Диссертация (1104202), страница 14

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

Текст из файла (страница 14)

Достаточнобольшой разброс значений этого параметра, превышающий относительный раз­брос размеров наночастиц, можно объяснить различием в геометрии получен­ных транзисторов. В некоторых конфигурациях электродов наночастица можетбыть эффективно экранирована от электрического поля, создаваемого затво­ром.Исходя из вышесказанного можно заключить, что ёмкость острова тран­зистора в нашем случае складывается в основном из собственной ёмкости (0 )и взаимной ёмкости со стоком (1 ) и истоком (2 ) транзистора.

Для грубыхоценок можно предположить, что 1 ≈ 2 на основании близости наклоновразных сторон полученных кулоновских ромбов [6]. Учитывая малость размераострова в сравнении с размером электродов, можно приближённо считать, что0 ≈ 1 ≈ 2 Это позволяет оценить диаметр острова полученного транзи­стора на основе экспериментальных данных ≈ Σ /60 ≈ 3 − 6 нм. Данныйрезультат приближённо совпадает с диапазоном размеров использованных на­ночастиц (2 – 4 нм). Небольшое отличие этих величин может быть объясненовлиянием тиольной “шубы”, окружающей наночастицу [128], а также прибли­жённостью приведённых выше оценок. Данная оценка подтверждает, что элек­тронный транспорт в полученных образцах был обусловлен именно закреплён­ными в области зазора золотыми наночастицами.Отдельным сложным вопросом является исследование стабильности элек­трических характеристик изготовленных одноэлектронных устройств.

Как по­казали электрические измерения, одноэлектронные транзисторы, не подверга­ющиеся значительному внешнему воздействию (термоциклирование или слиш­ком высокое напряжения на электродах), показывают воспроизводимые элек­трические характеристики на протяжении как минимум 10 часов при поддер­жании температуры 77 К. Исследование поведения системы на больших времен­ных масштабах в данной работе не проводилось.74Термоциклирование, то есть нагрев образца до комнатной температуры иего повторное охлаждение, приводит к случайному сдвигу наблюдаемой диа­граммы стабильности вдоль оси .

Такая картина является типичной длявсех типов одноэлектронных устройств. Наблюдаемое явление можно объяс­нить, включая в рассмотрение многочисленные зарядовые ловушки окружаю­щие остров транзистора. Они могут иметь разную природу: наночастицы, окру­жающие остров, дефекты и примеси в диэлектрике, поверхностные зарядовыесостояния. Перезарядка этих центров активируется термически, а при темпе­ратуре 77 К их состояние может оставаться неизменным довольно долгое вре­мя, достаточное для проведения электрических измерений. Влияние описанныхпроцессов на электрическое поведение транзисторов при высоких температурахбудет обсуждаться в следующем параграфе.Во время измерений наночастица, являющаяся островом транзистора, на­ходится в сильном электрическом поле ( ∼ 108 В/м).

Со стороны поля нанеё могут действовать силы, способные изменить её расположение. Взаимодей­ствовать с полем частица может либо за счёт эффекта диэлектрофореза, либоза счёт кулоновского взаимодействия, в случае если частица находится в заря­женном состоянии. Даже незначительное изменение положения частицы можетприводить к существенному изменению электрических характеристик системыв связи с экспоненциальной зависимостью тока от величины туннельного барье­ра. Электростатический заряд на наночастице может быть наведён внешнимполем, создаваемым затвором и окружением острова.Можно получить критические величины напряжений на электродах тран­зистора, приводящие к необратимым изменениям в электрическом поведениисистемы, на основании экспериментальных данных.

Максимальные напряже­ния, использованные во время измерений одноэлектронных транзисторов, со­ставляют 1 В для напряжения между стоком и истоком транзистора и 50 Вдля напряжения на затворе. При этом случаи необратимых изменений харак­теристик под влиянием напряжения между стоком и истоком в этих пределахпри = 0 практически отсутствуют. В то же время, большое напряжение назатворе напротив часто могло приводить к таким изменениям. Это происходи­ло при = 20 − 50 В в зависимости от образца. Проявлялись эти измененияв виде быстрого падения проводимости до величин, характерных для наноза­зоров без наночастиц. Такое поведение можно интерпретировать следующимобразом. При = 0 электростатический заряд, наведённый на частицу, бли­75зок к нулю, и поэтому созданное между стоком и истоком поле взаимодействуетс ней исключительно за счёт эффекта диэлектрофореза, что лишь дополнитель­но способствует поддержанию устойчивости частицы (см. раздел 3.1.2 даннойдиссертационной работы).

В случае высокого потенциала на затворе конфигу­рация поля меняется, кроме того наночастица может оказывается заряжена,поэтому характер взаимодействия наночастицы с полем меняется. И, в случаенедостаточно надёжного закрепления, она может переместиться в новое рав­новесное положение, определяемое текущей конфигурацией поля. В будущемдизайн одноэлектронного транзистора можно сделать более надёжным исполь­зованием дитиолов для их более надёжного закрепления в области зазора [129]3.3Высокотемпературный экспериментЗарядовая энергия изготовленных транзисторов превышает значение, по­лученное ранее в работе [55], где также подробно исследовался электронныйтранспорт в похожей на нашу планарной системе.

