У нас уже 176407 рефератов, курсовых и дипломных работ
Заказать диплом, курсовую, диссертацию


Быстрый переход к готовым работам

Мнение посетителей:

Понравилось
Не понравилось





Книга жалоб
и предложений

 





Название Исследование молекулярного канала проводимости сформированного в полимерной матрице
Количество страниц 81
ВУЗ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
Год сдачи 2005
Бесплатно Скачать 29134.doc 
Содержание Содержание

Введение

Глава 1.Актуальность молекулярной электроники.
1.1 Физические ограничения современной микроэлектроники.
1.2 Молекулярная электроника
1.2.1 Преимущества молекулярной электроники.
1.2.2 Достижения молекулярной электроники.
1.2.3 Делокализация π- электронов в ароматических углеводородах и ее экспериментальное подтверждение.
Глава 2. Молекулярный канал проводимости сформированный в полимерной матрице эпоксидиановой смолы.
2.1 Эпоксидная смола – хороший диэлектрик или прекрасный проводник?
2.2 Условия, при которых происходит организация проводящего молекулярного канала в полимерной матрице эпоксидиановой смолы.
2.3 Исследование различных типов туннельных зондов по критерию обеспечения выполнения условий формирования молекулярного канала.
2.3.1 Механически приготовленные платиново-иридиевые зонды.
2.3.2 Приготовленные электрохимическим методом вольфрамовые зонды.
2.3.3 «Гибридные» туннельные зонды.
2.4 Выводы

Глава 3. Молекулярные мостики канала проводимости – баллистические проводники.
3.1 Термическое переключение проводимости молекулярного канала.
3.1.1 Молекулярный канал в отвержденной полимерной матрице.
3.1.2 Однородный нагрев полимерной матрицы.
3.1.3 Нагрев приэлектродных слоев полимерной матрицы.
3.2 Предельный ток проводимости молекулярного канала и зависимость его сопротивления от длины
3.3 Выводы.

Глава 4. Планарный молекулярный канал и его поведение в поперечном электрическом поле.
4.1 Проблема выполнения условий возникновения молекулярного канала между предварительно сформированными планарными электродами
4.2 Углеродные нанотрубки как планарные электроды.
4.3 Создание структур с планарными электродов на основе углеродных нанотрубок.
4.4 Формирование молекулярного канала между нанотрубными электродами.
4.5 Модуляция и выключение проводимости планарного молекулярного канала электрическим полем затвора.
4.6 Модель молекулярного канала вертикального типа с самосовмещенным боковым затвором
4.7 О возможности перехода к интегральному исполнению функциональных элементов на основе квазиодномерных молекулярных проводников сформированных в полимерной матрице
4.8 Выводы

Заключение

Благодарность

Литература





Введение

В настоящее время наряду с развитием традиционной «кремниевой» микроэлектроники ведется широкий поиск принципиально новых решений. Одно из направлений, получившее название «молекулярная электроника», основано на попытках использовать отдельные молекулы в качестве элементной базы электронных устройств. Интерес к этому направлению обусловлен уникальными перспективами, которые открываются в том случае, если молекулярные агрегаты действительно могут быть использованы в качестве элементной базы. Так, соответствующие прогнозируемые степень интеграции и частота работы достигают порядка 1012 см-2 и 1014 Гц соответственно. Кроме того, сами по себе молекулы уже являются продуктом процессов самоорганизации, и, сумев применить их в качестве функциональных элементов, можно получить идеальную воспроизводимость последних.


Целью диссертационной работы является: формирование и исследование проводящего молекулярного канала в полимерной матрице и поиск подходов к применению структур данного типа в качестве основы функциональных элементов наноэлектроники.
.
В круг задач исследования входят:
Выявление условий, при которых происходит формирование молекулярного канала проводимости в полимерной матрице эпоксидиановой смолы.
Формулирование требований к электродам истока и стока молекулярного канала и поиск подходов к созданию таких электродов.
Разработка эксперимента по выявления баллистической природы транспорта электронов в молекулярных цепочках канала.
Разработка экспериментальных структур и методик их изготовления для исследования поведения молекулярного канала в управляющем электрическом поле.

