Исследование электронного транспорта в планарных наноструктурах молекулярного масштаба

Степанов, Антон Сергеевич

Исследование электронного транспорта в планарных наноструктурах молекулярного масштаба тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Степанов, Антон Сергеевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2014 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование электронного транспорта в планарных наноструктурах молекулярного масштаба»

Автореферат диссертации на тему "Исследование электронного транспорта в планарных наноструктурах молекулярного масштаба"

На правах рукописи

Степанов Антон Сергеевич

Исследование электронного транспорта в планарных наноструктурах молекулярного масштаба

01.04.04 — физическая электроника 01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 ^ АПР 2014

Москва-2014

005547277

Работа выполнена в Центре фундаментальных исследований Национального исследовательского центра "Курчатовский институт"

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, Снигирев Олег Васильевич

кандидат физико-математических наук, Солдатов Евгений Сергеевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой общей и экспериментальной физики Московского педагогического государственного университета

Гольцман Григорий Наумович

кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией физических свойств нанокомпозитных материалов для информационных технологий Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук

Колесов Владимир Владимирович

Ведущая организация: Физико-технологический институт

Российской академии наук

Защита состоится «5» июня 2014 года в 17-00 на заседании диссертационного совета Д 501.001.66 при Московском государственном университете имени М.ВЛомоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр.2, Физический факультет МГУ, ауд. СФА.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке МГУ имени М.В.Ломоносова и на сайте phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-001-66/ .

Автореферат разослан «3» апреля 2014 года Ученый секретарь

диссертационного совета Д 501.001.66,

кандидат физико-математических наук // И.Н.Карташов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Идея о том, что молекулы и квантовые точки могут проводить электрический ток, была высказана достаточно давно. Однако именно сейчас эта возможность становится особенно актуальной. Молекулы, молекулярные соединения и наночастицы обладают фактически неисчерпаемым разнообразием электрических, оптических, магнитных свойств и характеристик. Это дает возможность рассматривать их как перспективных кандидатов на создание электронных элементов - выпрямителей, диэлектриков, транзисторов и ячеек памяти следующего поколения. Предельно малые размеры (до 1 нм и меньше) молекулярных соединений, одиночных молекул или малых наночастиц позволяют говорить о возможном получении сверхплотной упаковки таких элементов на поверхности (Ю12 - 1013 на см2). Исследование свойств молекул (или ее аналогов в виде наночастиц) на основе химических реакций дало довольно много для понимания их свойств и характеристик молекул, но задумываться об их практическом применении в электронных устройствах нельзя без возможности прямого исследования электронного транспорта через одиночные молекулы и молекулярные соединения. Чем ближе такие прямые исследования будут к традиционным методам изучения полупроводниковых материалов, тем легче в будущем молекулы найдут практическое применение в реальных цифровых устройствах.

Сейчас поиск и исследование молекулярных соединений перестают быть уделом научного сообщества. Большие полупроводниковые компании активно ищут новые подходы к созданию новой элементной базы. На данный момент при производстве заказных микросхем используются технологические нормы 22 нм. Дальнейшие увеличения плотности элементов и тактовой частоты микросхем невозможны без уменьшения технологических норм. Крупнейшие компании планируют переход на производственную норму 14 нм в ближайшем будущем. При размерах менее 14 нм все отчетливее становится понятна непригодность традиционных подходов к созданию полупроводниковых устройств. На столь малых масштабах начинает существенно проявляться влияние примесей в полупроводниковых материалах, падает качество изолирующих слоев, возникают сложности в процессе литографии и совмещения разных слоев масок между собой.

При проектировании элементов с размерами менее 10 нм открывается возможность использования новых физико-технических подходов к создаваемым

устройствам. В том числе становится возможным использование одиночных молекулярных кластеров в качестве рабочих элементов. В последнее время стали появляться работы по конструированию электронных устройств на наноуровне, в частности, путем размещения с помощью иглы атомно-силового микроскопа одиночных протеиновых белков (10 нм) между металлическими электродами. Более того, недавно с помощью сканирующего туннельного микроскопа и водородной литографии в зазор между электродами, образующими исток-сток транзистора, был помещен одиночный атом фосфора и исследован транспорт электронов через него. Однако эти способы очень экзотичны и трудно проецируются на производственные технологии.

Более перспективным направлением может стать использование эффекта коррелированного туннелирования электронов в туннельных наноструктурах. Как показано в настоящей диссертации, это направление совместимо с современными технологиями создания комплементарных структур металл-оксид-полупроводник (КМОП) и может стать основным для создания электронных устройств нового поколения. Устройства на основе данного эффекта, так называемые одноэлектронные транзисторы, имеют малый размер (единицы и десятки нм), сравнимый с размером больших молекул или малых наночастиц, и беспрецедентно низкий уровень выделяемого тепла (нВт). Таким образом, крайне актуальными являются задачи создания планарных туннельных наноструктур молекулярного (нанометрового) масштаба и исследования их электрических характеристик.

Основным элементом электронных схем являются транзисторы. Поэтому создание лабораторного макета планарного транзистора, в котором используется эффект коррелированного туннелирования электронов, очень актуально. Такой транзистор может стать одним из основных элементов пост-КМОП технологии.

Первый Зх-мерный прототип такого одноэлектронного транзистора был реализован с использованием сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). В эксперименте транзистор представлял собой молекулу таллиевого производного карборанового кластера 1.7-(СН})2-1.2-С2ВшН9Т1(ОСОСР})2, слабо связанную туннельными переходами с проводящей подложкой с одной стороны и иглой микроскопа с другой. Затвором для данного транзистора служил металлический электрод, находящийся близко к используемой в качестве «острова» транзистора молекуле. В таком Зх-мерном лабораторном макете транзистора удалось наблюдать коррелированный транспорт одиночных электронов через молекулу-

остров с регистрацией характеристик управления при комнатной температуре, предельно высокой для эффекта коррелированного туннелирования электронов.

Понятно, что построение каких-либо устройств на базе такого транзистора возможно только при его планарной реализации.

