Диссертация (1104202), страница 11

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

Текст из файла (страница 11)

Един­ственным неясным моментом, требующим дополнительного обсуждения, оста­ётся полученное для сформированных электродов в обоих оценках аномальнонизкое значение работы выхода порядка 0.2 эВ. Работа выхода электронов измассивного образца золота значительно выше и составляет = 4.8 эВ. Подоб­ное поведение электродов, сформированных методом электромиграции, экспе­риментально наблюдалось и в другой работе [116].

Вероятнее всего, такое низкоезначение работы выхода является результатом действия сразу нескольких фак­торов. Далее представлено обсуждение возможных эффектов, имевших местов нашем эксперименте.Известно, что работа выхода тонких плёнок, сопоставимых по толщинес длиной волны Ферми данного материала может осциллировать в зависимо­сти от толщины плёнки на уровне десятков процентов от за счёт квантовыхразмерных эффектов [117]. Безусловно, такие эффекты в нашем случае имеютместо вследствие малых размеров электродов. Однако эти эффекты приводяткак к увеличению, так и уменьшению работы выхода относительно при раз­личных значениях толщины плёнки.К уменьшению барьера приводит электростатическое взаимодействиеблизкорасположенных электродов (показано синим цветом на рис.

2.13). Точ­ный учёт этого эффекта производится при известной геометрии электродовметодом зеркальных отображений. В работе [114] показано, что эффективноеуменьшение работы выхода в результате этого эффекта не превышает 2 эВ дажедля малых зазоров величиной 1 нм.Ещё один фактор, не учтённый в использованной выше модели — это фор­ма электродов. В использованной для аппроксимации экспериментальных дан­ных модели электроды считаются плоскими.

В то время, как в реальности ониимеют форму острия. Диаметр скругления острия, наблюдаемый с помощьюэлектронного микроскопа, составляет оценочно 5 – 20 нм. С учётом величины57зазора (менее 5 нм), это приводит к увеличению электрического поля вблизиострия в сравнении со случаем плоских электродов на уровне не более 10 –20 %. Это небольшая поправка может объяснить лишь малую часть эффектапониженной работы выхода.

Однако стоит упомянуть, что электроды могутиметь неоднородности, неразличимые с помощью сканирующего электронногомикроскопа.Мировой опыт указывает, что наиболее значимым фактором, уменьша­ющим работу выхода в подобных системах, является наличие адсорбатов наповерхности образца в области зазора. Их присутствие препятствует формиро­ванию туннельного барьера металл-диэлектрик-металл. Туннелирование в та­ком случае идёт через слой адсорбата. Эффекты, сопоставимые по масштабу спредставленными в данной работе, наблюдались при измерении электронноготранспорта через нанозазоры, созданные с помощью иглы СТМ [118], [119]. Вэтих экспериментах работа выхода лежит в диапазоне 0.1 – 2 эВ. Кроме того,известно, что работа выхода зависит от чистоты условий, в которых проводятсяизмерения.

При условии предварительной плазменной очистки и измерений всверхвысоком вакууме в аналогичной системе с иглой зондового микроскопа до­стижима работа выхода порядка 4 – 5 эВ [120], [121]. Требование ультравысоко­го вакуума указывает, что одним из источников адсорбата являются молекулывоздуха.В данной работе продемонстрировано, что ещё одной причиной уменьше­ния работы выхода является процедура СЭМ-анализа. В случае проведенияэлектрических измерений сразу после образования нанозазора, проводимостьсистемы оказывается значительно меньше, чем в случае предварительного по­лучения изображения нанозазора в электронный микроскоп.

Практически всезазоры, не прошедшие такие структурные исследования, показывали диффе­ренциальную проводимость при малых напряжениях > 300 ГОм (рис. 2.15),то есть выше возможностей использованной измерительной аппаратуры. Со­противление утечек в нашей измерительной системе имеет такой же порядоквеличины. Во время процедуры просмотра в электронный микроскоп образецподвергался бомбардировке электронами с энергиями 10 кэВ при токе скани­рующего пучка ∼ 100 пА. Предполагая, что она не влияет на размер зазорамежду металлическими электродами, на основании формулы Симмонса и дан­ных электрических измерений можно оценить снизу работу выхода электроновиз электродов, не подвергшихся СЭМ-анализу.

Используя типичные значения58длины и площади зазоров, полученные до этого ( = 2.9 нм, ∼ 10 нм2 ), из(2.4) получим для таких электродов > 0.8 эВ. Это заметно больше, чем зна­чение для электродов, подвергшихся СЭМ-анализу. Наиболее вероятной при­чиной сильного влияния процедуры просмотра на электронный транспорт висследуемой системе является неизбежно образующаяся под электронным пуч­ком контаминация. Это известный процесс, представляющий из себя осажде­ние на поверхность образца диссоциирующих в результате электронного удараорганических молекул [122].

Эти молекулы присутствуют в остаточном количе­стве в камере электронного микроскопа при типично используемых давлениях ∼ 10−6 − 10−7 мбар.32а п( RЭкс пЛинпр=е ре йок37с и5инмГме нта яа цОимя)I ,пА10-1-2-0 .6-0 .30 .0V,0 .30 .6ВРисунок 2.15 — Типичная вольт-амперная характеристика нанозазора, неподвергшегося СЭМ-диагностике.Появляющаяся под электронным лучом контаминация, как показано вы­ше, может обеспечивать туннельное сопротивление между электродами нижепроводимости большинства одиночных молекул (10 МОм − 10 ГОм), а такжепрепятствовать встраиванию молекулярных объектов в созданный нанозазор.В свою очередь, зазоры с туннельным сопротивлением выше 300 Гом,полностьюпригодны для создания одномолекулярных элементов.