Научная новизна работы состоит:
В выявлении ключевых факторов оказывающих влияние на формирование молекулярного канала проводимости в полимерной матрице эпоксидиановой смолы.
В предложенной методике приготовления туннельных зондов нового типа, соответствующих задаче формирования молекулярного канала.
В усовершенствовании методики эксперимента по термическому переключению сопротивления молекулярного канала и в подтверждении баллистической природы транспорта электронов в молекулярных мостиках канала.
В разработке концепции планарных молекулярных каналов и ее реализации в структуре с электродами на основе углеродных нанотрубок.
В обнаружении транзисторного эффекта и эффекта молекулярного ключа в структурах на основе планарного молекулярного канала.

Достоверность результатов
Некоторые из полученных экспериментальных результатов хорошо согласуются с известными теоретическими моделями, подтверждают и уточняют экспериментальные результаты описанные в отечественной периодической печати, а так же находят косвенное подтверждение в результатах зарубежных экспериментов.
Получение прямых свидетельств образования молекулярного канала, проводимость которого обладает чувствительностью к внешним полям.

На защиту выносятся следующие положения:

- Организация проводящего молекулярного канала в полимерной матрице эпоксидиановой смолы обеспечивается выполнением условий критической величины электрического поля и его достаточной степени локализации по оси формируемого канала.
- Туннельные зонды нового типа, приготовленные по предложенной методике, в большей степени соответствуют задаче формирования молекулярного канала, чем приготовленные механически платиново-иридиевые зонды и приготовленные электрохимическим методом вольфрамовые зонды.
- Усовершенствованная методика наблюдения спонтанных переключений сопротивления молекулярного канала, обеспечивает большую достоверность измерения сопротивления одного молекулярного мостика, входящего в состав молекулярного канала проводимости.
- Подтверждена баллистическая природа транспорта электронов в молекулярных мостиках канала проводимости сформированного в полимерной матрице эпоксидиановой смолы.
- Предложенная концепция планарного молекулярного канала была реализована в структуре с электродами из углеродных нанотрубок.
- Элементы на основе планарного молекулярного канала обнаруживают транзисторный эффект и эффект молекулярного ключа.

Защищаемые положения изложены в статьях и в тезисах докладов российских научно-технических конференций.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. В первой главе представлен обзор принципиальных проблем современной микроэлектроники и анализируются преимущества концепции молекулярной электроники. Приводятся основные направления работы и достижения в области молекулярной электроники. Затронут, имеющий большую важность в контексте данной работы, вопрос делокализации электронов в сопряженных связях бензольных колец.
Во второй главе рассмотрены общие свойства выбранного модельного полимера – эпоксидной диановой смолы. Обсуждаются предпосылки по созданию проводящего молекулярного канала в диэлектрической матрице данного полимера. Исследуются условия при которых происходит организация такого канала и различные типы туннельных зондов с точки зрения обеспечения выполнения этих условий. Описывается методика создания зондов нового типа и обосновываются их преимущества. Рассматриваются свидетельства молекулярной природы сформированного канала проводимости и делается вывод об его уникальных электрофизических свойствах.
В третьей главе рассмотрены эксперименты трех различных типов выявляющие баллистическую природу транспорта в молекулярных мостиках канала. Эксперименты по термическому переключению сопротивления канала, проведенные по методике однородного нагрева полимерной матрицы и методике нагрева приэлектродных слоев, подтвердили представление о канале проводимости как о совокупности параллельных молекулярных мостиков и позволили определить сопротивление этих мостиков, которое оказалось близко к кванту баллистического сопротивления. Баллистическая природа транспорта подтверждается также экспериментами по определению максимальной токовой нагрузки исследуемой структуры и по наблюдению ее сопротивления по мере увеличения длины молекулярного канала. Делается оценка количества параллельных молекулярных мостиков составляющих канал, на основе которой расчитывается предельный ток одного мостика. Указывается на интригующее совпадение данной величины с предельным током коротких однослойных нанотрубок.
В четвертой главе рассматривается проблема создания молекулярного канала в относительно протяженных зазорах между заранее сформированными планарными электродами. Обосновывается возможность решения данной проблемы посредством использования электродов определенной геометрии и описывается экспериментальное подтверждение данного предположения на основе структур с нанотрубками в качестве электродов. Далее исследуется поведение полученных таким образом планарных молекулярных каналов в поперечном электрическом поле затвора. Затрагиваются проблемы интеграции структур данного типа, высказываются общие соображения об их перспективности с точки зрения реализации коррелированного транспорта электронов в условиях кулоновской блокады и приводится методика создания молекулярных каналов вертикального типа с самосовмещенным затвором.
В заключение представлены основные выводы данной работы.
Список литературы Заключение

