Диссертация (Теоретическое исследование электронного транспорта в молекулярном одноэлектронном транзисторе), страница 4

Одноэлектронный транзистор является наиболее простымтрёхэлектродным одноэлектронным устройством.1.3. Одноэлектронный транзисторРассмотрим систему из двух последовательных туннельных переходов, образованных двумя металлическими электродами и так называемым “островом”,расположенным между ними. Если к острову подвести еще один дополнительныйэлектрод, подключенный к источнику управляющего напряжения VG и обеспечитьотсутствие туннелирования между ним и островом, то полученное устройство будетпредставлять собой одноэлектронный транзистор (SET).

Принципиальная схема такоготранзистора показана на Рис. 1.2.В оригинальных работах Аверина и Лихарева [35] было предложено 2 типаодноэлектронного транзистора: с емкостным затвором (C-транзистор) (см. Рис. 1.2)и резистивным затвором(R-транзистор). В случае C-транзистора управление током всистеме происходит через ёмкость, во втором — через сопротивление.

В обоих случаяхдолжны быть выполнены условия (1.2) и (1.4). Условие (1.4) распространяется такжеи на сопротивление затвора, причём высокое сопротивление должно набраться надостаточно коротком расстоянии, чтобы минимизировать вклад со стороны затвора вполную ёмкость острова.18Туннелирование электрона через один из туннельных переходов существенноизменяет электростатическую энергию системы, что приводит к возникновениюкорреляций между актами туннелирования. В отличие от одиночного туннельногоконтакта (Рис. 1.1), где происходит временная корреляция между последовательнымиактами туннелирования электронов, в одноэлектронном транзисторе корреляциивозникают между электронами, туннелирующими через левый и правый переходтранзистора [37].

Наиболее ярко это выражено при существенной асимметриитуннельных переходов [44]: Cl Rl ≪ Cr Rr .Приложенное к электродам туннельное напряжение VT создает в системе ток IT ,который сильно зависит от заряда центрального острова [31]. Значение тока IT можноконтролировать потенциалом VG управляющего электрода, через нетуннельную емкостьCG связанного с островом (Рис. 1.2): при изменении VG на острове будет индуцироватьсяэлектрический заряд QG = СG VG . Таким образом, остров является аналогом проводящегоканала в полевом транзисторе, левый и правый электроды выполняют роль истока истока, а управляющий электрод – роль затвора.

Поэтому представленное устройствоназывается одноэлектронным транзистором.Для описания туннельного транспорта электронов в одноэлектронном транзистореудобно использовать понятие зарядового состояния, равного числу дополнительныхэлектронов n на острове транзистора [37]. Энергия, необходимая для добавления(n + 1)-ого электрона на остров путем туннелирования либо через левый, либо черезправый переход, может быть записана как [37, 45]:(︁)︁e (Cr + 12 CG )VT + CG VG + ne − 2e∆Er =,CΣ∆El =(︁)︁e −(Cl + 21 CG )VT + CG VG + ne + 2eCΣ,(1.5)(1.6)где CΣ = Cl + Cr + CG , CΣ — полная емкость системы, Cl(r) — емкость левого (правого)туннельного перехода, CG — нетуннельная емкость затвора (управляющего электрода иодноэлектронного острова, см.

Рис. 1.2). При этом скорости туннелирования электроновчерез левый Γl (n) и правый Γr (n) переходы можно рассчитать, используя золотое правилоФерми для вероятности перехода между двумя состояниями квантовой системы [28, 45]:(︃)︃−∆El(r)1.(1.7)Γl(r) (n) = 2e Rl(r) 1 − exp[∆El(r) /kB T ]19Рис. 1.3. Пример диаграммы стабильности одноэлектронного транзистора с соотношениемемкостей Cl = 2Cr = CG . Протекание тока возможно только вне ромбовидных областей,определенных системой неравенств (1.8). Внутри ромбов состояние транзистора соответствуетпостоянному количеству электронов n на острове.Легко видеть, что значения энергии ∆El и ∆Er являются изменением полнойэлектростатической энергии системы, аналогичной выражению (1.1), т.к.

приблизких к нулю температурах протекание тока возможно, только если изменениеэлектростатической энергии системы положительно. Из условия положительностиэлектростатической энергии возникает система неравенств:1CG )VT + CG VG < e(n + 1/2)2.(1.8)1CG )VT + CG VG < e(n + 1/2)2Если изобразить эти неравенства на плоскости с координатами CΣ VT /e и CG VG /e,⎧⎪⎪⎪e(n − 1/2) < (Cr +⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎩ e(n − 1/2) < −(Cl +то получится система ромбовидных областей, где протекание тока невозможно — Рис.1.3.Представленная на Рис. 1.3 диаграмма называется токовой диаграммойстабильности одноэлектронного транзистора.

При нулевой температуре и принапряжениях смещения в интервале (1.8) внутри этих ромбов зарядовое состояние nострова является стабильным и переходы находятся в состоянии кулоновской блокады.Однако, в присутствии приложенного напряжения VT такое состояние, строго говоря,является метастабильным. Имеют место процессы второго порядка малости, так20называемое котуннелирование [37]; вероятность таких процессов для цепочки из Nпереходов пропорциональна (Rq /RT )N .

