WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

Для трех возможных электронных конфигураций нейтрального состояния молекулы рассчитаны вольтамперные характеристики для различных значений модельной температуры термостата. Показано, что значение туннельного тока возрастает скачками при росте туннельного напряжения. В области VT = 0 туннельный ток отсутствует. Ширина блокады определяется изменением кулоновской энергии (n) и средним расстоянием между энергетическими уровнями молекулы. Ширина следующих за блокадой токовых ступенек также определяется изменением кулоновской энергии молекул. Количество токовых ступенек и их ширина зависят от электронной конфигурации нейтральной молекулы. Значение тока насыщения транзистора определено как 2elr/(l + r), l и r темпы туннелирования электронов через левый и правый электрод соответственно.

Рассчитана серия вольтамперных характеристик для молекулярного одноэлектронного транзистора с вырожденным уровнем для различных значений коэффициента деления туннельного напряжения. Показано, что ширина токовых ступенек (размер вдоль оси напряжений) на вольтамперной характеристике обратно пропорциональна коэффициенту деления напряжения. При анализе рассчитанных вольтамперных характеристик выяснено, что в случае молекулярного одноэлектронного транзистора вольтамперные характеристики могут быть несимметричными относительно операции инверсии в точке VT = 0 и IT = 0.

Эффект несимметричности ВАХ полностью отсутствует в "классических"одноэлектронных транзисторах. В случае молекулярного одноэлектронного транзистора этот эффект вызван несовпадением уровня энергии в молекуле с уровнем Ферми в электродах.

Кроме того, рассчитана серия характеристик управления для модельного одноэлектронного транзистора с вырожденным энергетическим уровнем. Анализ особенностей характеристики управления в случае транзистора, в котором центральны остров имеет единственный энергетический уровень, позволяет понять особенности влияния отдельных энергетических уровней на формирование характеристики управления транзистора. Показано, что положение скачков туннельного тока на характеристике управления определяется значениями кулоновской энергии для различных зарядовых состояний. Показано, что ширина ступенек возрастает линейно с увеличением туннельного напряжения. Такая линейная зависимость определяется линейным увеличением диапазона возможных положений энергетического уровня молекулы между уровнями Ферми электродов, при которых для электрона энергетически выгодно туннелировать через энергетический уровень.

Далее представлена серия вольтамперных характеристик, на которой видно, что при изменении отношения проводимостей переходов изменяется количество токовых ступенек на ВАХ. Изменение количества ступенек на вольтамперной характеристике непосредственно связано с изменением значения вероятности найти молекулу в определенном зарядовом состоянии, поскольку скорость перехода и ухода в эти состояния определяется темпами туннелирования через правый и левый туннельные переходы. Для случая, когда функция, определяющая зависимость зарядовой энергии молекулы от номера зарядового состояния четная, зависимость количества ступенек на ВАХ от отношения проводимостей туннельных переходов пропадает, что связано с вырождением соответствующих зарядовых состояний.

Таким образом, в первой части это главы определены особенности влияния отдельных энергетических уровней на форму транспортных характеристик молекулярного одноэлектронного транзистора.

Во второй части этой главы представлены вольтамперные характеристики, рассчитанные для молекулярного одноэлектронного транзистора, электронный энергетический спектр которого состоит из двух невырожденных по спину электрона энергетических уровней. Показано, что ширина по туннельному напряжзению токовых ступенек на вольтамперной характеристике линейно зависит от расстояния между энергетическими уровнями, причем количество ступенек зависит от положения энергетических уровней молекулы относительно положения уровня Ферми в электродах. Таким образом среднее расстояние между энергетическими уровнями в молекуле обратно пропорционально проводимости транзистора и прямо пропорционально ширине ступенек туннельного тока.

Путем построения контурной диаграммы стабильности показано, что область стабильности (кулоновский ромб) смещается по туннельному напряжению при смещении энергетических уровней молекулы относительно уровня Ферми электродов. Это позволяет говорить о том, что ступеньки туннельного тока, которые присутствуют на характеристике управления наиболее точно отражают структуру дискретного энергетического спектра молекулы.

Исследование свойств вольтамперных характеристик и характеристик управления молекулярного одноэлектронного транзистора в случае с сильно упрощенным энергетическим спектром позволило определить, как влияет дискретный энергетический спектр молекулы на них. Показано, что даже в таких простейшей случаях получается огромное разнообразие различных особенностей на транспортных характеристиках, которые сильно зависят от модельных параметров и структуры дискретного энергетического спектра.

