WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

На правах рукописи

Шорохов Владислав Владимирович ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОЭЛЕКТРОННОГО ТРАНСПОРТА В НАНОСТРУКТУРАХ МОЛЕКУЛЯРНОГО МАСШТАБА Специальность 01.04.04 - Физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2007

Работа выполнена на кафедре атомной физики, физики плазмы и микроэлектроники физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Научный консультант: кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Солдатов Евгений Сергеевич.

Официальные оппоненты:

• доктор физико-математических наук, профессор Лукичев Владимир Федорович;

• доктор физико-математических наук, доцент Маслова Наталья Сергеевна.

Ведущая организация: Институт радиотехники и электроники РАН.

Защита диссертации состоится "31" мая 2007г. в 14.30 часов на заседании Диссертационного Совета Д.501.001.66 в Московском Государственном Университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, Москва, Ленинские Горы, физический факультет МГУ, аудитория 5-19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физфака МГУ.

Автореферат разослан " " апреля 2007 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета Д.501.001.66 Ершов А.П.

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Хорошо известно, что в последнее время наиболее обсуждаемой темой в области электроники (см., например, ITRS [1]) является возможность продвижения технологии создания электронных схем высокой степени интеграции КМОП/CMOS 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 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. Это позволит развивать быстродействие и информационную емкость электронных схем в будущем. В сложившейся ситуации для дальнейшего развития электроники весьма перспективным представляется переход к схемам, построенным на базе одноэлектронных [4] наноструктур молекулярного масштаба [5,А5,А6]. 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 основную трудность использования одноэлектронных систем в настоящее время.

Настоящая работа посвящена исследованию одноэлектронного транспорта в наноструктурах молекулярного масштаба. Некоторые такие практически интересные устройства и элементы (например, одноэлектронный молекулярный транзистор) возможно создать уже сейчас, используя самые современные технологии и методы. Некоторые структуры находятся в стадии предварительного изучения (например, молекулярная одноэлектронная ячейка памяти). Данная работа направлена на изучение и решение актуальных теоретических задач молекулярной электроники [2], возникающих при создании новых элементов и устройств, на основе которых можно было бы обеспечить построение молекулярных устройств сверхвысокой степени плотности и быстродействия при низком энергопотреблении, а также на теоретическое изучение и анализ свойств таких элементов.

Несмотря на всю привлекательность идеи использования наноструктур молекулярного масштаба в качестве элементов электронных схем, на этом пути имеется ряд сложностей как практического, так и теоретического характера. Наноструктуры молекулярного масштаба представляют собой одни из самых сложных объектов для теоретического изучения [3], т.к. эта область исследования находится на стыке различных наук, таких как химия, электродинамика, квантовая теория поля, физика поверхности и т.д. Поэтому актуальной задачей является разработка таких методов описания этих объектов, которые, с одной стороны, учитывали бы квантовые свойства объектов, но, с другой стороны, позволяли бы эти объекты описывать, как составные элементы электронных схем. При решении так поставленной задачи важным моментом является возможность использования для наноструктур молекулярного масштаба таких понятий классической электроники, как сопротивление, емкость и индуктивность для использования всей мощи уже разработанной схемотехники. Необходимо знать, какие возможны ограничения на использование таких классических параметров для наноструктур молекулярного масштаба.

Весьма актуальным для практического применения наноструктур молекулярного масштаба в качестве элементов электронных схем является вопрос о том, какое влияние на транспортные характеристики (вольтамперные и характеристики управления) оказывает дискретный энергетический спектр таких элементов. Ответ на такой вопрос позволит более четко определить круг объектов, наиболее подходящих для построения электронных наноустройств, например, с более высокой рабочей температурой. Другим, не менее актуальным вопросом для практического использования, является возможность получения информации об электронном энергетическом спектре молекулярных объектов путем измерения транспортных характеристик электронных устройств, что открывает заманчивые возможности для спектроскопии одной молекулы. Рассмотрение и решение перечисленных вопросов и проблем проведено в настоящей работе.

Объектом исследования является молекулярный одноэлектронный транзистор, в котором между молекулой, играющей роль центрального электрода, и металлическими электродами образованы туннельные переходы рис.1.

Предметом исследования является одноэлектронный туннельный транспорт в моne C l, R l, Cr R r и ( ) C g V T V g + + - + - + - ++ Рис. 1. Схематичное изображение молекулярного одноэлектронного транзистора и его принципиальная электрическая схема.

лекулярном одноэлектронном транзисторе наноструктурном объекте, который является базовым элементом для создания устройств молекулярной электроники. При этом исследуются предельные случаи энергетической релаксации электронов в молекуле и связанные с этим процессы упругого и неупругого туннелирования электронов.

Цель работы. В связи с вышеизложенным, основной целью диссертационной работы является комплексное исследование транспортных характеристик наноструктур молекулярного масштаба с дискретным энергетическим спектром путем их численного моделирования, а также сравнение расчетных и экспериментальных данных с целью определения конкретных условий транспорта электронов в реальных наноструктурах молекулярного масштаба. В соответствии с основной целью исследования решались следующие задачи:

1. Разработать модель одноэлектронного туннелирования в наноструктурах молекулярного масштаба. Получить основные уравнения, которые позволяли бы описывать туннелирование с учетом релаксационных процессов в молекулярных объектах.

2. Разработать программное обеспечение для проведения как имитационного моделирования методом Монте-Карло, так и численного расчета транспортных характеристик на основе решения основных уравнений.

