Исследование одноэлектронного транспорта в наноструктурах молекулярного масштаба (1103190), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Такое рассмотрение крайненеобходимо для создания методической основы для последующего анализа более сложныхслучаев, когда энергетический спектр центрального электрод транзистора имеет сложнуюструктуру. Вольтамперные характеристики и характеристики управления более сложногослучая являются сложной суперпозицией простых случае, рассмотренных в этой главе.Рассмотрены два случая, когда энергетический спектр молекулы состоит всего из одного вырожденного по спину электронного энергетического уровня и двух невырожденныхэлектронных энергетических уровней.
Исследование транспортных характеристик произведено для трех электронных конфигураций нейтрального состояния молекулы. Полученыаналитические выражения для туннельного тока.Для трех возможных электронных конфигураций нейтрального состояния молекулырассчитаны вольтамперные характеристики для различных значений модельной температуры термостата.
Показано, что значение туннельного тока возрастает скачками при ростетуннельного напряжения. В области VT = 0 туннельный ток отсутствует. Ширина блокадыопределяется изменением кулоновской энергии 4ε(n) и средним расстоянием между энергетическими уровнями молекулы. Ширина следующих за блокадой токовых ступенек такжеопределяется изменением кулоновской энергии молекул. Количество токовых ступенек и ихширина зависят от электронной конфигурации нейтральной молекулы. Значение тока насыщения транзистора определено как 2eΓl Γr /(Γl + Γr ), Γl и Γr — темпы туннелированияэлектронов через левый и правый электрод соответственно.Рассчитана серия вольтамперных характеристик для молекулярного одноэлектронно-16го транзистора с вырожденным уровнем для различных значений коэффициента делениятуннельного напряжения η. Показано, что ширина токовых ступенек (размер вдоль осинапряжений) на вольтамперной характеристике обратно пропорциональна коэффициентуделения напряжения.
При анализе рассчитанных вольтамперных характеристик выяснено,что в случае молекулярного одноэлектронного транзистора вольтамперные характеристикимогут быть несимметричными относительно операции инверсии в точке VT = 0 и IT = 0.Эффект несимметричности ВАХ полностью отсутствует в "классических"одноэлектронныхтранзисторах. В случае молекулярного одноэлектронного транзистора этот эффект вызваннесовпадением уровня энергии в молекуле с уровнем Ферми в электродах.Кроме того, рассчитана серия характеристик управления для модельного одноэлектронного транзистора с вырожденным энергетическим уровнем. Анализ особенностей характеристики управления в случае транзистора, в котором центральны остров имеет единственный энергетический уровень, позволяет понять особенности влияния отдельных энергетических уровней на формирование характеристики управления транзистора.
Показано,что положение скачков туннельного тока на характеристике управления определяется значениями кулоновской энергии для различных зарядовых состояний. Показано, что ширинаступенек возрастает линейно с увеличением туннельного напряжения. Такая линейная зависимость определяется линейным увеличением диапазона возможных положений энергетического уровня молекулы между уровнями Ферми электродов, при которых для электронаэнергетически выгодно туннелировать через энергетический уровень.Далее представлена серия вольтамперных характеристик, на которой видно, что приизменении отношения проводимостей переходов изменяется количество токовых ступенекна ВАХ.
Изменение количества ступенек на вольтамперной характеристике непосредственносвязано с изменением значения вероятности найти молекулу в определенном зарядовомсостоянии, поскольку скорость перехода и ухода в эти состояния определяется темпамитуннелирования через правый и левый туннельные переходы. Для случая, когда функция,определяющая зависимость зарядовой энергии молекулы от номера зарядового состояниячетная, зависимость количества ступенек на ВАХ от отношения проводимостей туннельныхпереходов пропадает, что связано с вырождением соответствующих зарядовых состояний.Таким образом, в первой части это главы определены особенности влияния отдельных энергетических уровней на форму транспортных характеристик молекулярного одно-17электронного транзистора.Во второй части этой главы представлены вольтамперные характеристики, рассчитанные для молекулярного одноэлектронного транзистора, электронный энергетическийспектр которого состоит из двух невырожденных по спину электрона энергетических уровней.
Показано, что ширина по туннельному напряжзению токовых ступенек на вольтамперной характеристике линейно зависит от расстояния между энергетическими уровнями,причем количество ступенек зависит от положения энергетических уровней молекулы относительно положения уровня Ферми в электродах. Таким образом среднее расстояние междуэнергетическими уровнями в молекуле обратно пропорционально проводимости транзистора и прямо пропорционально ширине ступенек туннельного тока.Путем построения контурной диаграммы стабильности показано, что область стабильности (кулоновский ромб) смещается по туннельному напряжению при смещении энергетических уровней молекулы относительно уровня Ферми электродов. Это позволяет говорить о том, что ступеньки туннельного тока, которые присутствуют на характеристикеуправления наиболее точно отражают структуру дискретного энергетического спектра молекулы.Исследование свойств вольтамперных характеристик и характеристик управлениямолекулярного одноэлектронного транзистора в случае с сильно упрощенным энергетическим спектром позволило определить, как влияет дискретный энергетический спектрмолекулы на них.
