Кашин В. В., Кислов В. В., Колесов В. В., Фіона А. С. Інститут радіотехніки й електроніки РАН, Москва, Росія Губин С. П. Інститут загальної та неорганічної хімії ім. Н. С. Курнакова РАН, Москва, Росія Солдатов Е. С. Московський державний університет, Фізичний факультет, Москва, Росія Тел.: (095) 2021046; e-mail: kvv@mail.cplire.ru


Анотація Обговорюються властивості наноструктурованих матеріалів. Наводяться результати по створенню та дослідженню молекулярних наноструктур. Показана можливість створення наноелектронних пристроїв на основі одиничної молекули.

I. Вступ

Нанофазние матеріали являють собою речовини з внутрішньою структурою, що має характерні розміри нанометрового масштабу. Структуровані композитні нанофазние матеріали мають специфічні особливості, відмінні від речовин, що знаходяться в звичайних фазах. Основою наномасштабного структури можуть бути як наночастки різної природи, так і молекулярні кластери, що володіють абсолютною ідентичністю.

Сучасні напівпровідникові інтегральні технології, реалізують стандартну схемотехніку і архітектуру побудови аналогових і цифрових електронних пристроїв, мають певні фізичні обмеження, пов’язані з розміром, швидкодією і енерговиділенням одиничного елемента, а також ступенем інтеграції елементів в рамках традиційної планарной технології.

Як граничні параметри для поодиноких електронних пристроїв елементної бази нового покоління можуть розглядатися наступні:-можливість створення електронних пристроїв на одиничних молекулах;-можливість зміни стану електронного пристрою під впливом одиничного електрона (і його характеристик, наприклад, спина); можливість зміни стану електронного пристрою під впливом одиничного фотона (і його характеристик, наприклад, частоти і поляризації); використання квантових зв’язків для взаємодії між поодинокими молекулярними електронними пристроями при формуванні на їх основі мережевої системної інфраструктури.

Застосування елементної бази молекулярної електроніки в обчислювальних пристроях нового покоління може внести кардинальні зміни в рішення проблеми створення штучного інтелекту.

Іншим важливим напрямком у розробці та використанні нових наноструктурованих матеріалів в електроніці є створення нанофазних середовищ із специфічними електромагнітними властивостями, що забезпечують ефективну взаємодію з падаючим електромагнітним випромінюванням. Використання специфічних особливостей нанофазних матеріалів дозволить створювати «розумні» адаптаційні матеріали з наперед заданими властивостями, які можуть змінюватися під впливом зовнішнього середовища і, зокрема, зовнішнього електромагнітного поля.

На основі взаємодії таких матеріалів з електромагнітним випромінюванням можна розробляти екологічний захист біооб’єктів, вирішувати завдання перешкодозахищеності, стелс-технологію, створювати радіоелектронні розподілені пристрої нового покоління.

II. Основна частина

Наноструктуровані матеріали. Розробка наноструктурованих матеріалів пов’язана з технологією формування наночастинок. Прийнято відрізняти наночастинки від малих ультрадисперсних частинок, мікрокластерів і т.п.

Наночастки. В рамках феноменологічного підходу наночастинки розглядаються як специфічні псевдомолекули, що відрізняються від справжніх молекулярних сполук непостійністю складу. Розвиток цієї галузі залежить від розробки методів отримання частинок нанометрових розмірів для широкого кола металів і більш складних складів з обов’язковим условіемполученіе частинок з вузьким розподілом за розмірами і від розробки методів стабілізації наночастинок без втрати їх унікальних фізичних параметрів і основних властивостей.

Кордон між наночастинками і класичними дисперсними системами умовно можна провести, використовуючи характер поведінки фізичних параметрів частинок від їх розміру. Існують дві різні області розмірної залежності. Специфічні розмірні ефекти проявляються в малих частках. У цій області домінує нерегулярна залежність ефектів. Область плавної розмірності характеристик в залежності від розміру відповідає великим часткам [1].

Нанофазние середовища. Нанофазние матеріали являють собою речовини з внутрішньою структурою, що має характерні розміри нанометрового масштабу. Структуровані композитні нанофазние матеріали мають специфічні особливості та властивості, відмінні від властивостей речовин, що знаходяться в звичайних фазах, можуть мати відмінні механічні та електрофізичні характеристики в різних частотних діапазонах. Основою наномасштабного структури можуть бути як діелектричні і металеві наночастинки, так і органометалеві молекулярні кластери, що володіють абсолютною ідентичністю.