Основными элементами одноэлектронного транзистора являются центральный остров (наночастица или молекула) и туннельные переходы к подводящим металлическим электродам истока и стока. Размер наночастицы или молекулы, как центрального острова, по сути, влияет на размер всей структуры в целом и, самое главное, определяет максимальную температуру, при которой устройство еще сохраняет свою работоспособность в режиме коррелированного (одноэлектронного) туннелирования. Оценки показывают, что одноэлектронный режим работы такого транзистора при комнатной температуре реализуется при размере центрального острова меньше 3 нм. Именно при этом условии такой транзистор, выполненный по планарной технологии, будет иметь практическую ценность и возможность применения в различных устройствах наноэлектроники. Указанный выше размер острова (3 нм) приводит на первом этапе к задачам создания и исследования транспорта электронов в наноструктуре электрод -молекула (или наночастица) - электрод.

Целью работы являлись поиск и разработка практических методов создания наноструктур на основе одиночных молекул (наночастиц)- и исследование особенностей электронного транспорта в наноструктурах молекулярного масштаба.

Для достижения этой цели в диссертации решались следующие задачи:

1. Поиск и разработка лабораторной технологии создания тонкопленочной многослойной структуры надежно изолированных друг от друга нанопроводов (с ширинами менее 100 нм), пригодных для создания электродов нанотранзистора.

2. Создание установки (стенда), позволяющей проводить электромиграцию атомов в нанопроводах и обладающей способностью быстро отслеживать изменение состояния нанопроводов для обеспечения контроля над процессом их разрыва. Установка должна обладать возможностью измерений электрических характеристик туннельных наноструктур и иметь для этого достаточно большое входное сопротивление (более 10 ГОм).

3. Исследование процесса разрыва тонких металлических пленок методом электромиграции с целью создания лабораторной технологии контролируемого разрыва тонкопленочных нанопроводов и получения в них предельно малых (5 - 6

нм) нанозазоров, пригодных для размещения одиночных молекул или наночастиц с размерами 2-3 нм.

4. Определение внешних условий и параметров контролируемого разрыва нанопровода и получения нанозазора для обеспечения статистической достоверности результатов эксперимента и возможности дальнейшего использования таких нанозазоров при построении наносистем молекулярного масштаба.

5. Исследование свойств поверхности тонких металлических пленок и исследование способов закрепления малых (менее 5 нм) наночастиц на поверхности таких пленок. Разработка экспериментальной методики размещения одиночных молекул или малых наночастиц в получаемых нанозазорах.

6. Исследование электронного транспорта при комнатной температуре через наноструктуры на основе одиночных молекул/наночастиц и выявление его особенностей.

Научная новизна исследования определяется тем, что в работе впервые было продемонстрировано следующее:

1. Разработана новая лабораторная технология изготовления интегрированной трехэлектродной системы, состоящей из узких (50 нм) и тонких (15 нм) электродов исток-сток с расстоянием менее 5 нм между ними, изолированных от электрода управления диэлектрическим слоем толщиной менее 10 нм.

2. Спроектирована и создана автоматизированная установка, позволяющая проводить процесс электромиграции контролируемым образом, а также проводить измерения образцов с сопротивлениями более 10 ГОм.

3. Предложен и реализован алгоритм контролируемого проведения процесса электромиграции золотых нанопроводов, пригодный для изготовления статистически значимых количеств (-100 единиц) образцов с производительностью 1 образец/час.

4. Определен диапазон оптимальных параметров для стабильного получения нанозазоров с размером менее 5 нм в тонких нанопроводах с выходом годных образцов более 75 %.

5. Предложена и разработана методика размещения и закрепления малых (2 - 3 нм) наночастиц золота в нанозазорах.

6. Совместное применение всех упомянутых выше методик позволило получить лабораторные макеты планарных нанотранзисторов на основе

одиночных наночастиц золота диаметром около 3 нм, помещенных в нанозазоры сток-исток размером менее 5 нм.

7. Продемонстрирован одноэлектронный транспорт электронов в изготовленных макетах планарных нанотранзисторов (наноструктурах наноэлектрод-золотая наночастица-наноэлектрод (размер наночастицы 2-3 нм)) при комнатной температуре.

Практическая значимость результатов исследования заключается в том, что предложен способ создания многослойных планарных наноэлектродов, образующих исток, сток и затвор одноэлектронного транзистора, допускающих размещение наночастицы или молекулы размером 2-3 нм в зазоре менее 5 нм между истоком и стоком транзистора.

Созданные наноструктуры позволяют исследовать управляемый электронный транспорт через малые наночастицы и даже через одиночные молекулы. Предложенный способ пригоден для создания прототипов цифровых и аналоговых устройств нового поколения. Использование современных методов электронной литографии высокого разрешения и стандартных для электронной промышленности методик изготовления наноструктур дает возможность промышленного изготовления подобных элементов наноэлектроники.

Разработанный алгоритм проведения электромиграции для получения зазора между электродами истока и стока транзистора является полностью автоматизированным и позволяет получать большой выход годных образцов (более 75%), что также немаловажно для практического применения. Разработанная методика осаждения наночастиц с диаметром 2-3 нм в зазор между истоком и стоком открывает новые возможности к построению на их основе различных устройств: планарных одноэлектронных схем, чувствительных биосенсоров и блоков памяти сверхвысокой емкости.

Положения, выносимые на защиту:

1. Созданная лабораторная методика позволяет получать и изучать наноструктуры на основе одиночных молекул/наночастиц предельно малых размеров (2-3 нм).

2. Изготовленные многослойные системы планарных металлических наноэлектродов, изолированных друг от друга, с нанозазорами сток-исток менее 5 нм пригодны для создания одноэлектронного транзистора.

3. Разработанная методика размещения и закрепления малых наночастиц золота (2-3 нм) в нанозазоре между электродами позволяет получать лабораторные макеты одноэлектроных транзисторов.

4. Разработанная экспериментальная установка и методика измерений пригодна для исследования электронного транспорта через наночастицы и молекулы и позволяет измерять электрические характеристики созданных устройств с высокой чувствительностью (входное сопротивление 100 ГОм, время реакции менее 20 мкс, контроль тока на уровне 100 фА).

5. Разработанный алгоритм и подобранные параметры проведения управляемого процесса разрыва тонкопленочного нанопровода для получения в нем нанозазора (менее 5 нм) с выходом годных образцов более 75% пригодны для формирования одноэлектронного транзистора.

6. Измеренные характеристики транспорта электронов через изготовленные наноструктуры на основе одиночных наночастиц демонстрируют одноэлектронный транспорт при комнатной температуре 300 К.