Поэтому в дальнейшемСЭМ-диагностика полученных структур проводилась лишь после завершениявсех интересующих электрических измерений системы.Также, исходя из найденного неравенства > 300 ГОм и максимальныхзначений работы выхода, наблюдавшихся в СТМ экспериментах без сверхвы­сокого вакуума ≈ 3 эВ [119], можно ещё раз независимо оценить величинубольшинства получаемых по разработанной в данной диссертационной работе59методике создания нанозазоров. В данном случае это оценка снизу > 1.5 нм.Это хорошо согласуется с оценками, приведёнными выше.В завершение подведём основные итоги главы 2.

Для выполнения постав­ленных в данной диссертационной работе задач была разработана методика из­готовления планарных электродов молекулярного транзистора на основе элек­тронно-лучевой литографии и контролируемого сужения нанопровода с помо­щью эффекта электромиграции. Методика обеспечивает получение электродовс расстоянием между ними 1.5 – 5 нм с высоким выходом годных, более 90 %.Данный результат был достигнут благодаря созданию оригинального алгорит­ма проведения процесса электромиграции, а также подробного изучения послед­ней стадии образования нанозазора. На этой стадии отслеживалась временнаядинамика провода представляющего из себя контакт менее 40 атомов золота.Продемонстрирована квантовая природа такого провода, а также определендиапазон в котором находились характерные времена жизни ∼ 10 − 105 сполученных квантовых нанопроводов.Экспериментально исследованы электрические характеристики наноза­зоров величиной 1.5 – 5 нм.

Продемонстрировано их высокое сопротивление( > 300 ГОм), а значит их пригодность для создания на их основе молеку­лярных устройств. Также продемонстрировано влияние контаминации, образу­ющейся в результате СЭМ-анализа зазоров, на проводимость исследуемой си­стемы. Туннельное сопротивление после такого анализа лежит в широком диа­пазоне ∼ 106 − 1011 Ом, что меньше сопротивления многих одиночных моле­кул. Поэтому для дальнейших исследований следует использовать электроды,не прошедшие процедуру структурного исследования с помощью электронногомикроскопа.60Глава 3. Исседование электронного транспорта через золотыенаночастицыДанная глава посвящена описанию разработанной в данной диссертацион­ной работе методики встраивания наноразмерного острова транзистора в пред­варительно изготовленный зазор между электродами, экспериментальному ис­следованию электронного транспорта в полученных структурах, интерпретацииполученных данных и сравнению электрических характеристик созданных од­ноэлектронных устройств с образцами, демонстрировавшимися в других рабо­тах.3.1Встраивание наночастиц золотаВ качестве острова транзистора выступали малые наночастицы золота раз­мером 2 – 4 нм, функционализированные октантиолами (рис.

3.1). Такие части­цы являются на сегодняшний день коммерчески доступными. В данной работеиспользовался продукт компании “Sigma Aldrich”. Наночастицы поставляются врастворённом в толуоле виде. Тиолы, связанные химически с частицами, стан­дартно используются для стабилизации раствора, предотвращая их прилипаниедруг к другу. Они представляют из себя углеводородный радикал, соединённыйс S-H группой [123].

Атом серы образует прочную химическую связь с атомамизолота, а углеводородным радикалом в нашем случае является октан, основакоторого — цепочка из восьми атомов углерода, имеющая длину около 1 нм.Эти органические молекулы связываются с наночастицей золота со всех сто­рон, пассивируя её поверхность и образуя так называемую тиольную “шубу”.Известно, что алканы, к которым относится октан, не проводят электрическийток [124]. Поэтому при попадании наночастицы в зазор между электродами,органическая “шуба” наночастицы будет выполнять роль туннельных барьероводноэлектронного транзистора, предотвращая образование омического контак­та между электродами и обеспечивая выполнение условия 1.1.Встраивание наночастиц золота в сформированный нанозазор осуществля­лось в данной работе с помощью двух разных методов.

В одном из них итоговое~ 1 нмS S SSSSSSS S SSAu2 − 4 нмSSSS S SS61SS SSSРисунок 3.1 — Схематичный вид использованной в качестве островатранзистора функционализированной октантиолами наночастицы золота.расположение наночастиц на подложке никак не контролировалось (метод высу­шивания раствора с наночастицами). Второй метод использовал эффект диэлек­трофореза для адресной доставки наночастиц в пространство между электро­дами (метод электротреппинга).

Далее приводится описание этих методов и ихсравнение друг с другом. Сравнение проводилось по критерию эффективностивстраивания наночастиц в зазор. Эффективность метода оценивалась как отно­шение количества созданных с его помощью одноэлектронных транзисторов кобщему числу систем электродов с нанозазором, участвовавших в данном экспе­рименте. Факт создания одноэлектронного транзистора определялся исходя изэлектрических измерений системы: такая структура должна демонстрироватьКулоновскую блокаду и характерную зависимость тока от напряжения на за­творе.

Характеристики

Список файлов диссертации