Диссертация (1104996)
Текст из файла
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР "КУРЧАТОВСКИЙИНСТИТУТ"ЦЕНТР ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙНа правах рукописиГерасимов Ярослав СергеевичТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОГОТРАНСПОРТА В МОЛЕКУЛЯРНОМ ОДНОЭЛЕКТРОННОМТРАНЗИСТОРЕ01.04.04 – Физическая электроника01.04.07 – Физика конденсированного состоянияДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучные руководители:д.
ф.-м. н., проф.Снигирев Олег Васильевичк ф.-м. н.Шорохов Владислав ВладимировичМосква – 2014СодержаниеСписок сокращений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5Общая характеристика работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . .6Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131.1.Молекулярная электроника, перспективы . . . . . . . . . . . . . . . . . .141.2.Основы теории коррелированного туннелирования электронов . . . . . .151.3.Одноэлектронный транзистор . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .181.4.Способы создания одноэлектронных транзисторов . . . . . . . . . . . . .211.5.Применение одноэлектронных устройств . . . . . . . . . . . . . . . . . .311.6.Молекулярный одноэлектронный транзистор . . . . . . . . . . . . . . . .341.7.Модель системы и используемые понятия . . . . . . . . . . . . . . . .
. .401.8.Эффективные аналоги классических параметров при описании нанообъ-Глава 1.ектов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44Постановка задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. .45Определение эффективной взаимной емкости для молекул . . . . .472.1.Емкость в классической электростатике . . . . . . . . . . . . . . . . . . .472.2.Собственная емкость объектов наномасштаба . . . . . . . . . . . . . . . .492.3.Метод определения взаимной емкости молекулярных объектов . . . . .
.512.3.1.Основа метода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .512.3.2.Иерархия взаимодействий двух молекул . . . . . . . . . . . . . .512.3.3.Учет прямых электростатических взаимодействий в системе из1.9.Глава 2.2.4.Глава 3.двух молекул . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .52Емкость пары одинаковых молекул . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .542.4.1.Порядок расчета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .542.4.2.Результаты расчета емкости и обсуждение . . . . . . . . . . . . .55Исследование связи энергетических спектров молекул с транспорт-ными характеристиками одноэлектронных транзисторов на их основе .
. .613.1.Квантовый расчет энергетических спектров молекул . . . . . . . . . . . .623.2.Параметризация электронного спектра молекул . . . . . . . . . . . . . . .6623.3.Определение полной энергии молекул . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.4.Метод имитационного моделирования транспортных характеристик72молекулярного одноэлектронного транзистора . .
. . . . . . . . . . . . . .743.5.Способ задания параметров модели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .783.6.Результаты расчета транспортных характеристик одноэлектронноготранзистора для малых молекул . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Глава 4.79Электронный транспорт в одноэлектронном транзисторе на основезолотых наночастиц . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .854.1.Золотые наночастицы и задача их моделирования для ОМТ . . . . . . . .854.2.Квантовый расчет стабильных изомеров наночастиц золота приразличном количестве атомов золота . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.2.1.88Критерии выбора квантового метода расчета и базиса волновыхфункций . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .884.2.2.Выбор квантового метода расчета . . . . . . . . . . . . . . . . . .894.2.3.Базисы волновых функций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .914.2.4.Порядок расчета изомеров золотых наночастиц . . . . . . . . . .924.2.5.Результаты квантовых расчетов для наночастиц золота . .
. . . .944.2.5.1.Емкость золотых наночастиц . . . . . . . . . . . . . .964.2.5.2.Энергетические параметры золотых наночастиц . . .984.2.5.3.Одночастичныйэнергетическийспектрзолотыхнаночастиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1034.3.Влияние лигандов на свойства золотых наночастиц . . . . . . .
. . . . . . 1084.3.1.Додекантиол. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1084.3.2.Оценка количества лигандов, способных присоединиться кметаллополиэдру . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1094.4.4.3.3.Влияние лигандов на собственную емкость нанокластера .
. . . 1134.3.4.Влияние лигандов на энергетический спектр . . . . . . . . . . . . 120Метод параметризации энергетических спектров золотых наночастиц слигандной оболочкой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1244.4.1.Параметрическая модель спектра полных энергий . . . . . . . . . 1254.4.2.Модель учета возбужденный состояний . . .
. . . . . . . . . . . . 12634.4.3.Алгоритм параметризации энергетических характеристик исхема туннельных событий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1314.5.Расчет транспортных характеристик ОМТ на основе золотых наночастиц 1324.5.1.Наночастица из 13 атомов золота размером 0.8 нм . . . . . . . . 1334.5.2.Наночастица из 33 атомов золота размером 1.1 нм . . . .
