Диссертация (1104996), страница 26
Текст из файла (страница 26)
В свою очередь, требуютсяэкспериментальные характеристики с более хорошим разрешением для того, чтобыможно было определить степень достоверности теоретического описания сильнойвырожденности энергетического спектра частиц в ОМТ.150Заключение к главе 4Итак, в главе 4 с помощью квантово-химических методов расчета былиизучены энергетические характеристики золотых наночастиц и их зависимость отколичества атомов золота в наночастице и от их размера. В результате расчетаодночастичных электронных спектров золотых металлополиэдров было обнаруженопоявление энергетических уровней в энергетической щели спектров, аналогично тому,как это было установлено ранее для малых молекул.Для золотых наночастиц с внешней лигандной оболочкой сделана оценкамаксимального числа Mmax лигандов-тиолов, способных присоединиться к поверхностизолотого ядра, и получена зависимость этого числа от количества атомов золота иразмера частиц.
Для общей электрической емкости, а также электроотрицательностинаночастиц с лигандами удалось установить их зависимость от числа лигандов M наповерхности.Исследование одноэлектронных спектров таких частиц показало, что присоединении лигандов и золотого ядра часть электронной плотности с металла смещаетсяк лигандам, а в месте их контакта возникает подобие барьера Шоттки. Золотое ядроявляется донором электронов для атомов серы тиолов. Присоединение каждого лигандаположительно заряжает золотое ядро наночастицы на заряд электрона +e и сдвигаетпо структуре весь спектр на −1 по зарядовому числу (относительно спектра частицыбез лигандов). При этом сдвигается в сторону отрицательных зарядовых состоянийи основное энергетическое состояние частицы, соответствующее минимуму полнойэнергии.
Расчет спектра частиц с аналогичными лигандами, но без углеводородныхокончаний, показал, что во влиянии лигандов-тиолов на электронные спектры золотыхнаночастиц главную роль играют атомы серы и структура спектра не зависит от длинытиола. Следовательно, подбором длины тиола при конструировании одноэлектронногоустройства можно регулировать емкость кулоновского острова и максимальнуюпрозрачность туннельных барьеров, при этом не меняя его энергетических свойств.На основе сделанных расчетов и оценок была предложена параметрическаямодель определения спектра полных энергий золотых наночастиц любых размеров,в том числе недоступных для квантового расчета (в нашем случае более 1 нм).Предложенная модель учитывает два типа возможных энергетических возбуждений вэлектронных спектрах: спиновые и оболочечные.
Это существенно улучшает модель151с точки зрения приближенность к реальным процессам электронного транспортачерез анночастицу одноэлектронной системе. В результате с помощью данной моделиметодов имитационного моделирования удалось рассчитать диаграммы стабильноституннельного тока, вольт-амперные и сигнальные характеристики одноэлектронноготранзистора на основе частиц Au13 и Au33 размером 0.8 и 1.1 нм, соответственно.Анализ статистики задействованных в электронном туннельном транспорте в системеэнергетических возбужденных состояний показал, что даже при максимальныхзначениях туннельного и управляющего напряжений, обеспечивающих оптимальныйрежим работы транзистора, в транспорте участвуют возбуждения максимум 5 степени.Также было проведено сравнение расчетных данных для транзистора на основечастицы с золотым ядром размером 2.8 нм с экспериментальной диаграммойстабильности.
Сравнение показало, что предложенная модель оценки параметровдает хороший качественно результат моделирования и может быть использована вдальнейшем и для других подобных нанообъектов. Но для более точного воспроизведения особенностей на экспериментальной диаграмме стабильности требуетсяуточнение модели с точки зрения учета воздействия внешних электростатических полей.В дальнейшем оценка релаксационной составляющей в уравнениях кинетическогобаланса в приближении быстрой релаксации электронов в наночастицах не составитпринципиальной сложности.152Заключение1. Предложен квантово-механический метод определения взаимной эффективнойэлектрической емкости для объектов наномасштаба (молекул, молекулярныхкластеров, квантовых точек/наночастиц).
Для демонстрации его возможностейрассчитана взаимная эффективная электрическая емкость для пар одинаковыхмолекул: карборана C2 B10 H12 , фуллерена C60и молекулярного кластераPt5 (CO)6 (PPh3 )4 , имеющих собственные размеры от 0.3 до 0.7 нм, при расстоянияхмежду такими молекулами от 2 до 20 нм.2. Рассчитаны одноэлектронные энергетические спектры и их особенностидля молекул карборана C2 B10 H12 и фуллерена C60 , а также платиновогомолекулярного кластера Pt5 (CO)6 (PPh3 )4 для их основных и возбужденныхзарядовых энергетических состояний.