Структуровані матеріали на полімерній основі широко застосовуються при розробці нових конструкційних матеріалів. Технологія отримання композитних наноструктурованих матеріалів дозволяє використовувати матриці різних типів. Матриць, мають регулярно розташовані порожнини нанометрових розмірів, які необхідні для входження та стабілізації наночастинок, небагато. Найбільш вивчені для цих цілей цеоліти і полімери, у тому числі блок-сополімери. Показано, що наночастинки в таких матрицях зберігають ряд своїх унікальних свойствмагнітние, електрофізичні та ін

Полімерні нанокомпозити характеризуються фрактальної структурою, при досягненні певної порогової концентрації наночасток в обсязі може утворюватися дендритних проводить кластер і електрофізичні властивості середовища можуть різко змінитися. При концентрації наночасток нижче порогової провідність визначається тунелюванням електронів між наночастинками через полімерну матрицю і залежить від відстані між частинками, діелектричної проникності полімеру і роботи виходу наночастинки.

Кластерні речовини. До числа найпростіших систем глобулярного типу, тобто компактним молекулярним комплексам, відносяться кластери. Під кластером розуміється система великого числа пов’язаних частинок. Кластерні молекули відрізняються від інших органічних і неорганічних молекул (і наночастинок) тим, що вони складаються з компактного важкого ядра з близькою до сферичної симетрією, оточеного лигандной оболонкою з легких атомів або найпростіших молекул [2]. Від острівцевих металевих плівок молекулярні кластери відрізняє постійність складу, будови і розміру, хороша розчинність в органічних розчинниках, можливість працювати при звичайних температурах і тиску, легко досягається високий ступінь чистоти використовуваних кластерних сполук.

Кластерні молекули володіють густою сіткою близько розташованих верхніх заповнених молекулярних орбіталей і відповідних їм нижніх вакантних молекулярних орбіталей, які зумовлюють появу в кластерах множинних одноелектронних оборотних переходів і забезпечують достатню стійкість остова кластерних молекул після додавання або видалення електрона. Електрохімічні властивості багатьох таких молекул досить надійно визначені і варіюються в широких межах залежно від природи металу, лігандного оточення і будови кластерів. Можна вважати, що такі кластерні молекули є найбільш вірогідними кандидатами на роль найпростіших “елементів” наноструктур для молекулярної електроніки.

Технологія створення і дослідження електронних наноструктур. Традиційні технології побудови мікроелектронних схем обмежені мінімальним розміром окремого елемента і щільністю їх розташування на поверхні. Це пов’язано з роздільною здатністю нанолітографіческого обладнання, хімічної неоднорідністю шарів і неоднорідністю підкладки. Щільність розташування елементів обмежена також великим питомою тепловиділенням, що призводить до локальних руйнувань в електронних схемах.

Молекулярні об’єкти, придатні для задач наноелектроніки повинні мати наступні специфічними характеристиками:-молекулярні матеріали повинні бути досить технологічними при синтезі, добре відтворюваними і досить стійкими до зовнішніх впливів; окремі молекулярні об’єкти повинні мати малі розміри, щоб забезпечити малу ємність тунельного переходу, при якій енергія перезарядки одним електроном була б менше температурних флуктуацій, що дозволяє працювати при кімнатних температурах;-повинні бути розроблені методи нанотехнології для маніпулювання та іммобілізації таких молекулярних об’єктів [3].

Усім цим вимогам задовольняють так звані малі молекулярні кластери. Для побудови та дослідження електронних пристроїв зі складним тунельним бар’єром з окремих молекул досить перспективним шляхом представляється поєднання нанесення мономолекулярних плівок за технологією Ленгмюра-Блоджетт (ЛБ) з вбудованими в них фуллереноподобнимі і металоорганічних вуглерод кластерами і використання стандартних електронно-літографічних способів створення наноструктур.

