Введение к работе
І.
Актуальность темы. В последнее время становится все более ясно, что будущее электроники - использование квантовых эффектов, таких, как туннелирование электронов. При этом активно исследуются как традиционные туннельные эффекты (автоэлектронная эмиссия), так и недавно открытые эффекты (коррелированное туннелирование электронов).
Явление коррелированного туннелирования электронов
(одноэлектроника) - это динамично развивающаяся область физики и электроники, прогресс в которой связан с последними достижениями в области высоких технологий. К настоящему времени уже разработан и нанолитографическими методами изготовлен ряд устройств, работающих на основе одноэлектронного эффекта и обладающих уникальными рабочими характеристиками. Эти разработки открывают возможность создания в недалеком будущем принципиально новой элементной базы цифровых систем
[Я
Использование принципа кодирования информации с помощью одного электрона дает возможность, разработки цифровых устройств с малым энергопотреблением, что в совокупности с миниатюрностью элементов создает предпосылки для чрезвычайно высокой степени интеграции в одноэлектронных микросхемах.
Однако, существенный недостаток одноэлектронных устройств, изготовленных методами современной литографии - низкая рабочая температура (100 мК, температура жидкого гелия лишь в рекордных образцах), таким образом, актуальна проблема повышения (вплоть до комнатной) рабочей температуры таких устройств.
Рабочая температура в одноэлектронных системах определяется емкостью островов, через которые происходит туннелирование электронов, или,
другими словами, размером1 :этих*'Остррвов. Для: создания одноэлекгронного
устройства, работающего при комнатной температуре (Т = 300 К) необходимо
уменьшить характерный размер острова до 1-1,5 нм, чтсынереалдауемо
нанолитографическими методами. - -, ;,:
Одно из самых перспективных направлений в ^создании высокотемпературных одноэлектронных . систем - использование; : свойств одиночных молекул (молекулярная одноэлектроника) [2]. При этом, молекулы, пригодные- для задач наноэлекгроники, должны обладать следующими характеристиками .
малые размеры - емкость туннельного перехода должна быть достаточно малой, чтобы температурные флуктуации были меньше, чем энергия его перезарядки одним электроном (для комнатной температуры С < 10"18 Ф);
стабильность в отношении акта приёма или отдачи электрона;
В наибольшей мере этим требованиям удовлетворяют так называемые малые молекулярные кластеры [3].
Обобщая вышесказанное, можно утверждать, что путь к разработке одноэлектронных устройств, работающих при комнатной температуре, лежит через поиск молекул, обладающих перечисленными свойствами, разработке контролируемых методов нанесения этих молекул на твердую подложку, а также через исследование механизмов протекания электрического тока: в таких системах. Первые три главы диссертации посвящены решению этих.проблем.
Явление автоэлектронной эмиссии [4] - относительно давно изучаемая область; физики; однако" в-последнее время- интерес- исследователей сильно возрос к этой области в! связи с созданием новых материалов, обладающих уникальными- эмиссионными. "^характеристиками, такими, как высокая интенсивность эмиссионного тока, плотность и пространственная однородность расположения центров1 эмиссии.-Использование таких материалов открывает перспективы создания чрезвычайно эффективных холодных катодов.
В настоящее время перед исследователями стоят проблемы изучения эмиссионных свойств таких материалов для определения механизма эмиссии, что позволит развить технологию изготовления эмиттирующих пленок с заданными параметрами. Такому изучению посвящена последняя глава данной диссертации.
Цель работы. Основной целью настоящей работы являлось проведение комплексного исследования методами сканирующей зондовой микроскопии двух туннельных эффектов: коррелированного туннелирования электронов в молекулярных системах и автоэлектронной эмиссии. В соответствии с поставленной целью задачами работы являлись:
1.Разработка воспроизводимого технологического процесса контролируемого создания стабильных молекулярных структур, в которых реализуется коррелированное туннелирование электронов при комнатной температуре (Т = 300 К).
2.Исследование особенностей электронного транспорта в таких системах, определение основных электрических параметров. Изучение влияния различных свойств молекул, используемых для реализации одноэлектронных туннельных барьеров (химический состав, размеры, структура электронных уровней), на электрические характеристики этих систем.
3.Разработка методики исследования автоэмиссионных характеристик нанокристаллических алмазных пленок с высоким пространственным разрешением (~ 10 нм), определение основных эмиссионных параметров таких пленок, построение модели возникновения и протекания эмиссионного тока.
Научная новизна определяется следующими, наиболее важными полученными результатами:
1 Разработана технология воспроизводимого создания стабильных молекулярных туннельных систем с заранее заданными параметрами, в которых
реализуется эффект коррелированного туннелирования электронов. Технология основана на использовании молекулярных кластеров, техники Ленгмюра-Блоджетт для их нанесения на подложку и техники СТМ. Экспериментально реализованы одноэлектронные системы, работающие при комнатной температуре.
2.Впервые реализован одноэлектронный транзистор на основе одиночной кластерной молекулы, работающий при комнатной температуре (электрометрическая чувствительность системы с учетом реально наблюдаемого шума составляет ~ 7*10"4 е I-JHz). Показана решающая роль лигандной оболочки кластерной молекулы при реализации одноэлектронного режима. Показано, что электронное строение исследованного набора кластеров (величина энергетической щели, ионизационный потенциал, спектр поглощения) не влияет существенно па одноэлектронные характеристики системы.
3 Разработанная уникальная экспериментальная методика для изучения полевой электронной эмиссии позволила исследовать с нанометровым разрешением наноалмазные углеродные пленки (измеренная плотность эмитгирующих центров 2*106 см"2 при напряженности электрического поля 20 В/мкм). Показано, что изученные образцы имели положительное сродство к электрону, но с маленьким значением эффективной работы выхода: 0.2 - 0.3 эВ. Впервые показано, что центры эмиссии имеют -тонкую структуру и располагаются не на вершинах гранул, как считалось ранее, а между гранулами, в районе узких дефектов поверхности. На основе экспериментальных данных предложена модель возникновения эмиссионного тока на участках с вкраплениями неалмазной проводящей фазы за счет усиления поля.
Практическая ценность работы. В работе подробно исследуются вопросы создания молекулярных одноэлектронных устройств, работающих при
комнатной температуре. При этом решается ряд фундаментальных и технологических вопросов создания прототипов базовых молекулярных элементов ЭВМ.
Практическая ценность полученных результатов состоит в создании предпосылок для разработки и изготовления аналоговых и цифровых одноэлектроных молекулярных схем с площадью простейшего элемента менее 10"5 мкм2. В ходе разработок даны важные практические рекомендации по изготовлению таких структур.
Практический интерес к явлению холодной или автоэлектронной эмиссии с поверхности алмазоподобных пленок связан тем, что (111)-грань алмаза имеет отрицательное или очень небольшое положительное сродство к электрону. Это свойство алмаза наряду с его химической инертностью, высокой теплопроводностью и развитыми методами газофазного синтеза алмазных пленок на больших поверхностях ' делают алмазные пленки весьма привлекательным для создания эффективных холодных катодов, в частности, при создании плоских автоэмиссионных дисплеев или сверхъярких источников света.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 18 всероссийских и международных конференциях, в том числе на:
международных симпозиумах по проблемам наноэлектроники (Nanostractures: physics and technology) в 1996, 1997, 1998, 1999 гг. (Ст.Петербург, Россия),
международной конференции по новым алмазоподобным материалам (European Conference on Diamond, Diamond-Like Matenals) в 1998 г (Крит, Греция),
международной конференции по молекулярной электронике (ЕСМЕ 96) в 1996 г. (Левен, Бельгия),
международной конференции по организованным пленкам (ECOF) в 1996 и 1997 гг.,
международной конференции MESO 1997 г. (Черноголовка, Россия)
а также на других всероссийских и международных конференциях.
Публикации. Основные результаты проведенных исследований опубликованы в 11-ти печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем работы составляет 137 страниц. Она содержит 43 рисунка, 2 таблицы и список цитируемой литературы из 104 названий.
