Физические основы твердотельной наноэлектроники

Наноэлектроника является новой областью науки и техники, формирующейся в настоящее время, на основе достижений физики твердого тела, квантовой электроники, физической химии и технологии полупроводниковой электроники.

Исследования в данной области важны для разработки новых принципов построения сверхминиатюрных, супербыстродействующих устройств получения, передачи, хранения и обработки информации. По мере приближения тезмеров твердотельных структур к нанометровой области все больше проявляются квантовые свойства электрона. В его поведении начинают преобладать волновые закономерности, характерные для квантовых частиц. Если объект имеет атомарный масштаб в одном или двух направлениях, то его свойства будут сильно отличаться от объемных из-за проявления в поведении квантовых закономерностей.

Например, когда хотя-бы один из размеров объекта становится соизмерим с длиной волны де Бройля для электрона, то вдоль этого направления будет происходить размерное квантование. С одной стороны это приводит к нарушению работоспособности классических электронных элементов (диодов, транзисторов), а с другой – открывает перспективы создания новых типов электронных элементов с уникальными свойствами (переключающих, запоминающих, усиливающих и т.п.), которые могут найти применение в информационно-измерительной технике.

Распрстранение волн отдельных электронов в наноразмерных структурах могут сопровождаться явлениями интерференции, возможностью туннелирования через потенциальный барьер и др. Волна, соответсвующая свободному электрону в твердом теле, может распространяться в любом направлении. Ситуация кардинально меняется, когда электрон попадает в структуру, размер которой, по крайней мере, в одном из направлений ограничен и сравним с длиной волны электрона. В таком направлении будут распространяться только те волны, которые имеют кратный размер с геометрическими размерами структуры. Для электронов это означает, что могут иметь только фиксированные значения энергии, т.е. происходит квантование их уровней энергии но вдоль такого квантового шнура могут распространяться электроны с любой энергией.

Примером структур, в которых электрон при своем движении обладает одной степенью свободы являются гетероструктуры с квантовыми нитями, полученные с помощью субмикронной литографии за счет вытравливания узкой полоски из материала. Предельным случаем таких структур является ситуация, когда движение электрона ограничено в трех направлениях. В квантовой точке энергетический спектр дискретен, как в атоме. Поэтому такие квантовые образования называют еще искусственными атомами, хотя каждая такая точка может содержать тысячи и более настоящих атомов.

Размеры квантовых точек составляют несколько нанометров. Подобно настоящему атому, квантовая точка может содержать один или несколько свободных электронов. Эсли, например, один электрон, то она соответствует как бы искусственному атому водорода, если два – отому гелия и т.д.

Взаимодействие электронных волн в наноразмерных структурах как между собой, так и с неоднородностями в них может сопровождаться интерференцией, аналогичной той, которая наблюдается для сетовых или акустических волн. Отличительная особенность такой интерференции заключается в том, что благодаря наличию у электронов заряда имеется возможность управлять ими с помощью локального электростатического или магнитного поля и таким образом влиять на распространение электромагнитных волн.

Уникальным свойством квантовых частиц, в том числе и электронов является способность проникать сквозь потенциальный барьер, даже если энергия электронов недостаточна для его преодоления. Этот эффект (туннельный эффект) наблюдается в случае, когда ширина потенциального барьера соизмерима с длиной волны Де Бройля для электрона.

Квантовое ограничение, в наноразмерных структурах, накладывает отпечаток и на эффект туннелирования в таких структурах. Так, например, квантование энергетических состояний электронов в очень тонких периодически расположенных потенциальных ямах приводит к тому, что туннелирование через них приобретает резонансный характер, то есть туннельно просочиться через такую структуру могут лишь электроны с определенной энергией, т.е. длиной волны.

Другим специфическим проявлением квантового ограничения является одноэлектронное туннелирование в условиях кулоновской блокады. Кулоновская блокада – это явление отсутствия тока при приложении напряжения к туннельному переходу из-за невозможности туннелирования электронов вследствие их кулоновского отталкивания.

Уменьшая линейные размеры электронных приборов, естественно задаться вопросом: возможна ли обработка информации на основе управления отдельными электронами, атомами, фотонами.

Физики давно научились манипулировать, управлять такими частицами. Но в твердых телах отдельные электроны могут легко потеряться в структуре, большое влияниена такие процессы оказывают и тепловые колебания атомов.

В 1986 г. появилась первая публикация об исследовании эффекта коррелированного одноэлектронного туннелирования в диэлектриках. В дальнейшем данный эффект был положен в основу создания моноэлектронного транзистора. На рисунке 8.7представлено устройство такого транзистора и его эквивалентная электрическая схема замещения (ЭЭСЗ).

Рис. 8.7 Схема моноэлектронного эффекта, устройства на его основе.

При размерах гранулы (из индия) около и диэлектрической проницаемости материала туннельного перехода , емкость туннельного перехода составит: . При этом изменение энергии гранулы при одноэлектронном обмене будет сравнимо с энергией теплового шума: