CC BY
786СЕРГЕЮ ПАВЛОВИЧУ ГУБИНУ - 75
71
ОДНОЭЛЕКТРОНИКА: ПРОШЛОЕ, НАСТОЯЩЕЕ, БУДУЩЕЕ
1Солдатов Е.С., 2Колесов В.В.
^Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, физический факультет, http://wwwjphys.msu.ru 119991 Москва, Российская Федерация
2Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова, Российская академия наук, http://www.cplire.ru 125009 Москва, Российская Федерация
Поступила в редакцию 10.12.2012
Тенденция к миниатюризации электронных компонентов связана со стремлением к повышению быстродействия электронных процессоров, увеличению плотности записи информации, а значит объёма памяти электронных устройств, созданию более чувствительных датчиков и приемников. При уменьшении размеров электронных устройств в них начинают проявляться качественно новые эффекты, связанные, в частности, с дискретной природой электрического заряда и квантово-волновой природой электронов. Изучение квантовых эффектов и создание на их основе новых приборов и устройств является одной из первоочередных задач современной физики конденсированного состояния. Исследования в этом направлении сконцентрированы, в частности, на молекулярной электронике (молетронике), квантовой информатике, квантовой метрологии и разработке измерительных устройств и сенсоров нового типа. В работе представлены результаты в области разработки и исследования молекулярных одноэлектронных устройств полученные научным коллективом МГУ, ИРЭ РАН и ИОНХ РАН.
Ключевые слова: наноэлектроника, молетроника, одноэлектроника, одноэлектронный транзистор, кулоновская блокада
УДК 621.382; 535.312________________________
Содержание
1. Введение (71)
2. Углеродная наноэлектроника (73)
3. История одноэлектроники (74)
4. Развитие одноэлектронного подхода (74)
5. Металлическая одноэлектроника (76)
6. Молекулярная одноэлектроника (77)
7. Молекулярные материалы (77)
8. Особенности формирования молекулярных структур/элементов одноэлектроники
8.1. Использование СТМ (79)
8.2. Планарные системы (79)
9. Различные реализации одноэлектронных транзисторов (83)
10. Проблемы и перспективы (83)
11. Заключение (85)
Литература (85)
1. ВВЕДЕНИЕ. Микроэлектроника^Наноэлектро ника^ Молетроника^-Одноэлектроника.
Электронные устройства составляют основу высоких технологий. С момента изобретения транзистора они играют ключевую роль в обработке информации, связи, метрологии, медицине и измерительной технике, а также стали неотъемлемой частью нашей повседневной жизни.
Датой рождения транзистора,
полупроводникового устройства для усиления и переключения электрических сигналов, считается
1947 г. (Дж. Бардин, У. Браттейн и У. Шокли из Bell Laboratories в США получили за эту работу Нобелевскую премию по физике в 1958 г.). Изобретение транзистора стало событием большой социальной значимости. Именно благодаря бурному развитию транзисторных полупроводниковых технологий человечество в конце ХХ века вступило в эпоху информатики.
Вся история полупроводниковой технологии и схемотехники прошла под знаком закона Мура. Еще в 1965 году директор отдела исследовательской компании Fairchild Semiconductors Гордон Мур предсказал, что количество транзисторов на микросхеме будет ежегодно удваиваться. Хотя, эмпирическое предсказание Мура законом, конечно, не является потому, что не отражает природных закономерностей и не является следствием фундаментальных законов физики, однако на практике до сих пор реализуется практически без значительных отклонений.
Необходимо отметить, что одновременно с увеличением количества транзисторов улучшаются практически все параметры микропроцессорной технологии, главные из которых — скорость, производительность, надежность, функциональные возможности и эффективность энергопотребления
[1, 2, 3].
Еще одним немаловажным следствием закона Мура является экспоненциальное падение цен в расчете
РЭНСИТ | 2012 | ТОМ 4 | НОМЕР 2
72
Солдатов Е.С., Колесов В.В.
СЕРГЕЮ ПАВЛОВИЧУ ГУБИНУ - 75
на один транзистор и соответственно непрерывный рост покупательной способности. Когда Гордон Мур впервые сформулировал свой закон, себестоимость одного транзистора составляла около 5 долл. Сегодня за 1 долл. можно приобрести 1 млн. транзисторов. Тот факт, что это стало возможным, является прямым следствием закона Мура: быстрое снижение себестоимости приводит к экспоненциальному росту экономической эффективности.
Менее известен «второй закон Мура», введенный в 1998 году Юджином Мейераном, который гласит, что стоимость фабрик по производству микросхем экспоненциально возрастает с усложнением производимых микросхем. Этот закон свидетельствует о даре предвидения, которым обладал Гордон Мур. Расходы на организацию производства, хотя и были значительными, исторически составляли лишь незначительную часть всех затрат на производство и распространение. Теперь же затраты на новые производственные мощности достигают нескольких миллиардов долларов, и, согласно прогнозам, затраты на строительство одной фабрики составят 30-50 млрд. долл. Это существенная часть всего рынка микросхем, в силу чего и возникает вопрос: сможет ли компания или даже группа компаний профинансировать строительство такого монстра.
Соблюдение закона Мура и реализация его предсказаний требует снижения проектной нормы — уменьшения номинального размера элементов, из которых состоит интегральная схема. За последнее десятилетие корпорация Intel уменьшила проектную норму на порядок — с одного микрона до менее чем 100 нанометров (нм), то есть до уровня, отвечающего нанотехнологиям. В предстоящее десятилетие проектная норма технологических процессов вплотную подойдет к физическим пределам [4, 5] (рис. 1).
В 2007 году Мур заявил, что закон, очевидно, скоро перестанет действовать из-за атомарной природы вещества и ограничения скорости 2
света. Другим физическим ограничением на миниатюризацию электронных схем является также принцип Ландауэра, согласно которому логические схемы, не являющиеся обратимыми, должны выделять теплоту в количестве, пропорциональном количеству стираемых (безвозвратно потерянных) данных. Возможности же по отводу теплоты из микроструктур физически ограничены. Например, плотность выделяемой мощности, измеряемая в ваттах на квадратный сантиметр, в 2000 году уже достигала 10, сейчас она приближается к 100. Если выстроить прогнозируемую кривую дальше, то уже после 2015 года она должна достигнуть 1000 (что примерно соответствует тепловыделению в соплах ракеты). Очевидно, что без решения проблемы снижения энергопотребления дальнейший рост тактовой частоты (и, соответственно, производительности) процессоров просто невозможен.
Таким образом, традиционные технологии построения микроэлектронных полупроводниковых схем ограничены минимальным размером отдельного элемента (транзистора) и плотностью их расположения на поверхности кремниевого кристалла. Это связано с разрешающей способностью современного нанолитографического оборудования (предел — 5 нм), химической неоднородностью слоев, в которых формируются отдельные элементы, и неоднородностью подложки. Плотность расположения элементов на кристалле ограничена также большим тепловыделением, которое приводит к разрушению схемы. Таким образом, современная микроэлектроника на основе кремния близка к своему физическому пределу и поиск новых альтернативных путей развития электроники становится достаточно актуальной проблемой.
Одним из путей решения проблемы является применение вместо кремния других полупроводников, например арсенида галлия (GaAs). За счет более высокой подвижности электронов в этом материале можно увеличить быстродействие устройств еще на порядок. Однако технологии на основе арсенида галлия намного сложнее кремниевых. Поэтому, хотя за последние два десятка лет в исследование GaAs вложены немалые средства, интегральные схемы на его основе используются в основном в военной области. Здесь их дороговизна компенсируется низким энергопотреблением, высоким быстродействием и радиационной устойчивостью. Однако и при разработке устройств на GaAs остаются в силе ограничения, обусловленные как фундаментальными физическими принципами, так и технологией изготовления.
Другим перспективным кандидатом на роль основы электронных схем является углерод.
2 НОМЕР | ТОМ 4 | 2012 | РЭНСИТ
СЕРГЕЮ ПАВЛОВИЧУ ГУБИНУ - 75
2. УГЛЕРОДНАЯ НАНОЭЛЕКТРОНИКА
Еще 15-20 лет назад многие даже и не задумывались над возможной заменой кремния. Постепенное продвижение в наномир заставляет задуматься, а что же будет дальше? Будет ли продолжен знаменитый закон Мура? Ведь с переходом на более тонкие производственные нормы перед разработчиками предстают все более сложные задачи.
Судя по последним исследованиям, одними из наиболее вероятных (но далеко не единственных) кандидатов на должность «кремниезаменителей» являются материалы на основе углерода — углеродные нанотрубки и графен — которые, предположительно, могут стать основой наноэлектроники будущего.
После того, как к традиционным трем аллотропным формам углерода (графиту, алмазу и карбину) добавилась еще одна (фуллерены), на протяжении нескольких последующих лет с исследовательских лабораторий шквалом посыпались сообщения об открытии и изучении разнообразных структур на основе углерода с интересными свойствами, таких как нанотрубки, нанокольца, ультрадисперсные материалы и графен.
Углеродные нанотрубки демонстрируют множество неожиданных электрических, магнитных, оптических свойств, которые уже стали объектами ряда исследований. Особенностью углеродных нанотрубок является их электропроводность, которая оказалась выше, чем у всех известных проводников. Они также имеют прекрасную теплопроводность, стабильны химически и, что самое интересное, могут приобретать полупроводниковые свойства. По электронным свойствам углеродные нанотрубки могут вести себя как металлы, либо как полупроводники, что определяется их хиральностью.
Графен, по сравнению с углеродными нанотрубками, был получен гораздо позже. В октябре 2004 года СМИ сообщили, что профессор Андре Гейм (Andre Geim) со своими коллегами из Манчестерского Университета (Великобритания) совместно с группой доктора Новоселова (Черноголовка, Россия) сумели получить материал толщиной в один атом углерода [73]. Названный графеном, он представляет собой двухмерную плоскую молекулу углерода толщиной в один атом. Графен можно представить в виде «развернутой» углеродной нанотрубки. Повышенная мобильность электронов переводит его в разряд наиболее перспективных материалов для наноэлектроники.
Графен является более «молодым» углеродным материалом и пока находится только в начале пути исследований. Геймом и его сотрудниками был предложен так называемый баллистический
одноэлектроника: 73 прошлое, настоящее, будущее
транзистор на базе графена. На основе графена можно создавать транзисторы и другие полупроводниковые приборы с очень малыми габаритами (порядка нескольких нанометров). Уменьшение длины канала транзистора приводит к изменению его свойств. Электроны перемещаются по каналу как волна де Бройля, а это уменьшает количество столкновений и, соответственно, повышает энергоэффективность транзистора.
В отличие от полевых МОП-транзисторов (МОП-металл-оксид-полупроводник) графеновые структуры характеризуются более высокой подвижностью электронов и скоростью переключения.
Профессор института GIT Вальт де Хир (Walt de Heer) разработал оригинальную технологию создания графенового материала и графеновых наноструктур [74]. При нагревании подложки карбида кремния в высоком вакууме, атомы кремния покидают подложку, в результате чего остается только тонкий слой атомов углерода (графен). На следующем этапе наносится фоторезистивный материал (фоторезист) и применяется традиционная электронно-лучевая литография для вытравливания требуемой топологии, то есть используется применяемая сейчас производственная технология. Это и является существенным преимуществом данного метода.
Таким образом, реальной видится возможность в будущем полностью вытеснить кремний в процессорах и других микросхемах и создавать чипы, сделанные целиком из углеродных наноматериалов.
С другой стороны, «хоронить» кремний пока рано. Во-первых, полное вытеснение кремния углеродными нанотрубками в микросхемах вряд ли произойдет в ближайшее десятилетие. Во-вторых, перспективы у кремния также имеются. Помимо углеродных нанотрубок, кремний также имеет шансы обеспечить себе будущее в наноэлектронике — в виде кремниевых нанопроволок, нанотрубок, наноточек и других структур, которые также являются предметом изучения во многих исследовательских лабораториях.
Еще одной возможностью решения проблем современной микроэлектроники, связанных с достижением физических пределов функционирования ее элементов, является разработка электронных элементов с новыми принципами функционирования.
Наноэлектроника является новой областью науки и техники, формирующейся сегодня на основе последних достижений физики твердого тела, квантовой электроники, физической химии и технологии полупроводниковой электроники.
По мере приближения размеров твердотельных структур к нанометровой области (1 нм = 0,001
РЭНСИТ | 2012 | ТОМ 4 | НОМЕР 2
74
Солдатов Е.С., Колесов В.В.
СЕРГЕЮ ПАВЛОВИЧУ ГУБИНУ - 75
мкм = 10-9 м), а это структуры, состоящие из десятков и сотен атомов, в них все больше проявляются квантовые свойства электрона. В его поведении преобладающими становятся волновые закономерности, характерные для квантовых частиц. С позиций квантовой механики электрон может быть представлен волной, описываемой соответствующей волновой функцией. Распространение этой волны в наноразмерных твердотельных структурах контролируется эффектами, связанными с квантовым ограничением, интерференцией и возможностью туннелирования через потенциальные барьеры.
С одной стороны, это приводит к нарушению работоспособности классических транзисторов, использующих закономерности поведения электрона как классической частицы, а с другой-открывает перспективы создания новых уникальных переключающих, запоминающих и усиливающих элементов для информационных систем.
Одним из путей решения проблемы является разработка наноэлектронных и молекулярных устройств — наноэлектроника и молетроника. При этом, как предельные параметры для единичных электронных устройств при разработке элементной базы нового поколения могут рассматриваться следующие:
• использование электронных устройств на единичных молекулах (атомах),
• изменение состояния электронного устройства под воздействием единичного электрона (одноэлектроника),
• изменение состояния электронного устройства под воздействием единичного фотона (однофотоника),
• изменение состояния электронного устройства под воздействием единичного спина (спинтроника),
• использование квантовых связей для
взаимодействия между единичными
молекулярными электронными устройствами при формировании на их основе системной инфраструктуры.
Принципиальная возможность использования отдельных молекул как активных элементов микроэлектроники была высказана Фейнманом. Однако, с самого начала развития молекулярного подхода в микроэлектронике открытым оставался вопрос о физических принципах функционирования молекулярных электронных устройств. Поэтому основные усилия были сосредоточены на их поиске, при этом основное внимание уделялось одиночным молекулам или молекулярным ансамблям. Разработка и применение в молекулярной 2
электронике наноматериалов, таких как фуллерены, металлофуллерены, нанотрубки, графены и металлокластеры с лигандными оболочками является одним из фундаментальных направлений в нанотехнологии и наноэлектронике. Разработка и изготовление электронных приборов на квантовых связях (в том числе и одноэлектронных устройств) зависят от прогресса в области технологии создания туннельных наноструктур и методов их исследования.
Для построения наноэлектронных устройств на основе наночастиц и отдельных молекул достаточно перспективным путем представляется сочетание технологии электронной нанолитографии, технологии self assembling и молекулярной технологии Ленгмюра-Блоджетт.
В туннельных наноструктурах с переходами малой площади наблюдается дискретное туннелирование одиночных электронов. Эта идея легла в основу нового перспективного направления в наноэлектронике — одноэлектроники [6]. Одноэлектроника — это одна из тех областей, где ожидается прорыв в электронике будущего [7, 8]. Фундаментальным одноэлектронным устройством является одноэлектронный транзистор.
3. ИСТОРИЯ ОДНОЭЛЕКТРОНИКИ
Впервые влияние дискретной природы туннелирования на проводимость тонких неоднородных или гранулированных пленок в виде ее подавления в области низких напряжений было обнаружено в 1951 году Гортером [9]. В 60-е годы зарядовые одноэлектронные эффекты в таких структурах наблюдались неоднократно [10-12]. Их объяснение и первая количественная теория электронного транспорта для туннельной системы, в которой проявляется кулоновское взаимодействие электронов, была разработана в 1975 году Куликом и Шехтером [13]. В самостоятельное направление в физике твердотельных наноструктур одноэлектроника формируется после разработки теории коррелированного туннелирования (так называемая «ортодоксальная» теория) А.Б. Зориным, Д.В. Авериным и К.К. Лихаревым (см. например, [6]). Экспериментально одноэлектронный эффект впервые был одновременно и независимо продемонстрирован в 1987 г. в двух группах [14, 15] вскоре после появления теории [6].
4. РАЗВИТИЕ ОДНОЭЛЕКТРОННОГО ПОДХОДА
Физическая картина коррелированного одноэлектронного транспорта достаточно проста (см., например, [6]). Рассмотрим отдельный туннельный переход, т.е. электрически изолированную от окружения систему из двух проводников, разделенных
2 НОМЕР | ТОМ 4 | 2012 | РЭНСИТ
СЕРГЕЮ ПАВЛОВИЧУ ГУБИНУ - 75
тонким (1-2 нанометра) слоем диэлектрика. Электроны туннелируют через слой изолятора по отдельности, и это позволяет зарегистрировать перемещение с проводника на проводник даже одного из них. Ведь с точки зрения радиоэлектроники туннельный переход — это простейший конденсатор, а туннелирование электронов приводит к небольшой перезарядке такого конденсатора и, следовательно, к изменению напряжения на нем. Если площадь и соответственно емкость перехода достаточно малы, то перезарядка даже на один элементарный заряд приведет к заметному скачку напряжения.
Любое спонтанное туннелирование даже одного электрона изменяет зарядовую энергию перехода на величину Е = e2/2C, где С — электрическая емкость перехода, е — заряд электрона. Для любых систем обычных размеров, даже очень маленьких (например, 0,1 мкм), в обычных условиях это изменение совершенно неразличимо на фоне тепловых флуктуаций. Если, однако, С очень мала и/ или температура Т очень низка, так, что выполняется условие
e2/2C >> kT, (1)
то туннелирование даже одного электрона полностью запрещает переходы остальным электронам из-за обычного (кулоновского) взаимного отталкивания электронов до тех пор, пока электрон не будет каким-либо образом (например, подключением перехода к внешней электрической цепи) удален. Такой эффект получил название «кулоновская блокада туннелирования». Именно он позволяет обеспечить уникальную возможность контроля переноса одиночного электрона в системе с огромным числом свободных электронов в электродах.
При включении туннельного перехода в цепь с заданием тока электрический заряд будет перемещаться в заданном источником тока направлении непрерывно, накапливаясь на туннельном барьере, через который заряд может перемещаться только дискретными порциями, равными заряду электрона е. При этом, пока суммарный заряд на переходе|^| < e/2, процесс туннелирования невозможен, так как туннельный акт неизбежно приводил бы к увеличению электростатической энергии перехода. Электрон туннелирует лишь тогда, когда значение заряда на переходе становится равным |^| = e/2, происходит «перескок» одиночного электрона с одного электрода на другой, вызывающий перезарядку емкости перехода на величину заряда е и появление напряжения на нем V = e/C. Затем системе понадобится некоторое время (это время зависит от емкости перехода и его туннельного сопротивления), чтобы восстановить значение заряда на переходе до
одноэлектроника: 75 прошлое, настоящее, будущее
величины |^| = e/2, когда произойдет очередной скачок электрона. Следующие друг за другом такие туннельные события («перескоки» электронов) в системе с одним переходом коррелируют друг с другом по времени [6]. В итоге, в системе устанавливается режим когерентных колебаний заряда и напряжения с частотой f = I /е.
Однако, термические и квантовые флуктуации, существующие в любой реальной системе, препятствуют наблюдению этого эффекта. Поэтому для его наблюдаемой реализации необходимо выполнить два условия.
Во-первых, тепловые флуктуации должны быть малы по сравнению с энергией перехода: e2/2C >> kT, C — полная емкость туннельного перехода.
Во-вторых, квантовые флуктуации с энергией h/ (RC в туннельном переходе должны быть малы по сравнению с характерной зарядовой энергией e2 / 2C, что приводит к ограничению на сопротивление переходов:
RT >> Rq = h/e2 = 25,8 кОм, (2)
где RT — туннельное сопротивление перехода.
Важной особенностью при этом является то, что в выражении (1) в емкость входит полная емкость системы, включая все подводящие провода и источник тока. Это делает данное условие практически невыполнимым для одиночного туннельного перехода с обычными металлическими проводниками в качестве электродов.
Однако, эту проблему можно обойти, соединив два малых туннельных перехода последовательно. Структура, находящаяся между переходами (остров, или центральный электрод), оказывается электрически изолированной от окружения и в условии (1) должна учитываться только ее полная емкость. Эту емкость можно сделать очень малой и, следовательно, удовлетворить условию (1), уменьшая размеры центрального электрода (в пределе — вплоть до размеров атомов). В этом случае такая система последовательно включенных туннельных переходов с предельно малой емкостью/размерами обладает целым рядом необычных свойств, определяемых кулоновской блокадой туннелирования электронов в каждом из переходов.
При задании напряжения на такую систему акты туннелирования электронов в разных переходах коррелируют между собой. Эта корреляция наиболее ярко выражена при существенной несимметрии туннельных переходов, когда сопротивления переходов существенно различны (например, Rj/R2 << 1). Кроме того, средний ток IT, протекающий через систему туннельных переходов, сильно зависит от заряда на центральном электроде. Если соединить
РЭНСИТ | 2012 | ТОМ 4 | НОМЕР 2
76
Солдатов Е.С., Колесов В.В.
СЕРГЕЮ ПАВЛОВИЧУ ГУБИНУ - 75
емкостным образом остров с третьим электродом (затвором) без возможности туннелирования, мы получим простейший одноэлектронный прибор — одноэлектронный транзистор. Изменяя заряд на центральном электроде электрическим полем затвора, можно управлять силой среднего туннельного тока, протекающего через систему. При непрерывном изменении потенциала затвора так же непрерывно изменяется и потенциал острова, что дает возможность плавно подавлять кулоновскую блокаду, компенсируя в туннельной системе электростатическим полем затвора часть энергии взаимодействия (кулоновского отталкивания) электронов, переносящих ток, и, тем самым, влиять на динамику туннельного транспорта электронов в системе и, соответственно, на средний ток через нее. Регистрация таких изменений кулоновской блокады дает основу для измерения таких вариаций заряда на центральном электроде, величина которых гораздо (на 5-6 порядков) меньше заряда электрона [6, 16, 17].
5. МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ ОДНОЭЛЕКТРОНИКА
Уже в своей пионерской работе по экспериментальной демонстрации работы одноэлектронного транзистора [15] Фултон и Долан предложили и реализовали на основе методики Долана [18] очень красивый и эффективный способ создания методами нанолитографии тонкопленочных металлических туннельных переходов предельно малой площади и, соответственно, емкости. Это вместе с чрезвычайно заманчивыми перспективами контроля поведения одиночных электронов в наноструктурах, который позволяет использование одноэлектронного транзистора, послужило основой последовавшего сразу за публикацией работы [15] взрывного роста интереса и числа работ по созданию и исследованию таких транзисторов и устройств на их базе. Для одноэлектронного транзистора в виде системы из металлических тонкопленочных туннельных переходов размером 100x100 нм2, что примерно соответствует предельным возможностям обычной/стандартной нанолитографической
системы, полная емкость составляет величину С ~ 1 фФ (10-15Ф), что уже позволяет выполнить условие (1), правда, лишь при чрезвычайно низких температурах T < 0.1 К. Именно на этом уровне выполнялись и выполняются практически все исследования в рамках так называемой металлической одноэлектроники. Эти исследования достаточно быстро позволили подтвердить все предсказания «ортодоксальной» теории [6], а также продемонстрировать целый ряд устройств на основе одноэлектронных переходов и транзисторов: одноэлектроные ячейки [19], ловушки одиночных электронов [20, 21], одноэлектронные
транзисторы с емкостным и резистивным затвором [15, 22], различные виды «зарядовых насосов» [23], способных перекачивать одиночные электроны, зарядовые кубиты — элементарные ячейки для построения квантового компьютера [24].
Однако, такие системы, изготовленные с помощью литографической методики, имели, в связи с этим, характерные размеры, как правило, 50- 100 нм, при которых емкость туннельных переходов ~10-16 Ф. Из-за этого они были работоспособны и показывали свои уникальные характеристики лишь при сверхнизких (~100 мК) температурах.
Одноэлектронный транзистор представляет собой трёхэлектродное устройство. В оригинальных работах Аверина и Лихарева [6] было предложено два типа одноэлектронных транзисторов: с емкостным затвором (С-транзистор) и резистивным (R-транзистор). В первом случае заряд острова контролируется через емкость, во втором —через сопротивление. В обоих случаях должны быть выполнены условия (1) и (2). Условие (2) распространяется также и на сопротивление затвора, причем высокое сопротивление должно набраться на достаточно коротком расстоянии, чтобы минимизировать вклад со стороны затвора в полную емкость острова.
Сравнение размеров переходов, необходимых для достижения высоких рабочих температур (порядка комнатной), с предельными возможностями литографии показывает невозможность воспроизводимого создания только литографическими методами одноэлектронного транзистора, работающего при комнатной температуре. Этот существенный недостаток таких систем в тонкопленочном исполнении является непреодолимым препятствием для реализации традиционными способами современной тонкопленочной технологии практических применений уникальных и чрезвычайно заманчивых возможностей одноэлектронных систем. Для наблюдения одноэлектронных эффектов при наиболее желательной для практики комнатной температуре (Тр = 300 К) емкость центрального острова должна быть порядка 1^ 0,1 аттофарады (1048 ^ 10-19 Ф), а его размер — 1 3 нм.
Рис. 2. Схема одноэлектронного транзистора.
2 НОМЕР | ТОМ 4 | 2012 | РЭНСИТ
СЕРГЕЮ ПАВЛОВИЧУ ГУБИНУ - 75
6. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ОДНОЭЛЕКТРОНИКА
Сравнение этих цифр с характерными размерами небольших молекул и молекулярных кластеров [25], показывает, что такой транзистор можно создать, используя в качестве центрального электрода (острова) одиночную молекулу такого типа или малую наночастицу. Это соображение и является основой одного из направлений изучения одноэлектронных эффектов — молекулярной одноэлектроники.
Принципиальная возможность использования отдельных молекул как активных элементов микроэлектроники была высказана Фейнманом еще в 1959 году [26]. Позднее он показал, что квантовомеханические законы не являются препятствием в создании электронных устройств даже атомарного размера, пока плотность записи информации не превышает 1 бит/атом. Первые предложения по реализации этой идеи появились в 1974 году, когда Авирам и Ратнер показали, что молекулы с донорно-акцепторной структурой могут проявлять диодоподобные свойства [27]. Тогда и родилась область науки, названная молекулярной электроникой, о которой стали говорить, как о новой междисциплинарной области, включающей физику, химию, микроэлектронику, компьютерную науку и ставящей своей целью перевод микроэлектроники на новую элементную базу - молекулярные электронные элементы. Однако, реальные эксперименты в этой области начали проводиться только в 90-е гг., когда развитие техники и технологии позволило приступить к экспериментальным работам по решению множества проблем, стоящих на этом пути.
Одно из направлений таких работ составили работы по разработке, созданию и исследованию ключевого наноэлектронного элемента молекулярной одноэлектроники—молекулярного одноэлектронного транзистора, который представляет из себя одиночную молекулу, соединенную туннельными переходами с подводящими электродами. Для создания молекулярного транзистора необходимо создать зазор нанометрового масштаба, поместить в зазор молекулу и подвести к ней затвор, связанный с молекулой только через емкость (без туннелирования электронов с затвора).
В 90-х годах единственным способом, позволявшим решить такие проблемы, было использование сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Именно этим путем пошла группа исследователей из МГУ, ИРЭ РАН и ИОНХ РАН для создания молекулярного одноэлектронного транзистора и исследования его при максимальных для одноэлектроники температурах порядка комнатной.
одноэлектроника: 77 прошлое, настоящее, будущее
7. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Кластеры как объекты одноэлектроники
Первоочередной конкретной задачей при реализации молекулярного одноэлектронного транзистора явился выбор молекулярного объекта на роль его основы. Для ее решения эта группа выполнила цикл работ по сравнению физических, химических, технологических характеристик разных нанообъектов [28-31]. Такое исследование позволило выяснить, что объектами, близкими к оптимальным для использования в качестве основы высокотемпературных молекулярных одноэлектронных устройств, являются так называемые молекулярные кластеры (кластерные молекулы)
— такие соединения металлов или переходных элементов, молекулы которых содержат остов из атомов данного металла или переходного элемента, окруженный лигандной оболочкой из легких атомов и/или простейших молекул [32]. Атомы металла или переходного элемента находятся на расстояниях, допускающих прямое взаимодействие металл- металл.
Кластерные молекулы с небольшим количеством атомов остова (от 1 до 13) являются метастабильными соединениями, так как все атомы являются поверхностными, и, следовательно, большая часть электронных орбиталей “смотрят наружу” и являются нескомпенсированными. Для их стабилизации используется покрытие поверхности таких частиц лигандами, в качестве которых могут выступать как небольшие летучие молекулы (органические соединения), так и полимеры (органические и неорганические). В результате получается метастабильная кластерная молекула, состоящая из тяжелого компактного ядра (остова), окруженного лигандной оболочкой из легких атомов и/или простейших молекул (рис. 3).
Синтез кластерных материалов — довольно хорошо разработанная область химической технологии. Химические методы позволяют получать металлические кластеры с размерами от 5 А до ~60 А, что включает в себя диапазон размеров, необходимых для высокотемпературной
Рис. 3a. Кластерная молекула Pd3(CO)3[P(C6H5)3]4.
РЭНСИТ | 2012 | ТОМ 4 | НОМЕР 2
78
Солдатов Е.С., Колесов В.В.
СЕРГЕЮ ПАВЛОВИЧУ ГУБИНУ - 75
/
Рис. Зс. Молекула Pdw(CO)l2[P(C4H7)^6.
Рис. 3. Строение кластерных молекул.
Здесь • -Pd О -Pt О -Р О -о о -С
В каждой структуре опущены связанные с атомом фосфора органические радикалы (7 / /_ для (a), (PJ /_ для (Ь) и С4Н/ для (с). Металлический остов молекулы выделен черным цветом, а лигандная оболочка — серым, размеры указаны в ангстремах.
молекулярной одноэлектроники. Проведенный анализ свойств и характеристик таких объектов (особенностей электронного строения кластерных молекул, размеров, простоты и технологичности синтеза) показал, что такие кластерные молекулы хорошо подходят для реализации центрального электрода в двухпереходной молекулярной одноэлектронной туннельной системе с высокой рабочей температурой.
Эксперименты по получению молекулярных кластеров не накладывают никаких ограничений на природу атомов металла кластерного остова, и поэтому для любого типа металла могут быть получены любые типы соединений [32]. При этом для них всегда можно найти такие лиганды, использование которых обеспечит образование устойчивого кластерного соединения, способного служить основой молекулярного одноэлектронного транзистора.
Наличие в электронном спектре кластерных молекул густой сети близко расположенных верхних заполненных молекулярных орбиталей и соответствующих им нижних вакантных молекулярных орбиталей [32] обусловливает возможность множественных обратимых переходов
электронов в кластерах [33], что позволяет рассматривать такие кластерные молекулы, в грубом приближении, как гранулу металла, окруженную «непроводящей» лигандной оболочкой, локализующей “электронный резервуар” этой гранулы. В то же время, это обеспечивает достаточную устойчивость остова кластерных молекул после добавления или удаления «лишнего» электрона [34], т.е. электрохимические свойства кластерных молекул, изменяющися в широких пределах в зависимости от состава, строения кластеров и лигандного окружения, обеспечивают хорошие условия для «транзита» электронов через такую кластерную молекулу при использовании ее в качестве центрального электрода одноэлектронного транзистора.
Таким образом, кластерные молекулы обладают всеми основными физическими свойствами (размер, энергетический спектр, способность транспортировать электроны), необходимыми для их успешного использования в роли центрального электрода высокотемпературного молекулярного одноэлектронного транзистора. При этом многие из кластеров обладают уникальными оптическими, магнитными, химическими и механическими свойствами и, в перспективе, эти их свойства в комбинации с возможностями реализации коррелированного транспорта электронов через них могут быть использованы во множестве приложений в области создания комбинированных (опто - электр онных, магнито -электр онных)
функциональных компонентов, сенсоров и устройств нового поколения для сбора, хранения и обработки информации.
С технологической точки зрения, кластерные молекулы также обладают необходимыми для формирования центрального электрода одноэлектронного транзистора характеристиками:
1. Кластерные молекулы могут быть очищены рутинными приемами до высокой чистоты и в таком виде обеспечивается одинаковость всех молекул, как по составу, так и по строению, что минимизирует разброс параметров наноэлектронных устройств на их основе, обусловленный неодинаковостью элементов.
2. Размер кластерной молекулы обеспечивает возможность существенного увеличения плотности расположения элементов на схеме, причем достаточно низкая потребляемая и рассеиваемая мощность одного элемента не будет препятствовать (как в современной полупроводниковой электронике) созданию схем с чрезвычайно высокой плотностью упаковки быстродействующих (10-11 — 1042 с) элементов, превышающей плотность нейронов головного мозга человека [8].
2 НОМЕР | ТОМ 4 | 2012 | РЭНСИТ
СЕРГЕЮ ПАВЛОВИЧУ ГУБИНУ - 75
3. Химические и физико-химические свойства кластерных молекул позволяют располагать (выстраивать) кластерные молекулы на подложке не только физическими (осаждение молекул из раствора, методика Ленгмюра-Блоджетт), но и химическими методами. Это может создать основу для новых технологических решений задачи создания устройств молекулярного уровня интеграции.
Таким образом, проведенный анализ свойств и характеристик молекулярных кластеров (особенностей электронного строения
кластерных молекул, размеров, простоты и технологичности синтеза) показал, что такие кластерные молекулы наиболее хорошо подходят для реализации центрального электрода в двухпереходной молекулярной одноэлектронной туннельной системе с высокой рабочей температурой [35-37].
В ряде работ было экспериментально показано, что кроме таких молекул для реализации молекулярных одноэлектронных устройств пригодны также белковые молекулы: ферритин [38], цитохром С [39, 40]. Это открывает перспективы создания наноэлектронных устройств, в которых биологические электронные переносчики будут использоваться в качестве активных элементов, что создает интересные возможности использования таких устройств в биологии и медицине.
Кроме молекул и молекулярных кластеров, для формирования молекулярного одноэлектронного транзистора могут быть использованы малые (2-3 нм) проводящие наночастицы различного состава (металл, полупроводник). Частицы обычно имеют защитный слой, представляющий собой органическую оболочку из лигандов, предохраняющую объекты от взаимного контакта и слипания. Металлические наночастицы чаще всего изготавливаются из золота и в этом случае для защиты их используют обычно тиолы, представляющие собой сероводородное основание и углеводородный радикал. Такой метод широко используется для предотвращения агрегации частиц золота в растворе.
Таким образом, в настоящее время имеется весьма широкий круг молекулярных объектов, пригодных для построения на их основе электронных устройств. Но для решения этой задачи необходимо разработать способы включения таких квантовых объектов в макроскопическую электрическую цепь, т.е. поместить и закрепить их на твердом носителе (подложке) и обеспечить надежные туннельные контакты квантовых точек с макроскопическими электродами электрической цепи (т.е. зазоры «электрод-молекула/наночастица» порядка 1 нм).
одноэлектроника: 79 прошлое, настоящее, будущее
8. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ МОЛЕКУЛЯРНЫХ СТРУКТУР/ЭЛЕМЕНТОВ ОДНОЭЛЕКТРОНИКИ
8.1. Использование СТМ
После изобретения в 1982 году Биннингом и Рорером сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) — первого прибора из класса сканирующих зондовых микроскопов — он быстро и надолго стал основным прибором для проведения исследований в области поверхностных наноструктур (см., например,
[41]).
Основной элемент измерительной части сканирующего туннельного микроскопа — игла, закрепленная на пьезоэлектрическом держателе, которая “висит” на небольшом (порядка нескольких ангстрем) расстоянии от исследуемого образца. Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа основан на регистрации туннельного тока между исследуемым образцом и иглой СТМ при создании между ними разности потенциалов [41]. Закрепление иглы СТМ на пьезоэлектрическом держателе позволяет перемещать иглу в различные точки образца и по изменению туннельного тока регистрировать профиль поверхности.
Устройство и характеристики СТМ обусловило использование его для решения сразу двух задач исследованиямолекулярныходноэлектронныхсистем: подведение электродов к молекуле/наночастице и измерение характеристик электронного транспорта через систему. Сравнительное исследование разных способов помещения и фиксации молекул/ наночастиц на подложке, проведенное в работах [29-31], показало, что наиболее пригодные для исследований и долгоживущие образцы наноструктур из молекулярных кластеров на подложке дает использование метода Ленгмюра-Блоджетт. Совместное использование нанесения молекул этим методом и измерений в СТМ позволило создать и подробно исследовать при комнатной температуре одноэлектронные молекулярные наносистемы, включая одноэлектронные транзисторы на основе разных молекул и частиц [42].
8.2. Планарные системы
Несомненно, что для широкого практического применения одноэлектроники необходимы одноэлектронные элементы «на-чипе», в планарном исполнении, в отличие от варианта с СТМ. На создание и исследование именно таких элементов, в том числе и на основе молекул/наночастиц, направлены все усилия исследователей одноэлектронных систем в настоящее время.
Молекулярный одноэлектронный транзистор в планарном исполнении представляет собой
РЭНСИТ | 2012 | ТОМ 4 | НОМЕР 2
80
Солдатов Е.С., Колесов В.В.
СЕРГЕЮ ПАВЛОВИЧУ ГУБИНУ - 75
электронный прибор с тремя подводящими электродами (сток, исток) и молекулярным островом (затвор), соединенным с электродами туннельными переходами (рис. 4). Островом может служить любая квантовая точка (молекула, наночастица).
Для изготовления такого транзистора на подложку из изолятора наносятся сначала металлические электроды, после чего проводится осаждение молекулярного объекта. Такая плоская геометрия позволяет строить относительно сложные системы по хорошо отработанным в современной микроэлектронике методам.
Данный подход предполагает два относительно независимых этапа создания транзистора: первый — формирование микроинтерфейса в виде наноэлектродов к молекулярной системе, второй — детерминированное осаждение и закрепление молекулы. Главная трудность в создании наноэлектродов состоит в формировании чрезвычайно малого зазора между ними (2-3 нм).
К настоящему времени разработаны и применяются несколько способов решения этой проблемы:
а) электрохимическоеосаждениедополнительного металла на предварительно приготовленные электроды со значительным зазором между ними (50100 нм) с целью его сужения [43-44];
б) метод напыления дополнительного слоя металла на сформированный зазор размером 50-100 нм [45-46];
в) метод,основанный на эффектеэлектромиграции
[47] атомов металла в изначально сформированном цельном наноэлектроде.
Последний метод является наиболее часто используемым, поскольку обеспечивает относительно высокую контролируемость процесса.
Суть эффекта электромиграции состоит в увеличении подвижности атомов золота в пленке при пропускании по ней электрического тока
[48] . При достаточно большой плотности тока
Рис 4. Структурная схема молекулярного транзистора.
существует определенная вероятность повреждения электрода (разрыва) в области с повышенным содержанием дефектов. Именно на этом основана технология создания зазора в электроде методом электромиграции. В качестве материала для электродов чаще всего выбирается золото благодаря отсутствию у него естественных окислов и устойчивости к химическому загрязнению при хранении в обычных атмосферных условиях.
Для формирования нанозаготовки образца для проведения процесса электромиграции в работе
[49] была использована технология двухслойной полимерной маски, которая состоит из нескольких этапов:
1. подготовка подложки (нанесение оксида кремния на кремниевую подложку)
2. последовательное нанесение слоев сополимера и полимера,
3. засветку ультрафиолетовыми (УФ) лучами,
4. засветку электронным лучом,
5. проявление в смеси толуола и спирта,
6. напыление хрома и золота,
7. растворение маски в ацетоне.
После проведения этих операций получались заготовки для формирования рабочего нанозазора между электродами транзистора в виде тонкого (1015 нм) и узкого (50-200 нм) нанопровода (рис. 5).
Нанозазор в таком нанопроводе формировался путем контролируемого проведения процесса электромиграции. Разработанный алгоритм проведения процесса электромиграции и специально созданная для реализации этого алгоритма установка, обладающая малым временем обратной связи (~20 мкс), позволили
Рис. 5. СЭМ-изображение золотого нанопровода для проведения электромиграции.
2 НОМЕР | ТОМ 4 | 2012 | РЭНСИТ
СЕРГЕЮ ПАВЛОВИЧУ ГУБИНУ - 75
одноэлектроника: 81 прошлое, настоящее, будущее
точно контролировать процесс реструктуризации золотой пленки и прекращать проведение электромиграции практически на любом этапе. Это дало возможность с высокой точностью следить за изменением сопротивления тонкопленочного нанопровода в процессе электромиграции и, как следствие, изменением его формы.
На рис. 6 показано СЭМ изображение типичного зазора, полученного в центре тонкопленочной нанопровода в результате реализации процесса электромиграции: первоначального увеличения
сопротивления перемычки до 3 кОм и последующей релаксации системы в течение одного часа.
Зазоры необходимого масштаба (размером менее 5 нм) были получены в 50% случаев. Сопротивление утечки этих зазоров превышало 10 ГОм. Такие зазоры могут быть использованы для создания одноэлектронного транзистора, работающего при комнатной температуре, путем встраивания (иммобилизации) основного рабочего элемента создаваемого туннельного транзистора — острова — между электродами стока и истока.
Нанесение молекулы в качестве центрального электрода транзистора является также непростой задачей. Необходимо максимально контролируемым образом доставить молекулярный объект в зазор и далее закрепить его там.
Существует несколько способов нанесения частиц и молекул на поверхность:
а) метод Ленгмюра-Блоджетт [50],
б) электронный захват [45],
в) самосборка [51].
Метод Ленгмюра-Блоджетт непригоден для создания молекулярного транзистора с одиночной частицей в нанозазоре, поскольку оперирует с упорядоченными массивами большого числа наночастиц.
Рис. 6. СЭМ изображение 5-нм зазора между двумя золотыми электродами, полученного врезультате проведения электромиграции.
(Auj-SCH2(CH2)ioCH3
Рис. 7. Частица золота, связанная с додекантиолом.
В настоящее время наиболее распространенным и перспективным для иммобилизации рабочей квантовой точки в нанозазор между электродами является метод самосборки. Метод самосборки связан с осаждением отдельных молекул/наночастиц. Он позволяет не только варьировать количество наносимых частиц, но и надежно закреплять их в заданных участках наноструктур.
В работе [52] в качестве острова были использованы наночастицы золота производства Sigma-Aldrich 2010 © с размером 3-5 нм и защитным слоем на поверхности из додекантиолов, что удовлетворяет требованиям к размерам центрального острова одноэлектронного транзистора для получения высокой рабочей температуры элемента.
Тиолы, они же меркаптаны, представляют собой сероводородное основание и углеводородный радикал, составом которого и определяется приставочное название (рис. 7).
За счет высокой энергии связи между серой и золотом тиолы создают на поверхности частицы плотный слой, препятствующий слипанию. Благодаря такой «шубе», частицы могут также закрепляться на выбранной поверхности посредством механизма «щеточного» закрепления (рис. 8): радикалы
линкеров «цепляются» за неровную повехность и удерживаются силами Ван-дер-Ваальса.
Встраивание наночастиц в зазор между электродами транзистора в работе [52] проводилось методом адсорбционного осаждения частиц из их раствора в толуоле путем высушивания раствора. Подложки с электродами транзистора, разделенными сформированным нанозазором ~ 4-5 нм, помещались на 10 мин в раствор наночастиц и затем высушивались в вакуумной камере при давлении ~10~4 мбар в течение 24 ч. Типичный вид в СЭМ такой системы показан на рис. 9.
Однако силы Ван-дер-Ваальса, удерживающие наночастицу в зазоре, довольно слабы, и для
Рис. 8. Схема линкерного механизма закрепления наночастицы золота.
РЭНСИТ | 2012 | ТОМ 4 | НОМЕР 2
82
Солдатов Е.С., Колесов В.В.
СЕРГЕЮ ПАВЛОВИЧУ ГУБИНУ - 75
Рис 9. СЭМ изображение наночастицы золота, помещенной в зазор. формирования более прочных связей центрального острова и электродов и надежного «встраивания» наночастиц в планарные одноэлектронные системы более перспективным является способ, основанный на эффекте самосборки молекул или наночастиц на поверхности металла с использованием специальных молекул-«линкеров», химически связывающих рабочую молекулу/наночастицу с электродом [53]. В случае электродов из благородных металлов наиболее распространенным вариантом является использование в качестве линкеров дитиолов [54]. Молекула дитиола (например, 1,2-этандитиола SHC2H4SH) имеет на обоих концах SH-группы, одна из которых связывается с поверхностью золотой пленки, а другая - с наночастицей золота (рис. 10).
Процесс молекулярной самосборки состоит из простейших химических реакций, в ходе которых молекулярный объект связывается посредством “линкеров” с выделенными атомами вещества
Gold nanoparticle
t t t t
SH group
SH group
I Gold film I
Рис. 10. Схема процесса самосборки наночастиц золота на поверхности пленки золота с помощью дитиолов.
поверхности более прочными, чем силы Ван-дер-Ваальса, связями [55]: связь «сера-золото» достаточно прочная, ее энергия составляет около 40 ккал/моль, поэтому осуществляется надежное химическое закрепление наночастиц на поверхности [56]. В работе [57] были изучены процессы самосборки наночастиц золота суб-10 нм масштаба на атомарно гладкой поверхности золотой пленки.
Реализация процесса самосборки проводилась на образцах, представляющих собой пластины слюды размером 8 х 8 мм и толщиной 0.2 мм, на которые была термически напылена пленка золота толщиной 20 нм и по специально разработанной оригинальной методике отожжена до получения атомарной гладкости поверхности с неровностью
0.2 нм. Такая пленка помещалась на 10 мин в раствор дитиолов (1,2-этандитиол или 1,4-бутандитиол) с концентрацией 0.05 г/мл, в течение которого дитиолы присоединялись к поверхности пленки золота. Далее образцы на 5-10 мин помещались в раствор, содержащий наночастицы золота с концентрацией около 10-4 моль/л., полученные восстановлением HAuCl4 олеиламином [58]. В течение этого времени наночастицы золота химически закреплялись на поверхности пленки золота.
В результате, была разработана процедура надежного закрепления наночастиц золота размером 3-13 нм на пленке золота и путем подбора параметров процесса определены оптимальные условия для создания массива одиночных наночастиц, химически закрепленных и равномерно распределенных на поверхности образца с плотностью около 3 частиц на 1000 нм2. Такая плотность частиц гарантирует замыкание одиночной наночастицей типичного зазора между электродами молекулярного транзистора, изготовленного с помощью метода электромиграции, что обеспечивает успешное завершение процесса формирования такого нового перспективного элемента наноэлектроники.
Проведенные в ходе отработки методики сравнительные исследования эффективности нанесения наночастиц золота при использовании дитиолов и тиолов показали, что использование дитиолов дает существенные преимущества для увеличения эффективности и надежности закрепления наночастиц на поверхности пленки золота в процессе самосборки.
Таким образом, к настоящему времени определены наиболее перспективные материалы для формирования молекулярных одноэлектронных структур и разработаны способы создания из них наноэлектронных систем.
2 НОМЕР | ТОМ 4 | 2012 | РЭНСИТ
СЕРГЕЮ ПАВЛОВИЧУ ГУБИНУ - 75
9. РАЗЛИЧНЫЕ РЕАЛИЗАЦИИ ОДНОЭЛЕКТРОННЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
Впервые одноэлектронный транзистор на основе одиночной кластерной молекулы, работающий при комнатной температуре, был реализован с помощью СТМ в 1996 на основе молекулы карборанового кластера [59]. Впоследствии были проведены аналогичные эксперименты на основе других кластерных молекул (отличающихся составом, строением, размерами).Во всех случаях были получены аналогичные результаты, различия проявлялись только в величинах наблюдаемых особенностей [40, 60, 61]. Эти результаты, показавшие осуществимость идеи построения молекулярного варианта одноэлектронного транзистора и перспективность использования для этого молекулярных кластеров, были с большим интересом восприняты научной сообществом и вызвали, начиная с конца 90-х годов, взрывной рост числа работ по изготовлению и исследованию молекулярных одноэлектронных транзисторов.
При этом, большинство из них были посвящены реализации наиболее интересного с точки зрения практических применений планарного молекулярного одноэлектронного транзистора. Первый высокотемпературный вариант такой системы с рабочей температурой 300 К был реализован на основе массива молекулярных кластеров Pt5 [50]. Наиболее сложной в настоящее время проблемой при создании более перспективных мономолекулярных транзисторов (на основе одиночных молекул) продолжает оставаться застарелая проблема создания малого нанозазора между электродами транзистора, хотя существенное продвижение в ее решении уже есть в нескольких группах [52, 62, 63].
Это позволило к настоящему времени в ряде работ реализовать мономолекулярные одноэлектронные транзисторы [64, 65], исследовать в них фундаментальные свойства молекул при низких температурах [66], а также реализовать мономолекулярные одноэлектронные транзисторы при комнатной температуре [67]. Все это свидетельствует о хороших перспективах развития молекулярной одноэлектроники с созданием применимых в практике принципиально новых информационных и сенсорных одноэлектронных устройств нового поколения.
10. ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ
В настоящее время при производстве самых современных микросхем используются технологические нормы, соответствующие минимальному планарному размеру элемента микросхем в 22 нм [1]. Постоянно растущие
одноэлектроника: 83 прошлое, настоящее, будущее
требования к основным параметрам микросхем (дальнейшее увеличение их емкости и рабочей частоты) в рамках действующей в настоящее время технологической концепции невозможно удовлетворить без дальнейшего уменьшения технологических норм. В планах крупнейших компаний переход на производственную норму в 14 нм в ближайшем будущем [2, 3, 4]. Однако, продолжающееся уменьшение размеров несет в себе немало технологических трудностей и малые размеры компонентов транзистора являются причиной серьезных физико-технических проблем при его построении. На столь малых масштабах начинают все больше проявляться влияние неоднородностей распределения примесей (как специально вносимых (легирование), так и паразитных) в объеме используемых полупроводниковых материалов, падает качество, однородность диэлектрического покрытия, толщина которого уже составляет лишь несколько атомных слоев, возникают пока непреодолимые препятствия в процессе литографии и совмещения разных слоев масок между собой [5].
С точки зрения современной полупроводниковой промышленности проблемы состоят в первую очередь в переходе к новым источникам глубокого ультрафиолетового света для засветки элементов нанометрового масштаба и построения соответствующих оптических систем, а также в поиске новых материалов с высокой диэлектрической проницаемостью. Даже в лабораторных условиях к настоящему времени не предложено единого подхода к решению этих проблем.
В то же время, на основе одноэлектронного транспорта можно реализовать цифровые и аналоговые устройства на новом принципе управления одиночными электронами, например статическую память, сверхчувствительный электрометр или сверхточный квантовый стандарт электрического тока, причем с рекордными характеристиками, на несколько порядков выше, чем у лучших существующих аналогов.
Одноэлектроника может стать основой для создания электронных устройств нового поколения. Анализ возможностей использования особенностей коррелированного туннелирования для построения наноэлектронных устройств показывает, что это приведет к прорыву в создании принципиально новых мезоскопических наноэлектронных систем молекулярного уровня интеграции, основанных на управлении одиночными электронами в отличие от современных систем, где носителями информации/сигнала являются электрические токи, т.е. потоки огромного количества электронов (так,
РЭНСИТ | 2012 | ТОМ 4 | НОМЕР 2
84
Солдатов Е.С., Колесов В.В.
СЕРГЕЮ ПАВЛОВИЧУ ГУБИНУ - 75
типичный рабочий ток обычных элементов (диоды, транзисторы) микроэлектронных систем в 1 мА соответствует протеканию в цепи ~ 6-1015 электронов в секунду).
Построение систем, основанных на управлении одиночными электронами, позволит кардинально (на несколько — до 6-8 порядков) улучшить количественные характеристики электронных устройств (чувствительность, энергопотребление, скорость обработки информации и др. [7]), что, в свою очередь, приведет к качественным изменениям в них и к созданию принципиально новых электронных устройств и информационных систем обработки, хранения и передачи информации, превышающим по своим характеристикам человеческий мозг [8]. Такие характеристики дадут основу для огромного прогресса в таких областях, как здравоохранение, мониторинг состояния окружающей среды, системы безопасности, информационные и аналитические системы.
Реализация твердотельного кубита для квантового компьютера на основе одноэлектронного транзистора дала мощный толчок разработкам в области квантовой информатики [71]. Еще одной важной областью применения наноэлектронных схем является квантовая метрология. Одноэлектронный транзистор имеет реальные перспективы стать эталоном единицы электрического тока. Такой эталон, в отличие от используемого ныне эталона ампера, основанного на силе притяжения двух длинных проводников, будет основан на контролируемом переносе электронов через электрическую цепь с помощью высокочастотного управляющего сигнала.
Попутно с физическими и метрологическими задачами решаются также вопросы качества компонентов наноэлектронных устройств, в частности сверхмалых туннельных переходов, которое напрямую связано с характеристиками конечных устройств. Например, изучение механизмов утечки в туннельных переходах и ее устранение позволит увеличить время когерентности кубитов, повысить точность эталона единицы электрического тока, а также улучшить работу других устройств на основе таких переходов.
С точки зрения измерительной техники большой интерес представляют наноэлектромеханические системы, включающие в себя механический резонатор нанометровых размеров и одноэлектронный преобразователь механических колебаний в электрический сигнал. Область применения таких систем включает сверхчувствительные измерения массы (вплоть до массы одиночных молекул) и силы. Кроме того, наномеханические резонаторы,
имеющие резонансную частоту 1 ГГц и выше, интересны и с фундаментальной точки зрения, так как позволяют исследовать квантовые эффекты в чисто механических системах [72].
В настоящее время ведется интенсивный поиск концепций развития молекулярной электроники и физических принципов функционирования, разрабатываются основы построения базовых элементов. Молекулярная электроника становится новой междисциплинарной областью науки, объединяющей физику твердого тела, молекулярную физику, органическую и неорганическую химии и ставящей своей целью перевод электронных устройств на новую элементную базу. Для решения поставленных задач и концентрации усилий исследователей, работающих в различных областях знаний, во всех индустриально развитых странах создаются Центры молекулярной электроники, объединенные лаборатории, проводятся
международные конференции и семинары.
Хотя теоретические основы молетроники уже достаточно хорошо разработаны и созданы прототипы практически всех элементов логических схем, однако на пути реального построения молекулярного компьютера встают значительные сложности. Внешне очевидная возможность использования отдельных молекул в качестве логических элементов электронных устройств оказывается весьма проблематичной из-за специфических свойств молекулярных систем и требований, предъявляемых к логическим элементам.
Идеи молекулярной электроники не сводятся к простой замене полупроводникового транзистора на молекулярный, хотя будет решаться и эта частная задача. Главной целью все же является создание сложных молекулярных систем, реализующих одновременно несколько различных эффектов, выполняющих сложную задачу. К задачам этого типа естественно в первую очередь отнести задачу создания универсального элемента памяти, как наиболее важной части любого информационновычислительного устройства.
Было обнаружено, что транзисторный эффект наблюдается также в молекулах, которые можно в массовом порядке синтезировать химическим путем. Еще одно оригинальное направление— использование структур молекулярной биологии: молекул ДНК, белков и др. Причем не только в качестве рабочих элементов будущих нанотранзисторов, но и для сборки элементов нанотранзисторных структур — на основе генетических технологий. Например, в американском Scripps Research Institute получена отдельная молекула ДНК в виде полой октаэдрической
2 НОМЕР | ТОМ 4 | 2012 | РЭНСИТ
СЕРГЕЮ ПАВЛОВИЧУ ГУБИНУ - 75
структуры диаметром 22 нм. Внутренняя полость способна вместить сферу диаметром 14 нм. Одна из целей ученых — использование трехмерных ДНК-структур для создания сложных трехмерных логических цепей в устройствах молекулярного масштаба.
Представляется весьма очевидным, что потенциальные возможности молекулярной электроники будут раскрыты в большей мере при создании нейронных сетей, состоящих из нейронов и связывающих их электроактивных синапсов [8]. Создание средствами молекулярной электроники искусственных нейронов, различного типа сенсоров, включенных в единую сеть, откроет путь к реализации всех потенциальных возможностей, заложенных в нейрокомпьютерной идеологии, позволит создать принципиально новый тип информационновычислительных систем и подойти вплотную к решению проблемы создания искусственного интеллекта.
Такими устройствами на основе молекулярных одноэлектронных транзисторов могут стать высокочувствительные химические сенсоры заряда, способные значительно улучшить характеристики секвенаторов ДНК, кардинально уменьшив время и стоимость анализа с одновременным увеличением чувствительности, что сделает анализ ДНК быстрым (несколько дней), значительно более точным и практически общедоступным. Создание нейроморфных информационных устройств на основе одноэлектронных нейронных сетей [8, 68] позволит создать качественно новые информационные системы, характеристики которых приближаются (а по ряду параметров — превосходят) к характеристикам головного мозга человека [69].
Реализация группой А. Гейма графенового одноэлектронного транзистора позволяет
использовать уникальные характеристики графена для дальнейшего расширения возможностей одноэлектроники при построении нового поколения наноэлектронных систем. Однако еще большие возможности могут появиться при переходе на атомарный уровень с созданием одноэлектронных элементов на основе одиночных атомов. Первые экспериментальные работы такого рода уже появились [70].
11. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, разработка одноэлектронных систем и их исследование, проведенные в последние 25 лет, позволили сформировать новый подход к дальнейшему развитию наноэлектроники. В настоящее время этот подход представляет собой
одноэлектроника: 85 прошлое, настоящее, будущее
одну из наиболее перспективных возможностей обеспечения прогресса в построении электронных систем нового, молекулярного уровня интеграции, и, соответственно, существенного продвижения к решению задачи создания искусственного интеллекта.
ЛИТЕРАТУРА
1. Anthony S. Beyond 22nm: Applied Materials, the unsung hero of Silicon Valley, http://www.extremetech.com/ extreme/106899-beyond-22nm-applied-materials-the-unsung-silicon-hero, December 1, 2011.
2. Clarke P Global foundries’ Dresden fab to run 22nm CMOS, http://www.eetimes.com/news/semi/ showArticle.jhtml?artideID=223500059, March 11, 2010.
3. Lemmers D. Sematech crafts ZIL solution for 16 nm, http://www.semiconductor.net/article/307037-Sematech_Crafts_ZIL_Solution_for_16_nm.php, June 29,
2009.
4. The International Technology Roadmap for Semiconductors, http:llpublic.itrs.netl. Edition 2011.
5. Markoff J. Technology; Intel’s big shift after hitting technical wall, http://www.nytimes.com/2004/05/17/ business/technology-intel-s-big-shift-after-hitting-technical-wall.html, May 17, 2004.
6. Averin DV and Likharev KK. Single-electronics: Correlated transfer of single electrons and Cooper pairs in small tunnel junctions. In: Mesoscopic Phenomena in Solids,
B. Altshuler, P. Lee, and R. Webb, Eds. Amsterdam, The Netherlands: Elsevier, 1991, pp. 173-271.
7. Likharev KK. Single-electron devices and their applications. Proc. IEEE, 1999, 87:606.
8. Likharev K and Strukov D. CMOL: Devices, circuits, and architectures. In: G. Cuniberti et al. (eds.), Introducing Molecular Electronics. Berlin, Springer, 2005.
9. Gorter CJ. Physica, 1951, 17:777.
10. Neugebauer CA and Webb MB. Electrical conduction mechanism in ultrathin, evaporated metal films. J. Appl.
Phys, 1962, 33:74-82.
11. Zeller HR and Giaever I. Tunneling, zero-bias anomalies and small superconductors. Phys. Rev, 1969, 181:789-799.
12. Lambe J and Jaklevic RC. Charge-quantization studies using tunnel capacitor. Phys. Rev. Lett., 1969, 22:1371-1375.
13. Kulik IO and Shekhter RI. Kinetic phenomena and charge discreteness effects in granular media. Zh. Eksp.
Teor. FiZ, 1974, 62,:623-640 [Sov. Phys.-JETP, 41:308-316].
14. Кузьмин ЛС, Лихарев КК. Непосредственное экспериментальное наблюдение дискретного коррелированного одноэлектронного туннелирования, ЖЭТФ, 1987, 45(8):289.
15. Fulton TA and Dolan GD. Observation of singleelectron charging effects in small tunnel junctions. Phys.
Rev. Lett, 1987, 59:109-112.
16. Korotkov AN, Averin DV, Likharev KK and Vasenko SA. Single-electron transistors as ultrasensitive electrometers. In: Single Electron Tunneling and Mesoscopic
РЭНСИТ | 2012 | ТОМ 4 | НОМЕР 2
86
Солдатов Е.С., Колесов В.В.
СЕРГЕЮ ПАВЛОВИЧУ ГУБИНУ - 75
Devices. Koch H and Lubbig H, Eds. Berlin, Springer, 1992, pp. 45-60.
17. Korotkov AN. Intrinsic noise of the single-electron transistor. Phys. Rev. B, 1994, 49:10381-10392.
18. Dolan GD. Offset works for lift-off photoprocessing. Appl. Phys. Lett, 1977, 31:337-339.
19. Devoret MH, Esteve D, Urbina С. Single-electron transfer in metallic nanostructures. Nature, 1992, 360:547553.
20. Krupenin VA, Lotkhov SV, Presnov DE. Instability of
single-electron memory at low temperatures in
Al/AlOx/Al structures. JETP, 1997, 84(1):190.
21. Dresselhaus P, Li J, Han S, Ji L, Lukens JE and Likharev KK. Measurement of single electron lifetimes in a multijunction trap. Phys. Rev. Lett., 1994, 72:3226-3229.
22. Pashkin YuA, Nakamura Y, Tsai JS. Metallic resistively coupled single-electron transistor. Appl. Phys. Lett., 1999, 74:132-134.
23. Geerligs LJ, Anderegg VG, Holweg PAM, Mooij JE, Pothier H, Esteve D, Urbina C and Devoret MH. Frequency locked turnstile device for single electrons. Phys. Rev. Lett, 1990, 64:2691-2694.
24. Pashkin YuA, Yamamoto Т, Astafiev O, Nakamura Y, Averin DV, Tsai JS. Quantum oscillations in two coupled charge qubits. Nature, 2003, 421:823-826.
25. Gubin SP, Gulayev YuV, Khomutov GB, Kislov VV, Kolesov VV, Soldatov ES, Sulaimankulov KS, Trifonov AS. Molecular clusters as building blocks for nanoelectronics: the first demonstration of cluster SET transistor at room temperature. Nanotechnology, 2002, 13:185-194.
26. Feynman RY. There is a plenty room at the bottom. Lection in Am.Phys.Soc, Caltech, 1959.
27. Aviram A, Ratner MA. Molecular Rectifiers. Chem. Phys. Lett, 1974, 29:277.
28. Зубилов АА, Губин СП, Коротков АН, Ханин ВВ, Николаев АГ, Солдатов ЕС, Хомутов ГБ, Яковенко СА. Одноэлектронное туннелирование через кластерную молекулу при комнатной температуре. Письма вЖТФ, 1994, 20(5):41-45.
29. Iakovenko SA, Soldatov ES, Khanin VV, Trifonov AS, Gubin SP, Khomutov GB. Fabrication and properties of carboran clusters containing stearic acid LB films and possible applications for single electronics. Thin Solid Films, 1996, 284-285:873-875.
30. Губин СП, Солдатов ЕС, Трифонов АС, Ханин ВВ. Наноразмерные кластерные материалы. I. Одиночные кластеры на поверхности графита. Неорганические материалы, 1996, 32(10):1265-1271.
31. Яковенко СА, Губин СП, Солдатов ЕС, Трифонов АС, Ханин ВВ, Хомутов ГБ. Наноразмерные кластерные материалы. II. Ленгмюровские пленки стеариновой кислоты с кластерами. Неорганические материалы, 1996, 32(10):1272-1277.
32. Губин СП. Химия кластеров. Москва, Наука, 1987.
33. Еременко НК, Медников ЕГ, Курасов СС. Карбонилфосфиновые соединения палладия и платины. Успехи химии, 1985, 54(4):671-693.
34. Gaines GL. Insoluble monolayers at liquid - gas interface. New-York, John Willey, 1966.
35. Губин СП, Гуляев ЮВ, Кислов ВВ, Колесов ВВ, Солдатов ЕС, Трифонов АС, Юдин СГ. Туннельные наноструктуры на основе органометаллических кластерных молекул, Радиотехника и электроника, 1997, 42(11):1396-1402.
36. Gubin SP, Khomutov GB, Kolesov VV, Soldatov ES, Sulaimankulov KS, Trifonov AS, Johansson P, Shorokhov VV Correlated electron tunneling in the single-molecule nanosystems. Phys. Low-Dim. Struct:, 2002, 1/2:113.
37. Gubin SP, Gulayev YuV, Khomutov GB, Kislov VV, Kolesov VV, Soldatov ES, Sulaimankulov KS, Trifonov AS. Molecular clusters as building blocks for nanoelectronics: the first demonstration of cluster SET transistor at room temperature. Nanotechnology, 2002, 13:185-194.
38. Зубилов АА, Солдатов ЕС, Мевх НГ, Ханин ВВ.
Одноэлектронное туннелирование в двухпереходной туннельной системе на основе одиночной молекулы ферритина. Радиотехника и электроника, 2000,
45(11):1373-76.
39. Khomutov GB, Belovolova LV, Soldatov ES, Khanin VV, Trifonov AS. STM investigation of electron transport features in cytochrome c Langmuir-Blodgett films. Colloids and Surfaces A, 2002, 198-200:745.
40. Khomutov GB, Belovolova LV, Gubin SP, Khanin VV, Obydenov AYu, Sergeev-Cherenkov AN, Soldatov ES, TrifonovAS. STM study of morphology and electron transport features in cytochrome c and nanocluster molecule monolayers. Bioelectrochemistry, 2002, 55:177-181.
41. Эдельман ВС. Приборы и техника эксперимента, 1997, 5:25.
42. Soldatov ES, Gubin SP, Kolesov VV, Khomutov GB, Maximov IA, Sergeev-Cherenkov AN, Suyatin DB, Shorokhov VV, Sulaimankulov KS. Molecular cluster based nanoelectronics. Microelectronic Engineering, 2003, 69:536.
43. Morpurgo AF, Marcus CM and Robinson DB. Appl.. Phys. Lett, 1999, 74:2084.
44. Kervennic YV, van der Zant HSJ, Morpurgo AF, Gurevich L and Kouwenhoven LP. Appl. Phys. Lett., 2002, 80:321.
45. Bezryadin A, Dekker C, Schmid G. Electrostatic trapping of single conducting nanoparticles between nanoelectrodes. Appl. Phys. Lett., 1997, 71(9):1273.
46. Steinmann P and Weaver JMR. Vac. Sci. and Technot. B, 2004, 22:3178.
47. Park H, Lim AKL, Alivisatos AP Fabrication of metallic electrodes with nanometer separation with electromigration. App. Phys. Letters, 1999, 35(2):301.
2 НОМЕР | ТОМ 4 | 2012 | РЭНСИТ
СЕРГЕЮ ПАВЛОВИЧУ ГУБИНУ - 75
48. Ho PS and Kwok T. Rep. Prog. Phys., 1989, 52:301.
49. Stepanov AS, Soldatov ES, Snigirev OV Formation of molecular transistor electrodes by electromigration.Proc. SPIE, 2010, 7521:752112-1-752112-9.
50. Губин СП, Колесов ВВ, Солдатов ЕС, Трифонов АС, Катаева НА, Шорохов ВВ. Нанофазные материалы в электронике — вещества, технология, устройства. Нелинейный мир, 2005, 3(1-2):10-26.
51. Love JC, Estroff LA, Kriebel JK, Nuzzo RG and Whitesides GM. Self-Assembled Monolayers of Thiolates on Metals as a Form of Nanotechnology. Chem. Rev, 2005, 105:1103-1169.
52. Stepanov AS, Soldatov ES, Snigirev OV Implementation of molecular transistor electrodes by electromigration. J.Supercond. and NovMagn., 2011, 24:1087-1093.
53. Na J, Ayres J, Chandra KL et al. Nanotechnology, 2007, 18:035203.
54. Compton OC and Osterloh FE. JAm.ChemSoc, 2007, 129(25):7793-7798.
55. Li H, Jin L, Kariuki NN et al. Chem. Matter., 2003, 15(1):29-37.
56. Zin MT, Yip H-L, Wong N-Y, Ma H, Jen AK-Y. Langmuir, 2006, 22:6346-6351.
57. Кутуров АН, Солдатов ЕС, Полякова ЛА, Варлашкин АВ, Губин СП. Наночастицы Au на атомарно-гладкой поверхности пленок золота. Неорганические материалы, 2011, 47(9):1047-1051.
58. Губин СП, Юрков ГЮ, Катаева НА. Наночастицы благородных металлов и материалы на их основе. М., Азбука-2000, 2006, 154 с.
59. Солдатов ЕС, Ханин ВВ, Трифонов АС, Губин
СП, Колесов ВВ, Преснов ДЕ, Хомутов ГБ, Яковенко СА. Одноэлектронный транзистор на основе одиночной кластерной молекулы при комнатной температуре. Письма в ЖЭТФ, 1996,
64(7):510-514.
60. Солдатов ЕС, Ханин ВВ, Трифонов АС, Губин СП, Колесов ВВ, Преснов ДЕ, Хомутов ГБ, Яковенко СА, Коротков АН. Молекулярный одноэлектронный транзистор, работающий при комнатной температуре. УФН, 168(2): 217.
61. Губин СП, Хомутов ГБ, Трифонов АС, Крупенин
BA, Колесов ВВ, Солдатов ЕС, Шорохов
BB, Снигирев ОВ, Преснов ДЕ, Баранов Д. Современные тенденции в развитии элементов вычислительных устройств post-CMOS эры. Нанотехнологии:разработка, применение, 2009, 1(1):43-55.
62. Сапков ИВ, Колесов ВВ, Солдатов ЕС. Использование сфокусированного ионного пучка при создании молекулярного одноэлектронного транзистора. Вестник МУ, сер. 3. Физика, астрономия., 2009, 4:26-29.
63. Strachan DR, Smith DE, Johnston DE, Hark H-T, Therien MJ, Bonnel DA and Jonson AT. Controlled fabrication of nanogaps in ambient tnviroment for molecular electronics. Appl. Phys. Lett, 2005, 86(4):043109.
одноэлектроника: 87 прошлое, настоящее, будущее
64. Osorio E, O’Neill K, Wegewijs M, Stuhr-Hansen N, Paaske J, Bjornholm T and van der Zant HSJ. Electronic excitations of a single molecule contacted in a three-terminal configuration. Nano Lett., 2007, 7:3336.
65. Osorio EA, Bjornholm T, Lehn JM, Ruben N, van der Zant HSJ. Single-molecule transport in three-terminal devices. J. Phys.: Condens. Matter, 2008, 20:374121-374135.
66. Zyazin AS et al. Electric Field Controlled Magnetic Anisotropy in a Single Molecule. Nano Lett., 2010, 10(9):3307-3311.
67. Степанов АС, Солдатов ЕС, Лысиков АС, Снигирев ОВ. Прототип планарного одноэлектронного транзистора с комнатной рабочей температурой. Радиотехника и электроника, в печати.
68. Turel О and Likharev K. CrossNets: possible neuromorphic networks based on nanoscale components. Intf.Circ.TheorAppl, 2003, 31:37-53.
69. Likharev KK, Mayr A, Muckra I and Turel O. CrossNets: Highperformance neuromorphic architectures for CMOL circuits. Ann. NY Acad. Sci., 2003, 1006:146156.
70. Fuechsle M, Miwa JA, Mahapatra S, Ryu H, Lee S, Warschkow O, Hollenberg LCL, Klimeck G, Simmons MY A single-atom transistor. Nature Nanotechnology, 2012, doi:10.1038/nnano.2012.21.
71. Tsai JS, Nakamura Y, Pashkin YuA. Qubit utilizing charge-number state in a superconducting nanostructure. Quantum Information and Computation, 2001, V1:124-128.
72. Pashkin YuA, Li TF, Pekola JP, Astafiev O, Knyazev DA, Hoehne F, Im H, Nakamura Y, Tsai JS. Detection of mechanical resonance of a single-electron transistor by direct current. Appl. Phys. Lett., 2010, 96:26.
73. Novoselov KS et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films. Science, 2004, 306. DOI:10.1126/ science.1102896.
74. Zhou SY, Gweon G-H, Fedorov AV, First PN, de Heer WA, Lee D-H, Guinea F, Castro Neto AH, Lanzara A. Substrate-induced band gap opening in epitaxial graphene. Nature Materials, 2007, 6:770-775.
Солдатов Евгений Сергеевич
к.ф.-м.н., член-корреспондент РАЕН,
МГУ им. М.В. Ломоносова, физический факультет, 1/2, Ленинские горы, 119991 Москва, Россия +7 495 939 5935, esold@phys.msu.ru
Колесов Владимир Владимирович
к.ф.-м.н., действительный член РАЕН,
ИРЭ им. ВА. Котельникова, Российская академия наук, 1/7, ул. Моховая, 125009 Москва, Россия +7 495 629 3368, kvv@cplire.ru
РЭНСИТ | 2012 | ТОМ 4 | НОМЕР 2
88
SERGEY PAVLOVICH GUBIN - 75
THE SINGLE-ELECTRONICS: PAST, PRESENT, FUTURE
Soldatov E.S.,
Lomonosov Moscow State University, Faculty of Physics, http://www.phys.msu.ru
1/2, Leninskie Gory, 119991 Moscow, Russian Federation,
esold@phys.msu.ru
Kolesov V.V.,
Kotel’nikov Institute of Radio Engineering and Electronics, Russian Academy of Sciences, http://www.cplire.ru
11/7, Mokhovaya str., 125009 Moscow, Russian Federation
kvv@cplire.ru
The tendency to miniaturization of electronic components is connected with aspiration to increase of speed of electronic processors, increase in density of a data recording, so memory size of electronic devices, development of more sensitive sensors and receivers. At reduction of the sizes of electronic devices in them qualitatively new effects connected, in particular, with the discrete nature of an electric charge and the quantum and wave nature of electrons start being shown. Studying of quantum effects and development on their basis of new devices is one of priorities of modern solid-state physics. The research in this direction are concentrated, in particular, on molecular electronics (moletronics), quantum informatics, quantum metrology and development of measuring devices and sensors of new type. In work results in the field of development and research of molecular single-electron devices received by research team of the Moscow State University, IRE Russian Academy of Sciences and IGIC Russian Academy of Sciences are presented.
Keywords: nanoelectronics, moletronics, single-electronics, single-electron transistor, Coulomb blockade.
УДК 621.382; 535.312
Bibliography - 74 references Received 10.12.2012
RENSIT, 2012, 4(2)71-90___________________________________
REFERENCES
1. Anthony S. Beyond 22nm: Applied Materials, the unsung hero of Silicon Valley, http://www.extremetech.com/ extreme/106899-beyond-22nm-applied-materials-the-unsung-silicon-hero, December 1, 2011.
2. Clarke P Global foundries’ Dresden fab to run 22nm CMOS, http://www.eetimes.com/news/semi/ showArticle.jhtml?articleID=223500059, March 11, 2010.
3. Lemmers D. Sematech crafts ZIL solution for 16 nm, http://www.semiconductor.net/article/307037-Sematech_Crafts_ZIL_Solution_for_16_nm.php, June 29, 2009.
4. The International Technology Roadmap for Semiconductors, http:llpublic.itrs.netl. Edition 2011.
5. Markoff J. Technology; Intel’s big shift after hitting technical wall, http://www.nytimes.com/2004/05/17/ business/technology-intel-s-big-shift-after-hitting-technical-wall.html, May 17, 2004.
6. Averin DV and Likharev KK. Single-electronics: Correlated transfer of single electrons and Cooper pairs in small tunnel junctions. In: Mesoscopic Phenomena in Solids, B. Altshuler, P Lee, and R. Webb, Eds. Amsterdam, The Netherlands: Elsevier, 1991, pp. 173-271.
7. Likharev KK. Single-electron devices and their applications. Proc. IEEE, 1999, 87:606.
8. Likharev K and Strukov D. CMOL: Devices, circuits, and architectures. In: G. Cuniberti et al. (eds.), Introducing Molecular Electronics. Berlin, Springer, 2005.
9. Gorter CJ. Physica, 1951, 17:777.
10. Neugebauer CA and Webb MB. Electrical conduction mechanism in ultrathin, evaporated metal films. J. Appl. Phys, 1962, 33:74-82.
11. Zeller HR and Giaever I. Tunneling, zero-bias anomalies and small superconductors. Phys. Rev, 1969, 181:789-799.
12. Lambe J and Jaklevic RC. Charge-quantization studies using tunnel capacitor. Phys. Rev. Lett., 1969, 22:1371-1375.
13. Kulik IO and Shekhter RI. Kinetic phenomena and charge discreteness effects in granular media. Zh. Eksp. Teor. FiZ, 1974, 62,:623-640 [Sov. Phys.-JETP, 41:308-316].
14. Kuz’min LS, Likharev KK. Neposredstvennoe eksperimental’noe nabludenie diskretnogo korrelirovannogo odnoelektronnogo tunnelirovaniya [Direct experimental observation of discrete correlated single-electron tunneling], ZhETF, 1987, 45(8):289 (in Russ.).
15. Fulton TA and Dolan GD. Observation of singleelectron charging effects in small tunnel junctions. Phys. Rev. Lett, 1987, 59:109-112.
16. Korotkov AN, Averin DV, Likharev KK and Vasenko SA. Single-electron transistors as ultrasensitive electrometers. In: Single Electron Tunneling and Mesoscopic Devices. Koch H and Lubbig H, Eds. Berlin, Springer, 1992, pp. 45-60.
17. Korotkov AN. Intrinsic noise of the single-electron transistor. Phys. Rev. B, 1994, 49:10381-10392.
18. Dolan GD. Offset works for lift-off photoprocessing. Appl. Phys. Lett, 1977, 31:337-339.
2 НОМЕР | ТОМ 4 | 2012 | РЭНСИТ
SERGEY PAVLOVICH GUBIN - 75
19. Devoret MH, Esteve D, Urbina С. Single-electron transfer in metallic nanostructures. Nature, 1992, 360:547553.
20. Krupenin VA, Lotkhov SV, Presnov DE. Instability of
single-electron memory at low temperatures in
Al/AlOx/Al structures. JETP, 1997, 84(1):190.
21. Dresselhaus P, Li J, Han S, Ji L, Lukens JE and Likharev KK. Measurement of single electron lifetimes in a multijunction trap. Phys. Rev. Lett., 1994, 72:3226-3229.
22. Pashkin YuA, Nakamura Y, Tsai JS. Metallic resistively coupled single-electron transistor. Appl. Phys. Lett., 1999, 74:132-134.
23. Geerligs LJ, Anderegg VG, Holweg PAM, Mooij JE, Pothier H, Esteve D, Urbina C and Devoret MH. Frequency locked turnstile device for single electrons. Phys. Rev. Lett, 1990, 64:2691-2694.
24. Pashkin YuA, Yamamoto Т, Astafiev O, Nakamura Y, Averin DV, Tsai JS. Quantum oscillations in two coupled charge qubits. Nature, 2003, 421:823-826.
25. Gubin SP, Gulayev YuV, Khomutov GB, Kislov VV, Kolesov VV, Soldatov ES, Sulaimankulov KS, Trifonov AS. Molecular clusters as building blocks for nanoelectronics: the first demonstration of cluster SET transistor at room temperature. Nanotechnology, 2002, 13:185-194.
26. Feynman RY. There is a plenty room at the bottom. Lection in Am.Phys.Soc, Caltech, 1959.
27. Aviram A, Ratner MA. Molecular Rectifiers. Chem. Phys. Lett, 1974, 29:277.
28. Zubilov AA, Gubin SP, Korotkov AN, Khanin VV, Nikolaev AG, Soldatov ES, Khomutov GB, Yakovenko SA. Odnoelektronnoe tunnelirovanie cherez klasternuyu molekulu pri komnatnoy temperature [Singleelectron tunneling through a cluster molecule at room temperature]. Pis’ma v ZhTF, 1994, 20(5):41-45 (in Russ.).
29. Iakovenko SA, Soldatov ES, Khanin VV, Trifonov AS, Gubin SP, Khomutov GB. Fabrication and properties of carboran clusters containing stearic acid LB films and possible applications for single electronics. Thin Solid Films, 1996, 284-285:873-875.
30. Gubin SP, Soldatov ES, Trifonov AS, Khanin VV. Nanorazmernye klasternye materialy. I Odinochnye klastery na poverkhnosti grafita [Nanoscale cluster materials. I. Single clusters on the graphite surface]. Neorganich. materialy, 1996, 32(10):1265-1271 (in Russ.).
31. Yakovenko SA, Gubin SP, Soldatov ES, Trifonov AS, Khanin VV Khomutov GB. Nanorazmernye klasternye materialy. II. Lengmurovskie plenki stearinivoy kisloty s klasterami [Nanoscale cluster materials. II Langmuir films of stearic acid with clusters]. Neorganich. materialy, 1996, 32(10):1272-1277 (in Russ.).
32. Gubin SP. Khimiya klasterov [Cluster chemistry]. Moscow, Nauka Publ., 1987.
33. Eremenko NK, Mednikov EG, Kurasov SS. Karbonilfosfinovye soedineniya palladiya i platiny [Karbonilphosphin compounds of palladium and
the single-electronics: 89 past, present, future
platinum]. Uspekhi khimii, 1985, 54(4):671-693 (in Russ.).
34. Gaines GL. Insoluble monolayers at liquid - gas interface. New-York, John Willey, 1966.
35. Gubin SP, Gulyaev YuV, Kislov VV, Kolesov VV, Soldatov ES, Trifonov AS, Yudin SG. Tunnel’nye nanostruktury na osnove organometallicheskikh klasternykh molekul [Tunnel nanostructures on the basis of organometallic cluster molecules]. Radiotekhnika i elektronika, 1997, 42(11):1396-1402 (in Russ.).
36. Gubin SP, Khomutov GB, Kolesov VV, Soldatov ES, Sulaimankulov KS, Trifonov AS, Johansson P, Shorokhov VV. Correlated electron tunneling in the single-molecule nanosystems. Phys. Low-Dim. Struct:, 2002, 1/2:113.
37. Gubin SP, Gulayev YuV, Khomutov GB, Kislov VV, Kolesov VV, Soldatov ES, Sulaimankulov KS, Trifonov AS. Molecular clusters as building blocks for nanoelectronics: the first demonstration of cluster SET transistor at room temperature. Nanotechnology, 2002, 13:185-194.
38. Zubilov AA, Soldatov ES, Mevkh NG, Khanin VV Odnoelektronnoe tunnelirovanie v dvukhperekhodnoy tunnel’noy sisteme na osnove odinichnoy molekuly ferritina [Single-electron tunneling in two-transient tunnel system on the basis of a single molecule of ferritin.]. Radiotekhnika i elektronika, 2000, 45(11):1373-76 (in Russ.).
39. Khomutov GB, Belovolova LV, Soldatov ES, Khanin VV, Trifonov AS. STM investigation of electron transport features in cytochrome c Langmuir-Blodgett films. Colloids and Surfaces A, 2002, 198-200:745.
40. Khomutov GB, Belovolova LV, Gubin SP, Khanin VV, Obydenov AYu, Sergeev-Cherenkov AN, Soldatov ES, TrifonovAS. STM study of morphology and electron transport features in cytochrome c and nanocluster molecule monolayers. Bioelectrochemistry, 2002, 55:177-181.
41. Edelman VS. Pribory i tekhnika eksperimenta, 1997, 5:25.
42. Soldatov ES, Gubin SP, Kolesov VV, Khomutov GB, Maximov IA, Sergeev-Cherenkov AN, Suyatin DB, Shorokhov VV, Sulaimankulov KS. Molecular cluster based nanoelectronics. Microelectronic Engineering, 2003, 69:536.
43. Morpurgo AF, Marcus CM and Robinson DB. Appl..
Phys. Lett, 1999, 74:2084.
44. Kervennic YV, van der Zant HSJ, Morpurgo AF, Gurevich L and Kouwenhoven LP Appl.. Phys. Lett,
2002, 80:321.
45. Bezryadin A, Dekker C, Schmid G. Electrostatic trapping of single conducting nanoparticles between nanoelectrodes. Appl. Phys. Lett., 1997, 71(9):1273.
46. Steinmann P and Weaver JMR. Vac. Sci. and Technol. B,
2004, 22:3178.
47. Park H, Lim AKL, Alivisatos AP Fabrication of metallic electrodes with nanometer separation with electromigration. App. Phys. Letters, 1999, 35(2):301.
48. Ho PS and Kwok T. Rep. Prog. Phys., 1989, 52:301.
РЭНСИТ | 2012 | ТОМ 4 | НОМЕР 2
90
Soldatov E.S., Kolesov VV.
49. Stepanov AS, Soldatov ES, Snigirev OV Formation of molecular transistor electrodes by electromigration.Proc. SPIE, 2010, 7521:752112-1-752112-9.
50. Gubin SP, Kolesov VV, Soldatov ES, Trifonov AS, Kataeva NA, Shorokhov VV Nanofaznye materialy v elektronike - veschestva, tekhnologiya, ustroystva [Nanophase materials in electronics - substances, technology, device]. Nelineyny mir, 2005, 3(1-2):10-26 (in Russ.).
51. Love JC, Estroff LA, Kriebel JK, Nuzzo RG and Whitesides GM. Self-Assembled Monolayers of Thiolates on Metals as a Form of Nanotechnology. Chem. Rev, 2005, 105:1103-1169.
52. Stepanov AS, Soldatov ES, Snigirev OV. Implementation of molecular transistor electrodes by electromigration. J.Supercond. and Nov.Magn., 2011, 24:1087-1093.
53. Na J, Ayres J, Chandra KL et al. Nanotechnology, 2007, 18:035203.
54. Compton OC and Osterloh FE. JAm.ChemSoc, 2007, 129(25):7793-7798.
55. Li H, Jin L, Kariuki NN et al. Chem. Matter., 2003, 15(1):29-37.
56. Zin MT, Yip H-L, Wong N-Y, Ma H, Jen AK-Y. Langmuir, 2006, 22:6346-6351.
57. Kuturov AN, Soldatov ES, Polyakova LA, Varlashkin AV, Gubin SP. Nanochastitsy Au na atomarno-gladkoy poverkhnosti plenok zolota [Au nanoparticles on an atomically smooth surface of gold films]. Neorganich. materialy, 2011, 47(9):1047-1051 (in Russ.).
58. Gubin SP, Yurkov GYu Kataeva NA. Nanochastitsy blagorodnykh metallov i materialy na ikh osnove [Nanoparticles of noble metals and materials on their basis]. Moscow, Azbuka-2000 Publ., 2006, 154 p.
59. Soldatov ES, Khanin VV, Trifonov AS, Gubin SP, Kolesov VV, Presnov DE, Khomutov GB,Yakovenko SA. Odnoelektronny transistor na osnove odinochnoy klasernoy molekuly pri komnatnoy temperature [A singleelectron transistor based on a single cluster molecule at room temperature]. Pis’ma v ZhETF, 1996, 64(7):510-514 (in Russ.).
60. Soldatov ES, Khanin VV, Trifonov AS, Gubin SP, Kolesov VV, Presnov DE, Khomutov GB,Yakovenko SA, Korotkov AN. Molekulyarny odnoelektronny transistor, rabotayuschiy pri komnatnoy temperature [Molecular single-electron transistor operating at room temperature]. YFN, 168(2):217 (in Russ.).
61. Gubin SP, Khomutov GB, Trifonov AS, Krupenin VA, Kolesov VV, Soldatov ES, Shorokhov VV, Snigirev OV, Presnov DE, Baranov D. Sovremennye tendentsii v razvitii elementov vychislitel’nykh ustroystv post-CMOS ery[Modern trends in the development of the elements of computing devices post-CMOS era]. Nanotekhnologii: rayrabotka, primenenie, 2009, 1(1):43-55 (in Russ.).
62. Sapkov IV, Kolesov VV, Soldatov ES. Ispol’zovanie sfokusirovannogo ionnogo puchka pri sozdanii molekulyarnogo odnoelektronnogo transistora [Using
SERGEY PAVLOVICH GUBIN - 75
a focused ion beam to create a molecular single-electron transistor]. Vestnik MSU, ser. 3. Fiyika, astronomiya, 2009, 4:26-29 (in Russ.).
63. Strachan DR, Smith DE, Johnston DE, Hark H-T, Therien MJ, Bonnel DA and Jonson AT. Controlled fabrication of nanogaps in ambient tnviroment for molecular electronics. Appl. Phys. Lett, 2005, 86(4):043109.
64. Osorio E, O’Neill K, Wegewijs M, Stuhr-Hansen N, Paaske J, Bjornholm T and van der Zant HSJ. Electronic excitations of a single molecule contacted in a three-terminal configuration. Nano Lett., 2007, 7:3336.
65. Osorio EA, Bjornholm T, Lehn JM, Ruben N, van der Zant HSJ. Single-molecule transport in three-terminal devices. J. Phys.: Condens. Matter, 2008, 20:374121-374135.
66. Zyazin AS et al. Electric Field Controlled Magnetic Anisotropy in a Single Molecule. Nano Lett, 2010, 10(9):3307-3311.
67. Stepanov AS, Soldatov ES, Lysikov AS, Snigirav OV. Prototip planarnogo odnoelektronnogo transistora s komnatnoy rabochey temperaturoy [A prototype of a planar single-electron transistor with a working temperature of room]. Radiotekhnika i elektronika, in print (in Russ.).
68. Turel О and Likharev K. CrossNets: possible neuromorphic networks based on nanoscale components. Int.J.Circ.TheorAppl, 2003, 31:37-53.
69. Likharev KK, Mayr A, Muckra I and Turel O. CrossNets: Highperformance neuromorphic architectures for CMOL circuits. Ann. NY Acad. Sci., 2003, 1006:146156.
70. Fuechsle M, Miwa JA, Mahapatra S, Ryu H, Lee S, Warschkow O, Hollenberg LCL, Klimeck G, Simmons MY A single-atom transistor. Nature Nanotechnology, 2012, doi:10.1038/nnano.2012.21.
71. Tsai JS, Nakamura Y, Pashkin YuA. Qubit utilizing charge-number state in a superconducting nanostructure. Quantum Information and Computation, 2001, V1:124-128.
72. Pashkin YuA, Li TF, Pekola JP, Astafiev O, Knyazev DA, Hoehne F, Im H, Nakamura Y, Tsai JS. Detection of mechanical resonance of a single-electron transistor by direct current. Appl. Phys. Lett., 2010, 96:26.
73. Novoselov KS et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films. Science, 2004, 306. DOI:10.1126/ science.1102896.
74. Zhou SY, Gweon G-H, Fedorov AV, First PN, de Heer WA, Lee D-H, Guinea F, Castro Neto AH, Lanzara A. Substrate-induced band gap opening in epitaxial graphene. Nature Materials, 2007, 6:770-775.
2 НОМЕР | ТОМ 4 | 2012 | РЭНСИТ