Независимо воспроизведен эксперимент по формированию канала проводимости в полимерной матрице эпоксидной диановой смолы. Выявлен ряд особенностей, одновременное объяснение которых возможно в рамках предположения о формировании канала проводимости из молекулярных мостиков, организующихся по механизму поляризации, ориентации и диполь-дипольного взаимодействия молекул во внешнем электрическом поле.
Установлено, что для организации проводящих молекулярных мостиков, кроме условия критической напряженности ориентирующего электрического поля, существует так же условие его «осевой» локализации, при которой напряженность поля максимальна на оси формируемого канала и быстро спадает по радиусу.
По критерию обеспечения данного условия были исследованы два широко используемых типа туннельных зондов: механически приготовленные платиново-иридиевые зонды, и вольфрамовые зонды, приготовленные электрохимическим травлением. Выявление и анализ их достоинств и недостатков позволили предложить методику создания зондов нового типа, объединяющих в себе достоинства вольфрамовых зондов (воспроизводимые радиус закругления и аспектное соотношение) с достоинствами платиново-иридиевых зондов (отсутствие поверхностных окислов и наличие туннельно активной выступающей группы атомов). Данный «гибридный» тип зондов в имеющихся условиях в наибольшей степени соответствовал задаче формирования молекулярного канала. Кроме того, предварительные эксперименты показали его преимущество в задаче так называемой силовой литографии, относящейся к методикам атомно-силовой микроскопии, для которой актуальны как высокая механическая прочность, так и разрешающая способность зонда.
Подтверждены уникальные электрофизические свойства молекулярного канала. Так эквивалентная удельная проводимость канала превышает проводимость полимерной матрицы, в которой он сформирован, как мин на 20 порядков. Максимальная токовая нагрузка достигает 200..300 мА.
Воспроизведен эксперимент по термическому переключению сопротивления молекулярного канала при однородном нагреве отвержденной полимерной матрицы внешним источником. Обнаружено, что в серии спонтанных ступенчатых изменений сопротивления структуры переводящих ее из низкоомного состояния в высокоомное (или обратно), существует диапазон состояний, удовлетворяющий двум условиям. Во-первых, рост сопротивления переключаемых молекулярных мостиков, обусловленный их деформацией, еще отсутствует. Во-вторых, количество одновременно переключаемых мостиков уже достаточно мало для того, чтобы имеющаяся погрешность измерения позволила однозначно определить из условия кратности некоторое «базовое» сопротивление, которое можно было бы интерпретировать как сопротивление одного молекулярного мостика. Величина данного сопротивления составила 13,0+-0,3 КОм и все наблюдаемые переключения могут быть выражены через нее со средним отклонением от кратности 21%.
Выдвинута гипотеза о том, что замена однородного нагрева полимерной матрицы внешним источником на нагрев отдельных слоев, находящихся в непосредственной близости к электродам (осуществляемый посредством пропускания токов высокой плотности), позволит минимизировать деформацию переключаемых молекулярных мостиков. В эксперименте, осуществленном по данной методике, удалось снизить минимальное количество одновременно переключаемых мостиков до 3-х, среднее отклонение от кратности снизилось до 9% и значительно уменьшилось количество выпадающих результатов. Величина общего делимого, которое можно интерпретировать как сопротивление одного молекулярного мостика, составила 13,6+-0,4 КОм.
Полученное обоими методами сопротивление молекулярного мостика находится в достаточной степени согласия с фундаментальным квантом баллистического сопротивления Pi*h^2/e^2=12.94 КОм, что подтверждает результаты работы [].
