Реферат по электронике (05_11_30_Singe_electron)

Посмотреть архив целиком

Одноэлектроника и молекулярная электроника

(конспект доклада от 23 ноября Е.С. Солдатов, МГУ)


О терминах не спорят

Одноэлектроника – термин родился ровно двадцать лет назад в комнате 3-62 (в которой читается эта лекция ), где профессор К. К. Лихарев с сотрудниками кафедры колебаний обсуждали явление электронного транспорта через туннельный конденсатор. Первоначально приставка “одно” была использована, чтобы подчеркнуть различие со случаем сверхпроводимости, когда электроны туннелируют парами, позже, когда стало возможным контролировать перемещение одного электрона, термин наполнился современным смыслом.

Молекулярная электроника – направление микроэлектроники, в котором элементами электрических схем являются отдельные молекулы или молекулярные комплексы. Особенностями молекулярной электроники является локализация электронов на молекулах, они более не “размазаны” по решетке. Электронный транспорт осуществляется посредством туннельного эффекта.

Молекулярную и одно- электронику можно рассматривать как предельную степень миниатюризации электроники.

Примечание

Сам термин «молекулярная электроника» до сих пор еще не устоялся, и часто этот модный ярлычок приклеивают там, где хотя бы одно измерение равно атомному размеру (например, микросхемы с пленками одноатомной толщины).


О туннельном переходе, одноэлектронном транзисторе и счетчике электронов

Энергия частицы при туннелировании сохраняется – золотое правило Ферми.

Рассмотрим туннельный переход на основе туннельного конденсатора. При уменьшении расстояния между пластинами (уменьшение толщины диэлектрической прослойки) – заряд может за счет туннельного эффекта переходить с одной пластины на другую.

Пусть перешел 1 электрон. Тогда энергия конденсатора изменилась на .

Если , то тепловые осцилляции не перебросят электрон назад – электрон будет заперт на второй обкладке.

Но, как правило, при обычных температурах, . Чтобы обнаружить квантование тока, нужны температуры порядка несколько милликельвин, что естественно, затрудняет не только практическое использование, но и само наблюдение эффекта.

Помимо низких температур другой проблемой является емкость – она складывается из емкости не только самого конденсатора, но и всех контактов и тел в окрестности установки. Создателями одноэлектроники был найден простой и изящный выход из этой ситуации – создать систему из двух конденсаторов (рис.1). Если еще над проводником, соединяющим конденсаторы – островком (island рис. 1) расположить электрод - затвор (gate), наводящий на нем заряды, то получим одноэлектронный транзистор, в котором проводимость канала между истоком (source) и стоком (drain) изменяется путем подачи управляющего напряжения на затвор. Систему можно рассматривать как предельный случай полевого транзистора с изолированным затвором. Однако так как усиление по мощности в данной схеме не происходит, то лучше было бы говорить не об одноэлектронном транзисторе, а об одноэлектронном ключе, но … о терминах не спорят.

Система из многих последовательно соединенных туннельных конденсаторов может служить в качестве счетчика электронов – она позволяет контролируемо перемещать единичные электроны. Счетчик электронов можно использовать в целях метрологии – квантовый стандарт тока.

Примечание

Напомним, что в настоящее время квантовым эталоном напряжения служит джозефсоновский контакт, а квантовым эталоном сопротивления элемент на квантовом эффекте Холла. Появление квантового эталона тока позволяет замкнуть метрологический треугольник напряжение-сопротивление-ток, что очень важно для целей метрологии.

Молекулярная электроника – прорыв в область комнатных температур


В

рис.2

се описанные выше приборы требуют гелиевых температур, что накладывает существенное ограничение на их применение. Но есть другой путь – уменьшить размеры островка до нанометровых (вместе с ними уменьшается емкость, а значит, условие будет выполнено). То есть в качестве островка взять не электрод, а молекулярный кластер размерами порядка 2-3 нм. Автором доклада была реализована следующая схема эксперимента (рис.2) [2]:

Н

Рис.3

а графитовую подложку с нанесенной на ней пленкой Ленгмюра-Блоджетт (мономолекулярный слой) осаждались кластерные молекулы. Управляющее напряжение подается на золотой контакт 2 - затвор (истоком в данной схеме служит графитовая подложка, стоком игла сканирующего микроскопа). Сканирующий туннельный микроскоп находит молекулу и снимает в этой точке вольт-амперную характеристику – зависимость туннельного тока от напряжения на затворе (рис.3). Ступеньки на характеристике соответствуют скачкам проводимости, так называемой «кулоновской лестнице» (скачкообразном изменении силы тока увеличении напряжения до значения достаточного для заброски на островок очередного электрона).

В настоящее время современные технологии позволяют создавать контакты с “припаянными” к ним молекулами. На рисунке 4 показана схема эксперимента, осуществленная группой американских ученых, и снятые ими вольтамперные характеристики при различных напряжениях на затворе [3].


О возможных применениях элементов молекулярной электроники:

  • Высокочувствительные химические/биохимические сенсоры для оборонных и экологических/медицинских применений

  • Ячейки памяти с большим временем хранения, высокой плотностью интеграции и малой рассеиваемой мощностью

  • Одноэлектронные мономолекулярные оптоэлектронные устройства

Л

Рис.4

итература

1. К.К. Лихарев, Одноэлектроника, В мире науки, n. 8, 1992, c. 42

2. Солдатов Е.С., Ханин В.В., Трифонов А.С., Губин С.П., Колесов В.В., Преснов Д.Е., Яковенко С.А., Хомутов Г.Б., Одноэлектронный транзистор на основе одиночной кластерной молекулы при комнатной температуре, т. 64, вып. 7, с. 510 (1996) http://www.jetpletters.ac.ru/ps/982/article_14969.shtml

3. J. Park et al, Coulomb blockade and the Kondo effect in single-atom transistor, Nature, v.417, p.722 (2002)


Случайные файлы

Файл
53885.doc
167862.doc
125548.rtf
5109-1.rtf
111324.doc




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.