Диссертация (1104202), страница 5

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

Текст из файла (страница 5)

В классическом исполнении при осаждении об­разец на некоторое помещается в раствор с интересующими объектами и черезнекоторое время высушивается. Метод допускает повторное осаждение в слу­чае, если электрические измерения свидетельствуют об отсутствии молекулы взазоре.Предпринимались различные попытки оптимизации этого простого мето­да. В частности в работе [70] был предложен экспресс метод многократного по­вторения процесса осаждения наночастиц и измерения проводимости нанозазо­ров. Он был реализован с помощью более быстрого в сравнении с классическимметода вакуумного нанесения наночастиц на образец.

Образец находится в ваку­уме, над ним помещается раствор с наночастицами, отделённый от вакуумнойкамеры клапаном. Время, на которое открывается клапан, меньше 1 мс. Через1 с после этого проводятся электрические измерения. Такой подход позволяетминимизировать риск попадания в нанозазор сразу нескольких частиц за счётдобавления их небольшими порциями. Правда стоит отметить, что подобные ме­тоды не получили широкого распространения в связи с тем, что обеспечиваемоеими увеличение выхода годных транзисторов незначительно.

Годными здесь идалее называются такие транзисторы, которые демонстрируют типичное длятакого одноэлектронного элемента электрическое поведение.Несколько более технологичный подход — использование самоорганизу­ющихся молекул для создания одномолекулярных и даже более сложных од­ноэлектронных устройств. Это направление может оказаться крайне перспек­тивным и открывает множество возможностей. Сегодня уже продемонстри­рованы экспериментально несколько интересных примеров самоорганизации,которые можно было бы использовать для создания сложных одноэлектрон­ных устройств [71]—[74].

Однако экспериментальное изучение электрических24свойств подобных структур пока достаточно затруднительно — это отдельнаябольшая работа. На данный момент речь идёт о довольно простых механизмахсамоорганизации [36], [75], которые безусловно проблему случайного располо­жения молекул относительно электродов решить не могут.Cуществуют работы, в которых демонстрируется техника адресной достав­ки рабочих объектов в зазор между электродами. Она носит название электро­треппинг и использует эффект диэлектрофореза [76]. Эффект заключается втом, что на незаряженную частицу, находящуюся в неоднородном электриче­ском поле, действует сила по направлению градиента поля за счёт поляризациичастицы [77].

Технически встраивание осуществляется следующим образом. Об­разец помещается в раствор с наночастицами, между стоком и истоком задаётсяразность потенциалов. Электрическое поле наиболее сильное в области зазора,поэтому со стороны поля сила, действующая на наночастицы, будет направленаименно туда. Для успешной реализации метода необходимо преодолеть случай­ное броуновское движение частиц. Случайное воздействие на частицу зависитот температуры и его силу можно грубо оценить как ℎ ≈ /, где, — константа Больцмана, — температура, — диаметр частицы [78].

Поэто­му эффект работает лучше с частицами большего размера. Этот факт был про­демонстрирован экспериментально в работе [79], где сравнивался захват частицразмером 5, 10 и 20 нм. Для захвата малых частиц приходилось увеличиватьразность потенциалов между электродами, что часто приводило к появлениювзаимной силы притяжения между поляризованными частицами и, как след­ствие, одновременному встраиванию нескольких частиц в зазор (рис. 1.7 б, в).Рисунок 1.7 — СЭМ снимки электродов с встроенными техникойэлектротреппинга золотыми наночастицами различных размеров: (а) — 20 нм,(б) — 10 нм, (в) — 5 нм [79]..25Однако, сообщений об успешном встраивании в нанозазоры частиц разме­ром менее 5 нм с помощью электротреппинга в литературе нет. Продемонстриро­вана лишь принципиальная возможность манипулирования такими частицамина основе эффекта диэлектрофореза с помощью создания большого грандиен­та электрического поля.

В работе [80] такой градиент был создан вблизи уг­леродной нанотрубки за счёт её малого диаметра. В результате к нанотрубкевозможно было эффективно притянуть частицы размером до 2 нм. Поэтому,несмотря на то, что данный метод очень перспективен, он всё ещё нуждается висследовании для его использования при создании высокотемпературных одно­электронных транзисторов. Подробнее этот метод и его исследование в рамкахданной диссертационной работы будет представлен в главе 3.1.4Методы создания одноатомных транзисторовПредельно малые одноэлектронные элементы основаны на зарядовых цен­трах, образованных единичными атомами.