Показано, что даже в таких простейшей случаях получается огромноеразнообразие различных особенностей на транспортных характеристиках, которые сильнозависят от модельных параметров и структуры дискретного энергетического спектра.В пятой главе представлены результаты расчетов вольтамперных характеристик ихарактеристик управления молекулярного одноэлектронного транзистора с дискретнымэнергетическим спектром острова.
В этой главе проведен анализ влияния основных параметров модели на форму вольтамперных характеристик и характеристик управления,таких как коэффициент деления туннельного напряжения η, коэффициент деления полного сопротивления транзистора γ, уровень тепловых флуктуаций kB T , отношение среднегорасстояния между энергетическими уровнями в молекуле к величине характерной кулоновской энергии молекулы.В начале главы показано, что в предельном случае почти непрерывного энергети-18ческого спектра вольтамперных характеристики молекулярного транзистора совпадают свольтамперными характеристиками, которые описаны в ортодоксальной теории одноэлектроники [4] при тех же параметрах отношения емкостей и проводимостей переходов.
Дляполучения такого совпадения необходимо, чтобы отношение среднего расстояния междуэнергетическими уровнями в молекуле к ее характерной кулоновской энергии было многоменьше единицы и молекулярный транзистор должен "работать"в режиме быстрой энергетической релаксации электронов. На рис.2 представлена вольтамперная характеристика,рассчитанная в таком предельном случае.
На этом рисунке видно, что на фоне больших1412α=0,16; η=0.5; γ=0.01;QG=0; kBT=0.12ε(1);, [eΓlΓr/(Γl+Γr)]108τrel=0;6∆ε420-2ε(1)/e-4-6-8-10-12-14-3-2-101и23, [ε(1)/e]Рис. 2. Вольтамперная характеристика молекулярного одноэлектронного транзистора,рассчитанная в пределе классической одноэлектроники. Стрелками отмечены скачки туннельного тока на ВАХ, вызванные кулоновскими эффектами и особенностями дискретногоэнергетического спектра. Скачки, связанные с кулоновскими эффектами, имеют большийпериод.кулоновских токовых ступенек, период которых определяется емкостью переходов, присутствуют маленькие скачки туннельного тока, связанные с дискретностью энергетического19спектра молекулы.
Вычисление вольтамперной характеристики произведено посредствомрекуррентной формулы для одночастичной функции распределения вероятностей.Далее в этой главе представлено сравнение вольтамперной характеристики, рассчитанной для молекулы с эквидистантным энергетическим спектром и спектром со случайнымрасположением энергетических уровней, задаваемым с помощью генератора случайных чисел. Показано, что в случае, когда взаимное положение энергетических уровней в молекулеупорядочено (например, эквидистантный спектр), ступеньки туннельного тока имеют упорядоченную структуру, в случае, когда энергетические уровни в молекуле взаимно неупорядочены, ступеньки туннельного тока имеют разную ширину по напряжению, что говорито том, что симметрия или асимметрия взаимного расположения энергетических уровнейв молекуле является определяющей для положения скачков туннельного тока на вольтамперной характеристике и характеристике управления.В остальной части этой главы приведены результаты подробного изучения влиянияразличных параметров построенной модели на транспортные характеристики молекулярного одноэлектронного транзистора.
Изучено влияние коэффициента деления туннельногонапряжения η, отношения проводимостей туннельных переходов транзистора γ, отношениясреднего расстояния между энергетическими уровнями молекулы к характерной кулоновской энергии α, температуры термостата. Эти результаты позволили понять, что в реальномслучае α ∼ 1 практически невозможно разделить особенности формы транспортных характеристик молекулярного транзистора на особенности, связанные с дискретным энергетическим спектром молекулы и с кулоновским эффектами. Среднее расстояние между энергетическими уровнями в молекуле обратно пропорционально полной проводимости транзистораи количество ступенек на вольтамперной характеристике прямо пропорционально отношению eVT /4ε, где 4ε — среднее расстояние между энергетическими уровнями в молекуле.В этой главе также путем моделирования показано, что измерение характеристикиуправления при туннельном напряжении меньше значения кулоновской блокады позволяет получить реальную плотность электронных энергетических состояний в молекуле.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