В пятой главе представлены результаты расчетов вольтамперных характеристик и характеристик управления молекулярного одноэлектронного транзистора с дискретным энергетическим спектром острова. В этой главе проведен анализ влияния основных параметров модели на форму вольтамперных характеристик и характеристик управления, таких как коэффициент деления туннельного напряжения, коэффициент деления полного сопротивления транзистора, уровень тепловых флуктуаций kBT, отношение среднего расстояния между энергетическими уровнями в молекуле к величине характерной кулоновской энергии молекулы.

В начале главы показано, что в предельном случае почти непрерывного энергетического спектра вольтамперных характеристики молекулярного транзистора совпадают с вольтамперными характеристиками, которые описаны в ортодоксальной теории одноэлектроники [4] при тех же параметрах отношения емкостей и проводимостей переходов. Для получения такого совпадения необходимо, чтобы отношение среднего расстояния между энергетическими уровнями в молекуле к ее характерной кулоновской энергии было много меньше единицы и молекулярный транзистор должен "работать"в режиме быстрой энергетической релаксации электронов. На рис.2 представлена вольтамперная характеристика, рассчитанная в таком предельном случае. На этом рисунке видно, что на фоне больших =0,16; =0.5; =0.01;

QG=0; kBT=0.12(1);

rel=0;

-(1)/e -------3 -2 -1 0 1 2 и, [(1)/e] Рис. 2. Вольтамперная характеристика молекулярного одноэлектронного транзистора, рассчитанная в пределе классической одноэлектроники. Стрелками отмечены скачки туннельного тока на ВАХ, вызванные кулоновскими эффектами и особенностями дискретного энергетического спектра. Скачки, связанные с кулоновскими эффектами, имеют больший период.

кулоновских токовых ступенек, период которых определяется емкостью переходов, присутствуют маленькие скачки туннельного тока, связанные с дискретностью энергетического l r l r, [e /( + )] спектра молекулы. Вычисление вольтамперной характеристики произведено посредством рекуррентной формулы для одночастичной функции распределения вероятностей.

Далее в этой главе представлено сравнение вольтамперной характеристики, рассчитанной для молекулы с эквидистантным энергетическим спектром и спектром со случайным расположением энергетических уровней, задаваемым с помощью генератора случайных чисел. Показано, что в случае, когда взаимное положение энергетических уровней в молекуле упорядочено (например, эквидистантный спектр), ступеньки туннельного тока имеют упорядоченную структуру, в случае, когда энергетические уровни в молекуле взаимно неупорядочены, ступеньки туннельного тока имеют разную ширину по напряжению, что говорит о том, что симметрия или асимметрия взаимного расположения энергетических уровней в молекуле является определяющей для положения скачков туннельного тока на вольтамперной характеристике и характеристике управления.

В остальной части этой главы приведены результаты подробного изучения влияния различных параметров построенной модели на транспортные характеристики молекулярного одноэлектронного транзистора. Изучено влияние коэффициента деления туннельного напряжения, отношения проводимостей туннельных переходов транзистора, отношения среднего расстояния между энергетическими уровнями молекулы к характерной кулоновской энергии, температуры термостата. Эти результаты позволили понять, что в реальном случае 1 практически невозможно разделить особенности формы транспортных характеристик молекулярного транзистора на особенности, связанные с дискретным энергетическим спектром молекулы и с кулоновским эффектами. Среднее расстояние между энергетическими уровнями в молекуле обратно пропорционально полной проводимости транзистора и количество ступенек на вольтамперной характеристике прямо пропорционально отношению eVT /, где среднее расстояние между энергетическими уровнями в молекуле.

В этой главе также путем моделирования показано, что измерение характеристики управления при туннельном напряжении меньше значения кулоновской блокады позволяет получить реальную плотность электронных энергетических состояний в молекуле. При этом такой способ позволяет измерять истинную плотность энергетических состояний, а не перемешанную от разных участков энергетического спектра, как это ранее делалось рядом автором в экспериментальных работах при измерении вольтамперных характеристик [10].

Далее представлено сравнение вольтамперных характеристик, вычисленных для случая быстрой и медленной релаксации с имеющимися экспериментальными данными [5,А6].

Подбор модельных параметров наилучшего совмещения теоретической кривой с экспериментальной был осуществлена перенормировкой модельных параметров. Модельные параметры, которые соответствуют наилучшему совмещению кривых представлены ниже:

= 1, = 0.54, = 1 kBT = 0.012, Qb = 1.5e.