Атом должен быть тем или инымобразом зафиксирован в пространстве. Например, это может быть реализованопутём встраивания атомного зарядового центра внутрь органической молекулына стадии её синтеза [81]. В таком случае, транзистор на основе одиночного ато­ма формируется методами одномолекулярной электроники, описаными выше[82]. Однако более популярный подход — это использование примесных атомовв кристаллической решётке. На данный момент он позволяет получать болеестабильные структуры, более устойчивые к таким внешним факторам, как, на­пример, термоциклирование. Такой подход является логическим продолжениемразвития полупроводниковой электроники на протяжении последних 50 лет. По­этому для создания подобных устройств в основном используются хорошо отра­ботанные в промышленности технологические процедуры.

Главной сложностьюв реализации одноатомных устройств на основе одиночных атомов являетсянеобходимость точного контроля количества и пространственного расположе­ния примесных атомов в кристаллической решётке. В большинстве работ ис­пользуется статистический подход для исследования интересующих эффектовв одноатомных структурах, когда экспериментальные структуры отбираютсяиз большого количества изготовленных образцов [83]—[87]. В основном речь26идёт о примесных атомах в кристаллической решётке кремния. В качестве при­месей используются стандартные для кремниевой электроники примеси: бор,фосфор, мышьяк.

Причина выбора материалов простая: технологии работы сними хорошо отработаны на сегодняшний деньПроблема точного позиционирования примесей является важной не толь­ко для одноатомных устройств, но и для современных полупроводниковых поле­вых нанотранзисторов. Поэтому на решение этой непростой задачи направленыдовольно большие усилия. Наиболее технологичной стоит считать технику ле­гирования одиночными ионами с помощью модифицированной колонны FIB’а[88]. При бомбардировке таким FIB’ом образца контролируется положение буду­щей примеси с точностью до фокусировки ионов, обеспечивается очень низкийток пучка во избежание одновременной имплантации несколькими ионами, амомент попадания иона в образец регистрируется либо с помощью детекторавторичных электронов [89], либо по изменению сопротивления имплантируе­мого нанопровода [90]. На сегодняшний день эти методы находиться в стадииразвития и, возможно, в будущем найдут своё применение.

Однако пока ониотносятся к разряду интересных экспериментов.Большей точностью отличается метод, использующий иглу сканирующеготуннельного микроскопа для позиционирования примесей внутри кристалличе­ской решётки [91] (рис. 1.8). Метод базируется на технике литографии, исполь­зующей в качестве своеобразного резиста моноатомный слой водорода [92]. Тех­нология осаждения атомов фосфора из газовой фазы на реакционно активнуюповерхность кремния [93] и эпитаксиального роста кремния позволяют перене­сти рисунок, сформированный предварительно в слое резиста в структуру изпримесных атомов, заключённых внутри решётки кремния.Данная технология позволила провести ряд уникальных экспериментов[95], [96]. Однако на сегодняшний день её использование сильно ограничено всвязи со сложностью и нестандартностью подхода.

Она требует проводить всетехнологические процедуры в условиях сверхвысокого вакуума во избежаниезагрязнения поверхности. Кроме того, этот метод испытывает трудности с мас­штабируемостью. Это связано с тем, что литография с помощью иглы зондовогомикроскопа является принципиально медленным процессом.Как видно из сказанного выше, задача создания одноатомных устройствна основе примесных атомов на сегодняшний день очень актуальна. При этом,оптимальным было бы её решение на основе широко распространённых в полу­27Рисунок 1.8 — Технология позиционирования примесей в полупроводнике спомощью иглы сканирующего туннельного микроскопа [94]..проводниковой индустрии и поэтому хорошо исследованных технологий, такихкак нанолитография, напыление тонких плёнок, жидкостное и реактивно-ион­ное травление.

Это позволило бы открыть возможность для исследования элек­тронного транспорта через различные примесные атомы для большего количе­ства научных коллективов, а также позволило бы проводить эксперименты сприменением одноатомных транзисторов для различных целей. Наиболее про­стое в реализации применение — использование транзистора в качестве сверх­чувствительного сенсора.В большинстве работ одноатомные транзисторы были продемонстрирова­ны в закрытой геометрии, когда затвор транзистора полностью окружает совсех сторон его канал [83]—[87]. Такая геометрия используется для достиже­ния большего значения взаимной ёмкости острова транзистора с затвором, чтопозволяет наблюдать интересующие исследователей эффекты при меньших за­творных напряжениях.

Характеристики

Список файлов диссертации