Відомо, що при електронному транспорті в молекулярних тунельних наноструктурах вже при кімнатних температурах починають проявлятися різні квантово-розмірні ефекти, наприклад, корелювала одноелектронному тунелювання

[4]. Фізика цього явища полягає в тому, що изза електричної перезарядки дуже малої місткості тунельного переходу С (порядку одиниць аттофаради і менше) при тунелюванні навіть одиночного електрона на переході відбувається зміна елек-

-19

тріческого напруги AV = e / C, де е = 1,6 10 К заряд електрона. При зазначених вище ємностях тунельних переходів цієї зміни напруги достатньо для того, щоб значно впливати на тунелювання наступних електронів в цій системі. У результаті такої взаємодії встановлюється значна кореляція між рухом окремих електронів, при цьому наявність додаткових незалежних електродів, дозволяють індукувати в районі тунельного переходу управляє електричне поле, дозволяє розробити молекулярні електронні прилади з різними сигнальними характеристиками (підсилювачі, тригерні схеми з двійкової і многоразрядной логікою, структури типу клітинних автоматів та ін) Вивчення електронного транспорту через такі тунельні наноструктури в даний час можливе лише за допомогою методів скануючої тунельної мікроскопії та спектроскопії (CTM / CTC).

Для СТМ досліджень формувалася двухбарьерная тунельна структура, що складається з двох несиметричних тунельних переходів, один з яких (подложкакластерная молекула) мав постійні характеристики, а параметри іншого (кластерна молекула-голка СТМ) можна було змінювати. В експериментах використовувалися органометалеві молекулярні кластерні речовини, які становлять компактне металеве ядро (Аі, Pt, Pd), оточене вуглеводневими лігандами. Було проведено вивчення ряду кластерних молекул з приблизно однаковими розмірами, близьких за складом, але з збільшується нукпеарностью металевого ядра. На вольтамперной характеристиці (ВАХ) такий тунельної наноструктури в районі нульових напруг спостерігалася характерна “сходинка”, обумовлена ​​ефектом “кулонівському” блокади.

Одноелектронних молекулярний транзистор. Для реалізації схеми молекулярного одноелектронного транзистора та реєстрації в ньому при кімнатній температурі ефекту управління тунельним струмом за допомогою незалежного джерела напруги була використана планарна система електродів. Виміряні сигнальні характеристики (залежність тунельного струму двухпереходной структури від напруги на керуючому електроді в фіксованої робочої точці ВАХ) показали, що при монотонному зміну керуючого напруги на електроді струм через досліджувану молекулярну транзисторну структуру змінюється періодично. Така поведінка, характерно для одноелектронного транзистора, причому період відповідає зміні ефективного заряду кластера на один заряд електрона.

Оцінка електрометричне чутливості системи з максимальною крутизни сигнальної характеристики і реально спостережуваного шуму з амплітудою -150 пА, обумовленого механічними вібраціями в СТМ, становить -7*10′4 eNHz, що близько до значень для традиційних тонкоплівкових одноелектронних систем [5]. Використовуючи виміряні значення величини кулонівському блокади, розміру “сходинок”, максимальної крутості сигнальної характеристики і періоду сигнальної характеристики, оцінки ємності переходів транзистора і ємності “затвора” (“молекула-електрод управління”) виявилися в гарному порозумінні з реальною геометрією тунельної системи і з теорією одноелектронікі.

III. Висновок

Основною метою даної роботи було дослідження властивостей наноструктурних матеріалів і демонстрація можливості створення стійких відтворюваних тунельних наноструктур з заданим складним тунельним бар’єром на основі молекулярних технологій з кластерних органометалеві молекул, а також дослідження ефектів корельованих тунелювання при кімнатних температурах.

Розробка методів створення наноструктур зі складним тунельним бар’єром і дослідження електронних транспортних процесів дозволяє створити принципову основу для елементної бази наноелектроніки.

Робота виконувалася в рамках програм ІНТАС (N99-864), МНТЦ (N1991) та Програми «низькорозмірних квантові структури» (N9-19).

IV. Список літератури

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

1986.

[2] С. П. Губін, Хімія кластерів. Москва. “Наука”, 1987, с.

260.

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

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

[4] Лихарев KK, Мікроелектроніка, 1987 р., т. 16, вип. 3, с.

195.

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

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

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

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

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

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

Department of Physics, Moscow State University, Moscow, Russia

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

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

I.   Introduction

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

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

II.   Main part

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

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

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

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

III.   Conclusion

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

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.