11.9. Применение одноэлектронных приборов

Возможные области применения одноэлектронных приборов были предсказаны ещё Лихаревым в его первых работах по одноэлектронным эффектам. Так, например, предлагалось использовать одноэлектронные приборы в качестве электрометров вследствие их высокой чувствительности к внешнему заряду. Кроме того, данные устройства могут быть применены в качестве логических элементов цифровых ИС. Очевидно, что упомянутая область применения является наиболее важной. Вообще, большинство работ, связанных с применением одноэлектронных приборов, посвящено именно цифровой электронике. При этом лидирующее положение в этой области исследований занимают японские исследования – научные школы Иошикавы, Фукуи и Наказато.

Научная группа Наказато была единственной, которая реализовала именно практическое применение одноэлектронных логических элементов для ячеек памяти. Ими использовались одноэлектронные приборы, основанные на многотуннельных переходах (или MTJ-приборы), поскольку практическая реализация одиночного туннельного перехода весьма проблематична по причинам, рассмотренным ранее в теоретической части настоящего раздела.

В табл. 11.2 для сравнения приведены параметры быстродействия одноэлектронных приборов в зависимости от площади туннельного перехода и их рабочей температуры.

Структуры на основе одноэлектронного туннелирования (кулоновский барьер) представляются весьма перспективными для создания широкого спектра твердотельных приборов, в том числе ИС нового поколения сверхвысокой степени интеграции. К настоящему моменту известно большое количество конструкций и структур различного типа, конфигураций и назначения. Их число продолжает расти, поэтому рассмотреть даже большинство наиболее типичных устройств в рамках настоящего учебного издания практически нереально. Кроме того, работы по классификации и разработке приборных структур продолжаются, следовательно, не исключено, что в ближайшем будущем появятся новые классификационные и конструктивно-технологические признаки одноэлектронных устройств.

Таблица 11.2

Параметры быстродействия одноэлектронных приборов

	Площадь туннельного перехода	Рабочая температура прибора	Быстродействие (время срабатывания)
Современная нанотехнология	100 х 100 нм	0,15 К	10 пс
Ближайшая перспектива	30 х 30 нм	1,5–7 К	1 пс
Пределы нанолитографии	10 х 10 нм	15–30 К	0,1 пс
Молекулярный уровень	3 х 3 нм	150 К	0,01 пс

Глава 12. Наночастицы и нанокластеры

12.1. Свойства наночастиц и их характеристики

В главе 11 были кратко рассмотрены основы одноэлектроники: теоретические принципы функционирования одноэлектронных устройств, их основные конструкции и классификационные типы. Теперь вполне логичным представляется рассмотреть свойства устройств, которые представляют собой наночастицу (т.е. мы рассмотрели, что происходит внутри наночастицы, а теперь рассмотрим, что происходит с наночастицами в целом). Можно сформулировать следующее рабочее определение (более точного определения пока не существует):

Наночастица – это агрегат атомов с размерами 1-100 нм, который рассматривается как часть объемного материала и имеет размеры, меньше характерных параметров некоторых явлений.

Первая группа объектов, которую мы рассмотрим, это металлические нанокластеры. Их первой важной характеристикой являются так называемые магические числа.

Один из способов получения металлических кластеров приведен на рис. 12.1. Лазерный луч высокой интенсивности падает на образец, вызывая испарение атомов с поверхности металла. Эти атомы уносятся потоком газообразного гелия через сопло. Расширение потока атомов в вакууме приводит к охлаждению потока и образованию кластеров из атомов испаряемого металла. Полученные кластеры ионизируются ультрафиолетовым излучением и попадают в масс-спектрометр через сепаратор для измерения отношения массы к заряду m/. В результате измерений получается так называемый масс-спектр кластеров, который имеет вид, показанный на рис. 12.2.

На рис. 12.2 количество ионов заданной массы представлено как функция количества атомов в кластере, хотя обычно масс-спектр представляют в виде зависимости количества частиц от отношения массы к заряду.

Рис. 12.1. Схема установки для получения нанокластеров методом

лазерного испарения в Не-продувке

Рис. 12.2. Пример масс-спектра нанокластеров свинца

Таким образом, из сравнения интенсивностей пиков видно, что кластеры из 7 и 10 атомов более вероятны, чем кластеры из 14 атомов. Другими словами, вероятность существования таких кластеров с 7 и 10 атомами и их стабильность гораздо выше, чем кластеров с 14 атомами.

Рассмотрим график потенциала ионизации атомов как функцию их номера Z (рис. 12.3, верхняя панель) (напомним, что ионизационный потенциал – это энергия, которую необходимо передать атому для удаления из него внешнего электрона) и зависимость потенциала ионизации наночастицы от количества атомов в кластере (рис. 12.3, нижняя панель). Видно, что пики максимальной интенсивности в обоих графиках наблюдаются для кластеров, состоящих из 2 и 8 атомов. Эти числа и называют ″электронными магическими числами″. Наличие таких чисел позволяет рассматривать кластеры как суператомы. Магические числа в данном случае можно рассматривать как аналог квантовых чисел обычного атома.

Рис. 12.3. Потенциал ионизации атомов как функция их атомного номера

В случае больших кластеров (больше 20 атомов) их стабильность определяется атомной структурой группировки атомов, а магические числа в этом случае называются ″структурными магическими числами″. В результате была предложена так называемая модель ″желе″ для нанокластеров.