. . . . 1384.5.3.Возбужденные состояния наночастицы размером 1.1 нм приэлектронном транспорте через нее в ОМТ . . . . . . . . . . . . . 1434.5.4.Сравнение экспериментальных транспортных характеристик срассчитанными для золотой частицы размером 5.2 нм. . . . . . . 147Заключение . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153Благодарности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156Приложение . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1704Список сокращенийВАХ— вольт-амперная характеристикаКМОП (CMOS)— комплементарный металлооксидный полупроводник (complementarysymmetry/metal-oxide semiconductor)ККУ— конический кластерный уголОМТ (MSET)— одноэлектронный молекулярный транзистор (molecular single-electrontransistor)СТМ (STM)— сканирующий туннельный микроскоп (scanning tunneling microscope)СЭМ (SEM)— сканирующий электронный микроскоп (scanning electron microscope)AuN LM— золотая наночастица, состоящая из N атомов золота и покрытаяорганической оболочкой из M лигандов (L – лиганд)DFT— теория функционала плотности (density functional theory)HOMO— наивысший заполненный уровень электронного спектра (highestoccupied molecular orbital)HOMO-LUMO— энергетическая щель между наивысшим заполненным и нижнимвакантным уровнями электронного спектраLUMO— нижний вакантный уровень электронного спектра (lowest unoccupiedmolecular orbital)SET— одноэлектронный транзистор (single-electron transistor)5ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы.Общей тенденцией современной полупроводниковой электроники являетсяпостоянное возрастание плотности элементов на кристалле микросхем.
ПродвижениеCMOS/КМОП технологии изготовления электронных схем в область суб-20 нмразмеров на сегодняшний день стало реальностью. Дальнейшая миниатюризация врамках традиционной планарной структуры транзисторов ведет к усложнению изначительному удорожанию технологического процесса. В электронных устройствах схарактерными размерами порядка единиц нанометров возникают квантовые эффекты,для классической КМОП технологии являющиеся по сути “паразитными”. Ктаким эффектам относятся межэлектродное туннелирование электронов и размерноеквантование энергетического спектра наноструктур молекулярного масштаба.В этой связи для будущего развития электроники весьма перспективнымпредставляется переход к одноэлектронным элементам и устройствам, использующимтранспорт одиночных электронов и построенным на базе наноструктур молекулярногомасштаба [1], характерный размер которых не превышает нескольких нанометров.Признанными преимуществами одноэлектронных устройств являются, в частности,предельно малое энергопотребление, высокая плотность упаковки активных элементов(порядка 1012 1/см2 ) и очень большая скорость вычислений (до 1012 операций всекунду) [2, 3].
Характерный размер базовых элементов таких устройств определяетих максимальную рабочую температуру. Высокая рабочая температура (вплоть докомнатной, 300 К) может быть достигнута за счет уменьшения используемыхнанообъектов. В связи с этим использование одиночных молекулярных объектовразмером в единицы нанометров в качестве составных элементов таких электронныхнаноустройств сегодня представляет огромный интерес. Модельно и на практикебыли показаны как реализация логических цифровых операций с использованиемодноэлектронных транзисторов на основе наночастиц [4, 5], так и возможность созданияодномолекулярной памяти при комнатной температуре [6]. Недавно экспериментальнобыл продемонстрирован и один из первых одноэлектронных транзисторов на одиночноматоме [7].Данная диссертационная работа посвящена исследованию и решению задач,возникающих при конструировании новых элементов молекулярной электроники,6а также теоретическому анализу транспортных характеристик и свойств такихмолекулярных устройств.Реализация и практическое использование молекулярных квантовых приборовподразумевает их сопряжение с классическими металлическими и полупроводниковымиэлементами.
Расчеты характеристик и проектирование подобного рода гибридныхустройств [8, 9] осложнены проблемой согласования двух принципиально разныхподходов к теоретическому описанию процессов, происходящих в их микро имакро частях. Поэтому актуальной задачей является разработка методов описаниятакихустройств,которыепозволилибысучетомквантовыхособенностейнанообъектов применять эти методы при проектировании электронных схем. Однимиз часто используемых параметров электрических схем в классической электроникеявляется взаимная емкость элементов, фундаментальная применимость которой длямолекулярных наноструктур ранее была мало исследована.При разработке одноэлектронных молекулярных устройств [10] неизбежновозникает задача подбора молекулярных объектов с необходимыми свойствами.Изучение влияния дискретной структуры молекулярных спектров на транспортныехарактеристики (вольт-амперные и характеристики управления) одноэлектронногомолекулярного транзистора [11–15] на их основе позволит осуществлять такойподбор по требуемым токовым характеристикам.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
