НАНОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ • Одноэлектронный

НАНОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ • Одноэлектронный транзистор • Наносенсоры • Нанолазер • Эмиссионные наноприборы Наноматериалы и Глава 7 Page нанотехнологии

Наноэлектронные приборы Одноэлектронный транзистор а) схема одноэлектронного транзистора • Э 1 – электрод исток (source) • Э 2 – электрод сток (drain) • Э 3 - электрод - затвор (gate) • К - металлический островк (island) • Д – диэлектрик б) Уменьшение потенциальных барьеров в одноэлектронном транзисторе с помощью поля 2 Наноматериалы и нанотехнологии Глава 7

Наноэлектронные приборы Одноэлектронный транзистор Схема устройства одноэлектронного транзистора 3 Наноматериалы и нанотехнологии Глава 7

Наноэлектронные приборы Одноэлектронный транзистор ВАХ одноэлектронного транзистора Схема устройства одноэлектронного транзистора 4 Наноматериалы и нанотехнологии Глава 7

Наноэлектронные приборы Одноэлектронный транзистор На графитовую подложку с нанесенной на ней пленкой Ленгмюра-Блоджетт (мономолекулярный слой) осаждались кластерные молекулы. Управляющее напряжение подается на золотой контакт- затвор (истоком в данной схеме служит графитовая подложка, стоком игла сканирующего микроскопа). 5 Наноматериалы и нанотехнологии Глава 7

Наноэлектронные приборы Одноэлектронный транзистор На графитовую подложку с нанесенной на зависимость туннельного тока от ней пленкой Ленгмюра-Блоджетт напряжения на затворе (мономолекулярный слой) осаждались кластерные молекулы. Управляющее напряжение подается на золотой контакт- затвор (истоком в данной схеме служит графитовая подложка, стоком игла сканирующего микроскопа). 6 Наноматериалы и нанотехнологии Глава 7

Наноэлектронные приборы Одноэлектронный транзистор Схема прибора и полученные ВАХ в эксперименте с «припаиванием» молекулы к металлическим контактам J. Park et al, Coulomb blockade and the Kondo effect in single-atom transistor, Nature, v. 417, p. 722 (2002) 7 Наноматериалы и нанотехнологии Глава 7

Наноэлектронные приборы Одноэлектронный транзистор Схематическое изображен оптического двухлучевого интерферометра, Схематическое изображение электронного транзистора с квантовым кольцевым контуром. Пропускание интерферометра (оптического или электронного) определяется простой формулой и однозначно зависит от разности набега фаз по двум путям. Транзисторный эффект достигается за счет изменения фазы волны электрона в одном из плеч интерферометра с помощью затворного напряжения, прикладываемого к электроду Э 3 8 Наноматериалы и нанотехнологии Глава 7

Наноэлектронные приборы Одноэлектронный транзистор Схематическое изображение квантового транзистора построенного по принципу интерферометра Фабри- Перо Оптический резонатор, образованный зеркалами М 1 и М 2, реализуется в транзисторе с помощью тонкой проводящей нити — квантовой проволоки длиной L, отделенной от электродов Э 1 и Э 2 полупрозрачными для электронной волны барьерами. Условие максимума пропускания имеет такой же вид, как условие резонанса волны де Бройля в квантовой яме длиной L. Транзисторный эффект достигается путем изменения длины волны электрона с помощью напряжения, приложенного к электроду Э 3. 9 Наноматериалы и нанотехнологии Глава 7

Наноэлектронные приборы Одноэлектронный транзистор исследует «нанозаконы» в макромире • R. G. Knobel and A. N. Cleland, Nature. 2003, 424, 291 • M. H. Devoret and R. J. Schoelkopf, Nature. 2000, 406, 1039 • M. Blencowe, Nature. 2003, 424, 262 10 Наноматериалы и нанотехнологии Глава 7

Наноэлектронные приборы Нанотрубочный транзистор СТМ фотография нанотрубочного транзистора 11 Наноматериалы и нанотехнологии Глава 7

Наноэлектронные приборы Электрический переключатель на основе углеродных нанотрубок • (а) в подложке Si. O 2 протравливают паз глубиной ~20 нм, шириной 100– 300 нм и длиной 10 мкм, который заполняют сплавом Ti/Au, так что поверхность металла, используемого в качестве нижнего электрода, оказывается ниже поверхности подложки на 1 -10 нм. • (b) на поверхности подложки химическим путем протравливают неглубокие треки шириной 100 нм, которые служат ложем для нанотрубок, утапливаемых и закрепляемых в пазах за счет адсорбции. • при этом возможна как двухконтактная (d), так и одноконтактная (е) конфигурация устройства Appl. Phys. Lett. 2005, 87, 193107 12 Наноматериалы и нанотехнологии Глава 7

