Исследование одноэлектронного транспорта в наноструктурах молекулярного масштаба (1103190)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

На правах рукописиШорохов Владислав ВладимировичИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОЭЛЕКТРОННОГО ТРАНСПОРТА ВНАНОСТРУКТУРАХ МОЛЕКУЛЯРНОГО МАСШТАБАСпециальность 01.04.04 - Физическая электроникаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква — 2007Работа выполнена на кафедре атомной физики, физики плазмы и микроэлектроники физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Солдатов Евгений Сергеевич.Официальные оппоненты:• доктор физико-математических наук, профессор Лукичев ВладимирФедорович;• доктор физико-математических наук, доцент Маслова НатальяСергеевна.Ведущая организация: Институт радиотехники и электроники РАН.Защита диссертации состоится "31" мая 2007г. в 14.30 часов на заседанииДиссертационного Совета Д.501.001.66 в Московском Государственном Университете им.

М.В. Ломоносова по адресу: 119992, Москва, Ленинские Горы,физический факультет МГУ, аудитория 5-19.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физфака МГУ.Автореферат разослан " " апреля 2007 г.Ученый секретарьДиссертационного Совета Д.501.001.66Ершов А.П.3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Хорошо известно, что в последнее время наиболее обсуждаемойтемой в области электроники (см., например, ITRS [1]) является возможность продвижения технологии создания электронных схем высокой степени интеграции КМОП/CMOS вобласть суб-20 нм размеров [2]. Анализ показывает, что дальнейшее уменьшение размеровэлектронных элементов, из которых эти схемы состоят, неизбежно наталкивается на рядфундаментальных ограничений принципиального характера.

Такое положение дел свидетельствует о необходимости разработки альтернативных подходов к формированию электронных устройств с такой плотностью интеграции. Становится ясно, что будущее электроники - использование квантовых эффектов, таких как туннелирование электронов и квантование их энергетического спектра, которые возникают при использовании наноструктурмолекулярного масштаба [2]. Использование таких эффектов позволит решить наиболееострые проблемы современной электроники, связанные с приближением размеров элементов электронных схем к фундаментальному пределу, определяемому атомарным строениемвещества.

Это позволит развивать быстродействие и информационную емкость электронных схем в будущем. В сложившейся ситуации для дальнейшего развития электроникивесьма перспективным представляется переход к схемам, построенным на базе одноэлектронных [4] наноструктур молекулярного масштаба [5,А5,А6]. Такие схемы обеспечивают,как признанные преимущества одноэлектронных систем наноэлектроники (возможность построения цифровых систем с принципом кодирования информации одиночными электронами, предельно малое энерговыделение в таких структурах), так и достижение высокой(до 300 К) рабочей температуры, представляющее основную трудность использования одноэлектронных систем в настоящее время.Настоящая работа посвящена исследованию одноэлектронного транспорта в наноструктурах молекулярного масштаба.

Некоторые такие практически интересные устройстваи элементы (например, одноэлектронный молекулярный транзистор) возможно создать ужесейчас, используя самые современные технологии и методы. Некоторые структуры находятся в стадии предварительного изучения (например, молекулярная одноэлектронная ячейкапамяти). Данная работа направлена на изучение и решение актуальных теоретических задачмолекулярной электроники [2], возникающих при создании новых элементов и устройств,на основе которых можно было бы обеспечить построение молекулярных устройств сверх-4высокой степени плотности и быстродействия при низком энергопотреблении, а также натеоретическое изучение и анализ свойств таких элементов.Несмотря на всю привлекательность идеи использования наноструктур молекулярного масштаба в качестве элементов электронных схем, на этом пути имеется ряд сложностейкак практического, так и теоретического характера.

Наноструктуры молекулярного масштаба представляют собой одни из самых сложных объектов для теоретического изучения [3],т.к. эта область исследования находится на стыке различных наук, таких как химия, электродинамика, квантовая теория поля, физика поверхности и т.д. Поэтому актуальной задачей является разработка таких методов описания этих объектов, которые, с одной стороны,учитывали бы квантовые свойства объектов, но, с другой стороны, позволяли бы эти объекты описывать, как составные элементы электронных схем.

При решении так поставленнойзадачи важным моментом является возможность использования для наноструктур молекулярного масштаба таких понятий классической электроники, как сопротивление, емкость ииндуктивность для использования всей мощи уже разработанной схемотехники. Необходимо знать, какие возможны ограничения на использование таких классических параметровдля наноструктур молекулярного масштаба.Весьма актуальным для практического применения наноструктур молекулярногомасштаба в качестве элементов электронных схем является вопрос о том, какое влияниена транспортные характеристики (вольтамперные и характеристики управления) оказывает дискретный энергетический спектр таких элементов.

