Исследование одноэлектронного транспорта в наноструктурах молекулярного масштаба (1103190), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В процессе туннельного транспорта электронов в молекулярных наноструктурах дискретность электронного энергетического спектра играет ведущую роль наравне скулоновским отталкиванием и оказывает сравнимое с ним действие по величине вызываемых скачков (ступенек) туннельного тока на вольамперных характеристиках.4. Туннельный транспорт электронов в наноструктурах молекулярного масштаба в реальном эксперименте осуществляется в пределе медленной релаксации электронов вмолекуле, т.е. процесс переноса электронов в молекулярном одноэлектронном транзисторе сильно неравновесный.Достоверность полученных результатов, исследований и обоснованность научныхположений, выводов и рекомендаций работы подтверждается согласием полученных расчетных данных с результатами экспериментов и в предельном переходе — с хорошо проверенной теорией ортодоксальной одноэлектроники.Практическая значимость работы.
Предложенная методика описания туннельноготранспорта в наноструктурах молекулярного масштаба позволяет численно исследоватьодновременно кулоновские эффекты и эффекты, связанные с дискретным энергетическимспектром, что обеспечивает комплексность анализа и закладывает основу для проектирования практических устройств на базе таких структур.
Предложенная модель системыпри наличии данных об электронном энергетическом спектре молекулы позволяет быстрорассчитывать транспортные характеристики наносистемы, построенной на основе этой молекулы, что обеспечивает правильный прогноз и интерпретацию экспериментов в случаях,когда другие пути невозможны из-за малых размеров и квантовых свойств системы.
Низкаятребовательность предложенного метода расчета к вычислительным мощностям позволяет существенно расширить доступность расчетов таких молекулярных структур и изучатьтуннелирование электронов в системах, состоящих из множества молекулярных объектовс дискретным энергетическим спектром, с помощью обычных персональных компьютеров.8Предложенный метод определения значений эффективной собственной емкости молекулярных объектов позволяет определить пригодность таких объектов и важные эксплуатационные характеристики элементов на их основе при создании устройств молекулярнойодноэлектроники.Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложенына следующих научных конференциях и школах:• Ломоносов-98, «Международная конференция студентов и аспирантов по фундаментальным наукам», Москва, Россия, 1998;• Всероссийский Семинар «Наночастицы и нанохимия», Черноголовка, Россия, 2000;• LB-9, 9-th International Conference on Organised Molecular Films, Потсдам, Германия,2000;• 3-я Международная Конференция «Химия высокоорганизованных веществ и научные основы нанотехнологии», Санкт-Петербург, Россия, 2001;• 3rd International Conference on Physics of Low-Dimensional Structures, Черноголовка,Россия, 2001;• ECOF8, 8-th European Conference on Organized Films, Отранто, Италия, 2001;• NANO-7/ECOSS-21, Мальмо, Швеция, 2002;• IPMM’03, The 4th International Conference «Intelligent Processing and Manufacturingof Materials», Сендай, Япония, 2003;• ACSIN-7, 7th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces andNanostructures, Нара, Япония, 2003.Публикации.
Основные результаты проведенных исследований опубликованы в 6-типечатных работах, список которых приведен в конце автореферата.Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем работы составляет 164 страницы.
Она содержит 40 рисунков и 4таблицы.9СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, обсуждаются цель изадачи диссертационной работы. На основании литературных данных приводится краткийобзор работ по созданию наноэлектронных устройств молекулярного масштаба [2], в которых проявляются эффекты, связанные с дискретными особенностями энергетическогоспектра молекул и с эффектами кулоновского отталкивания.