На рис. 3 представлены экспериментальная вольтамперная характеристика и теоретические кривые, соответствующие разным типам релаксации, смоделированные для параметров наилучшего совпадения. Проведенное сравнение показало, что процессы туннелирования =1; =0.56; =3 Qg=1.5e; kBT=0.12(1) ---,, --800 -600 -400 -200 0 200 400 600 UT, [ ] Рис. 3. Сравнение вольтамперных кривых рассчитанных в пределе медленной и быстрой релаксации электронов с кривой, полученной в эксперименте. Представленные на рисунке теоретические кривые, рассчитаны для параметров, обеспечивающих их наилучшее совмещение с экспериментальной кривой.

электронов в молекулярном одноэлектронном транзисторе протекают сильно неравновесным образом.

I, A Таким образом, в этой главе в комплексе рассмотрены все основные свойства транспортных характеристик молекулярного одноэлектронного транзистора и заложена основа для исследования характеристик в одноэлектронных молекулярных устройствах с большим количеством молекулярных элементов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Разработана методика рекурсивного решения системы кинетических уравнений, описывающих одноэлектронный транспорт в наноструктурах молекулярного масштаба с дискретным спектром энергии в предельном случае медленной релаксации электронов в молекуле (rel 10-11 c) при ненулевой температуре, что позволило рассматривать особенности вольтамперных характеристик молекулярного транзистора в широком диапазоне основных параметров: например, коэффициента деления напряжения 0 < < 1; отношения проводимостей туннельных переходов 0 < < 1, отношения среднего расстояния между энергетическими уровнями молекулы к характерной кулоновской энергии молекулы 0 < / < 2, что отражает все возможные случаи соотношения параметров в молекулярном одноэлектронном транзисторе.

2. Предложен метод быстрого расчета равновесных одночастичных функций распределения вероятности заполнения одноэлектронных уровней энергии в молекуле для систем с количеством уровней, превышающим 104, что позволило впервые явным образом показать при предельном переходе к непрерывному энергетическому спектру молекулы соответствие предложенной теории электронного транспорта в мономолекулярном одноэлектронном транзисторе ортодоксальной теории одноэлектроники.

3. Впервые рассмотрен вопрос о влиянии энергетической релаксации на процесс туннельного транспорта электронов в молекулярном одноэлектронном транзисторе путем параллельного анализа предельных случаев быстрой (rel 10-11 c) и медленной (rel 10-11 c) релаксации электронов в молекуле или наночастице с дискретным электронным спектром в рамках единого численного эксперимента. Это дало возможность определить степень их влияния на вид транспортных характеристик транзистора и однозначено связать вид ВАХ с режимом протекания туннельного тока.

4. На основе полученного рекурсивного решения системы кинетических уравнений впервые предложен и разработан численный алгоритм расчета вольтамперных характеристик и характеристик управления одноэлектронных наноструктур молекулярного масштаба с любой заданной точностью, позволивший рассчитать простыми средствами такие сложные случаи туннельного транспорта электронов в молекулярных транзисторах, как, например, случай малой дискретности энергетического спектра, которые любыми другими известными способами требуют существенно большего времени для расчета при гораздо меньшей точности.

5. Предложен метод определения собственной электрической емкости объектов атомарно-молекулярного масштаба (с размерами меньше 15 20 нм). На основе этого метода показано, что электрические свойства молекулярных объектов непосредственно связаны с их химическими свойствами. Проведенный на основе этого метода расчет собственной емкости ряда разнотипных молекул, использованных ранее в экспериментах, показал, что основным фактором, определяющим собственную емкость таких объектов, является топология молекулы, а не е химический состав.

е 6. Проведен численный расчет характеристик молекулярных одноэлектронных транзисторов в диапазоне напряжений VT [-1, 1] В, как методом имитационного моделирования, так разработанным в диссертации более точным и универсальным методом, основанным на рекурсивном решении системы кинетических уравнений.

Путем анализа этих характеристик показано, что особенности строения дискретного энергетического спектра молекулы в области [-8, -3] эВ играют сравнимую с кулоновскими эффектами роль, а в некоторых случаях являются определяющим фактором для свойств транспорта электронов в системе. На основе проведенного анализа предложен метод измерения плотности электронных состояний в молекуле при туннельных напряжениях, не превышающих 300мэВ.

Pages:     | 1 | 2 || 4 |






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