Диссертация (1104202), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Снимок типичной структуры представлен на рис. 3.5 б.68а)б)10 nm10 nmРисунок 3.6 — СЭМ снимки структур с большим количеством встроенных вобласть зазора наночастиц.Для того, чтобы электронный транспорт в полученной структуре проходил через одиночную наночастицу, важно вовремя остановить процесс электротреппинга, обнулив напряжение на электродах. Иначе в области зазора можетоказаться достаточно большое количество частиц (рис. 3.6).Были экспериментально испытаны два разных подхода, направленных на решение этой задачи:1. Остановка процесса электротреппинга после регистрации падения сопротивлениия более чем на порядок.2. Фиксированное время проведения процесса электротреппинга, не зависящее от поведения системы. Подобранное оптимальное время проведения процесса составляет 60 сек.1-ый подход позволяет практически полностью избежать случаев встраивания в нанозазор большого количества наночастиц, однако испытывает проблемы в связи с возможностью ненадёжного закрепления частицы в зазоре.
Выходгодных транзисторов в случае применения этого подхода составил примерно10 %. В случае использования 2-го подхода, как правило, за время процессаэлектротреппинга в область зазора успевают встроиться несколько наночастиц.Как показывает дальнейшее исследование, зачастую это не является большойпроблемой: подобная система может демонстрировать электрические характеристики, схожие с характеристиками одноэлектронного транзистора на основеодиночной наночастицы. Это связано с тем, что туннельный транспорт экспоненциально зависит от величины туннельного барьера.
Поэтому небольшаяразница в расположении частиц относительно электродов приводит к тому, чтоэлектронный транспорт через одну из частиц может значительно преобладать69над транспортом через другие частицы. Выход годных транзисторов оказалсявыше в случае применения 2-го подхода и составил около 20 %.Основных механизмов, ограничивающих выход годных транзисторов, три.Первый — прилипание частиц в растворе друг к другу с формированием крупных, содержащих сотни наночастиц, кластеров, которые, несмотря на их малоеколичество в растворе, эффективнее притягиваются в область зазора, нежелиодиночные наночастицы.
Второй механизм связан с недостаточной чистотойраствора. Содержащиеся там примеси также могут изменять исследуемую область, приводя к появлению паразитной проводимости или препятствуя встраиванию наночастиц в зазор. Третий механизм связан с тем, что расположениевстроенной в зазор наночастицы не всегда обеспечивает достаточный туннельный ток для его регистрации с помощью имеющегося измерительного оборудования. То есть, один из туннельных переходов оказывается слишком большим.Однако, несмотря на все эти факторы, эффективность метода электротреппинга оказалась на порядок выше, чем в случае использования стандартного методавысушивания раствора с наночастицами.3.2Измерения при 77 КОсновным методом характеризации структур, полученных после процедуры встраивания наночастиц в зазор, являлись электрические измерения образцов при температуре 77 К.
Данное исследование проводилось с помощью тогоже измерительного стенда на основе пикоамперметра и ЦАП, что и электрические измерения образцов перед встраиванием наночастиц. Единственной существенной разницей было использование усилителя напряжения для расширениядиапазона подаваемых на затвор устройства управляющих напряжений. Максимальное значение напряжения таким образом было увеличено с 10 (стандартные возможности ЦАП) до 50 В. Это необходимо в связи с низким значениемвзаимной ёмкости затвора и наночастицы в использованной в нашей структурегеометрии.
В наших экспериментах затвор находился на расстоянии 100 – 150 нмот канала транзистора. В будущем при практическом применении транзисторапотребность в таком высоком напряжении может быть достаточно просто снята,если обеспечить более близкое расположение электрода управления.70Первым шагом каждый образец характеризовался с помощью измерениявольт-амперных ( ) и затворных характеристик ( ).
Диапазон напряженийвыбирался индивидуально для каждого образца. Первое измерение проводилосьпри | | < 0.4 В и | | < 10 В. В случае отсутствия проявлений коррелированного транспорта на измеренных характеристиках далее эти интервалы постепеннорасширялись. Максимальный диапазон напряжений, использованный в этих измерениях следующий: | | < 1 В, | | < 50 В. В случае обнаружения воспроизводимых зависимостей тока от напряжений на электродах, для получения болеедетальной информации измерялась диаграмма стабильности (ДС) полученнойструктуры.
Такие диаграммы представляют из себя семейство зависимостей тока через устройство от напряжения сток-исток транзистора и напряжения назатворе (, ). В нашем случае ДС получались последовательным измерением серий вольт-амперных характеристик образца со своим фиксированным длякаждой вольт-амперной характеристики напряжением на затворе.Полученные структуры можно условно разделить на несколько основныхкатегорий в соответствии с их электрическим характеристиками. Первая категория— образцы, демонстрирующие дифференциальное сопротивление вышевозможностей используемого измерительного оборудования (выше 400 ГОм).Дальнейшее структурное исследование таких образцов с помошью электронного микроскопа показывает, что такое поведение могут демонстрировать какэлектроды без наночастиц между ними, так и с ними.