3. Исследовать особенности электронного транспорта в молекулярном одноэлектронном транзисторе, как при комнатной температуре T 300К, так и при низкой температуре T 0К. Определить значения основных параметров, соответствующих экспериментальной ситуации. Изучить влияние дискретности энергетического спектра молекул на вид электрических характеристик рассматриваемой системы и значения параметров, характеризующих транспорт электронов.

Научная новизна работы определяется следующими, наиболее важными полученными результатами:

1. Для изучаемой системы впервые получено рекурсивное решение системы кинетических уравнений, которое позволяет вычислять как зарядовую функцию распределения, так и одночастичные функции распределения электронов по энергетическим уровням в молекулярных объектах при условии сильной неравновесности рассматриваемой системы;

2. Впервые реализован метод быстрого рекурсивного расчета канонического распределения Гиббса со специальным правилом суммирования, который позволяет радикально упростить расчет канонического распределения Гиббса для молекулярных объектов в рассматриваемой системе;

3. Впервые проведен расчет вольтамперных характеристик и характеристик управления молекулярного одноэлектронного транзистора методом имитационного моделирования параллельно в режиме медленной и быстрой энергетической релаксации электронов в молекуле; путем сравнения этих характеристик с экспериментом показана сильная неравновесность процесса электронного транспорта в таких системах;

4. Получена формула определения значений собственной эффективной емкости для молекулярных объектов сверхмалого размера вплоть до атомных путем использования значений потенциалов ионизации таких объектов и их сродства к электрону.

Показано, что собственная электрическая емкость таких объектов, как и в классическом случае, определяется топологией молекулы, а не ее химическим составом.

Положения, выносимые на защиту:

1. Предложенная методика рекурсивного решения системы кинетических уравнений для молекулярного одноэлектронного транзистора позволяет более просто, полно и точно, чем ранее используемые методы, описать одноэлектронный транспорт в наноструктурах с дискретным спектром энергий в пределе медленной и быстрой энергетической релаксации электронов.

2. Метод определения собственной эффективной емкости объектов атомномолекулярного масштаба позволяет рассчитать этот параметр исходя из экспериментально измеряемых характеристик таких объектов и установить его связь с химическими характеристиками таких объектов.

3. В процессе туннельного транспорта электронов в молекулярных наноструктурах дискретность электронного энергетического спектра играет ведущую роль наравне с кулоновским отталкиванием и оказывает сравнимое с ним действие по величине вызываемых скачков (ступенек) туннельного тока на вольамперных характеристиках.

4. Туннельный транспорт электронов в наноструктурах молекулярного масштаба в реальном эксперименте осуществляется в пределе медленной релаксации электронов в молекуле, т.е. процесс переноса электронов в молекулярном одноэлектронном транзисторе сильно неравновесный.

Достоверность полученных результатов, исследований и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждается согласием полученных расчетных данных с результатами экспериментов и в предельном переходе с хорошо проверенной теорией ортодоксальной одноэлектроники.

Практическая значимость работы. Предложенная методика описания туннельного транспорта в наноструктурах молекулярного масштаба позволяет численно исследовать одновременно кулоновские эффекты и эффекты, связанные с дискретным энергетическим спектром, что обеспечивает комплексность анализа и закладывает основу для проектирования практических устройств на базе таких структур. Предложенная модель системы при наличии данных об электронном энергетическом спектре молекулы позволяет быстро рассчитывать транспортные характеристики наносистемы, построенной на основе этой молекулы, что обеспечивает правильный прогноз и интерпретацию экспериментов в случаях, когда другие пути невозможны из-за малых размеров и квантовых свойств системы. Низкая требовательность предложенного метода расчета к вычислительным мощностям позволяет существенно расширить доступность расчетов таких молекулярных структур и изучать туннелирование электронов в системах, состоящих из множества молекулярных объектов с дискретным энергетическим спектром, с помощью обычных персональных компьютеров.

Предложенный метод определения значений эффективной собственной емкости молекулярных объектов позволяет определить пригодность таких объектов и важные эксплуатационные характеристики элементов на их основе при создании устройств молекулярной одноэлектроники.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на следующих научных конференциях и школах:

• Ломоносов-98, Международная конференция студентов и аспирантов по фундаментальным наукам, Москва, Россия, 1998;

• Всероссийский Семинар Наночастицы и нанохимия, Черноголовка, Россия, 2000;

• LB-9, 9-th International Conference on Organised Molecular Films, Потсдам, Германия, 2000;

• 3-я Международная Конференция Химия высокоорганизованных веществ и научные основы нанотехнологии, Санкт-Петербург, Россия, 2001;

• 3rd International Conference on Physics of Low-Dimensional Structures, Черноголовка, Россия, 2001;

• ECOF8, 8-th European Conference on Organized Films, Отранто, Италия, 2001;

• NANO-7/ECOSS-21, Мальмо, Швеция, 2002;

• IPMM’03, The 4th International Conference Intelligent Processing and Manufacturing of Materials, Сендай, Япония, 2003;

• ACSIN-7, 7th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures, Нара, Япония, 2003.

Публикации. Основные результаты проведенных исследований опубликованы в 6-ти печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем работы составляет 164 страницы. Она содержит 40 рисунков и таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, обсуждаются цель и задачи диссертационной работы. На основании литературных данных приводится краткий обзор работ по созданию наноэлектронных устройств молекулярного масштаба [2], в которых проявляются эффекты, связанные с дискретными особенностями энергетического спектра молекул и с эффектами кулоновского отталкивания. Описана структура диссертации и приведен список печатных работ, в которых отражено е основное содержание.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»