Электронный транспорт че­рез наночастицы размером около 5.2 нм, изучавшихся в той работе, носил корре­лированный характер при температурах до 160 К при зарядовой энергии остро­ва около 48 мэВ. Зарядовая энергия большей части созданных в рамках даннойработы одноэлектронных транзисторов выше более чем в два раза, что позво­ляет надеяться на работу этих устройств при комнатной температуре.Высокотемпературные измерения проводились в следующем порядке. Сра­зу после низкотемпературных измерений ( = 77 ) зонд с образцом припод­нимался из жидкого азота? что приводило к его медленному нагреву.

Текущаятемпература образца контролировалась с помощью терморезистивного тонко­плёночного платинового датчика. Измерения проводились при 10 значенияхтемпературы, равномерно распределённых по интервалу 77 – 250 К. Для каж­дого значения температуры проводилось измерение вольт-амперной характери­стики при фиксированном значении = 0, а также измерение характеристикиуправления при = 100 мВ.

Изменение температуры за время одного измере­ния не превышало 2 К.На рис. 3.9 а, б представлены результаты таких измерений одного из об­разцов при трёх различных температурах из этого диапазона (77, 130 и 220 К).76Этот образец является одноэлектронным транзистором, основанным на одиноч­ной наночастице золота, что подтверждается его электрическими измерениямипри температуре 77 K (рис. 3.9 в). На рисунке видно, что электрические харак­теристики изменяются по мере увеличения тепловых флуктуаций в согласиис известными теоретическими моделями [6]. Их энергия позволяет электронамтуннелировать через транзистор, преодолевая кулоновскую блокаду.

На вольт­амперных характеристиках (рис. 3.9 а) это выражается как увеличение прово­димости при малых напряжениях . При достаточно высоких температурахпоявляется ненулевая дифференциальная проводимость даже при = 0, икоррелированное туннелирование на ВАХ проявляется только в виде понижен­ного значения / при малых . На характеристиках управления (рис.

3.9 б)с увеличением температуры падает глубина модуляции. Под глубиной модуля­ции имеется в виду величина = ( − )/ , вычисляемая на осно­вании максимального ( ) и минимального ( ) значения модуля тока нахарактеристике управления при фиксированном напряжении между стокоми истокомТемпература 220 К. является максимальной, при которой удалось уверен­но наблюдать режим коррелирования туннелирования в одноэлектронных тран­зисторах в наших экспериментах. Главным критерием реализации этого режимаэлектронного транспорта в данном случае является наличие воспроизводимойосциллирующей характеристики управления. При этом, в наших эксперимен­тах область пониженного значения / при малых , свидетельствующая окоррелированном транспорте электронов через экспериментальную структуру,наблюдалась на некоторых образцах даже при температурах выше 220 К.

Нарис. 3.10 представлена вольт-амперная характеристика образца, демонстриро­вавшего такое поведение при температуре 300 К. На основании низкотемпера­турных измерений транзисторов, демонстрирующих такие ВАХ, можно оценитьразмер их острова. Эта процедура была описана в предыдущем параграфе дан­ной главы. Оценка позволяет сделать вывод, что островом в таких структурахявляются наночастицы с меньшим диаметром из диапазона 2 – 4 нм.Однако характеристики управления всех таких образцов при температу­рах выше 220 К являются сильно “зашумленными” и невоспроизводимыми. Уро­вень шума (амплитуда выбросов тока и количество спонтанных сдвигов харак­теристик) при измерении характеристики управления (плавном изменении ),оказывается заметно выше, чем при измерении вольт-амперной характеристи­77a)б)в)Рисунок 3.9 — Электрические характеристики одного из образцов: (а) —вольт-амперные характеристики при различных температурах, (б) —характеристики управления при тех же температурах, (в) — диаграммастабильности при 77 К.ки (плавном изменении ).

Такое поведение, наиболее вероятно, связано с за­рядовым состоянием окружающих остров транзистора зарядовых ловушек. Впредыдущем параграфе уже обсуждалось возможное влияние изменяющегосязарядового состояния окружения на транзистор в результате термоциклирова­ния образца. Изменяющееся напряжение на затворе является дополнительнымфактором, стимулирующим смену состояния зарядовых ловушек.

Наиболее ве­роятно, что уменьшение электростатического влияния окружения на островтранзистора позволит уверенно наблюдать коррелированное туннелированиеэлектронов при температурах выше 220 К. Проверка данной гипотезы можетбыть проведена в будущем. Известный способ заметного уменьшения влиянияокружения — создание нависания исследуемого одноэлектронного транзисторанад подложкой [130]. Обычно этого достигают жидкостным травлением мате­риала подложки.

В нашем случае проведение такого процесса после заверше­ния изготовления довольно затруднительно в связи с плохой стабильностьюсистемы, поэтому создавать нависание электродов необходимо до проведения78Рисунок 3.10 — Вольт-амперные характеристики одного из транзисторов при77 и 300 К.процесса электромиграции. Создание такого подвешенного одноэлектронноготранзистора может стать темой отдельного исследования.В завершение подведём основные итоги главы 3. Разработан метод кон­тролируемого встраивания малых наночастиц золота (2 -– 4 нм) из раствора внанозазор между металлическими электродами с помощью эффекта диэлектро­фореза.

Характеристики

Список файлов диссертации