Наноэлектронные приборы Молекулярный ключ Компьютерное изображение структуры с молекулярным каналом проводимости и нанотрубками в качестве электродов (нанотрубки в свою очередь лежат на контактных дорожках). • Tsukagoshi K. , Yagi I. , Aoygi Y. , Appl. Phys. Lett. 2004, 85, 1021 • Бобринецкий И. И. , Неволин В. К. , Хартов С. В. , Чаплыгин Ю. А. Письма в ЖТФ 2005, 31, 57 • Неволин В. К. , Электронная техника. Сер. 3. Микроэлектроника 1989, № 3, c. 58 • Неволин В. К. , Бессольцев В. А. , Патент РФ № 4905010 с приоритетом от 24. 01. 1991 г. 13 Наноматериалы и нанотехнологии Глава 7

Наноэлектронные приборы Молекулярный ключ АСМ изображения многостенной 1, 2, 3 -ВАХ цепи с молекулярным углеродной нанотрубки до (a) и после проводником при различных напряжениях (b) операции разрезания (слева видна затвора одна из проводящих дорожек) 4 - соответствует молекулярному проводнику в выключенном» состоянии, вызванном резким изменением поперечного электрического поля. 14 Наноматериалы и нанотехнологии Глава 7

Наноэлектронные приборы Полупроводниковые нанопроволочные сенсоры Нанопроволочный p. H -метр: • а) схема действия; • b ) реакция на резкие изменения кислотности среды; • c ) показывает, что p. H можно измерять с высокой точностью Science 2001, 293, 1289 15 Наноматериалы и нанотехнологии Глава 7

Наноэлектронные приборы Полупроводниковые нанопроволочные сенсоры • а) наглядная схема – модифицированная Si -НП (слева) и присоединенный к Si-НП стрептовидин (справа); • b) изменение кондактанса при адсобции 250 н. М стрептовидина на функционализированную Si. Ox - оболочку Si-НП из n - фемтомолярного раствора (n>10) протеина; с) немодифицированная Si-НП: нет протеина – нет и реакции. d) при пропускании над сенсором буферного раствора; • e ) при адсорбции 25 н. М стрептовидина ( n =10). • Proceedings of 40 th Conference on chemical research: “Chemistry on the nanometer scale”, October 21 -22, 1996, Houston, Texas, pp. 165 - 187 (1997). Нанонопроволчный сенсор • Molecular Nanoelectronics, Ed. by M. A. Reed and для белков. T. Lee, American Scientific Publishers, pp. 199 -227 (2003). 16 Наноматериалы и нанотехнологии Глава 7

Наноэлектронные приборы Полупроводниковые нанопроволочные сенсоры Показаны два нанопроволочных прибора (1 и 2), модифицированные различными рецепторами. Дальняя (красная) НП «очувствлена» для захвата вируса «гриппа А» , а ближняя (синяя)– нет. Графики справа показывают, как Si-НП реагируют на адсорбцию и десорбцию одиночного вируса. • 5 Proc. Nat. Acad. Sci. 2004, 101, 14017 / • 6 Proc. Natl. Acad. Sci. 2005, 102, 3208 Схема детектирования одиночного вируса 17 Наноматериалы и нанотехнологии Глава 7

Наноэлектронные приборы Нанотрубка как датчик давления Изображение конструкции датчика состоящего из круглой мембраны из Al 2 O 3 толщиной 100 мкм, к которой с помощью двух золотых электродов прикреплена однослойная УНТ, играющая роль элемента чувствительного к нагрузке Nano Letters 2006, 6, 233 18 Наноматериалы и нанотехнологии Глава 7

Наноэлектронные приборы Нанолазер Поперечный разрез структуры с одиночной квантовой нитью. Процентами указано содержание алюминия. Контурами изображены линии одинаковой плотности фотонов и электронов (на врезке) Appl. Phys. Lett. 2002 81 4937 19 Наноматериалы и нанотехнологии Глава 7

Наноэлектронные приборы Нанолазер Спектр лазерного излучения одиночной Т-образной квантовой нити при 5, 20, 40, и 60 K; b) интенсивность лазерного излучения при 5, 20, 40, и 60 K в зависимости от входной мощности Appl. Phys. Lett. 2002 81 4937 20 Наноматериалы и нанотехнологии Глава 7

Наноэлектронные приборы Вакуумный СВЧ диод с полевым УНТ катодом • а - Поперечное сечение резонатора, используемого для генерации высокочастотного электромагнитного поля. На вертикальной шкале цвет указывает величины приложенного электрического поля (к. В/м). • b - Микроизображение катода с эмиттерами из УНТ. Нанотрубки диаметром 49 нм и высотой 3. 5 мкм расположены на расстоянии 10 мкм друг от друга. Размер масштабной линейки 15 мкм. На вставке представлена фотография 16 катодов. • с) Эквивалентная электрическая цепь (CN – линейка из углеродных нанотрубок) • d - Зависимость плотности тока от напряженности высокочастотного электрического поля, полученная при частоте 1. 5 ГГц. Кружком отмечена точка, соответствующая максимальному току (3. 2 м. А) Nature 2005, 437, 968 21 Наноматериалы и нанотехнологии Глава 7