Ответ на такой вопрос позволитболее четко определить круг объектов, наиболее подходящих для построения электронныхнаноустройств, например, с более высокой рабочей температурой. Другим, не менее актуальным вопросом для практического использования, является возможность полученияинформации об электронном энергетическом спектре молекулярных объектов путем измерения транспортных характеристик электронных устройств, что открывает заманчивыевозможности для спектроскопии одной молекулы.

Рассмотрение и решение перечисленныхвопросов и проблем проведено в настоящей работе.Объектом исследования является молекулярный одноэлектронный транзистор, в котором между молекулой, играющей роль центрального электрода, и металлическими электродами образованы туннельные переходы рис.1.Предметом исследования является одноэлектронный туннельный транспорт в мо-5C l , RlC r , Rrneи(++++++)VCgTVg-Рис. 1. Схематичное изображение молекулярного одноэлектронного транзистора и егопринципиальная электрическая схема.лекулярном одноэлектронном транзисторе — наноструктурном объекте, который являетсябазовым элементом для создания устройств молекулярной электроники.

При этом исследуются предельные случаи энергетической релаксации электронов в молекуле и связанныес этим процессы упругого и неупругого туннелирования электронов.Цель работы. В связи с вышеизложенным, основной целью диссертационной работы является комплексное исследование транспортных характеристик наноструктур молекулярного масштаба с дискретным энергетическим спектром путем их численного моделирования, а также сравнение расчетных и экспериментальных данных с целью определенияконкретных условий транспорта электронов в реальных наноструктурах молекулярного масштаба. В соответствии с основной целью исследования решались следующие задачи:1.

Разработать модель одноэлектронного туннелирования в наноструктурах молекулярного масштаба. Получить основные уравнения, которые позволяли бы описыватьтуннелирование с учетом релаксационных процессов в молекулярных объектах.2. Разработать программное обеспечение для проведения как имитационного моделирования методом Монте-Карло, так и численного расчета транспортных характеристик на основе решения основных уравнений.3.

Исследовать особенности электронного транспорта в молекулярном одноэлектронном транзисторе, как при комнатной температуре T ∼ 300К, так и при низкой температуре T → 0К. Определить значения основных параметров, соответствующих экспериментальной ситуации. Изучить влияние дискретности энергетического спектра6молекул на вид электрических характеристик рассматриваемой системы и значенияпараметров, характеризующих транспорт электронов.Научная новизна работы определяется следующими, наиболее важными полученными результатами:1. Для изучаемой системы впервые получено рекурсивное решение системы кинетических уравнений, которое позволяет вычислять как зарядовую функцию распределения, так и одночастичные функции распределения электронов по энергетическимуровням в молекулярных объектах при условии сильной неравновесности рассматриваемой системы;2.

Впервые реализован метод быстрого рекурсивного расчета канонического распределения Гиббса со специальным правилом суммирования, который позволяет радикально упростить расчет канонического распределения Гиббса для молекулярныхобъектов в рассматриваемой системе;3. Впервые проведен расчет вольтамперных характеристик и характеристик управлениямолекулярного одноэлектронного транзистора методом имитационного моделирования параллельно в режиме медленной и быстрой энергетической релаксации электронов в молекуле; путем сравнения этих характеристик с экспериментом показанасильная неравновесность процесса электронного транспорта в таких системах;4.

Получена формула определения значений собственной эффективной емкости длямолекулярных объектов сверхмалого размера вплоть до атомных путем использования значений потенциалов ионизации таких объектов и их сродства к электрону.Показано, что собственная электрическая емкость таких объектов, как и в классическом случае, определяется топологией молекулы, а не ее химическим составом.Положения, выносимые на защиту:1. Предложенная методика рекурсивного решения системы кинетических уравненийдля молекулярного одноэлектронного транзистора позволяет более просто, полнои точно, чем ранее используемые методы, описать одноэлектронный транспорт внаноструктурах с дискретным спектром энергий в пределе медленной и быстройэнергетической релаксации электронов.72. Методопределениясобственнойэффективнойемкостиобъектоватомно-молекулярного масштаба позволяет рассчитать этот параметр исходя из экспериментально измеряемых характеристик таких объектов и установить его связь схимическими характеристиками таких объектов.3.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов диссертации