Диссертация (1104996), страница 15
Текст из файла (страница 15)
В соответствии сортодоксальной теорией электроники [31], изменение этого заряда на одну единицу недолжно изменять форму вольтамперных характеристик.В диссертационной работе используется приближение, в котором скорости (темпы)туннелирования электронов не зависят от энергии туннелирующего электрона. Во78всех расчетах транспортных характеристик, проведенных в этой работе, полагается,l(r)что Γl(r)j (n) = Γ . В этом случае в качестве единицы измерения электрического токаиспользуется величина, равнаяIC = eΓ = eΓl Γr /(Γl + Γr ).(3.16)Использование такой относительной единицы измерения туннельного тока позволяетпри расчетах транспортных характеристик избежать необходимости определениязначений скоростей (темпов) туннелирования электронов через туннельные барьеры.Соотношение скоростей туннелирования электронов через правый и левый туннельныепереходы задается параметром γ:γ=Γl.Γl + Γr(3.17)При γ = 0.5 реализуется симметричный случай, когда Γl /Γl = γ/(1 − γ) = 1.Таким образом, при расчете вероятностей туннелирования (3.9) при заданныхтуннельном VT и управляющем VG напряжениях достаточно задать параметры η,γ, а в качестве входных данных, определяющих свойства молекулы, используютсянайденные значения емкостей (или зарядовой энергии EC ) и расчетные данные обэнергетических уровнях E p (n), напрямую полученные с помощью квантово-химическихметодов расчета.Схема разрешенных по мультиплетности переходов молекулы из одногоэнергетического состояния в другое (на основе этих спектров) использована длямоделирования процесса туннельного транспорта через молекулу карборана.
Онапредставлена в Приложении на рисунках 35 и 35 на страницах 171 и 171. Для расчетаэлектронного транспорта через фуллерен использовалась принципиально та же схема,но учитывались возбужденные состояния не выше однократного.3.6. Результаты расчета транспортных характеристикодноэлектронного транзистора для малых молекулРасчет транспортных характеристик по описанному выше алгоритму проводилсядля молекул карборана и фуллерена.
Для карборана была использована схема переходовмежду квантово-химически рассчитанными состояниями молекулы, изображенная наРис. 3.5. Аналогичная схема переходов использовалась и для фуллерена, но только до79однократно возбужденных состояний включительно. Электроды считались сделаннымииз золота и одинаковыми, температура принята близкой к абсолютному нулю.На Рис. 3.7а и 3.8а представлены контурные диаграммы одноэлектронныхтранзисторов на основе карборана и фуллерена4 , полученные с использованием спектровэтих молекул. Белыми линиями на диаграммах отмечены профили ВАХ, изображенныхсоответственно на Рис.
3.7б и 3.8б. Возможность и в выбранном методе контролироватьвключение и выключение из схемы туннельного транспорта любого из молекулярныхсостояний позволило определить, какие конкретные энергетические состояния отвечаютза формирование ступенек на ВАХ. Для этого из общего набора энергетическихсостояний выключалось одно состояние, после чего становилось видно, на какиеступеньки на ВАХ это влияет.
На рисунке 3.7а для карборана для каждого выбранногоуправляющего напряжения указаны состояния, которые в данной конфигурации неучаствуют в электронном туннельном транспорте.Включение в электронный транспорт дополнительных возбужденных энергетических состояний молекулы при некотором фиксированном ее заряде Q выражаетсяпоявлением малых ступенек на ВАХ. Также можно видеть, что энергетическиневыгодные возбужденные состояния выпадают из процесса электронного транспортапо мере увеличения заряда QG , наведенного управляющим электродом (QG = CG · VG ).Однако что касается других зарядовых состояний, добавляющихся с увеличением QGиз-за электростатического смещения спектра острова, то здесь всё не так очевидно.В зависимости от величины заряда QG формируются как большие, так и маленькиеступеньки на ВАХ.
Включение в транспорт нового зарядового состояния Q отражаетсяна контурной диаграмме появлением нового большого Кулоновского ромба.По результатам расчетов отрицательные зарядовые состояния, связанные сприходом электронов на нейтрально заряженную молекулу, практически не участвуют втуннельном транспорте. На самом деле, они являются менее вероятными, посколькудобавление электрона на молекулярную энергетическую оболочку сильно влияет наструктуру молекулы.