Достоверность полученных результатов в работе обеспечена совпадением экспериментально измеренных электрических характеристик с теоретически предсказанными значениями и зависимостями, а также совпадением с экспериментальными и теоретическими данными, известными из литературы.

Личный вклад автора

В диссертации приведены результаты, полученные непосредственно автором или при его активном участии. Соискатель принимал непосредственное участие в постановке задач, проведении экспериментов, проектировании и создании экспериментальной установки, обработке и анализе результатов, подготовке статей и докладов на конференциях.

Апробация работы Результаты работы были доложены на XIV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов 2007», международной конференции «Микро и Нано электроника 2007», международной конференции «Микро и Нано электроника 2009», международной конференции «Сверхпроводимость и магнетизм 2010», международной конференции «Микро и Нано электроника 2012», XIV Всероссийской научной школе-семинаре «Физика и применение микроволн» («Волны-2013»).

Результаты диссертационной работы представлены в 9 публикациях, включая 3 статьи в рецензируемых журналах, 3 публикации в рецензируемых трудах конференций, тезисы докладов на 3 международных конференциях.

Исследование имеет следующие структуру и объем. Диссертация содержит введение, пять глав, заключение, список опубликованных работ автора и список использованной литературы. Текст диссертации изложен на 137 страницах, включающих 50 рисунков. Библиография включает 109 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность и важность проведенного в работе исследования. Обозначены цели, задачи и объекты исследования. Изложена краткая структура диссертации, продемонстрированы научная новизна и практическая значимость результатов исследования. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту, доказана достоверность полученных результатов, приведена апробация работы, а также приведен список печатных работ и докладов на конференциях, в которых отражено основное содержание диссертации.

Первая глава состоит из пяти частей, содержит обзор современных подходов к построению пост-КМОП электронных устройств. Приведена классификация и дан обзор литературы по различным методам создания электродов планарных транзисторов. Обозначены основные недостатки большинства методов и преимущества техник и методов, разработанных в данной работе.

В первой части этой главы рассматривается метод получения нанозазора путем механического разрыва тонкой пленки, описываются основные недостатки данного метода, заключающиеся в сложности дальнейшего использования полученного нанозазора. Обсуждаются возможные пути решения представленной проблемы.

Во второй части приводится обзор статей по более технологичным (с помощью применения стандартных литографических техник) методам создания нанозазора между электродами. Рассматривается не только применение электронно-лучевой литографии, но также абляция тонких пленок с помощью сфокусированного пучка тяжелых ионов. Обсуждаются преимущества и недостатки данных методов.

В третьей части первой главы рассмотрен способ получения нанозазоров путем электрохимического осаждения дополнительных слоев металла на близкорасположенные электроды. Указаны особенности реализации данного метода и основные сложности в дальнейшем использовании таких зазоров.

В четвертой части приведен обзор метода сужения зазоров между электродами при помощи термического напыления дополнительных слоев металла в исходный широкий зазор. Даны ссылки на последние работы с использованием данного метода, а также рассмотрены недостатки его применения.

В пятой части первой главы приведен обзор эффекта электромиграции атомов металла. Приведены ссылки на попытки использования данного эффекта для создания электродов транзистора. Обсуждаются недостатки и преимущества данного метода.

В заключении первой главы сделан вывод о преимуществе метода на основе эффекта электромиграции для создания нанозазоров в лабораторных условиях.

Во второй главе представлена разработанная технология создания интегрированной системы планарных наноэлектродов. Глава состоит из двух частей.

В первой части второй главы описаны результаты исследования одно- и двух- слойных полимерных маскок, необходимых для формирования электродов и нанопроводов различной геометрии (от крупных контактных площадок с размером 1.5 мм и толщиной 50 нм до тонких (15 нм) золотых нанопроводов 50 нм шириной). Определены оптимальные параметры нанесения, засветки (УФ и электроннолучевой литографии) и проявления масок на основе ПММА (электронный резист МютосИет РММА 950 С2) и ММА (сополимер МюгосЬет 8.5ЕЫ 1) для получения ровных краев создаваемых нанопроводов:

- для крупных контактных площадок (1 - 2 мм) и грубой разводки подводящих электродов (более 10 мкм) толщиной до 100 нм оптимальным является применение двухслойной маски ПММА/ММА с параметрами нанесения нижнего слоя ММА - 400 нм, 5000 об/м, 90 сек., параметрами стеклования - 160 С, 20 мин., параметрами нанесения верхнего слоя ПММА - 50 нм, 3000 об/м, 30 сек., параметрами стеклования - 140 С, 10 мин., параметрами УФ литографии - УФ 290 нм, 2 минуты, 25 - 27 мВт/см2, параметрами проявления - толуол.тпирт (1:3), 20 С, 25 сек + 5 сек (УЗ), максимальная толщина пленки металла - 100 нм.

- для микронных (1-2 мкм) и субмикронных (200 ни - 1 мкм) нанопроводов толщиной 50 - 60 нм оптимальным является применение двухслойной маски

ПММА/ММА с параметрами нанесения нижнего слоя ММА - 400 нм, 5000 об/м, 90 сек.), параметрами стеклования - 160 С, 20 мин., параметрами нанесения верхнего слоя ПММА - 50 нм, 3000 об/м, 30 сек., параметрами стеклования - 140 С, 10 мин., параметрами электронно-лучевой литографии - 20КВ, 20 пА, 300-550 мкКл/см2, параметрами проявления - толуол:спирт (1:10), 20 С, 55 сек + 5 сек (УЗ) + 55 сек + 5 сек (УЗ), максимальная толщина пленки металла - 100 нм.

- для тонких (15 нм) и узких (50 нм) нанопроводов оптимальным является применение однослойной маски ПММА с параметрами нанесения - 50 нм, 3500 об/м, 45 сек., параметрами стеклования - 160 С, 10 мин, параметрами электроннолучевой литографии - 10КВ, 90 пА, 1100 мкКл/см2, параметрами проявления -толуолхпирт (1:10), 20 С, 55 сек + 5 сек (УЗ) + 55 сек + 5 сек (УЗ), максимальная толщина пленки металла - 20 нм.

Преимуществом найденных параметров применения двухслойной полимерной маски ПММА/ММА является обеспечение нависания верхнего слоя полимера над поверхностью образца. Это дает возможность создавать нанопровода толщиной до 100 нм с ровными краями.

