Одноэлектроника.

Одноэлектроника– это научное направления, исследующее возможность создания приборов, в которых контролируются перемещения определенного количества электронов, в частности одного.

К.К. Лихарев (1985).

Рассмотрим масштаб напряжений, позволяющих управлять одноэлектронными являениями в нанообъектах. Рассчитаем изменение потенциала наноразмерного шарика при помещении на него одного электрона:

, где- диэлектрическая проницаемость вакуума,- диэлектрическая приницаемость материала шарика (дляGaAs),r- радиус

Если r[нм]:[В], е – заряд электрона.

Основным изучаемм и реализуемым прибором одноэлектроники является тунельный переход электрона между двумя электродами.

Рис.

При увеличении напряжения Vрастет энергия электрического поля между электродами. Вполне возможно, что переход электрона с одного электрода на другой перезарядит электроды так, что напряженность электрического поля уменьшится. При этом перезарядка может осуществляться только порциями заряда, определеямыми количеством перешедших электронов, тогда как накопление заряда может иметь поляризационный механизм и происходить непрерывно. В расчете ихсодим из выражения для энергии конденсатора.

, гдеQ– поляризационный заряд,C– межэлектродная емкость.

.при, следовательно

При достижении порогового напряжения переход электрона будет понижать энергию системы.

Рис.

Из этого анализа следует, что ВАХ рассматриваемой системы должна иметь вид:

Рис.

Явление отсутствие тунельного тока обусловденное электростатическим взаимодействием называется Кулоновской блокадой.

Явление тунельного переноса электрона аналогично явлению «подкапывающего» водопроводного крана.

Условие реализации одноэлектронного тока.

1. Тепловая энергия не должна существенно влиять на перемещение электрона. Данное условие можно записать в виде неравенста: .

: при Т=4,2 [К] -[Ф], при Т=77 [К] -[Ф], при Т=300 [К] -[Ф]

Из приведенных примеров следует, что одноэлектронные являения можно реализовать олько на нарозармерных объектах.

2. Кроме теплового механизма переход электрона возможен через шунтирующие цепи (сопротивление тенульного перехода или внешняя цепь, связаная с источником напряжения).

Оценим сопротивление шунта, не влияющего на данный процесс. В этом случае время тунельного процесса должно быть намного меньше времни перезаряда конденсатора через шунт (именно тогда тунельный процесс будет определяющим в механизме перезаряда).

оценим из соотношений неопределенностей Гейзенберга для времени протекания квантового процесса и энергии в нем.

,, следовательнои[кОм]. Данное условие не является жёстким ограничением, и как правило выполнимо.

Лекции.

Основы зондовой микроскопии.

Идея возникла в 1878 г .у Г. Рорер, Г. Биннинг (получение нобилевской премии в 1886).

Суть метода сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) заключается в анализе тока, полученного в результате туннелирования электронов между поверхностью иследуемого образца и иглой (зондом), находящейся от поверхности на расстонии примерно одного или нескольких атомных диаметров.

Рис. Структурная схема СТМ.

I– туннельный ток,d– расстояние между концом иглы и поверхностью исследуемого образца.

Изменение тока нА.

Таким образом физической предпосылкой визуализации структуры поверхности с атомным разрешением является чрезвычайно сильная зависимость туннельного тока от величины зазора d.

Наиболее часто используются два метода сканирования:

1. С постоянным положением зонда (зонд при сканировании всегда находится в одной и той же лоскости);

2. Метод постоянного тока (зонда вретикально смещается так, чтобы поддердивать с помощью системы обратной связи постоянным тунельный ток).

Рис.

Манипуляторы перемещений зонда в микроскопии.

Для перемещений используют пьезоэлектричесие манипулятры. Пьезоэффект заключаетс в зависимости деформации пьезаэлемента от приложенного к ниму электрического напряжения.

Наболшее распространение получили трубчатые сканеры.

Рис.

Диапазон деформации составляет от 0.01до 1 мкм. (Цирконат–титанат свинца).

Изображенный случай позволяет осуществлять перемещение только вверх-вниз. Трехмерный трубчатый сканер имеет на внешней поверхности четыре секции.

Рис.

При разнополярных напряжениях один край трубки вытягивается, другой ужимается – в результате трубка изгибается. При длине трубки порядка 1 см и изгибной деформациимкм можно считать, что незакрепленный торец перемещается в плоскости. Аналогично реализуется перемещение вдольy(две другие секции). Подача одинакового напряжения на все четыре секции позволяет осуществлять перемещение вдоль осиZ.

Как правило зонд неподвижен, а перемещается столик с образцом.