НАНОФАЗНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, НАНОТЕХНОЛОГИЯ И НАНОЭЛЕКТРОНИКА: КЛАСТЕРНЫЕ ВЕЩЕСТВА В МОЛЕКУЛЯРНОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ

July 11, 2012 by admin Комментировать »

Кашин В. В., Кислов В. В., Колесов В. В., Фионов А. С. Институт радиотехники и электроники РАН, Москва, Россия Губин С. П. Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН, Москва, Россия Солдатов Е. С. Московский государственный университет, Физический факультет, Москва, Россия Тел.: (095) 2021046; e-mail: kvv@mail.cplire.ru


Аннотация Обсуждаются свойства наноструктурированных материалов. Приводятся результаты по созданию и исследованию молекулярных наноструктур. Показана возможность создания наноэлектронных устройств на основе единичной молекулы.

I.  Введение

Нанофазные материалы представляют собой вещества с внутренней структурой, имеющей характерные размеры нанометрового масштаба. Структурированные композитные нанофазные материалы имеют специфические особенности, отличные от веществ, находящихся в обычных фазах. Основой наномасштабной структуры могут быть как наночастицы различной природы, так и молекулярные кластеры, обладающие абсолютной идентичностью.

Современные полупроводниковые интегральные технологии, реализующие стандартную схемотехнику и архитектуру построения аналоговых и цифровых электронных устройств, имеют определенные физические ограничения, связанные с размером, быстродействием и энерговыделением единичного элемента, а также степенью интеграции элементов в рамках традиционной планарной технологии.

Как предельные параметры для единичных электронных устройств элементной базы нового поколения могут рассматриваться следующие: -возможность создания электронных устройств на единичных молекулах; -возможность изменения состояния электронного устройства под воздействием единичного электрона (и его характеристик, например, спина); возможность изменения состояния электронного устройства под воздействием единичного фотона (и его характеристик, например, частоты и поляризации); использование квантовых связей для взаимодействия между единичными молекулярными электронными устройствами при формировании на их основе сетевой системной инфраструктуры.

Применение элементной базы молекулярной электроники в вычислительных устройствах нового поколения может внести кардинальные перемены в решение проблемы создания искусственного интеллекта.

Другим важным направлением в разработке и использовании новых наноструктурированных материалов в электронике является создание нанофазных сред со специфическими электромагнитными свойствами, обеспечивающими эффективное взаимодействие с падающим электромагнитным излучением. Использование специфических особенностей нанофазных материалов позволит создавать «умные» адаптационные материалы с заранее заданными свойствами, которые могут меняться под воздействием внешней среды и в частности внешнего электромагнитного поля.

На основе взаимодействия таких материалов с электромагнитным излучением можно разрабатывать экологическую защиту биообъектов, решать задачи помехозащищенности, стелс-технологию, создавать радиоэлектронные распределенные устройства нового поколения.

II.  Основная часть

Наноструктурированные материалы. Разработка наноструктурированных материалов связана с технологией формирования наночастиц. Принято отличать наночастицы от малых ультрадисперсных частиц, микрокластеров и т.п.

Наночастицы. В рамках феноменологического подхода наночастицы рассматриваются как специфические псевдомолекулы, отличающиеся от истинных молекулярных соединений непостоянством состава. Развитие этой области зависит от разработки методов получения частиц нанометровых размеров для широкого круга металлов и более сложных составов с обязательным условиемполучение частиц с узким распределением по размерам и от разработки методов стабилизации наночастиц без потери их уникальных физических параметров и основных свойств.

Границу между наночастицами и классическими дисперсными системами условно можно провести, используя характер поведения физических параметров частиц от их размера. Существуют две различные области размерной зависимости. Специфические размерные эффекты проявляются в малых частицах. В этой области доминирует нерегулярная зависимость эффектов. Область плавной размерности характеристик в зависимости от размера соответствует большим частицам [1].

Нанофазные среды. Нанофазные материалы представляют собой вещества с внутренней структурой, имеющей характерные размеры нанометрового масштаба. Структурированные композитные нанофазные материалы имеют специфические особенности и свойства, отличные от свойств веществ, находящихся в обычных фазах, могут иметь отличные механические и электрофизические характеристики в различных частотных диапазонах. Основой наномасштабной структуры могут быть как диэлектрические и металлические наночастицы, так и органометаллических молекулярные кластеры, обладающие абсолютной идентичностью.

Структурированные материалы на полимерной основе широко применяются при разработке новых конструкционных материалов. Технология получения композитных наноструктурированных материалов позволяет использовать матрицы различных типов. Матриц, имеющих регулярно расположенные полости нанометровых размеров, которые необходимы для вхождения и стабилизации наночастиц, немного. Наиболее изучены для этих целей цеолиты и полимеры, в том числе блок-сополимеры. Показано, что наночастицы в таких матрицах сохраняют ряд своих уникальных свойствмагнитные, электрофизические и др.

Полимерные нанокомпозиты характеризуются фрактальной структурой, при достижении некоторой пороговой концентрации наночастиц в объеме может образовываться дендритный проводящий кластер и электрофизические свойства среды могут резко измениться. При концентрации наночастиц ниже пороговой проводимость определяется туннелированием электронов между наночастицами через полимерную матрицу и зависит от расстояния между частицами, диэлектрической проницаемости полимера и работы выхода наночастицы.

Кластерные вещества. К числу простейших систем глобулярного типа, т.е. компактным молекулярным комплексам, относятся кластеры. Под кластером понимается система большого числа связанных частиц. Кластерные молекулы отличаются от других органических и неорганических молекул (и наночастиц) тем, что они состоят из компактного тяжелого ядра с близкой к сферической симметрией, окруженного лигандной оболочкой из легких атомов или простейших молекул [2]. От островковых металлических пленок молекулярные кластеры отличает постоянство состава, строения и размера, хорошая растворимость в органических растворителях, возможность работать при обычных температурах и давлениях, легко достигаемая высокая степень чистоты используемых кластерных соединений.

Кластерные молекулы обладают густой сеткой близко расположенных верхних заполненных молекулярных орбиталей и соответствующих им нижних вакантных молекулярных орбиталей, которые обусловливают появление в кластерах множественных одноэлектронных обратимых переходов и обеспечивают достаточную устойчивость остова кластерных молекул после добавления или удаления электрона. Электрохимические свойства многих таких молекул достаточно надежно определены и варьируются в широких пределах в зависимости от природы металла, лигандного окружения и строения кластеров. Можно полагать, что такие кластерные молекулы являются наиболее вероятными кандидатами на роль простейших “элементов” наноструктур для молекулярной электроники.

Технология создания и исследование электронных наноструктур. Традиционные технологии построения микроэлектронных схем ограничены минимальным размером отдельного элемента и плотностью их расположения на поверхности. Это связано с разрешающей способностью нанолитографического оборудования, химической неоднородностью слоев и неоднородностью подложки. Плотность расположения элементов ограничена также большим удельным тепловыделением, которое приводит к локальным разрушениям в электронных схемах.

Молекулярные объекты, пригодные для задач наноэлектроники должны обладать следующими специфическими характеристиками: -молекулярные материалы должны быть достаточно технологичными при синтезе, хорошо воспроизводимыми и достаточно устойчивыми к внешним воздействиям; отдельные молекулярные объекты должны иметь малые размеры, чтобы обеспечить малую ёмкость туннельного перехода, при которой энергия перезарядки одним электроном была бы меньше температурных флуктуаций, что позволяет работать при комнатных температурах; -должны быть разработаны методы нанотехнологии для манипулирования и иммобилизации таких молекулярных объектов [3].

Всем этим требованиям удовлетворяют так называемые малые молекулярные кластеры. Для построения и исследования электронных устройств со сложным туннельным барьером из отдельных молекул достаточно перспективным путем представляется сочетание нанесения мономолекулярных пленок по технологии Ленгмюра-Блоджетт (ЛБ) с встроенными в них фуллереноподобными и металлорганическими углеродосодержащими кластерами и использование стандартных электронно-литографических способов создания наноструктур.

Известно, что при электронном транспорте в молекулярных туннельных наноструктурах уже при комнатных температурах начинают проявляться различные квантово-размерные эффекты, например, коррелированное одноэлектронное туннелирование

[4]    . Физика этого явления заключается в том, что изза электрической перезарядки очень малой емкости туннельного перехода С (порядка единиц аттофарады и меньше) при туннелировании даже одиночного электрона на переходе происходит изменение элек-

-19

трического напряжения AV=e/C, где е=1,6 10 К заряд электрона. При указанных выше емкостях туннельных переходов этого изменения напряжения достаточно для того, чтобы значительно влиять на туннелирование следующих электронов в этой системе. В результате такого взаимодействия устанавливается значительная корреляция между движением отдельных электронов, при этом наличие дополнительных независимых электродов, позволяющих индуцировать в районе туннельного перехода управляющее электрическое поле, позволяет разработать молекулярные электронные приборы с различными сигнальными характеристиками (усилители, триггерные схемы с двоичной и многоразрядной логикой, структуры типа клеточных автоматов и др.) Изучение электронного транспорта через такие туннельные наноструктуры в настоящее время возможно только при помощи методов сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии (CTM/CTC).

Для СТМ исследований формировалась двухбарьерная туннельная структура, состоящая из двух несимметричных туннельных переходов, один из которых (подложкакластерная молекула) имел постоянные характеристики, а параметры другого (кластерная молекула-игла СТМ) можно было изменять. В экспериментах использовались органометаллические молекулярные кластерные вещества, представляющие собой компактное металлическое ядро (Аи, Pt, Pd), окруженное углеводородными лигандами. Было проведено изучение ряда кластерных молекул с примерно одинаковыми размерами, близких по составу, но с увеличивающейся нукпеарностью металлического ядра. На вольтамперной характеристике (ВАХ) такой туннельной наноструктуры в районе нулевых напряжений наблюдалась характерная “ступенька”, обусловленная эффектом "кулоновской" блокады.

Одноэлектронный молекулярный транзистор. Для реализации схемы молекулярного одноэлектронного транзистора и регистрации в нем при комнатной температуре эффекта управления туннельным током при помощи независимого источника напряжения была использована планарная система электродов. Измеренные сигнальные характеристики (зависимость туннельного тока двухпереходной структуры от напряжения на управляющем электроде в фиксированной рабочей точке ВАХ) показали, что при монотонном изменении управляющего напряжения на электроде ток через изучаемую молекулярную транзисторную структуру изменяется периодически. Такое поведение, характерно для одноэлектронного транзистора, причем период соответствует изменению эффективного заряда кластера на один заряд электрона.

Оценка электрометрической чувствительности системы из максимальной крутизны сигнальной характеристики и реально наблюдаемого шума с амплитудой -150 пА, обусловленного механическими вибрациями в СТМ, составляет -7*10′4 eNHz, что близко к значениям для традиционных тонкопленочных одноэлектронных систем [5]. Используя измеренные значения величины кулоновской блокады, размера “ступенек”, максимальной крутизны сигнальной характеристики и периода сигнальной характеристики, оценки емкости переходов транзистора и емкости “затвора” (“молекула-электрод управления”) оказались в хорошем согласии с реальной геометрией туннельной системы и с теорией одноэлектроники.

III.  Заключение

Основной целью данной работы было исследование свойств наноструктурных материалов и демонстрация возможности создания устойчивых воспроизводимых туннельных наноструктур с заданным сложным туннельным барьером на основе молекулярных технологий из кластерных органометаллических молекул, а также исследование эффектов коррелированного туннелирования при комнатных температурах.

Разработка методов создания наноструктур со сложным туннельным барьером и исследование электронных транспортных процессов позволяет создать принципиальную основу для элементной базы наноэлектроники.

Работа выполнялась в рамках программ ИНТАС (N99-864), МНТЦ (N1991) и Программы «Низкоразмерные квантовые структуры» (N9-19).

IV.  Список литературы

[1]  F. Trager, G. Putlitz. Metal Clusters. Berlin: Springer-Verlag,

1986.

[2]  С. П. Губин, Химия кластеров. Москва. “Наука”, 1987, с.

260.

[3]  Gubin S. P., Gulayev Yu. V., Khomutov G. В. and others,

Nanotechnology, 2002, V.13, pp 185-194.

[4] Лихарев K.K., Микроэлектроника, 1987 г., т. 16, вып. 3, с.

195.

[5]  D. Esteve, in .’’Single charge tunneling” Ed. by H.Grabert and

M.H. Devoret, Plenum Press, New York, 1992, p. 109.

NANOPHASE MATERIALS, NANOTECHNOLOGY AND NANOELECTRONICS: CLUSTER SUBSTANCES IN MOLECULAR ELECTRONICS

Kashin V. V., KislovV. V., Kolesov V. V., FionovA. S.

Institute of Radioengineering & Electronics, RAS, Moscow, Russia Gubin S. P.

Institute of General and Inorganic Chemistry, RAS, Moscow, Russia Soldatov Ye. S.

Department of Physics, Moscow State University, Moscow, Russia

phone+7 (95) 2021046; e-mail: kvv@mail.cplire.ru

Abstract Characteristics of nanostructured materials are discussed. The results of fabricating and studying molecular nanostructures are given. The possibility of producing single molecule-based nanoelectronic devices is demonstrated.

I.   Introduction

The present-day strategy of scientific and technological evolution is to a great extent defined by the progress in the development of new materials. Materials having specific physical-mechanical and chemical properties, as well as new manufacturing and processing technologies form the basis for the state-of-the-art production.

One of the most important avenues in the present-day science and technology is the development of nanostructured materials, researching their properties, and designing on this basis new technologies, devices and electronic equipment. Such materials offer the possibility of developing 3D and planar nanostructures possessing unique physical properties. These structures may be 3D, planar (thin film), as well as comprise nanoparticles, separate large molecules, metalorganic molecular clusters and ligands.

II.   Main part

Conventional microelectronic technologies face certain limitations due to the size of a single element and the density ofthe elements arrangement on a crystal.

Atomic and electronic structure and properties of numerous nanoclusters containing various numbers of metal atoms have been investigated and it is demonstrated that they are suitable for transistor fabrication. Various tunneling mechanisms for molecular nanoclusters, such as single-electron tunneling regime, multiple electron tunneling, resonant tunneling, etc., are discussed. Molecular LB-films have been deposited on the prepared electrodes.

STM-methods have been used to investigate electronic properties of the cluster tunnel systems. A typical l-V curve registered for cluster nanostructures at room temperature has an area of suppressed conductivity at small voltages.

Effects of a single-electron resonant tunneling at room temperatures through molecular cluster object containing limited number of isolated eigen-levels have been investigated. It is shown that the l-V characteristic of such tunnel junction is a Coulomb staircase-like.

III.   Conclusion

It is shown that the development of nanostructures with a complex tunnel barrier and the research into electronic transport processes provide foundations for the development of nanoelectronics element base.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты