюдения которыхобсуждаются ниже) протекают по-разному.Как был указано выше, главной целью диссертационной работы является именноисследование структуры дискретных одночастичных энергетических спектров молекули их влияния на транспортные характеристики одноэлектронных транзисторов.

Поэтомус следующих разделах дано описание основных результатов теории коррелированноготуннелирования электронов для классических электронных устройств и проведенообсуждение последних результатов по исследованию молекулярных одноэлектронныхустройств.1.2. Основы теории коррелированного туннелирования электроновВ туннельных контактах сверхмалого размера в случае выполнения ряда условий,более подробно обсуждаемых ниже, будут возникать кулоновские эффекты [28–30].Такие эффекты, также называемые одноэлектронными, приводят к корреляции вовремени отдельных актов туннелирования электронов в переходе [31–34].Первое теоретическое описание коррелированного туннелирования электронов длясверхмалых контактов было разработано в середине 70-х годов Куликом и Шехтером[30].

Возможность же создания одноэлектронных устройств на основе кулоновскойблокады в 80-х была описана советскими учёными К. К. Лихаревым и Д. В. Авериным[35].Для пояснения сути явления коррелированного туннелирования электроноврассмотрим туннельный переход сверхмалых размеров, состоящий из двух проводящихэлектродов, разделенных тонким слоем диэлектрика толщиной около одного нанометра.Существует ненулевая вероятность туннелирования электронов через тонкий слойдиэлектрика [36]. В определенных условиях электроны будут туннелировать черездиэлектрик преимущественно в одном направлении. При этом в туннельномпереходе будет периодически возникать электрический ток, величина которого зависитот приложенного напряжения, материала и толщины диэлектрической прослойки.Протекание электрического тока в цепи источника будет приводить к возникновениюзаряда Q на обкладках такого конденсатора.

Причем этот заряд Q будет изменятьсянепрерывно [32], т.к. он описывает реальное смещение электронной плотности в15Рис. 1.1. Источник постоянного тока IT заряжает одиночный туннельный переход, вызываяпериодическое туннелирование с частотой ω = IT /e.электродах относительно ионной решетки [28].Ввиду дискретности электрического заряда туннелирование же через туннельныйбарьербудетпроисходитьпорциямиводинэлектрон,вызываяизменениеэлектростатической энергии перехода ∆E на величину [37]:∆E =Q2 (Q − e)2−,2C2C(1.1)где C – емкость перехода, e – абсолютное значение заряда электрона.

При достаточномалой температуре T (kB T ≪ e2 /2C, kB – постоянная Больцмана) туннелированиеэлектронов возможно только при положительном изменении электростатическойэнергии перехода ∆E > 0. Следовательно, если для величины напряжения смещения напереходе выполняется соотношение |VT | < e/2C, то туннельный ток будет подавляться ипереход будет находиться в состоянии так называемой кулоновской блокады.При токе, отличном от нуля, туннельное напряжение VT будет расти пока недостигнет значения VT = e/2C, затем произойдет туннелирование и туннельноенапряжение станет равным VT= −e/2C.

Описанный режим туннелирования водиночном переходе называется одноэлектронным туннелированием, он проявляется ввиде пилообразных осцилляций напряжения с частотой ω = IT /e (см. Рис. 1.1).Условия возникновения одноэлектронных эффектовЭффекты коррелированного туннелирования электронов наблюдаются в контактахсверхмалого размера в том случае, если эти контакты удовлетворяют двум основнымусловиям.161. Прежде всего, возможность существования одноэлектронных эффектов достигается требованием малости тепловых флуктуаций в электродах по сравнению схарактерной кулоновской энергией контакта EC :EC =e2≫ kB T.2C(1.2)Пользуясь условием (1.2), можно оценить требования к емкости туннельногоконтакта C при различных температурах.

Так, например, для металлическихтуннельных переходов с характерными размерами 0.1 мкм при температуреT = 0.1 К емкость контакта C должна быть меньше, чем 10−16 Ф; при “комнатной”температуре (T = 300 К) емкость контакта должна быть менее единиц аФ (10−18 Ф).Экспериментальноенаблюдениеодноэлектронныхэффектовводиночномтуннельном переходе, подключенном к источнику тока, затруднено из-за влияния“паразитной” емкости подводящих электродов, которая делает невозможнымвыполнение условия (1.2). Решением проблемы “паразитной” емкости можетбыть использование системы из нескольких туннельных переходов, соединенныхпоследовательно [38–40].2.

Из принципа неопределенности Гайзенберга [36] следует, что характерное времяквантовых флуктуаций электронного заряда в контактах должно быть многоменьше времени электрической реакции туннельного контакта на туннелированиеэлектронов τR = RT C. Это условие можно записать как:E C τR ≫ hилиhe2≪,RT C2C(1.3)где h – постоянная Планка, RT – сопротивление туннельного перехода. Другимисловами туннельная связь между островом и туннельными электродами должнабыть слабой в смысле малости величины квантового сопротивления Rq посравнению с туннельным сопротивлением RT [27, 41]:RT ≫ Rq =17h= 25.8 кОм.e2(1.4)Рис. 1.2. Схематичное изображение одноэлектронного транзистора (SET) с емкостнымуправлением; пунктирной линией выделен участок, соответствующий центральному острову.Первое экспериментальное подтверждение наличия одноэлектронных зарядовыхэффектов было получено в 1987 году [42, 43] при исследовании одноэлектронноготранзистора (SET) [10, 37].