Диссертация (1104202), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Однако транзистор в такой геометрии нечувствителен квнешнему электрическому полю и его нельзя использовать в качестве сенсора.Подробное описание методики создания и физических свойств одноатомных од28ноэлектронных транзисторов с открытой геометрией, разработанных в рамкахданной диссертационной работы, представлено в главе 4.1.5Одноэлектронные транзисторы при высоких температурахКак было показано выше, на сегодняшний день существует большое количество работ, посвящённых разработке методик создания и непосредственномуисследованию электронного транспорта через одиночные объекты молекулярноатомарного масштаба. Среди этих работ есть несколько исследований поведения подобных систем при высоких температурах.
Подразумевается температурный диапазон от 77 до 300 К. При 77 К становится возможным использованиеотносительно дешёвой криогенной жидкости: жидкого азота. А увеличение рабочей температуры одноэлектронных устройств до комнатной позволило бызначительно расширить их спектр применения, включая разнообразные биологические задачи.Принципиальная возможность создания одноэлектронных устройств прикомнатной температуре была изначально продемонстрирована с помощью иглысканирующего туннельного микроскопа [20]. Первый подобный одноэлектронный транзистор [16] был создан на основе металлорганических карборановыхкластеров размером 2 нм с зарядовой энергией ∼ 100мэВ.
В такой системе при комнатной температуре одноэлектронные эффекты заметны на фонедостаточно больших тепловых флуктуаций, которые имеют характерную энергию ≈ 25мэВ. Поэтому в такой структуре участок кулоновской блокады навольт-амперной характеристике выражен лишь в виде некоторого подавлениятока при малых напряжениях, степень которого определяется соотношениеммежду зарядовой энергией и тепловыми флуктуациями.
Степень подавленияможно определить по глубине модуляции тока . В данном случае под глубиной модуляции имеется в виду величина = ( − )/ , вычисляемаяна основании максимального ( ) и минимального ( ) значения модулятока на характеристике управления при фиксированном напряжении между стоком и истоком. В случае малых температур (2 /2Σ ≫ ) = 1, вслучае высоких температур (2 /2Σ ≪ ) = 0. Более подробное теоретическое описание работы одноэлектронного транзистора при наличии тепловых29флуктуаций описано в работе [6]. В эксперименте с карборановыми кластерамиглубина модуляции составила около 0.75 при комнатной температуре (рис. 1.9).I, [nA]1,20,90,60,30,00123VG , [V]45Рисунок 1.9 — Характеристика управления одноэлектронного транзистора наоснове каброрановых кластеров при комнатной температуре [16]..Одна из целей данной диссертационной работы — создание лабораторнойметодики воспроизводимого изготовления планарных высокотемпературных одноэлектронных транзисторов.
В главах 2 и 3 данной работы описывается методика создания одноэлектронных транзисторов с высоким выходом годных наоснове малых (2 – 4 нм) наночастиц золота. Похожий транзистор, правда наоснове наночастиц большего размера (5 нм), был исследован в работе [55]. Каки в нашей работе, исследовались частицы, функционализированные тиолами.Максимальная температура, при которой в этой системе был продемонстрирован коррелированный транспорт электронов, составляет 160 К рис. 1.10. Приэтом уровне тепловых флуктуаций глубина модуляции тока составила 0.6. Прииспользовании аналогичных наночастиц размером 2 нм, рабочая температурадолжна возрасти более чем в два раза. А значит, есть высокая вероятностьфункционирования такого одноэлектронного транзистора при комнатной температуре.Более оптимистичные результаты с точки зрения перспективы высокотемпературных применений представлены в работе, использующей специфичныйвертикальный дизайн электродов [50] и наночастицы золота большего размера(∼ 10 нм).
В работе удалось продемонстрировать управление током при ком30Рисунок 1.10 — Электрические характеристики одноэлектронного транзисторана основе 5 нм наночастицы золота при различных температурах [55]..натной температуре. Возможность наблюдать одноэлектронные эффекты дажес частицами несколько больших размеров вероятно в данном случае связана стем, что транзистор был сделан полностью в закрытой геометрии, когда островбыл практически полностью экранирован электродами транзистора от флуктуаций фонового заряда в подложке, а также внешних электромагнитных полей.Правда, стоит сказать, что глубина модуляции тока через транзистор при комнатной температуре составила всего лишь около 20 %.
Это связано с тем, чтополученная в эксперименте зарядовая энергия острова ≈ 50 мэВ лишь вдва раза превосходит энергию тепловых флуктуаций ≈ 25 мэВ. Результаткрайне интересный, однако очевидно, что транзистор в закрытой геометриипредставляет значительно меньший практический интерес в связи с невозможностью его использования в качестве сенсора.Работа одноэлектронных транзисторов на основе различных нанообъектовпри комнатной или близкой к комнатной температуре была продемонстрирована ещё в нескольких других экспериментах [17], [97]—[99].
