Введение к работе
Актуальность темы. Современные технологии позволяют создавать электронные устройства нанометровых размеров, для которых существенными могут быть атомная структура, усиление электромагнитных полей в межэлектродных зазорах и дискретная перезарядка ультрамалых емкостей, ведущая к кулоновской блокаде туннелирования электронов. Для выяснения условий наблюдения разнообразных квантовых эффектов в электронном транспорте необходимы экспериментальные и теоретические исследования, конечной целью которых является, например, создание одноэлектронных нанотранзисторов, работающих при комнатных температурах, и униполярных каскадных лазеров. Такие устройства могут быть использованы в качестве элементной базы будущих сверхбыстродействующих ЭВМ и средств связи. Большая трудоемкость изготовления и экспериментального изучения наноструктур, а также сложность аналитического рассмотрения соответствующих задач делают актуальным численное моделирование и разработку компьютерных программ, предназначенных для понимания основных явлений, интерпретации результатов экспериментов, поиска новых физических эффектов и конструкций наноустройств. Особый интерес представляет моделирование одноэлектронного, когерентного резонансного и фотон-ассистированного туннелирования через предельно малые частицы — кластеры и молекулы.
Целью настоящей диссертационной работы является численное моделирование влияния атомно-масштабных неоднородностей, кулоновской блокады и высокочастотных полей на электронную проницаемость наноструктур. Задача включала разработку соответствующих компьютерных программ и сопоставление теоретических расчетов с данными уникальных экспериментов по пропусканию туннельного тока через одиночные молекулы.
Научная новизна работы.
-
Численными расчетами показано, что для наблюдения эффектов кулоновской блокады при комнатной температуре размер металлической гранулы в структуре с двумя туннельными переходами не должен превышать 3-5 нм. Впервые выполнено сравнительное моделирование результатов всех доступных экспериментов по пропусканию туннельного тока через панометровые молекулы и показана непротиворечивость интерпретации ряда вольт-амперных характеристик (ВАХ) в рамках ортодоксальной теории кулоновской блокады. Обнаружено, что интерпретация частых осцилляции dl/dV в туннельном токе через молекулы жидкого кристалла на платине как кулоновской лестницы [19] неправильна. Предложено объяснение этих осцилляции сцепкой электронных и колебательных степеней свободы молекул.
-
Применительно к моделированию уникальных наблюдений по ио-
давлению осцилляции dl/dV при освещении инфракрасным светом молекул жидкого кристалла в зазоре сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) впервые рассмотрены эффекты подавления упругой компоненты резонансного туннелирования, возбуждения неупругого туннелирования с эмиссией фотонов и генерации второй гармоники падающего излучения.
Впервые численно исследовано многоканальное фотон-ассистиро-ванное когерентное электронное туннелирование через реалистические (GaAs/AlGaAs) полупроводниковые гстероструктуры и движение резо-нансов на комплексной плоскости квазиэнергий при изменении амплитуды высокочастотного (ВЧ) поля. Обнаружен эффект полного фотон-индуцированного упругого резонансного туннелирования через слабо проницаемую в отсутствие ВЧ поля симметричную систему четырех барьеров. Впервые показана важность закрытого канала с энергией — hw в рассеянии частиц прямоугольным ВЧ барьером при условии Etvfiuj и получены аналитические выражения амплитуд рассеяния в трехка-нальном приближении.
3. Впервые промоделировано прохождение электронов через молекулу Сбо методом сильной связи с учетом ее атомной структуры и взаимодействия с электродами. Показано, что резонансное прохождение через высшее заполненное состояние (HOMO) и верхний из уровней расщепленной низшей незаполненной орбитали (LUMO) подавлено, если центры полюсных пятиугольников Ссо расположены на оси, соединяющей электроды.
Практическая ценность работы. Разработанный автором комплекс программ позволяет численно исследовать широкий круг квантовых явлений в микро- и наноструктурах и может быть использован экспериментаторами, технологами и студентами. Эффективность применения разработанной автором программы моделирования фотон-
ждается рядом обнаруженных с ее помощью новых физических эффектов [3,9,10,28-31]. Программы и результаты моделирования использо-. ваны в учебном процессе для магистрантов кафедры физики полупроводников НГУ и кафедры полупроводниковой электроники НГТУ На защиту выносятся
-
Расчеты свойств одноэлектронных нанодиодов и наногранзисто-ров и сравнительный анализ измеренных и вычисленных ВАХ для выяснения применимости ортодоксальной теории кулоновской блокады к описанию экспериментов по пропусканию туннельного тока через ультрамалые металлические частицы и молекулы при комнатной температуре.
-
Расчеты энергетического спектра молекулы Сбо и когерентного туннелирования электронов через такую молекулу методом сильной
связи. Сопоставление уровней энергии в Соо с положением пиков резонансного туннелирования, исследование влияния электродов и ориентации молекулы на туннельные спектры.
3. Численное исследование эффектов фотон-ассистированного не
упругого когерентного туннелирования через асимметричные двух- и
трехбарьерные структуры, а также фотон-индуцированной прозрачно
сти упругого канала туннелирования через симметричные четырехба-
рьерные структуры. Вывод формул для коэффициента отражения ча
стиц от прямоугольного ВЧ барьера с помощью системы REDUCE.
4. Программные реализации универсального алгоритма расчета мно
гоканального фотон-ассистированного когерентного прохождения ча
стиц через произвольные одномерно-модулированные квантовые струк
туры (wilti-huj) и алгоритма расчета характеристик одноэлектропных
нанодиодов (СВ2) и нанотранзисторов (СВЗ), учитывающего многие за
рядовые состояния кулоновского острова при высоких температурах.
Алгоритмы и программы расчета электронного спектра (C60L) и элек
тронного туннелирования (С60Т) через молекулу Сбо методом сильной
связи с использованием универсального параметра.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на международных конференциях NANO-II (Москва, 1993), МНСК (Новосибирск, 1994, 1995), «Nanomeeting-95» (Минск, 1995), «Наноструктуры: Физика и Технология» (Санкт-Петербург, 1995,1997), «Сканирующая туннельная микроскопия/спектроско- пия и родственные методы» (Аспен, США, 1995), «Физика низкоразмерных структур» (Дубна, 1995), ISCS-22 «Композитные полупроводники» (Чеджу-до, Корея, 1995), «Основания квантовой механики в свете новых технологий» (Токио, Япония, 1995), «Advanced Physical Fields (Продвинутые физические поля)» (Цукуба, Япония, 1996), EP2DS-12 «Электронные свойства двумерных систем» (Токио, Япония, 1997), на 3-й Российской конференции по физике полупроводников (Москва, 1997), на конкурсе научных работ Института физики полупроводников (ИФП СО РАН, 1997). а также на научных семинарах д.ф.-м.н. 3. Д. Квона и чл.-корр. РАН И. Г. Неизвестного (ИФП СО РАН, 1995-1997), чл.-корр. АТН П. Н. Лускиновича (НИИ «Дельта», НПО Микроэлектроника, Москва, 1993, 1994), и д-ра Нежо (Национальный исследовательский институт металлов, Цукуба, Япония, 1996).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 23 работы, полученные автором основные результаты приведены в [1-10].
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и трех приложений.
Объем диссертации составляет 150 машинописных страниц, в том числе 51 иллюстрация, 1 таблица, список литературы из 147 наименований и 10 страниц приложений.
— 5 —
