Нанотехнологии полностью

Как уже говорилось выше, электрическая емкость такой системы теоретически представляет собой коэффициент пропорциональности между разностью потенциалов этих проводников и разностью их зарядов (отрицательного и положительного). В простейшей, школьной модели проблема емкости рассматривается на примере двух параллельных обкладок конденсатора, разделенных слоем изолятора. В применении к рассматриваемой структуре, туннелирование одного-единственного электрона между слоями проводников должно приводить к изменению электростатической энергии системы на величину e2/C. Поэтому изменение емкости (которая, напомним, по своей физической природе связана с геометрией) в очень малых системах может оказаться больше, чем характерное значение тепловой энергии (равное 3kT/2), вследствие чего может возникнуть эффект так называемой «кулоновской блокады», уменьшающей проводимость системы для преодоления требуемого электростатического барьера. Этот эффект позволяет экспериментаторам реально регулировать «поштучное» движение электронов вдоль канала проводимости (в данном случае перехода в транзисторе), контролируя тем самым напряжение.

Этот эффект наглядно иллюстрируется данными рис. 15.4, описывающими механизм действия так называемого одноэлектронного транзистора, состоящего из двух туннельных переходов, соединенных проводящим «островком» или «квантовой точкой» с вторичным источником напряжения Vg, присоединенным к системе через дополнительную емкость затвора Cg . Как показано на рисунке, «включение» кулоновской блокады при повышении напряжения на затворе происходит лишь при целочисленных значениях количества электронов, туннелирующих через структуру, что и позволяет осуществлять «поштучное» управление движением электронов. К настоящему времени удалось экспериментально доказать возможность создания множества одноэлектронных вычислительных устройств (транзисторы, устройства накачки, или «насосы», простейшие логические схемы, запоминающие устройства и т. п.), работающих на этом принципе. Более того, некоторые из этих устройств уже сейчас способны функционировать даже при комнатной температуре, что представляется исключительно важным для практического применения, поскольку позволяет отказаться от очень сложной, дорогой и капризной системы криогенного охлаждения. Организация производства одноэлектронных устройств (как и описанных выше структур с квантовой интерференцией) связана с множеством технологических сложностей, вызываемых как случайными флуктуациями, так и очень высокими требованиями к литографической методике. Напомним, что для успешной работы устройств такого типа необходимо, прежде всего, чтобы энергия одноэлектронной «зарядки» структуры превышала тепловую энергию (25 мкэВ при 300 К).

Рис. 15.4. Схема устройства одноэлектронного транзистора (single-electron transistor, SET), состоящего из двух туннельных переходов, соединенных проводящим «островком», на который через емкость затвора подается смещающее напряжение V. Как показано на рисунке слева, в обычном (нерезонансном) состоянии такой системы туннелирование электронов невозможно из-за широкой запрещенной зоны. Подача через затвор на проводящий «островок» требуемого смещающего напряжения создает в системе резонанс (правая часть рисунка), при котором электроны по одному туннелируют через барьер, в результате чего возникают характерные пики проводимости

Другим направлением быстрого и перспективного развития функциональных электронных наноустройств стала самосборка (самоорганизация) разнообразных структур из полупроводниковых нанопроволок (ПНП) и углеродных нанотрубок. Особое внимание в последнее десятилетие вызывали именно ПНП, поскольку выяснилось, что они обладают очень интересными особенностями проводимости (вольт-амперными характеристиками), позволяющими использовать их в качестве резонансных туннельных диодов, одноэлектронных транзисторов и структур с полевым эффектом. В самое последнее время интерес к изучению ПНП дополнительно усилился после того, как была доказана возможность направленной самосборки ПНП в процессе эпитаксиального выращивания.