Диссертация (Теоретическое исследование электронного транспорта в молекулярном одноэлектронном транзисторе), страница 6

Размер частиц 3.7 ± 0.4 нм;примерный химический состав, по мнению авторов, может быть записан какAu1415 (RS )328 . Подгоночные параметры, полученные для теоретического описаниярезультатов эксперимента: C1 = 0.1 аФ, C2 = 0.025 аФ, R1 = 108 Ом, R2 = 106 Ом,EC = 0.19 эВ, kT/EC = 0.1307 при T = 300 К.

Собственная емкость частицыпри аппроксимации ее сферой (C = 4π0 L r, где r – радиус частицы из STM),покрытой диэлектрической оболочкой c проницаемостью L = 3, равна 0.75 аФ.Электрохимический анализ частиц дал разброс значений емкости 1.43 ÷ 1.76 аФ, притом, что модель емкости концентрических сфер дает 1.4 аФ.Частицы размером 6.2±0.8 нм использовались в работе [12] при исследовании дискретного энергетического спектра центрального острова одноэлектронного транзистора.Параметры изготовленного транзистора: C1 = 1.25 аФ, C2 = 1.58 аФ, R1 = 4.8 МОм,R2 = 1.5 МОм, Cg1 = 31.5 зФ, Cg2 = 5.2 зФ.

Среднее расстояние между возбужденнымиэнергетическими уровнями, полученное по снятой диаграмме стабильности, равняетсяδE = 0.73 мэВ. Ожидаемое же δE для вырожденных по спину энергетических уровнейоценено по формуле:2π2h̄2δE ≈,me k F V(1.9)где волновой вектор Ферми для золота kF = 1.21 × 1010 м−1 , V - объем сферическойзолотой частицы (V = 4πr3 /3).

Для частицы диаметром 6.2 ± 0.8 нм оценка дает290.7–1.5 мэВ.Гибридные одноэлектронные устройстваПрепятствием использования SET в различных гибридных приложениях какправило являются слабая управляемость тока, малый коэффициент усиления понапряжению, большое выходное сопротивление и высокая чувствительность к фоновымзарядам. Поскольку КМОП/CMOS устройства обладают преимуществами, которыемогут компенсировать недостатки одноэлектронных устройств, одним из возможныхрешений проблемы являются гибридные CMOS-SET схемы.Одно из таких гибридных CMOS-SET устройств экспериментально продемонстрировано в работе [9]. Одноэлектронный элемент соединялся с КМОП частью,изготовленной по 2 µм процессу.

Для изготовления одноэлектронного транзисторас металлическим островом использовался метод теневого напыления тонких пленоки метод электронно-лучевой литографии. Измерения в системе проводились притемпературе 1.1 К. Было показано, что токовая сигнальная характеристика SET можетбыть преобразована в сигнал усиленный по напряжению для генерации обычныхуровней КМОП-логики.В работе [87] предложена схема создания гибридного CMOS-SET инвертера,который может функционировать при комнатной температуре. На основе такогоинвертера могут быть получены и такие логические элементы, как NAND, NOR,AND, OR, XOR и XNOR.

Изготовление подобного гибридного транзистора описанов работе [88]. Для того, чтобы избежать негативного влияния примесей, дефектов инестабильностей оксидов металлов, использовались только диоксид кремния (SiO2 ) идопированный фосфором поликристаллический кремний. Удачные полученные образцыпоказали надежные, хорошо настраиваемые и повторяемые от устройства к устройствупараметры. Получены характеристики управления как при температуре 2.2 К, так и прикомнатной (300 К).

При температуре 30 мК была получена диаграмма стабильностиустройства с отчетливыми Кулоновскими ромбами.Таким образом, в этом разделе были рассмотрены основные современныетипы молекулярных одноэлектронных транзисторов и технологий, используемых приих изготовлении. Из рассмотрения приведенных работ можно сделать вывод, чтосуществующие методы позволяют создавать планарные электроды с зазором до единиц30нанометров, в которые с помощью различных методов осаждения можно поместить изакрепить молекулы и наночастицы.1.5. Применение одноэлектронных устройствОдним из первых самых простых предложенных применений MSET былимолекулярный диод и выпрямитель тока [89].

Также может быть использовано иследующее уникальное свойство одноэлектронного транзистора. Он представляет собойэлектрометр с субэлектронной чувствительностью, сенсором которого является егоостров. Применяться такой прибор может, например, для исследования зарядовойдинамики в других мезоскопических устройствах (одноэлектронный бокс, насос,ловушка и др.). Одна из ярких демонстраций его применения — уже упомянутоевыше изготовление одноэлектронного транзистора на игле низкотемпературногосканирующего туннельного микроскопа [57] и исследование с его помощьюраспределениязарядоввразличныхобъектах.Чувствительностьсоздаваемыхэлектрометров на основе радиочастотного одноэлектронного транзистора [90–92] можетдостигать ∼ 10−5 e/Гц на частоте ∼ 1 МГц (e – заряд электрона).Всевозможные уже реализованные и перспективные приложения одноэлектронныхустройств достаточно полно рассмотрены, например, в работах [10] или [26].

