Перспективные конфигурации молекулярных транзисторов

Пример кулоновской блокады (когда электроны проходят один за другим между истоком и стоком через молекулы из-за электрон-электронного кулоновского отталкивания, молекула действует как квантовая точка) наблюдалось для таких молекул как фуллерен (С60) и олиго-фенил-винилен (то же что и олиго-фенилен-винилен) oligo-phenyl-vinylene (OPV) , слабо связанных с электродами исток-сток. В последнем случае было обнаружено до 8 последовательных зарядовых состояний молекулы. С молекулами металлоорганических комплексов переходных металлов, например тетрапиридилового комплекса кобальта и комплекса ди-ванадия наблюдали резонанс Кондо (образование связанного состояния между определенным спином молекулы (или острова, или квантовой точки) и электронами в электродах, ведущего к повышению проводимости при низких напряжениях, вплоть до 0 вольт) в дополнение к кулоновской блокаде. Резонанс Кондо наблюдается при увеличении сцепления между молекулой и электродами (например, путем изменения длины изолирующих линкеров между ионами металла и электродами). Использованием такой гибридной кремниево – молекулярной конфигурации транзистора недавно было показано, что возможно электростатически модулировать ток через молекулу путем влияния (gating) на орбиталь с помощью нижнего Si затвора. Такая гибридная кремниево – молекулярная конфигурация транзистора также подходит для изучения и контроля спинового состояния и переноса спина через молекулы.

Были продемонстрированы работающие при комнатной температуре полевые транзисторы на основе самоорганизующихся молекулярных монослоев (SAMFET). Транзисторный эффект наблюдается только при длинах истока и стока меньше, чем приблизительно 50 нм, то есть более или менее соответствующих размерам доменов в хорошо организованном молекулярном монослое. Это является обязательным для укладки молекул в монослой и чтобы получить измеримый ток стока. SAM производных тетрацена, тетратиофена и кватертиофена

тетрацен

были сформированы в этом

нанозазоре.

татратиофен

Один транзистор – на основе молекулы С60 и туннельного микроскопа. Управляющим затвором является напряжение на пьезоэлементе, соединенном с иглой микроскопа, показан также ток через структуру в зависимости от напряжения на таком затворе. Изменение расстояния затвора с помощью V_g приводит к смещению уровней молекулы и к изменению характера транспорта от нерезонансного к резонансному (что приводит к изменению сопротивления от 55 МОм до 13 КОм).

Второй транзистор был реализован в Дельфте (Нидерланды) с одной молекулой в качестве активного элемента. Транзистор сделан из одной большой молекулы — одностеночной углеродной нанотрубки (диаметр 10 Å).

Следует различать металлические и полупроводниковые нанотрубки, их проводимость зависит от угла закручивания нанотрубки , m-n=3p(0,1,2..) –металл, остальные –полупроводники

В данном транзисторе использована полупроводниковая нанотрубка, которая лежит поперек двух металлических контактов (Pt), изготовленных на поверхности SiO₂, напряжение затвора прикладывается к проводящей подложке для инжекции носителей (дырок) в трубку, Такой прибор является аналогом полевого транзистора р-типа, при этом сопротивление прибора меняется на несколько порядков в зависимости от напряжения на затворе Важно отметить, что прибор работает при комнатной температуре, рабочая частота 0,1 ТГц определяется, в основном, сопротивлением контактов (1 Мом). Если сопротивление контактов будет уменьшено и реализован квантовый предел сопротивления (10 Ком), это позволит прибору работать с максимальной частотой 10 ТГц.

Из-за наличия щели (запрещенной зоны) при обычных условиях концентрация носителей в зонах мала и нанотрубка обладает высоким сопротивлением. При подаче на третий электрод (затвор) электрического потенциала U в области нанотрубки возникает электрическое поле и изгиб энергетических зон изменяется. При этом концентрация дырок в валентной зоне (и соответственно электропроводность) возрастает по экспоненциальному закону со смещением края зоны относительно уровня Ферми. При потенциале затвора около –6 В концентрация дырок достигает максимального значения, сопротивление - минимального, а нанотрубка становится металлической.

При создании полевого транзистора на металлической нанотрубке используются эффекты туннельного переноса электронов через нанотрубку по отдельным молекулярным орбиталям. Из-за конечной длины нанотрубки ее электронный спектр дискретен, с расстоянием между отдельными уровнями ~1 мэВ при длине нанотрубки ~1 мкм. Такой характер расщепления уровней, конечно, не сказывается на электропроводности нанотрубки, например, при комнатной температуре (0.025 эВ), но полностью определяет ее электрические свойства при температуре ниже 1 К.

Продолжаются исследования углеродных нанотрубок для создания гетероперехода внутри самой трубки. Один из подходов заключается в связи двух трубок с различными свойствами через топологический дефект, содержащий 5-ти и 7-ми атомные кольца вместо двух 6-ти атомных. При этом одна часть нанотрубки (до дефекта) оказывается полупроводниковой, другая — металлической. Таким образом внутри одной молекулы формируется гетеропереход металл-полупроводник, который работает как выпрямитель. Другой подход связан с созданием перехода путем деформации нанотрубки ( с помощью иглы туннельного микроскопа),

Следующим шагом к созданию молекулярной микроэлектроники будет создание молекулярных цепей, где в качестве молекулярных проволочек выступают полимеры и углеродные нанотрубки. Предлагается также подход, связанный с самоорганизацией молекул с помощью химических реакций. На рис схематически показана возможная цепь с трех-терминальными молекулярными приборами, полученная с помощью химических реакций между золотом и тиолом, а также между кремнием и органической кислотой.