Описана структура диссертации и приведен список печатных работ, в которых отражено её основное содержание.Первая глава носит обзорный характер. В этой главе кратко рассмотрено современное состояние исследований в электронике, актуальность и обоснованность перехода в молекулярную электронику. Представлен также обзор экспериментальных работ по созданиюнаноэлектронных элементов молекулярного масштаба.Показано, что при переходе в суб-20 нм диапазон размеров элементов при построении наноустройств неизбежно придется учитывать размерные квантовые и кулоновскиеэффекты. В обычных электронных устройствах, размеры которых много больше 20 нм,при комнатной температуре можно пренебречь кулоновским отталкиванием электронов иквантованием их энергетического спектра по сравнению с тепловыми флуктуациями и энергетической шириной туннелирования. В устройствах, размеры которых меньше 20 нм пренебрегать этими эффектами уже нельзя. Значение характерной кулоновской энергии дляэлементов электронных устройств с характерным размером a оценивается по формуле:EC =e2,4πε0 aгде e — заряд электрона, ε0 — электрическая постоянная.
Оценку среднего расстояния между энергетическими уровнями элементов электронных устройств можно сделать на основевыражения:4ε =2εF,3a3 νгде εF — энергия Ферми, ν — концентрация электронов проводимости (например, длязолота эта величина составляет ν ≈ 1.1 · 10−29 м−3 ). Таким образом, для золотого электрода с характерными размерами a ≈ 10 нм кулоновская энергия составляет EC = 0.14 эВ,среднее расстояние между электронными энергетическими уровнями 4ε ≈ 6 · 10−5 эВ, длязолотой гранулы размером a ≈ 1 нм — EC = 1.4 эВ, 4ε ≈ 0.06 эВ.
Величина тепловыхфлуктуаций при комнатной температуре (T = 300 К) составляет kB T ≈ 0.026 эВ, где kB10— постоянная Больцмана, T — температура термостата. Очевидно, кулоновские эффекты иэффекты, вызванные квантованием энергии электронов, будут играть определяющую рольпри построении наноэлектронных устройств молекулярного масштаба (a ∼ 1 ÷ 5 нм).Далее в этой главе приведены основные сведения об эффекте коррелированноготуннелирования электронов в устройствах сверхмалых размеров в приближении непрерывности энергетического спектра контактов (так называемая "ортодоксальная"теория одноэлектронного туннелирования [4]).
Рассмотрены условия появления одноэлектронных эффектов:e2 /2C À kB T ,RT À RQ ,RQ = h/e2 ≈ 25 кОм ,где C — емкость туннельных переходов, RT — сопротивление туннельных переходов, RQ— квантовая единица сопротивления, h — постоянная Планка. Из оценки этих условийстановится понятно, что при комнатной температуре одноэлектронные эффекты играютопределяющую роль в устройствах с туннельными контактами с предельно малой емкостьюC ∼ 10−19 Ф.Все процессы, протекающие в туннельных контактах сверхмалых размеров, определяются тремя временными масштабами. Самый грубый масштаб времени τR определяется характеристиками электрической цепи. Меньший временной масштаб τC определяетсяквантовыми флуктуациями электрического заряда.
Для элементов электронных устройствс характерными размерами a ∼ 10 нм τC ∼ 10−13 с. Самый маленький временной масштабτT определятся временем нахождения электрона под туннельным барьером, τT ∼ 10−15 .Для практического применения необходимо использовать многопереходные туннельные структуры [8], т.к. в случае одиночных туннельных переходов паразитная емкость внешней цепи должна учитываться в характерной кулоновской энергии, что существенно уменьшает её значение на фоне тепловых флуктуаций. Поэтому основным простейшим одноэлектронным устройством, представляющим наибольший для изучения интерес, является одноэлектронный транзистор, основу которого составляют два последовательно включенныхтуннельных перехода.
Далее в этой главе рассмотрены основные свойства вольтамперныххарактеристик и характеристик управления одноэлектронного транзистора.Перспективными объектами для создания острова одноэлектронного транзистора11являются кластерные молекулы [3], поскольку они обладают воспроизводимой структуройи устойчивостью к процессам электронной зарядки-разрядки. В конце главы представленкраткий обзор свойств кластерных молекул и методов практического создания молекулярых одноэлектронных транзисторов. Использование кластерных молекул позволяет достичь значений емкостей туннельных контактов и собственных емкостей островов порядка10−19 Ф.При изучении туннельного транспорта электронов в одноэлектронном транзисторе,собственная емкость центрального острова которого по прядку величины равна 10−19 Ф,необходимо учитывать дискретный энергетический спектр электронов его острова.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