В случае наличия наночастиц такое поведение можно объяснить тем, что туннельный переход междучастицей и одним из электродов оказался слишком большим. Это может бытьследствием несоответствия размера зазора и частицы (слишком маленькая частица для данного зазора) или же неудачным (несимметричным) расположением наночастицы в области зазора.Вторая категорияобразцов демонстрирует на вольт-амперных характеристиках ярко выраженную Кулоновскую блокаду — область подавления токапри малых напряжениях (рис.
3.7). Это один из основных признаков коррелированного транспорта электронов через структуру. Величина Кулоновскойблокады ( ) для различных образцов данного типа варьировалась в широкомдиапазоне 0.15 — 1 В. Здесь и далее под этой величиной имеется в виду модуль напряжения между стоком и истоком, при котором транзистор выходитиз режима Кулоновской блокады. Однако, в то же время, ток через образцы изэтой категории слабо или вообще не зависит от напряжения на затворе. Такое71поведение можно объяснить, сопоставив эти данные с данными структурныхисследований.
На СЭМ снимках этих образцов видно, что в области зазоранаходится большое количество частиц подобно образцам, представленным нарис. 3.6. Управление электронным транспортом через такую структуру можетбыть неэффективным по двум основным причинам. Во-первых, наночастицы,окружающие в большом количестве область зазора могут экранировать наночастицу, оказавшуюся непосредственно между электродами, от внешнего электрического поля. Во-вторых, в такой структуре реализуется транспорт черезмножество последовательных цепочек из наночастиц.
Как известно, управление транспортом через подобные структуры менее эффективно, а размер Кулоновской блокады пропорционален количеству последовательных зарядовыхцентров, через которые осуществляется электронный транспорт [6]. Поэтому реализация различных конфигураций цепочек наночастиц может объяснить большой разброс в величине кулоновской блокады для разных экспериментальныхобразцов и слабую управляемость её величиной.
Наиболее близкими к подобному типу образцов с точки зрения электрических свойств являются гранулированные структуры, демонстрирующие похожее поведение [127].2 0A1 0I ,п0-1 0-2 0-0 .9-0 .6-0 .3V0 .0,0 .30 .6ВРисунок 3.7 — Типичная вольт-амперная характеристика образца с большимколичеством наночастиц в области зазора.Третья категорияобразцов демонстрирует поведение, типичное для одноэлектронного транзистора. На вольт-амперных характеристиках этих образцов наблюдается Кулоновская блокада (рис. 3.8 а). Для образцов из этой категории её величина оказывается не более 250 мВ.
Ток через такие структуры осциллирует в зависимости от напряжения на затворе (рис. 3.8 б). На их72диаграммах стабильности отчётливо видны Кулоновские ромбы (рис. 3.8 в) —двумерные области, показанные на диаграмме тёмным цветом, где туннелирование через структуру заблокировано. Величина блокады осциллирует с изменением напряжения на затворе, достигая в минимуме нуля, когда электронныйтранспорт разблокируется (ток максимален). На рис. 3.8 а, б это происходит при ≈ 6 − 7 В, а на рис. 3.8 в — при ≈ 0 и 16 В. Такое поведение являетсянеопровержимым доказательством того, что образцы из данной категории являются одноэлектронными транзисторами основанными на одиночном зарядовомцентре.а)б)в)Рисунок 3.8 — Электрические характеристики одного из изготовленныходноэлектронных транзисторов на одиночной наночастице золота: (а) — сериявольт-амперных характеристик, (б) — серия характеристик управления, (в) —диаграмма стабильности.На основании значения величины блокады , максимального на диаграмме стабильности (150 – 250 мВ для разных образцов), можно получить Кулоновскую энергию = /2 (75 – 125 мэВ), а значит и полную ёмкостьострова транзистора на основании формулы 1.2.
Для наших образцов она лежит в диапазоне Σ ≈ 0.6 − 1 аФ. Полная ёмкость острова является суммой его73собственной и взаимной (со всеми электродами транзистора) ёмкости. Электростатическую связь острова с электродом управления можно оценить исходя изпериода изменения величины Кулоновской блокады с напряжением на затворе(расстояние между точками вырождения, где = 0), который, в свою очередь,связан с величиной / [6]. Из экспериментальных данных получено, чтовзаимная ёмкость затвора с островом транзистора вносит малый вклад в полную ёмкость и лежит в диапазоне = 4 − 20 зФ (1 зФ = 10−21 Ф).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
