Исследование одноэлектронного транспорта в наноструктурах молекулярного масштаба

• Автор: Шорохов, Владислав Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 164 с. : ил.

Основное содержание работы
1 Введение
1.1 Краткое введение в ортодоксальную теорию коррелированного туннелирования электронов
1.2 Одноэлектронный транзистор
1.3 Обзор основных свойств нанообъектов молекулярного масштаба
1.4 Методы создания молекулярного одноэлектронного транзистора
2 Основные понятия и параметры
2.1 Краткое описание изучаемой экспериментальной системы
2.2 Собственная эффективная емкость объектов атомарного масштаба
2.2.1 Способ определения емкости для одиночной молекулы
2.2.2 Модель определения эффективной собственной емкости молекулы
2.2.3 Эффективная собственная емкость изолированных атомов
2.2.4 Эффективная собственная емкость изолированных молекул
2.2.5 Примеры расчетов эффективной емкости молекул
2.2.6 Обсуждение понятия собственной эффективной емкости нанообъектов
молекулярного масштаба
2.3 Изменение энергетического спектра молекулы при ее зарядке и разрядке
2.4 Оценка распределения электрического поля, созданного управляющим электродом в молекулярном одноэлектронном транзисторе
2.5 Изменение энергетического спектра молекулы под влиянием внешнего электрического поля
2.6 Оценка характерного времени энергетической релаксации электронов в молекуле
3 Описание модели рассматриваемой системы
3.1 Гамильтониан рассматриваемой системы
3.2 Основное уравнение эволюции системы
3.3 Система кинетических уравнений
3.4 Система кинетических уравнений для предельного случая медленной релаксации электронов

3.5 Система кинетических уравнений для предельного случая быстрой релаксации
электронов
3.6 Метод быстрого расчета равновесной одночастичной функции распределения
3.7 Предельный случай низкой температуры
3.8 Метод имитационного моделирования транспортных характеристик молекулярного одноэлектронного транзистора
3.9 Определение способа задания параметров модели
3.10 Оценка значений параметров рассматриваемой модели
4 Предварительные оценки и расчет транспортных характеристик
для упрощенной модели транзистора
4.1 Транспорт электронов в молекулярном транзисторе, энергетический спектр острова которого состоит из одиночного вырожденного по спину энергетического уровня
4.2 Транспорт электронов в молекулярном транзисторе, энергетический спектр острова которого состоит из двух невырожденных энергетических уровней
5 Результаты расчета транспортных характеристик молекулярного одноэлектронного транзистора
5.1 «Классический» предел
5.2 Реальный и эквидистантный спектр молекулы
5.3 Влияние коэффициента деления туннельного напряжения на транспортные характеристики транзистора
5.4 Влияние отношения сопротивлений барьеров на транспортные характеристики транзистора
5.5 Влияние температуры на транспортные характеристики транзистора
5.6 Влияние дискретности энергетического спектра на транспортные характеристики транзистора
5.7 Свойства характеристик управления молекулярного одноэлектроиного транзистора
5.8 Вклад отдельных энергетических уровней молекулы в полный туннельный ток
5.9 Сравнение экспериментальных данных с рассчитанными
Основные результаты и выводы
Литература

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Актуальность темы. Хорошо известно, что в последнее время наиболее обсуждаемой темой в области электроники (см., например, 1ТИ8 [1]) является возможность продвижения технологии создания электронных схем высокой степени интеграции КМОП/СМОЭ в область суб-20 нм размеров [2]. Анализ показывает, что дальнейшее уменьшение размеров электронных элементов, из которых эти схемы состоят, неизбежно наталкивается на ряд фундаментальных ограничений принципиального характера. Такое положение дел свидетельствует о необходимости разработки альтернативных подходов к формированию электронных устройств с такой плотностью интеграции. Становится ясно, что будущее электроники — использование квантовых эффектов, таких как туннелирование электронов [3] и квантование их энергетического спектра, которые возникают при использовании наноструктур молекулярного масштаба [2]. Использование таких эффектов позволит решить наиболее острые проблемы современной электроники, связанные с приближением размеров элементов электронных схем к фундаментальному пределу, определяемому атомарным строением вещества. В будущем это позволит развивать быстродействие и информационную емкость электронных схем. В сложившейся ситуации, для дальнейшего развития электроники, весьма перспективным представляется переход к схемам, построенным на базе одноэлектронных [4,5] наноструктур молекулярного масштаба [6-9]. Такие схемы обеспечивают как признанные преимущества одноэлектронных систем наноэлектроники (возможность построения цифровых систем с принципом кодирования информации одиночными электронами, предельно малое энерговыделение в таких структурах), так и достижение высокой (до 300 К) рабочей температуры, представляющее в настоящее время основную трудность в использовании одноэлектронных систем.
Настоящая работа посвящена исследованию одноэлектронного транспорта в наноструктурах молекулярного масштаба. Одни из таких практически интересных устройств и элементов (например, одноэлектронный молекулярный транзистор) возможно создать уже сейчас, используя самые современные технологии и методы. Другие устройства и элементы находятся в стадии предварительного изучения (например, молекулярная одноэлектронная ячейка памяти). Данная работа направлена на изучение и решение актуальных теоретических задач молекулярной электроники [10], возникающих при создании новых элементов и устройств, на основе которых можно было бы обеспечить построение молекулярных устройств сверхвысокой степени плотности и быстродействия при низком энергопотребле-

выше было сказано, зависимость потенциала ионизации и сродства к электрону от числа атомов в молекуле, и, следовательно, размера молекулы, может быть описана эмпирически выражением (2.40). Обзор работ по фотоэлектронной спектроскопии для металлических и неметаллических гомоатомных соединений (см., например, [79]) позволяет утверждать, что соответствующая закономерность для потенциала ионизации и сродства к электрону наблюдается практически у всех молекул и кластеров. Следовательно, введенное ранее понятие собственной эффективной емкости можно распространить практических на все без ограничения молекулы, микрогранулы или наночастицы, что хорошо согласуется с принципом соответствия Бора.
На рис. 2.76 приведен расчет эффективной собственной емкости циклических соединений углерода и фуллеренов по формуле (2.29). На этом рисунке видно, что эффективная емкость циклических соединений углерода и фуллерена возрастает по мере увеличения количества атомов15.
Для нужд молекулярной одноэлектроники немаловажным является знание максимально возможного числа дополнительных электронов, которые можно поместить на нейтральную молекулу. На рис. 2.8 представлена зависимость значений этой величины для циклических соединений углерода и фуллеренов от числа атомов в них, рассчитанная по формуле (2.38). В такие молекулы, с числом атомов вплоть до 9Т = 72, можно поместить не более одЧисло атомов углерода N
Рис. 2.8. Максимальный число дополнительных электронов, которые можно поместить в циклические соединения углерода и фуллерены, в зависимости от числа атомов в соответствующей молекуле.
ного электрона. До трех электронов можно разместить на таких молекулах с числом атомов
15Немонотонность этого роста можно объяснить тем, что для некоторых фуллеренов отсутствует равновесная пространственная структура, при которой все ядра атомов могут быть размещены на поверхности некоторый сферы. Соответственно, такие молекулы могут быть вытянуты вдоль какого-то направления. Следовательно, их емкость будет больше, чем если бы они имели сферическую форму.