Установлены эффективные емкостныепараметры молекул: емкость карборана C = 3.2 · 10−20 Ф, емкость фуллеренаC = 5.2 · 10−20 Ф.3. Рассчитаны емкости и энергетические параметры для ряда изомеров наночастицзолота без лигандов, включающих до 33 атомов золота. Емкости частиц приколичестве атомов золота от 13 до 33 изменяются от 4.5 до 6.0 · 10−20 Ф.4. Выполнен квантовый расчет спектров наночастицы золота из 27 атомов,окруженной лигандными группами додекантиолов в трех пространственныхконфигурациях. Расчет показал, что длина тиола влияет лишь на суммарнуюемкость частицы, а изменения в спектре обусловлены атомами серы, а неуглеводородными окончаниями.5. На основе рассчитанных энергетических параметров и предложенной параметрической модели определения энергетических спектров нанообъектовметодом имитационного моделирования Монте-Карло рассчитаны транспортныехарактеристики одноэлектронного транзистора на основе молекул карборанаC2 B10 H12 и фуллерена C60 , а также золотых наночастиц Au13 размером 0.8 нм иAu33 размером 1.1 нм.6.
Разработана параметрическая модель определения энергетических спектров153наночастиц, которая позволила рассчитать транспортные характеристики одноэлектронного транзистора на основе частицы Au591 L182 , покрытой тиолами и сразмером ядра 2.8 нм, при температурах 9 К, 40 К, 80 К и 160 К. Полученныедиаграммы дифференциальной проводимости показали хорошее качественноесовпадение с данными эксперимента.154БлагодарностиВыражаю искреннюю благодарность своему научному руководителю СнигиревуОлегу Васильевичу, руководителю лаборатории криоэлектроники, за помощь, котораяоказана с его стороны при написании данной диссертации, поддержку на всех этапахисследования и организацию научно-исследовательской деятельности.Выражаю глубокую благодарность научному руководителю и учителю ШороховуВладиславу Владимировичу за постановку актуальных и интересных задач, неоценимуюпомощь при выполнении работы, многочисленные консультации, помощь при анализерезультатов и полученные ценные навыки.Я также очень признателен Солдатову Евгению Сергеевичу, руководителюлаборатории молекулярной одноэлектроники, за ценные замечания, советы и полезныеобсуждения, имевшие место на протяжении всей моей научной деятельности.ТакжехочупоблагодаритьсоавторапубликацийМаресоваАлександраГеннадьевича за критические замечания и помощь при обсуждении и подготовкерезультатов исследований.Отдельной благодарностью хотел бы отметить Корнева Виктора Константиновича,с выполнения курсовой работы у которого началось мое знакомство с лабораториейкриоэлектроники, и чьи вопросы и рекомендации впоследствии способствовалиулучшению данной работы.
Также благодарю всех сотрудников лабораториикриоэлектроники физического факультета МГУ, принимавших участие в научныхсеминарах лаборатории.Особую благодарность я выражаю моим родителям и жене за моральнуюподдержку, внимание, терпение и помощь на всем протяжении подготовки даннойдиссертационной работы.155Список литературы1. Gubin S.P., Gulayev Yu.V., Khomutov G.B. et al. Molecular clusters as buildingblocks for nanoelectronics: the first demonstration of a cluster single-electron tunnellingtransistor at room temperature // Nanotechnology. 2002. Vol. 13.
P. 185–194.2. Likharev K. K., Strukov D. B. CMOL: Devices, Circuits, and Architectures. In:Introduction to Molecular Electronics / Ed. by G. et al. Cuniberti. Springer, Berlin,2005.3. Strukov D. B., Likharev K. K. Prospects for Terabit-scale Nanoelectronic Memories //Nanotechnology. 2005. Vol. 16. P.
137–148.4. Maeda K., Okabayashi N., Kano S. et al. Logic Operations of Chemically AssembledSingle-Electron Transistor // ACS Nano. 2012. Vol. 6, no. 3. P. 2798–2803.5. Cervera J., Ramirez P., Mafe S. Logic gates scheme based on Coulomb blockade inmetallic nanoclusters with organic ligands // Phys.
Lett. A. 2010. Vol. 374. P. 610–613.6. Kano S., Yamada Y., Tanaka K., Majima Y. Room-temperature single molecularmemory // Appl. Phys. Lett. 2012. Vol. 100, no. 5. P. 053101.7. Fuechsle M., Miwa Jill A., Mahapatra S., Ryu H. A single-atom transistor // Nat. Nano.2012. Vol. advance online publication. P. 1–5.8. Deng G., Chen C. Hybrid CMOS-SET Arithmetic Circuit Design Using CoulombBlockade Oscillation Characteristic // J. Comput. Theor.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
