Диссертация (1104202), страница 3

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

Текст из файла (страница 3)

Нера­венство (1.1) фактически представляет из себя требование малости квантовыхфлуктуаций. — это электростатическая зарядовая энергия острова транзи­стора. Неравенство (1.2) — это требование малости тепловых флуктуаций всистеме. Зарядовая энергия острова зависит от её полной электрической ём­кости Σ . Полная ёмкость включает в себя собственную ёмкость 0 ∼ 20 ,зависящую от линейного размера объекта , на основе которого создан одноэлек­тронный транзистор, а также взаимную ёмкость острова со всем окружением ′ , включающую в себя взаимную ёмкость острова со стоком, истоком и затво­ром транзистора.

Для задачи о которой пойдёт речь ниже взаимную ёмкостьможно грубо оценить как ′ ∼ 20 , учитывая обязательное близкое расположе­ние острова к стоку и истоку транзистора и сравнительно большое расстояниедо затвора. Более точная оценка в большинстве случаев может быть выпол­нена с учётом конкретной геометрии устройства. Таким образом, для работыодноэлектронного транзистора при комнатной температуре из неравенства (1.2)получаем условие на размер острова транзистора ≪ 5 нм.

Это означает, чтов качестве острова транзистора необходимо использовать объект размером смалую молекулу или отдельный атом.Впервые идея о создании электронного элемента на основе одиночной мо­лекулы была высказана в 1974 году в знаменитой теоретической работе Ави­рама и Ратнера [19], где обсуждается возможность использования простой ор­ганической молекулы в качестве диода. Экспериментальные работы по даннойтематике появились значительно позднее, лишь в 90-е годы XX века.

Такаязадержка связана со значительными техническими трудностями при попыткевключения столь малого объекта в измерительную электрическую цепь. Суще­ствуют две основные технические проблемы: сложность создания электродов снанометровым зазором между ними, невозможность манипулирования отдель­ными объектами такого масштаба и, соответственно, невозможность их точногопозиционирования. ≫ =13В данной главе диссертационной работы представлен обзор существую­щих на сегодняшний день техник создания устройств на основе одиночных мо­лекул, молекулярных кластеров и примесных атомов в кристаллической решёт­ке.

Также рассмотрены результаты экспериментов с созданными устройствамипри высоких температурах. Устройства на основе молекулярных объектов пре­имущественно создаются по принципу “снизу-вверх”, когда используются пред­варительно синтезированные молекулы или наночастицы, встраиваемые затемв подготовленую отдельно систему электродов. Поэтому технология созданияодномолекулярных устройств естественным образом разделяется на два этапа:1. Cоздание системы планарных металлических электродов.2. Встраивание молекулярного объекта, служащего островом формируе­мого транзистора, в нанозазор между элекродами.Технологии создания одноэлектронных элементов на основе примесныхатомов чаще всего используют обратный подход “сверху-вниз”, когда из предва­рительно подготовленного кристалла травлением или иными методами форми­руется интересующая структура.

Поэтому методики формирования подобныхструктур будут рассмотрены в отдельном параграфе.1.1Методы механического создания зазора1.1.1Зондовый методИсторически первые эксперименты по изучению электронного транспор­та через одиночные молекулы были проведены с помощью иглы сканирующеготуннельного микроскопа [20], [21], которая выполняла роль одного из электро­дов, соединяющих молекулу с измерительной аппаратурой. В качестве второгоэлектрода в таком эксперименте используется подложка. Перед экспериментомна проводящую подложку наносятся наночастицы, молекулярные кластеры илисамоорганизующийся слой молекул.

Далее задача сводится к поиску на поверх­ности интересующих объектов путём снятия вольт-амперных характеристик.Именно с помощью этого метода был впервые продемонстрирован кор­релированный транспорт электронов через одиночные молекулы при комнат­14ной температуре [20], а немного позднее был создан первый одноэлектронныйтранзистор, работающий при 300 К [16]. Схематически этот транзистор проил­люстрирован на рис. 1.2.

На поверхности образца был предварительно созданизолированный от подложки золотой электрод, выступающий в качестве затво­ра транзистора. Далее образец покрывался мономолекулярной плёнкой из сме­си стеариновой кислоты и карборановых металлорганических кластеров [22].Кластеры размером 2 нм, зафиксированные в матрице стеариновой кислоты,выступали в роли острова транзистора.1 MΩLB filmVGSTMtip321clustermoleculesVt400 nmРисунок 1.2 — Схематичное изображение высокотемпературногоодноэлектронного транзистора на базе иглы СТМ; 1 — подложка из графита,2 — изолирующий слой, 3 — золотая плёнка, выступающая в качестве затвора.[16]..Зондовые методы до сих пор широко используют для непосредственногоисследования проводимости через разного рода органические молекулы [23]—[28]. Сегодня это довольно распространённый научный инструмент. В наши дничаще для этих задач используется игла атомно-силового микроскопа, а измере­ния зачастую проводят с погружённым в растворитель образцом.