Зарядовые состояния молекулы Q ниже −2 обычно являютсяэнергетически нестабильными. Таким образом, формирование туннельного тока ITопределяется в наибольшей мере напротив, небольшим количеством положительных4Ступенчатость изображения контурных диаграмм обусловлена не физическими эффектами, а тем,что шаг по заряду управляющего электрода QG составлял 0.2e. Однако это не мешает в достаточнойстепени четко видеть Кулоновские ромбы.80(а)1,0(2;5)(1;4)(2;3)(2;7)(2;3)(2;7)0,660,600,55)](1;6)r(1;4)(0;3)(0;3)r((0;1)(1;8)0,490,44T0,6, I , [elT, V , [0,8(1;6)le]0,700,380,330,40,270,220,160,20,112130,0540,000,0-2,0-1,5-1,0-0,50,00,51,01,52,0, Q , [e]G(б)1,21 Q =-1.2 er)G2 Q =0 e3 Q =0.6 e(lG1,0rGG0,85 Q =0 e; T=300 KGT, I , el4 Q =1.6 e0,60,40,20,00,00,10,20,30,40,50,60,7, V ,T0,80,91,0eРис.
3.7. Диаграмма стабильности одноэлектронного транзистора (а), рассчитанная на основеэнергетических спектров карборана C2 B10 H12 и соответствующие профили вольт-амперныххарактеристик (ВАХ) (б), отмеченные на контурной диаграмме цифрами. Профили ВАХ дляудобства смещены по оси туннельного тока IT . Кривая 5 соответствует ВАХ при комнатнойтемпературе.81(а)1,01,0)]re]0,900,8r, I , [e0,6l0,70T0,60T, V , [(l0,800,500,40,390,290,20,190,0910,01-2,02-1,5-1,034-0,550,00,5-0,0101,01,52,0, Q , [e]G(б)2 Q =-0.8 er3 Q =-0.6 e4 Q =0 e5 Q =1.0 e6 Q =0 e; T=300 K)1 Q =-1.8 el3,63,2G2,8GGG2,4T, I , elr(GG2,01,61,20,80,40,00,00,20,40,60,8, V ,T1,0eРис. 3.8. Диаграмма стабильности одноэлектронного транзистора (а), рассчитанная наоснове энергетических спектров фуллерена C60 и соответствующие профили вольт-амперныххарактеристик (ВАХ) (б), отмеченные на контурной диаграмме цифрами.
Профили ВАХ дляудобства смещены по оси туннельного тока IT . Кривая 6 соответствует ВАХ при комнатнойтемпературе.82зарядовых состояний Q (то есть положительными ионами молекулы) и энергетическихсостояний по степени возбужденности.Наиболее полно исследована в нашей работе молекула карборана. Но для такоймаленькой молекулы (0.7 нм [121]) подобрать экспериментальные данные для сравненияоказывается непросто. В работе [57] в туннельной системе «СТМ-молекулярныйкластер-подложка» была получена «Кулоновская лесница» для карборанового молекулярного кластера 1,7-(H3 )2 -1,2-C2 B10 H9 Tl(OCOCF3 )2 . Использованная в приведеннойработе молекула хоть и основана так же на карборане, но значительно отличается отпромоделированной нами как по составу, так и по размеру (в ∼ 3 раза).Оценка размера экспериментально полученной Кулоновсой блокады прикомнатной температуре дает примерно 50 мВ.