На рисунке 1 приведена последовательность основных этапов создания одного слоя нанопроводов с применением двухслойной полимерной маски ПММА/ММА.

Рис. 1. Упрощенная схема технологического маршрута изготовления наностурктуры каждого слоя нанопроводов а) формирование 2х слойной полимерной пленки б) формирование геометрии нанопроводов с помощью электронно-лучевой литографии в) напыление тонкой пленки золота г) удаление

полимерной маски

Во второй части главы описана предложенная и реализованная техника построения многослойных интегрированных структур.

Для создания интегрированной системы нанопроводов (с изолированным электродом управления) на этапе формирования нанопроводов нижнего слоя были дополнительно сформированы четыре металлических метки (маркера) и специальная точка фокусировки. В тексте диссертации приведено подробное описание разработанной методики совмещения слоев между собой с помощью электронно-лучевой литографии. Анализ общего количества технологических этапов, необходимых для изготовления планарного нанотранзистора, и сложность точного (± 100 нм) совмещения каждого слоя нанопроводов привели к предложенной и реализованной методике покрытия металлического электрода управления слоем диэлектрика в процессе формирования самого наноэлектрода (рисунок 2). За счет этого количество технологических этапов изготовления планарного нанотранзистора удалось сократить с 5ти до 4х.

Рис. 2. Планарные нанопровода, выполненные по многослойной (4 слоя) технологии ( (а) - иллюстрация методики создания 4х слоев (1 - создание грубой структуры подводящих электродов, 2 - формирование изолированного электрода управления, 3 - создание тонких (15 нм) и узких (50 нм) нанопроводов, 4 -создание нанопроводов межсоединений)), (б) - снимок реального образца (управляющий электрод выделен красным цветом, нанопровода - зеленым

цветом)).

В предложенной методике на одном технологическом этапе (без повторного нанесения полимерной маски и разрыва вакуума в установке) сначала способом термического напыления формировался управляющий электрод А1 (30 нм) с адгезионным подслоем Сг (2 нм). Затем созданный электрод управления изолировался натуральным оксидным слоем, выращенным в атмосфере 02 при давлении 8*10"3 мбар в течение 20 минут, и дополнительным слоем А1203,

напыленным термическим способом под углом относительно вертикали (2 х 4 нм (± 1.5 град)).

Продемонстрирована возможность надежного изготовления тонких (15 нм) и узких (50 нм) золотых нанопроводов (заготовок для создания электродов нанотранзистора) на поверхности А1203 (слой изоляции электрода управления) без использования дополнительных металлических адгезионных слоев, что является важным в дальнейшем использовании таких электродов/нанопроводов для исследования электронного транспорта в молекулярных системах. Электрические измерения полученных нанопроводов (сопротивление порядка 500 Ом) свидетельствуют о высоком качестве получаемых металлических пленок (5x10"5 Ом* см). Изоляционные свойства диэлектрической прослойки (А1203 толщиной 8 нм), созданной между управляющим затвором и наноэлектродами, демонстрирует ее пригодность (сопротивление межслойной изоляции > 100 ГОм) для дальнейшего применения в различных устройствах.

Рис. 3. Снимок РЭМ тонкого (15 нм) и узкого (50 нм) нанопровода-заготовки для создания наноэлектродов транзистора методом электромиграции.

В заключении второй главы приведены основные характеристики и преимущества предложенных и реализованных методик изготовления заготовок (одна из таких заготовок приведена на рисунке 3) для планарных наноэлектродов транзистора.

В третьей главе, состоящей из трех частей, описаны предложенные методики создания системы наноэлектродов, проведения процесса электромиграции в

созданных нанопроводах и проведения процесса саморазрыва золотых нанопроводов.

Во введении к главе приведены сведения из литературы о природе эффекта электромиграции, перечислены основные факторы, способствующие его проявлению.

В первой части главы приведено описание предложенной в работе геометрии нанопроводов-заготовок для создания наноэлектродов планарного нанотранзистора. Данная геометрия (50 нм ширина, 500 нм длина, 15 нм толщина) золотых заготовок-нанопроводов, соединенных с относительно массивными нанопроводами межсоединений (200 нм ширина, 60 нм толщина), способствует образованию нанозазора в именно нанопроводах-заготовках. Локализация места разрыва обеспечивается созданием тока высокой плотности (108 А/см2) через узкие нанопровода и эффективным отводом тепла от них на более толстые нанопровода межсоединений. Приведенные в работе оценки скорости протекания процесса разрыва пленки (перестройка 105 атомов пленки за 50 мс) определили требования к экспериментальному оборудованию, созданному нами с целью получения контролируемого процесса разрыва тонкой золотой пленки.

В этой же части главы дано описание разработанной экспериментальной установки (рисунок 4а), обеспечившей контролируемое (за счет достигнутого малого времени реакции (20 мкс)) проведение процесса электромиграции нанопроводов.

Рис. 4. а - Блок схема экспериментальной установки, б - Схема алгоритма проведения электромиграции в нанопроводах.

Во второй части главы приведен предложенный и реализованный алгоритм (рисунок 46) проведения электромиграции и приведены его параметры, оптимизированные с целью получения узких (менее 5 нм) нанозазоров с большим выходом годных образцов (более 75 %).

Предложенный алгоритм проведения электромиграции заключается в ступенчатом повышении напряжения подаваемого на нанопровод-заготовку (шаг 1 мВ со скорость 120 мВ/с) и постоянно повторяющемся (период 10 мкс) измерении сопротивления нанопровода. При изменении сопротивления более чем на 1% относительно начального значения сопротивления (~ 500 Ом) нанопровода, внешнее воздействие с нанопровода снималось (время обратной связи 20 мкс). Проводилось измерение вольтамперной характеристики нанопровода в диапазоне напряжений, при которых электромиграция заведомо не происходит (до 50 мВ), и определение нового значения сопротивления заготовки. После этого весь процесс электромиграции повторялся снова. Таким способом за несколько десятков итераций удавалось существенно деформировать нанопровод-заготовку и получать нанозазоры шириной менее 5 нм.

Кроме этого, была обнаружена непригодность использования стандартной технологии напыления золотой пленки с адгезионными слоями Сг и Т\ для получения наноэлектродов методом электромиграции. Продемонстрирована возможность использования тонких слоев диэлектрика А120з в качестве адгезионного слоя между подложкой ЗЮ2 или управляющим электродом из А1 и тонкой металлической пленкой золота.