В качествепримера далее приведено несколько самых последних наиболее интересных примероввозможного применения одноэлектронных транзисторов в электронике.Свойство молекулярного переключения в последние годы является предметомповышенного внимания в связи с его потенциальной применимостью в молекулярныхтвердотельныхустройствах.Происхождениеявленияпереключениясвязаносгеометрией адсорбции, конформационными изменениями молекулы и окислительновосстановительными реакциями.

В работе [6] авторам удалось показать полностьюрабочую при комнатной температуре мономолекулярную одноэлектронную ячейкупамяти на основе производной молекулы порфирина (Boc-Por-SS1(Cu)), обладающейуказанным выше свойством переключения. Молекула помещалась в двухэлектроднуюсистему, образуя 2 туннельных перехода: роль первого электрода играла золотаяповерхность Au(111), на которой молекула закреплялась с помощью тиолов, ароль второго — игла СТМ. Эффект молекулярного переключения (или запоминания)объясняется изменением остаточного заряда Q0 молекулы.

Подавая на молекулу31определенные последовательности импульсов напряжения (в [6]: “стирающий” – −2.5 В,“считывающий” – −1.5 В, “записывающий” – +1.0 В), можно менять Q0 и темсамым управлять Кулоновской блокадой устройства. При этом устройство переходитв сильно проводящее или слабо проводящее состояние. Таким состояниям в работе [6]соответствовали средние значения тока 77 и 27 пА, соответственно.

Если подвести кдвух-барьерной системе третий управляющий электрод, то возможность модулироватьзаряд Q0 превращает устройство уже в перезаписываемую одномолекулярную ячейкупамяти.Остров в молекулярном SET при снятии транспортных характеристик управлениятранзистора дает характерную только для нее диаграмму стабильности (подобнуюпоказанной на Рис. 1.3). Поэтому топология системы одноэлектронного транзистораможет служить идеальным сенсором, позволяющим считывать структуру молекулДНК. Схема эксперимента проста. ДНК помещается в зазор стандартной для SETтрехэлектродной системы и, при соблюдении условия слобосвязанности молекулярногоострова (того молекулярного центра ДНК, который находится в зазоре) с электродами,в системе пропускается поперечный туннельный ток — см.

Рис. 1.5. Численноемоделирование электронного транспорта в такой системе продемонстрировано,например, в работе [93].Рис. 1.5. Схематичный вид экспериментальной одноэлектронной системы для считываниятранспортных характеристик молекулярных центров ДНК.Помимо считывателей ДНК одноэлектронные транзисторы имеют перспективы32применения при создании новейших гибридных бионаноустройств [94, 95]. Еслимикроорганизм электронно связать с наноустройством, чувствительным к изменениюзаряда в единицы электронов (таким, как SET) и химически нетоксичным для клеток,то можно регистрировать биохимическую активность этого микроорганизма.В работе [95] реализована новая архитектура, где использовался монослой (2D),образованный одномерными (1D) цепочками золотых частиц (диаметром 10 нм).Преимущество полученной системы заключается в сравнительно слабой зависимостиот температуры максимального туннельного напряжения VT , при котором наблюдаетсяКулоновская блокада.

При комнатной температуре размер Кулоновской блокадытуннельного тока был равен VT ∼ 0.45 В. Объединение полученной системы сбиохимическими процессами в клетке может потенциально найти применение вбиотопливных элементах и высоко чувствительных биосенсорах, используя клетки какПримером еще одной интересной экспериментальной реализации бионаносенсорастал одноэлектронный транзистор на основе аналогичной цепочки золотых наночастиц,но функционирующий в жидкой среде [94].

Последняя особенность является большимпреимуществом, т.к. живые микроорганизмы, как правило, находятся именно в жидкихрастворах. Продемонстрированная в [94] схема устройства является новым вариантомвысоко чувствительного электрохимического полевого транзистора для применения вкачестве и биосенсора, и регистратора ДНК.Одноэлектронный транзистор может также служить сенсором смещения счувствительностью на грани квантового предела.

SET, емкостным образом связанныйс механическим резонатором, при криогенных температурах позволяет регистрироватьдвижение в механическим системах на субнанометровом уровне [96, 97]. В работе[96] одноэлектронный транзистор являлся частью резонатора наноэлектромеханическойсистемы (NEMS) и позволил достичь чувствительности смещения ≈ 4 фм Гц−1/2 , чтоблизко к квантовому пределу резонаторов данного типа. Экспериментальная реализацияописанного устройства в работе [97] показала чувствительность 2 фм Гц−1/2 для 116-Гцосциллятора при температуре 30 мК.

SET был изготовлен из алюминия, и поэтомудля выведения его сверхпроводящего состояния (при такой температуре) дополнительноприкладывалось магнитнное поле величиной 8 Тл.Таким образом, очевидно, что одноэлектронные устройства уже доказали своюценность в качестве инструментов научных исследований (в метрологии: стандарт33тока, сопротивления [10]), при создании новых элементов для реализации цифровойлогики, запоминающих элементов, механических и биосенсоров.