В нашей рассчетной модели дляпростого карборана C2 B10 H12 мы получили Кулоновскую блокаду 90 мВ. Можновидеть, что несмотря на столь значительные структурные различия объектов,величины Кулоновской блокады оказываются сопоставимы по порядку величины и поступенчатому характеру полученных ВАХ.Заключение к главе 3Таким образом, в данной главе нам удалось выявить ряд закономерностей вформировании как основных, так и возбужденных энергетических состояний молекулпри изменении их полного электрического заряда.Так в результате анализа одночастичных электронных спектров молекул быливыделены те уровни в области энергетической щели, которые определяют особенностиэлектронного транспорта через молекулу в составе одноэлектронного молекулярногоустройства. Кроме того, найденные закономерности образования “дополнительных”энергетических уровней в щели молекулярных спектров позволили создать простойметод определения положения таких уровней в спектре. Сформулированныйупрощенный метод при исследовании больших молекул может помочь значительносократить расчеты квантово-химических свойств до расчета двух-трех состояниймолекулы.Расчет контурных диаграмм для одноэлектронного транзистора на основе молекулкарборана и фуллерена показал, что в электронный транспорт через молекулу иособенности ВАХ одноэлектронного транзистора определяются очень ограниченным83количеством состояний молекулы, задающихся совокупностью зарядового состояния имультиплетности.Выявленные закономерности энергетических молекулярных спектров должны вдальнейшем значительно облегчить решение задач, связанных с моделированием иисследованием электронного транспорта в молекулярных системах.84Глава 4Электронный транспорт в одноэлектронном транзисторена основе золотых наночастицДанная глава посвящена изучению одноэлектронных и энергетических свойствкак безлигандных золотых наночастиц, так и покрытых лигандной оболочкой изорганических молекул додекантиола SCH2 (CH2 )10 CH3 .
Для численного моделированияодноэлектронного транспорта в ОМТ на основе золотых наночастиц различного размерабыл применен и развит параметрический подход задания энергетического спектра,предложенный в главе 3 на примере малых молекул.4.1. Золотые наночастицы и задача их моделирования для ОМТПервые технологии изготовления металлических одноэлектронных транзисторовс 10 нм размером острова, как правило, включали в себя испарение металла наалюминиевые электроды, содержащие тонкие туннельные барьеры. Но при этом былодостаточно сложно контролировать положение в нанозазоре и размер металлическихгранул [126]. Использование химически синтезированных коллоидных кристалловдля изготовления одноэлектронных транзисторов дало несколько существенныхпреимуществ: малость и постоянство размера частиц, а также потенциальнаявозможность их применения для целей контролируемой сборки в нанозазоре.В настоящее время доступно изготовление металлических и полупроводниковыхнаночастиц с диаметрами начиная от 2 нм.
Однако даже при достаточно контролируемомразмере частицы задача интегрирования ее в устройства и установка эффективногоуправления ею (с помощью управляющего электрода) может быть крайне непростой.Сложность заключается в:а) изготовлении системы электродов с нанозазором между ними;б) точном помещении наночастицы между электродами.Для решения этих задач существуют различные методы создания одноэлектронныхустройств с применением золотых наночастиц, популярность и востребованность85которых была описана ранее (гл.1 стр.26). Например, один из подходов заключаетсяв создании электродов с суб-10 нанометровым зазором путем электромиграциилитографически созданного нанопровода и последующим напылением золота илисамосборкой золотых частиц из раствора [14, 127].На сегодняшний день химически синтезированные золотые наночастицы являютсяхорошими претендентами на роль Кулоновского острова.
Дело в том, что погрешностьразмера и формы таких наночастиц составляет не более 10% [14]. Обычно наночастицыимеют защитный слой, представляющий собой оболочку из органических молекул(лигандов), предохраняющую объекты от взаимного контакта и слипания. Такойметод очень надежен и широко используется для предотвращения реакций междучастицами золота, а также позволяет хранить раствор с частицами в нормальныхусловиях. Молекулы, образующие такую оболочку, называются лигандами илилинкерами, а сама оболочка, соответственно — лигандной.
Туннельное сопротивлениеи величину расстояния между золотой наночастицей и электродами, а такжедиэлектрическую проницаемость лигандного слоя в целом можно изменять подборомдлины лигандной молекулы. Для встраивания в нанозазоры, получаемые приизготовлении одноэлектронных устройств, подходят коммерчески доступные частицызолота с диаметром в диапазоне 3 –5 нм [128]. В разделе 1.4 первой главы(стр.26) в сводной таблице собраны данные по всем успешным реализациямодноэлектронных устройств на основе золотых наночастиц за последние годы, атакже параметры этих устройств.С точки зрения теоретического описания одноэлектронных устройств с золотыминаночастицами размера, представляющего практический интерес (более 1 нм), этичастицы являются сложными молекулярными объектами. По нашим оценкам частицазолота размером 2 нм содержит около 215 атомов, а 5 нм – уже более 3300 атомов.При этом одним из наиболее крупных известных молекулярных объектов, рассчитанныхметодом Хартри-Фока является молекула крембина [129] – белок, состоящий из 642атомов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