В третьей части главы приведено исследование динамики саморазрыва пленки на заключительном этапе процесса электромиграции. На рисунке 5 представлен график саморазрыва одного из образцов. С течением времени происходит разрушение отдельных квантовых каналов проводимости в образованном в ходе электромиграции месте сужения нанопровода. Проводимость нанопровода на рисунке нормирована на проводимость одиночного квантового канала. Каждая ступенька графика соответствует всего нескольким сохранившимся квантовым каналам проводимости. Под действием остаточных напряжений в месте сужения нанопровода происходит разрыв ковалентных связей отдельных атомов и общая проводимость нанопровода дискретно уменьшается (наблюдение процесса обеспечивается за счет приложенного малого напряжения (3 мВ)). При этом процесс саморазрыва иногда бывает обратим, и на графике видны кратковременные увеличения проводимости нанопровода. Сопротивление нанопровода до начала процесса саморазрыва (2-3 КОм) молено однозначно связать с количеством сохранившихся после электромиграции квантовых каналов проводимости и, как следствие, с типичным временем (30 - 60 мин) их разрушения под влиянием остаточных напряжений в пленке золота после проведения процесса электромиграции.

- - - -- -- - --- —

»-

¥-

-№**

Д",

_ Ш <1 -

Рис.5. Динамика процесса саморазрыва пленки по завершении процесса электромиграции. Четко видно скачкообразное изменение проводимости в разрываемой пленке, обусловленное разрушением одиночных каналов проводимости (во -проводимость квантового канала)

В заключении третьей главы описаны преимущества предложенного алгоритма электромиграции. Доказывается пригодность полученных малых нанозазоров (менее 5 нм с выходом годных более 75 %, рисунок 6) для построения на их основе наносистем молекулярного масштаба и дальнейшего исследования характеристик таких систем.

Рис. 6. Нанозазор 3 нм между золотыми наноэлектродами, созданный с помощью управляемого проведения процесса электромиграции

В четвёртой главе рассмотрена реализованная методика осаждения объектов молекулярного масштаба (наночастиц) в области созданных нанозазоров. Во введении приведен обзор известных из литературы различных методик осаждения наночастиц на поверхность, указаны основные преимущества и недостатки данных методик.

В первой части четвертой главы описывается реализованная методика получения атомарно гладкой поверхности золотой пленки (0.2 нм на площадях с размерами до 50 - 100 нм) на поверхности слюды, пригодная для изучения механизмов закрепления наночастиц на поверхности золотых пленок.

В ходе работы определена оптимальная для получения практически атомарно гладкой поверхности золотой пленки длительность отжига пленок при фиксированных параметрах пленки (толщина - 20 нм) и подложки (слюда 8 х 8 мм толщиной 0.2 мм). При отжиге образца в пламени газовой горелки (35% пропан, 65% бутан, температура -700 С) определенная длительность составила 0.5 - 1 с, при отжиге на керамической плитке определенные оптимальные параметры температуры и длительности отжига составили 250 С и 2 часа соответственно.

Во второй части четвертой главы приведено описание разработанных методик размещения и закрепления наночастиц золота в созданные узкие (менее 5 нм) нанозазоры между тонкопленочными золотыми наноэлектродами. Данные методики являются заключительным этапом в создании одной из систем молекулярного масштаба - пленарного одноэлектронного транзистора. В работе были использованы золотые наночастицы промышленно изготовленные (фирмы Sigma-Aldrích) с диаметрами 2 - 3 и 3 - 5 нм, покрытые оболочкой из додекантнолов ((Аи)-8СН2(СН2)к|СН3).

Показано преимущество эффективности осаждения наночастиц в нанозазоре гравитационным методом (оседание частиц из раствора с последующим высушиванием остатков раствора) перед нанесением методом центрифугирования.

Подобраны концентрации малых (2 - 3 нм и 3 - 5 нм) наночастиц, подходящие для создания наносистем молекулярного масштаба, в частности, для создания одноэлектронного транзистора с зазором сток-исток менее 5 нм определена оптимальная (одна наночастица на площадь 20 нм х 50 нм, охватывающую нанозазор) концентрация наночастиц в растворителе 0.01 мг/мл.

В заключении четвертой главы представлено сравнение различных примененных методик осаждения наночастиц на поверхность золотых электродов. Применение гравитационного метода осаждения малых наночастиц золота (2-5 им), покрытых оболочкой из додекантнолов, при концентрации частиц в

растворителе 0.01 мг/мл обеспечивает создание наносистем молекулярного масштаба на основе одиночных наночастиц.

В пятой главе исследуется транспорт электронов через полученные предельно малые зазоры (2-3 нм) в планарных наноэлектродах (глава 3), а также через золотые наночастицы, помещенные в такие нанозазоры (глава 4).

В первой части пятой главы приведено описание созданной измерительной установки для исследования электрических характеристик высокоомных наноструктур молекулярного масштаба. Большое входное сопротивление (более 100 ГОм) установки позволило проводить исследование (ток утечки/сопротивление) получаемых нанозазоров (менее 5 нм) и изучать электронный транспорт через практически любой объект (молекулу, молекулярные соединения или наночастицу), который может быть помещен в нанозазор.

Во второй части пятой главы приведены характерные электрические характеристики полученных нанозазоров с размером менее 5 нм. Разработанная экспериментальная установка вместе с предложенным алгоритмом проведения электромиграции позволили получать такие нанозазоры в более чем 75 % случаев. Первоначально геометрия каждого нанозазора оценивалась в растровом электронном микроскопе, после чего измерялась его вольтамперная характеристика.

6.00Е-009

е.ооЕ-ооэ л.оае-ооэ 2.ООЕ-ОЭ0

£ С.ООЕ+ООО О

-2ДОЕ-(га9.

"КЮЕ-009--6.00Е-009 ■ -8.00Е-009-

Напряжение (В)

Рис 7. Экспериментальная ВАХ прямого подбарьерного туннелирования полученного нанозазора и ВАХ, построенная по методу Симмонса для туннелирования через зазоры 2-3 нм.

Для исследования качества получившихся нанозазоров (отсутствие внутри нанозазоров наночастиц золота, иногда образующихся в ходе электромиграции или саморазрыва) и определения характера транспорта электронов проводилось сравнение экспериментальной вольтамперной характеристики с теоретически рассчитанной зависимостью туннельного тока от напряжения (по методу Симмонса, рисунок 7):

/ = [р ехр {-—42Щ - С<Р + еУ)ехр (- ^ рт(ср + ей))]

Формула Симмонса связывает между собой геометрические параметры зазора (величина зазора между электродами (Дх), площадь туннельного контакта (Б)) и его физические характеристики (величину потенциального барьера (ф)).

С использованием параметров нанозазоров, определенных в электронном микроскопе (ширина зазора около 3 нм), и параметров пленок, заложенных технологически (толщина 15 нм), удавалось определять величину потенциального барьера и оценивать площадь туннельного контакта. В случае, приведенном на рисунке 7, площадь контакта составила около 100 нм2, а ширина зазора - 3 нм, что хорошо соответствует реальной геометрии контакта, наблюдаемой в растровый электронный микроскоп (рисунок 6). Величина потенциального барьера ( 0.65 эВ ) при этом получалась меньше работы выхода с поверхности золота. Однако относительно малая работа выхода пленки золота нашла подтверждение при дальнейшем исследовании электронного транспорта через нанозазор методом Фаулера-Нордгейма и согласуется с литературными данными для нанозазоров.

В третьей части пятой главы рассмотрен электронный транспорт, наблюдаемый в созданных нанозазорах с размерами 5 нм и более.

Для определения характера транспорта в случае больших зазоров, а также для подтверждения малого значения работы выхода с поверхности золотой пленки был проведен анализ измеренных вольтамперных характеристик по методу Фаулера-Нордгейма (рисунок 8):

где ф - работа выхода из металла, Лх - ширина зазора.

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40

1Л/

Рис.8. Вольтамперная характеристика, построенная в координатах Фаулера-Нордгейма для нанозазора 5 нм.

При малых напряжениях на нанозазоре наблюдается режим прямого туннелирования электронов через нанозазор. При больших напряжениях, напротив, наблюдается эмиссия электронов с поверхности золотой пленки. Анализ области перехода позволяет определить работу выхода электронов из пленки золота, которая оказалась аномально низкой ( < I эВ ). Это подтверждает правильность значений, полученных при анализе вольтамперных характеристик нанозазоров по методу Симмонса. В работе обсуждены факторы, приводящие к меньшему значению работы выхода в пленке наноэлектрода, чем значение работы выхода с поверхности массивного объемного электрода.

В четвертой части пятой главы рассматривается транспорт электронов через созданные наносистемы (нанозазоры между электродами и закрепленные в них наночастицы).

Разработанные в работе методики осаждения и закрепления наночастиц в нанозазоре между электродами (глава 4) позволяют говорить о создании законченных наносистем молекулярного масштаба. В некоторых образцах в нанозазор попадала сразу группа наночастиц, однако наиболее интересным оказался случай попадания только одной наночастицы в зазор, фактически был создан макет планарного одноэлектронного транзистора с золотой наночастицей в качестве центрального острова. Довольно высокий выход годных образцов (более 50 %) позволяет изготовить серию прототипов планарных нанотранзисторов на основе одиночных наночастиц золота с размером 2 - 5 нм.

Для всех образцов проводилось исследование по методам Симмонса и Фаулера-Нордгейма. В случае присутствия в зазоре нескольких наночастиц наблюдаемые вольтамперные характеристики можно трактовать как протекание туннельного тока через массив гранул проводника, а не как прямое туннелирование между электродами и наночастицей. Однако гораздо более интересными являются характеристики одиночных наночастиц в зазоре.

В работе приведены измеренные вольтамперные характеристики таких нанотранзисторов при комнатной температуре (рисунок 9).

-4...........4----------------~~ ч

Г ■ ' 1 1 ;

* -.......1.....; ■ -.-1-.-1-.-

Напряжение (В)

Рис. 9 Вольт-амперная характеристика нанозазора с золотой наночастицей внутри при комнатной температуре.

Аппроксимация асимптот линейной части этих характеристик на ось напряжений позволяет определить не размытое флуктуациями значение блокады, которая оказывается равной 300 мВ, что хорошо совпадает с теоретически предсказанными значениями для комнатной температуры и размера наночастицы 3 им. В работе проведено обоснование вида вольтамперных характеристик и влияния на них температурных флуктуаций.

Таким образом, исследованные вольтамперные характеристики показывают, что транспорт электронов в такой системе носит коррелированный характер, что еще раз подтверждает: созданная наноструктура молекулярного масштаба на основе одиночной малой (2-3 нм) наночастицы золота является прототипом планарного одноэлектронного нанотранзистора, работающего при комнатной температуре.

В заключении представлены полученные результаты и выводы диссертационной работы.

Основные результаты

1. Разработана лабораторная методика получения многослойной (4 слоя) интегрированной системы планарных тонкопленочных (до 15 нм) наноэлектродов с характерным размером 50 нм с предельно малыми зазорами (менее 5 нм) между ними. Данная методика позволяет создавать интерфейсы к одиночным молекулам или наночастицам и строить на их основе элементарные цифровые наноустройства.

2. Разработана и создана экспериментальная установка, позволяющая обеспечивать контроль над процессом разрыва тонкопленочных нанопроводов в ходе электромиграции за счет малого времени обратной связи (20 мкс) и проводить измерения с высокой чувствительностью (по току - до 100 фА) для исследования электронного транспорта через сверхвысокоомные наноструктуры на основе одиночных молекул или наночастиц.

3. Предложена и разработана прецизионная методика и определен диапазон параметров для управляемого проведения электромиграции в нанопроводах, что позволило обеспечить контролируемое серийное формирование малых (менее 5 нм) зазоров с выходом годных более 75 %, пригодное для статистического анализа полученных результатов. Показано ступенчатое изменение проводимости (разрушение одиночных квантовых каналов проводимости) пленки на последнем этапе проведения процесса электромиграции.

4. Предложен способ иммобилизации малых (2-3 нм) наночастиц золота в нанозазор (3-5 нм), позволяющий получать наноструктуры молекулярного масштаба (например, нанотранзисторы) с выходом годных образцов более 50%. При этом для обеспечения возможности наблюдения наночастиц была разработана технология и определены параметры получения атомарно гладких поверхностей (с шероховатостью 0.2 нм на площадях с размерами до 50 - 100 нм) золотых пленок.