В настоящей работе мы считаем, что условие (1.4)хорошо выполняется и влияние процессов второго порядка малости на формированиетуннельного тока можно считать пренебрежимо малым.1.4. Способы создания одноэлектронных транзисторовИзучению одноэлектронных систем за последние годы посвящено большоеколичество работ как теоретических [5, 15, 24, 46–48], так и экспериментальных.Наблюдение явления одноэлектронного туннелирования (в т.ч.

при комнатнойтемпературе) было неоднократно продемонстрировано с применением различныхтехнологических процессов и материалов: кремниевых технологий [49], процессанано-окисления [50], углеродных нанотрубок [51], напыления кластеров [52] и др.На сегодняшний день существует достаточное большое количество методовсоздания одноэлектронных устройств, что позволяет проводить их классификацию поразным принципам [53]:ˆ на основе выделения характерных активных областей приборов;ˆ по различию принципиальной структурной схемы, по материалам одноэлектрон-ного острова;ˆ по материалам одноэлектронного острова;ˆ по технологическим методам изготовления и материалам, формирующим другиеобласти устройства.В частности, по типу объектов, которые можно использовать в качестве кулоновскогоострова[54], SET можно разделить на следующие группы: наногранулы [14, 55, 56];одиночные молекулы и атомы [7, 34, 47, 50, 57–59]; квантовые точки, полученные путемсамосборки [49], и в нанопроводах [60, 61]; углеродные нанотрубки [51, 62–64], графен[65, 66].

На Рис. 1.4 представлена классификация молекулярных одноэлектронныхтранзисторов по способу создания, составу и выходным характеристикам устройства.Далее рассмотрим наиболее характерные и интересные реализации одноэлектронныхтранзисторов, а также последние достижения в этой области.21Рис. 1.4. Классификация молекулярных одноэлектронных транзисторов по способу создания исоставу.SET на основе молекулярных объектов и нанокластеровИсторически первыми попытками создания MSET были эксперименты [50, 57, 67],в которых была реализована трехэлектродная туннельная система «СТМ-молекулярныйкластер-подложка», где в качестве одного из электродов была использована игласканирующего туннельного микроскопа (СТМ), а управление электронным транспортомосуществлялось металлическим затвором.В работе [57] был создан молекулярный одноэлектронный транзистор на основеталиевой производной карборанового кластера 1,7-(H3 )2 -1,2-C2 B10 H9 Tl(OCOCF3 )2 ,характерный размер которого составил около 2 нм, и была успешно продемонстрирована22работа устройства при комнатной температуре.

На подложку из высокоориентированного пиролитического графита методом Ленгмюра-Блоджетт осаждаласьмономолекулярная пленка из смеси карборановых кластеров и стеариновой кислоты.Затем иглой СТМ проводился поиск карборанового кластера и снимались транспортныехарактеристики (ВАХ и характеристики управления).Приведенный метод с использованием иглы СТМ удобен лишь в лабораторныхусловиях и не пригоден для создания реальных одноэлектронных устройств.С практической точки зрения, для встраивания в чипы, наиболее интереснымпредставляется создание планарных систем.

Существуют технологии изготовленияпланарных SET как с верхним металлическим электродом-затвором [68], так и с нижнимзатвором [18]. В работе [56] описано изготовление такого планарного одноэлектронноготранзистора. Электроды создавались с помощью электронно-лучевой литографии, чтопозволило создать зазоры размера порядка 10 нм. Затем в зазор между электродамиосаждали висмутовые кластеры размером 1.3 нм (такой кластер состоит из ∼ 400атомов висмута). Последующие измерения транспортных характеристик проводилисьпри T = 4.2 К.Одноэлектронные транзисторы на основе одиночных молекул OPV3 и OPV5были созданы в работе [58]. В этой работе, молекула была заключена в 2 нм зазоремежду золотыми электродами, изготовленными так же, как и в работе [56] методомэлектронно-лучевой литографии. Молекула OPV3 крепилась к электродам с помощьютиольных окончаний.Одним способов изготовления электродов молекулярного одноэлектронноготранзистора является сочетание традиционной техники литографии и электромиграции[69].

Явление электромиграция [70] представляет собой движение атомов металла поддействием тока высокой плотности. Если с помощью электронно-лучевой литографиисоздать тонкий металлический нанопровод, то пропускание через него достаточнобольшого тока может приводить к разрыву перемычки. Данный метод позволяетсоздавать туннельные зазоры в единицы нанометров с сопротивлением до 10 ГОм.Работа [47] посвящена исследованию различных режимов туннельного транспортав молекулярных транзисторах на основе молекул OPV3, OPV5 и [Co4II L4 ]8+ , где L –лиганд. Здесь молекулы осаждались из раствора на подложку с системой золотыхэлектродов.

Электроды были созданы путем электромиграции [70] золотого провода (1223нм длиной и 2.4 нм в сечении). Такой метод позволил создать зазоры между электродамиразмером ∼ 2 нм. Аналогичным методом создавались золотые электроды и в работе[71]. В SET использовалось 2 типа молекул: 1,8-октандитиол (ODT) с алкильнымостовом и 1,4-бензолдитиол (BDT). Было продемонстрировано прямое управлениемолекулярными орбиталями молекулярного острова, которое исследовалось с помощьюметода неупругой туннельной (IET) спектроскопии.Достаточно популярными молекулами в экспериментальных работах по созданиюSET (например, [33, 72]) являются фуллерены из-за своей структурной устойчивостик изменению заряда. В работе [73] проведено исследование влияния электронныхколебательных мод на процесс туннелировния в одноэлектронном транзисторе наоснове молекулы C140 .