Это были структуры,31уже меньше похожие на исследуемые в настоящей диссертационной работе. Отдельно заострять на них внимание мы не будем. Дело в том, что они не даютдополнительной информации о физике исследуемых явлений. А с точки зрениятехники эксперимента, они либо использовали методики создания устройств сзаведомо малым выходом годных [17], [97], либо сложные и немасштабируемыеметодики на основе зондовых технологий [98], [99].Экспериментальных работ по изучению поведения одноэлектронных транзисторов на основе примесных атомов при высоких температурах на данныймомент в литературе и вовсе нет. Исследования в этой области сегодня сосредоточены вокруг тонких низкотемпературных эффектов, в основном направленных на создание в будущем квантовых компьютеров.
Изучение электрическихсвойств кремниевых одноатомных транзисторов при высоких температурах врамках данной диссертационной работы представлено в главе 4.32Глава 2. Изготовление и изучение планарной системы электродовмолекулярного транзистораВ данной главе представлена разработанная в рамках данной диссертационной работы лабораторная методика формирования планарных металлических электродов молекулярного элемента, а также исследование свойств полученных систем электродов. Процедуру изготовления электродов можно формально разделить на следующие основные стадии:1. Изготовление методами электронно-лучевой и фотолитографии макроскопических электродов для соединения формируемой структуры с измерительной аппаратурой, затвора транзистора, а также золотых нанопроводов сечением около 50 × 14 нм2 , являющихся заготовками дляполучения стока и истока будущего транзистора.2.
Контролируемое сужение поперечного сечения нанопровода-заготовкидо значений порядка нескольких квадратных нанометров с помощьюразработанной системы на основе эффекта электромиграции атомов.3. Регистрация результата самопроизвольной релаксации напряжений вплёнке, оставшихся после проведения процесса электромиграции, с образованием нанозазора в области сужения золотого нанопровода.Далее каждая из этих стадий описана в отдельном параграфе. В завершении главы представлены результаты электрических и структурных измеренийполученных систем электродов. Данное исследование проводилось до встраивания в зазор молекулярных объектов и необходимо для верной интерпретацииданных последующих измерений.2.1Электронно-лучевая и фотолитографияОсновой для создания образцов служила стандартная кремниевая (100)полированная пластина диаметром 75 мм.
Предварительно она покрывалась400 нм слоем SiO2 для надёжной изоляции изготавливаемых структур от кремния. Напыление диэлектрика проводилось со скоростью около 0.2 нм/с методоммагнетронного распыления в установке Leybold Z-400 в высокочастотном раз33ряде при давлении 1.5 × 10−2 мбар в атмосфере аргона и кислорода, смешанныхв соотношении 4:1. Процедура напыления проводилась в две стадии по 200 нмс разрывом вакуума между ними. Между этими двумя стадиями проводиласьдополнительная механическая (с помощью медицинской ваты) и жидкостная (сиспользованием спирта и ацетона) очистка поверхности пластины. Такая процедура позволяет сделать изоляцию более качественной за счёт удаления неизбежно присутствующих микрочастиц пыли, приводящих к образованию отверстий вформируемом диэлектрике.
Вероятность повторного формирования отверстийво время напыления второго слоя диэлектрика в том же месте, что и в первыйраз, крайне низкая.После создания изолирующего слоя пластина разделялась на множествоподложек размером 11 × 11 мм для удобства проведения литографических процедур. Далее работа велась с каждой такой подложкой в отдельности. Все литографические процедуры проводились на подложке такого размера.
Использовалась так называемая техника “взрывной” или lift-off литографии (рис. 2.1).а) Нанесение резистаб) Экспонированиев) Проявлениеe-г) Вакуумное напылениед) "Взрыв" (lift-off)- Металлизация (Au)- Экспонированныйрезист- Электронныйрезист (PMMA)- Слой диэлектрика(SiO2)- Подложка (Si)Рисунок 2.1 — Стадии создания слоя металлизации методом “взрывной”литографии.Для этого подложка покрывалась 200 нм слоем полимерного резиста(рис. 2.1 а). В качестве резиста использовался 4-х процентный раствор полиметилметакрилата в анизоле (ПММА А4). Он наносился методом центрифугиро34вания при скорости вращения подложки 3500 об/мин на протяжении 45 с. Дляудаления растворителя резиста подложка высушивалась 10 минут на горячейплитке при температуре 180∘ .
ПММА — позитивный резист, чувствительныйк экспонированию как глубоким ультрафиолетом с длиной волны менее 260 нм,так и электронным лучом. Часть формируемой структуры была проэкспонирована методом фотолитографии (рис. 2.2), другая же — электронно-лучевойлитографии (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