С помощьюэтого инструмента были экспериментально продемонстрированы различные ме­ханизмы электронного транспорта через одиночные молекулы [29], а также по­дробно исследовано влияние на электронный транспорт выбранного типа лин­керов, обеспечивающего химическую связь молекулы с электродами (обычнозолотыми) [30]—[32].Основные сложности при изучении электронного транспорта через оди­ночные молекулы зондовым методом является невозможность жёстко зафикси­15ровать иглу в нужном положении. В связи с температурным дрейфом пьезоэле­мента, позиционирующего зонд, время измерений оказывается сильно ограни­чено. По этой причине измерения проводимости одиночных молекул сегодня ивовсе не проводятся при стационарном положении иглы. Обычно она приводит­ся в плотный контакт с подложкой, а затем отодвигается от неё.

Измерения идутпараллельно. Когда игла перестаёт касаться подложки, то ток идёт параллель­но через несколько молекул. Дальнейшее движение иглы приводит к скачкооб­разному уменьшению проводимости, вызванному разрывом химическим связеймежду молекулами и атомами золота. Проблема воспроизводимости результатарешается путём набора большой статистики. В случае использования такой тех­ники можно автоматически провести тысячи измерений за разумный интервалвремени.1.1.2Механически контролируемый разрыв соединенияНаряду с зондовой, существует также вторая популярная методика созда­ния зазора с помощью активного механического устройства, контролирующегоего размер.

Метод подразумевает контролируемый механический разрыв пред­варительно сформированного на поверхности образца золотого нанопровода спомощью деформации (изгиба) подложки (рис. 1.3). В англоязычной литера­туре методика сокращённо называется MCBJ (Mechanically Controlled BreakJunction). При подготовке образца подложка под местом ожидаемого разрывананопровода заранее стравливается. Во время эксперимента образец закрепля­ется по краям, а подпирающий его снизу по центру стержень приводит к из­гибу подложки и разрыву нанопровода на её поверхности.

Изгиб регулируетсяпьезоэлектрическим микродвигателем. За счёт геометрии образца, смещениестержня на несколько нанометров приводит к смещению электродов порядкапикометров [33], позволяя очень точно регулировать величину зазора.Изначально эта техника была разработана для изучения точечных метал­лических контактов [34], а также туннельного транспорта в сверхпроводящихSIS структурах [35]. В пионерской работе, где эта методика впервые была ис­пользована для исследования молекул, изучалась простая молекула 1,4-бензол­дитиола [36]. Эта молекула представляет из себя бензольное кольцо с двумя16Рисунок 1.3 — Иллюстрация принципа создания электродов молекулярноготранзистора методом механического разрыва соединения [28]..тиольными группами, связывающимися химически с электродами транзисто­ра.

Длина такой молекулы всего лишь около 6 Å, что не является проблемойдля данного метода.На сегодняшний день данная методика также активно применяется в на­учных исследованиях [37], [38]. Например, её возможности понадобились в та­ких уникальных исследованиях, как исследования механизмов переноса теплав молекулярных проводниках [39]. Стабильность полученных таким способомэлементов значительно выше, нежели в случае использования иглы зондовогомикроскопа. Однако в целом сложности двух методов довольно близкие.Несмотря на то, что описанные выше методы являются наиболее популяр­ными в фундаментальных исследованиях одиночных молекул, они бесперспек­тивны с точки зрения практического применения одномолекулярных устройствпо ряду причин.

Эти методы крайне сложно масштабировать для создания наподложке даже нескольких одномолекулярных элементов, не говоря уже о со­здании на их основе более сложного устройства. Кроме того, необходимостьнепрерывной работы активного механического устройства, требование на нали­чие виброразвязки, а также сложная геометрия структур делает крайне затруд­нительным их использование даже для тех задач, где требуется всего один одно­17электронный транзистор в качестве чувствительного сенсора. Но наибольшуюсложность представляет упомянутая выше нестабильность созданных струк­тур, связанная с невозможностью жёстко закрепить иглу зондового микроскопаили стержень, ихгибающий подложку, в нужном положении.Поэтому далее будет представлен обзор существующих методик созда­ния наиболее практически значимых планарных электродов одномолекулярныхтранзисторов.1.2Создание планарных электродов молекулярного транзистора1.2.1Возможности современной литографииПланарная реализация одноэлектронного транзистора подразумевает, чтоэлемент будет сформирован в плоскости на поверхности диэлектрической под­ложки.

В сравнении с зондовыми методиками здесь появляется дополнительнаясложность, решению которой будет посвящена глава 2 данной диссертационнойработы, связанная с трудностью воспроизводимого изготовления электродов сзазором менее 5 нм стандартными литографическими методами. Величина око­ло 7 нм на сегодняшний день является предельно достижимой для наиболее ча­сто используемой в лабораториях при создании планарных наноструктур элек­тронно-лучевой литографии [40]. При этом имеется в виду литография высокогоразрешения, используюшая специальный резист.

Характеристики

Список файлов диссертации