Исследование туннельных эффектов в наноструктурах методами сканирующей зондовой микроскопии

• Автор: Трифонов, Артем Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 137 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1.
КОРРЕЛИРОВАННОЕ ТУННЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В ПЕРЕХОДАХ
СВЕРХМАЛОЙ ЕМКОСТИ.
1.1. “Ортодоксальная” теория одноэлектроники
1.2. Одноэлектронные эффекты в сверхмалых туннельных переходах
1.3. Экспериментальная ситуация
1.4 Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ)
1.4.1 Принцип работы
1.4.2. Теория
1.5. Постановка задачи
ГЛАВА 2.
МЕТОДИКА СОЗДАНИЯ НАНОСИСТЕМ.
2.1. Технологическое и измерительное оборудование
2.2. Кластерные молекулы
2.3. Методика формирования наноструктур
2.4. Технология создания ленгмгоровского монослоя
2.4.1. ЛБ - монослои только из кластеров
2.4.2. Смешанные ЛБ - монослои
2.4.3. Одномерные цепочки
ГЛАВА 3.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МОЛЕКУЛЯРНЫХ ОДНОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ.
3.1. Описание эксперимента
3.1.1. Топография
3.1.2. Измерение туннельных характеристик молекулярных наносистем
3.1.3. Изготовление управляющего электрода
3.2. Одноэлектронные эффекты в молекулярных системах
3.3. Одноэлектронный транзистор
3.4. Влияние параметров системы на величину одноэлектронных
особенностей
3.4.1. Размер кулоновской блокады
3.4.2. Влияние лигандной оболочки
3.4.3. Влияние структуры уровней кластера
3.5. Многопереходные системы на основе одиночных молекул
З.б. Выводы
ГЛАВА 4
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕВОЙ ЭМИССИИ ЭЛЕКТРОНОВ
НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ АЛМАЗНЫХ ПЛЕНОК МЕТОДАМИ
СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ
4.1. Описание проблемы
4.2. Алмазные пленки
4.3. Методика измерений
4.4. Результаты измерений
4.5. Заключение
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ I, Разрешение СТМ
ПРИЛОЖЕНИЕ II. Технология изготовления атомарно-ровных золотых
подложек
Список публикаций

ВВЕДЕНИЕ
В последние годы большой интерес вызывают зарядовые эффекты, возникающие при протекании тока через сверхмалые туннельные переходы. Этот интерес обусловлен достижениями современной нанотехнологии, которая позволяет в настоящее время контролируемым образом изготавливать туннельные переходы с линейными размерами менее 100 нм, что соответствует емкости перехода менее 10'15 Ф. При температурах ниже 1 К в таких переходах становится существенной зарядовая энергия емкости переходов при туннелировании даже одиночных электронов, что приводит к возможности наблюдения нового класса явлений - коррелированного туннелирования электронов, известного также под названием одноэлектроника. На основе этого явления Можно реализовать целый ряд уникальных устройств (квантовый стандарт тока, сверхчувствительный электрометр и т.д.), обладающих рекордными характеристиками.
Детальные исследования механизмов зарядового транспорта на уровне единичных актов туннелирования электронов, пространственной и временной корреляции таких туннельных событий, высокая чувствительность одноэлектронных структур к сверхслабым электрическим полям имеет большое фундаментальное значение как с точки зрения выяснения природы явления, так и с точки зрения создания уникальных измерительных устройств, позволяющих проводить фундаментальные исследования, невозможные ранее.
Однако, возможности традиционной технологии изготовления сверхмалых микроэлектронных структур ограничены минимальным размером отдельного элемента (транзистора) и плотностью их расположения на поверхности кристалла. Это связано с ограниченностью разрешающей способности нанолитографического оборудования (на уровне несколько нм), химической неоднородностью слоев, в которых формируются отдельные элементы и неоднородностью подложки. Плотность расположения элементов

Время релаксации можно оценить исходя из оптических свойств подложки и характерных размеров молекулы [32] - это время оказывается 10‘9 -т-10'11 сек.
Таким образом, ожидаемая кулоновская энергия в изучаемой системе 0.3 - 1.0 эВ, что позволяет надеяться регистрировать одноэлектронные эффекты даже при комнатной температуре (кТт,зоок« 0,026 эВ). В зависимости от соотношения между временем туннелирования и временем энергетической релаксации в реальном эксперименте возможны случаи как быстрой, так и медленной релаксации. Так как расстояние между уровнями энергии в молекуле может быть сравнимо с характерной кулоновской энергией [40], при анализе экспериментальных данных необходимо учитывать эту дискретность энергетического спектра молекулы.
Большинство результатов описываемых в данной диссертации, было получено автором с помощью сканирующего туннельного микроскопа. В последнем разделе этой главы будет описан принцип работы сканирующего туннельного микроскопа, рассмотрены его особенности при работе с различными материалами, дан краткий обзор сканирующих зондовых микроскопов.
1.4 Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ)
1.4.1 Принцип работы
Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ.) - первый прибор из класса сканирующих зондовых микроскопов, был изобретен в 1982 году Биннингом и Рорером [41]. Основной элемент измерительной части сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) - игла, закрепленная на пьезоэлектрическом держателе. Игла СТМ “висит” на небольшом (порядка нескольких ангстрем) расстоянии от исследуемого образца. Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа основан на регистрации туннельного тока между