5. Экспериментально исследован транспорт электронов через разнообразные системы на основе наночастиц, в том числе через цепочки наночастиц и одиночные наночастицы. Исследованы транспортные характеристики полученной наноструктуры молекулярного масштаба: наноэлектрод-наночастица золота (2-3 нм) - наноэлектрод. Показано, что в такой структуре при комнатной (300 К) температуре наблюдается коррелированный транспорт электронов.

Список публикаций по теме диссертации

статьи в рецензируемых журналах:

1. Stepanov A.S., Soldatov E.S., Snigirev O.V. , "Implementation of molecular transistor electrodes by electromigration", J. Supercorsd Nov Magn, 2011, vol. 24, num. 1-2, p.1087-1093.

2. Солдатов E.C., Сапков И.В., Степанов A.C., "Методы создания и исследования мономолекулярных транзисторов", Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии, 2011, том 3, номер 2, с.38-58

3. С. А Дагесян, Е. С. Солдатов, А. С. Степанов, "Изготовление предельно малых зазоров в металлических нанопроводах и исследование их характеристик". Известия РАН. Серия физическая, 2014, том 78, номер 2, с.211-215 публикации в рецензируемых трудах конференций:

4. Kuturov A. N., Soldatov Е. S. and Stepanov A. S., "Creation of nanometer gaps between thin-film metal electrodes by the method of electromigration", Proc. SPIE, 2008, vol. 7025, p.70250Q-l-70250Q-10

5. Stepanov A. S., Soldatov E. S. and Snigirev О. V., "Formation of molecular transistor electrodes by electromigration", Proc. SPIE, 2010, vol. 7521, p.752112-1-752112-8

6. Stepanov A. S., Soldatov E. S. and Snigirev О. V., "Fabrication of integrated electrodes of molecular transistor by lithographic techniques and electromigration", Proc. SPIE, 2012, vol. 8700, p.87000C-l-87000C-5

тезисы докладов на международных конференциях:

7. Степанов А.С., Кутуров А.Н. "Создание зазоров нанометрового масштаба между тонкопленочныи электродами методом электромиграции" XIV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов 2007»

8. Stepanov A.S., Soldatov E.S., Snigirev O.V., "Formation of molecular transistor electrodes by electromigration", Proceedings of International Conference on Superconductivity and Magnetism (ICSM 2010), Antalia-Turkey, 25-30 April 2010, p.48.

9. С. А. Дагесян, E. С. Солдатов, А. С. Степанов, "Изготовление предельно малых зазоров в металлических нанопроводах и исследование их характеристик", XIV Всероссийская научная школа-семинар «Физика и применение микроволн» («Волны-2013»), секция 1, ГТ1-3, с.10.

Отпечатано в отделе оперативной печати Геологического ф-та МГУ Тираж К С экз. Заказ № ¿6

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Степанов, Антон Сергеевич, Москва

Национальный исследовательский центр

"Курчатовский институт" Центр фундаментальных исследований

На правах рукописи

04201457857

Степанов Антон Сергеевич

Исследование электронного транспорта в планарных наноструктурах

молекулярного масштаба

01.04.04 - физическая электроника

01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители:

д.ф.-м.н. Снигирев О.В. к.ф.-м.н. Солдатов Е.С.

Москва - 2014

Содержание

Введение и поставновка задачи 4

Глава 1. Обзор методик создания металлических наноэлектро-

дов для молекулярных наносистем 14

1.1 Методика механического разрыва нанопровода 16

1.2 Литографические методики формирования нанопроводов 18

1.3 Электрохимическая методика создания нанопроводов 20

1.4 Методика создания нанопроводов путем термического допыления 22

1.5. Методика электромиграции металлических нанопроводов 23

Глава 2. Создание многослойной интегрированной системы нанопроводов для исследования электронного транспорта в

молекулярных наносистемах 25

2.1 Формирование системы металлических наноэлектродов

на образце 25

2.2. Создание многослойных систем электродов для управления

электронным транспортом в наносистемах 37

Глава 3. Изготовление нанозазоров с использованием эффекта

электромиграции 60

3.1 Геометрия золотых нанопроводов для электромиграции 67

3.2 Особенности проведения и алгоритм электромиграции 75

3.3 Саморазрыв нанопроводов в ходе электромиграции 80 Глава 4. Формирование молекулярной части наносистем 88

4.1 Получение атомарно гладких поверхностей золотых пленок 90

4.2 Встраивание наночастиц в нанозазоры 98

Глава 5. Транспорт электронов в структурах молекулярного

масштаба 109

5.1 Экспериментальная установка для измерения электронного транспорта в наносистемах 109

5.2 Электрические характеристики нанозазоров в нанопроводах

с размерами менее 5 нм 111

5.3 Электрические характеристики нанозазоров в нанопроводах

с размерами более 5 нм 113

5.4 Транспорт электронов через туннельные наносистемы

на основе наночастиц 115

Заключение 120

Благодарности 124

Список публикаций автора 125

Литература 126

Общая характеристика работы

12 13 2

элементов на поверхности (10 -10 на см). Исследование свойств молекул (или ее аналогов в виде наночастиц) на основе химических реакций дало довольно много для понимания их свойств и характеристик молекул, но задумываться об их практическом применении в электронных устройствах нельзя без возможности прямого исследования электронного транспорта через одиночные молекулы и молекулярные соединения. Чем ближе такие прямые исследования будут к традиционным методам изучения полупроводниковых материалов, тем легче в будущем молекулы найдут практическое применение в реальных цифровых устройствах.

менее 14 нм все отчетливее становится понятна непригодность традиционных подходов к созданию полупроводниковых устройств. На столь малых масштабах начинает существенно проявляться влияние примесей в полупроводниковых материалах, падает качество изолирующих слоев, возникают сложности в процессе литографии и совмещения разных слоев масок между собой.

При проектировании элементов с размерами менее 10 нм открывается возможность использования новых физико-технических подходов к создаваемым устройствам. В том числе становится возможным использование одиночных молекулярных кластеров в качестве рабочих элементов. В последнее время стали появляться работы по конструированию электронных устройств на наноуровне, в частности, путем размещения с помощью иглы атомно-силового микроскопа одиночных протеиновых белков (10 нм) между металлическими электродами [7]. Более того, недавно с помощью сканирующего туннельного микроскопа и водородной литографии в зазор между электродами, образующими исток-сток транзистора, был помещен одиночный атом фосфора и исследован транспорт электронов через него [8]. Однако эти способы очень экзотичны и трудно проецируются на производственные технологии.

Более перспективным направлением может стать использование эффекта коррелированного туннелирования [9] электронов в туннельных наноструктурах. Как показано в настоящей диссертации, это направление совместимо с современными технологиями создания комплементарных структур металл-оксид-полупроводник (КМОП) и может стать основным для создания электронных устройств нового поколения. Устройства на основе данного эффекта, так называемые одноэлектронные транзисторы, имеют малый размер (единицы и десятки нм), сравнимый с размером больших молекул или малых наночастиц, и беспрецедентно низкий уровень выделяемого тепла (нВт). Таким образом, крайне актуальными являются

задачи создания планарных туннельных наноструктур молекулярного (нанометрового) масштаба и исследования их электрических характеристик.

Первый Зх-мерный прототип такого одноэлектронного транзистора был реализован с использованием сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) [10]. В эксперименте транзистор представлял собой молекулу таллиевого производного карборанового кластера 1.7-(СН3)2-1.2-С2В1оН9Т1(ОСОСЕ3)2, слабо связанную туннельными переходами с проводящей подложкой с одной стороны и иглой микроскопа с другой. Затвором для данного транзистора служил металлический электрод, находящийся близко к используемой в качестве «острова» транзистора молекуле. В таком Зх-мерном лабораторном макете транзистора удалось наблюдать коррелированный транспорт одиночных электронов через молекулу-остров с регистрацией характеристик управления при комнатной температуре, предельно высокой для эффекта коррелированного туннелирования электронов.

Понятно, что построение каких-либо устройств [11, 12] на базе такого транзистора возможно только при его планарной реализации.

необходимо, чтобы эти флуктуации были малы по сравнению с зарядовой энергией перехода [9]:

1 )тс»М (Ы)

2)ЯГ >ЖЧ = ^ = 25.8 КОм (1.2)

Данные требования накладывают жесткие ограничения на размеры одноэлектронного транзистора: для комнатной температуры Т = 300 К, соответствующая емкость составляет С = 10"18 - 10~19 Ф (для сравнения емкость плоского конденсатора с обкладками 100 нм х 100 нм, находящихся на расстоянии 10 нм составляет 10~17 Ф), что приводит к необходимости использовать центральный остров транзистора размером 1-3 нм. При выполнении этих условий одноэлектронный режим работы такого транзистора будет наблюдаться при комнатной температуре. Именно при этом условии одноэлектронный транзистор, выполненный по планарной технологии, будет иметь практическую ценность и возможность применения в различных устройствах наноэлектроники. Указанный выше размер острова (3 нм) приводит на первом этапе к задачам создания и исследования транспорта электронов в наноструктуре электрод - молекула (или наночастица) - электрод.

В лабораторных условиях к настоящему времени не существует единого подхода к построению таких структур. Можно упомянуть некоторые наиболее часто встречающиеся методы изготовления элементов планарного транзистора размером в несколько нанометров: метод сужения зазора между электродами напылением дополнительного слоя металла [13, 14], метод электрохимического заращивания [15, 16] и метод электромиграции золотой пленки [17, 18]. Однако все перечисленные методы не имеют достаточной надежности (низкий процент выхода годных образцов) и зачастую непригодны для создания на их основе наноструктур. Таким образом, становится понятна актуальность задачи построения и исследования

транспорта электронов в структурах молекулярного (нанометрового) масштаба.

Целью работы являлись поиск и разработка практических методов создания наноструктур на основе одиночных молекул (наночастиц) и исследование особенностей электронного транспорта в наноструктурах молекулярного масштаба.

Для достижения этой цели в диссертации решались следующие задачи:

Объектами исследования в работе являлись наноструктуры молекулярного масштаба (единицы нанометров), включающие в себя планарную многослойную систему наноэлектродов и золотые наночастицы.

Методики изготовления и исследования. Основными методами создания планарных пленочных наноструктур в работе являлись: технология термического напыления металлических нанопленок, технология распыления материалов при помощи сфокусированного электронного пучка, технология магнетронного распыления материалов. Для создания интегрированной системы наноэлектродов применялась ультрафиолетовая [УФ] (290 нм) фотолитография с использованием полимерных масок (1 и 2 слоя). Формирование рисунка мелких деталей маски наноструктуры проводилось при помощи электронно-лучевой литографии (характерный размер элементов менее 100 нм).

Основными методами морфологических исследований было изучение полученных наноструктур с помощью электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии, сканирующей туннельной микроскопии. Исследование транспорта электронов через полученные сверхвысокоомные (более 10 ГОм) наноструктуры проводилось при помощи созданной установки (с разрешением по току менее 100 фА).

Для анализа результатов использовались методики численного расчета электрических характеристик туннельных структур с различными параметрами.

Научная новизна исследования определяется тем, что в работе впервые было продемонстрировано следующее:

5. Предложена и разработана методика размещения и закрепления малых (2-3 нм) наночастиц золота в нанозазорах.

6. Совместное применение всех упомянутых выше методик позволило получить лабораторные макеты планарных нанотранзисторов на основе одиночных наночастиц золота диаметром около 3 нм, помещенных в нанозазоры сток-исток размером менее 5 нм.

7. Продемонстрирован одноэлектронный транспорт электронов в изготовленных макетах планарных нанотранзисторов (наноструктурах

наноэлектрод-золотая наночастица-наноэлектрод (размер наночастицы 2-3 нм)) при комнатной температуре.

Разработанный алгоритм проведения электромиграции для получения зазора между электродами истока и стока транзистора является полностью автоматизированным и позволяет получать большой выход годных образцов (более 75%), что также немаловажно для практического применения. Разработанная методика осаждения наночастиц с диаметром 2-3 нм в зазор между истоком и стоком открывает новые возможности для построения на их основе различных устройств: планарных одноэлектронных схем, чувствительных биосенсоров и блоков памяти сверхвысокой емкости.

Положения, выносимые на защиту:

3. Разработанная методика размещения и закрепления малых наночастиц золота (2-3 нм) в нанозазоре между электродами позволяет получать лабораторные ма