Оценка, произведенная на основе предельного тока структуры, так же позволяет сделать вывод об отсутствии диссипации энергии в молекулярном канале. Количество параллельных молекулярных мостиков, образующих канал проводимости, совпало для различных способов оценки и составило порядка 2000 мостиков. Полученный на его основе предельный ток одного молекулярного мостика составил порядка 100 мкА, что оказалось в согласии с предельным током короткой одностенной нанотрубки, являющейся баллистическим проводником.[].
Так же баллистическую природу транспорта электронов в молекулярных мостиках канала проводимости подтверждают опыты по наблюдению сопротивления структуры по мере наращивания ее молекулярного канала в неотвержденной диэлектрической матрице. В них наблюдалось отсутствие изменения сопротивления (с точностью до единиц процентов) при увеличении длины канала от единиц до сотен нанометров, что свидетельствует об отсутствии рассеяния в молекулярных мостиках в рассматриваемых пределах их длин.
На основе сформулированного в гл.2 условия «осевой» локализации ориентирующего электрического поля, выдвинута концепция планарного молекулярного канала с электродами на основе углеродных нанотрубок.
Разработана структура с нанотрубными электродами, на которой данная концепция была экспериментально подтверждена.
Исследование полученных планарных структур выявило следующие основные свойства:
- стабильность сформированного планарного молекулярного канала в условиях отсутствия ориентирующего электрического поля (предположительно вследствие эпитаксиального влияния поверхности подложки);
- модуляция проводимости молекулярного канала полем затвора, соответствующая управляемости p-типа;
- возможность перевода структуры в устойчивое высокоомное состояние посредством переключения напряжения затвора с -20 В на +20 В, с возможностью последующего возрата к исходному состоянию посредством подачи напряжения сток-исток до 10 В;
Таким образом, экспериментальной структурой были проявлены свойства полевого транзистора и энергонезависимой ячейки памяти (последнее может быть так же интерпретировано как режим молекулярного ключа).
Выдвинуто две гипотезы механизма управления проводимостью структуры. Первая обращается к микромеханике молекул канала во внешних электрических полях: в то время как продольное электрическое поле сток-исток ориентирует макромолекулы в линейные молекулярные мостики (о достаточной степени линейности последних свидетельствует выполнение условий баллистического транспорта в аналогичной вертикальной структуре), поперечное поле затвора должно вызывать частичную переориентацию молекул. Вторая гипотеза основана на том обстоятельстве, что в силу достаточной удаленности молекулярного канала от затвора (сечение канала порядка 10 нм при толщине надзатворного диэлектрика около 200 нм), силовые линии управляющего электрического поля входят в канал приблизительно симметрично по его сечению. Поэтому в зависимости от полярности напряжения на затворе, электроны либо стремятся еще больше локализоваться по оси молекулярного мостика либо «вытягиваются» из него, с соответствующим изменением их рассеяния на возможных дефектах.
Поскольку в рамках первой гипотезы наблюдаемая зависимость знака изменения проводимости от полярности напряжения затвора объясняется влиянием поверхности подложки, из-под которой происходит управление, то исследование экспериментальных структур с боковым затвором должно способствовать прояснению данного вопроса. В Гл.4 был упомянут один из возможных способов реализации таких структур. Исследование влияния отверждения полимерной матрицы на характер управляемости так же представляет несомненный интерес.
В заключение был предложен способ создания молекулярного канала вертикального типа с самосовмещенным затвором. Так же затронута проблема возможных подходов к интеграции обсуждаемых молекулярных структур и высказаны общие соображения об их перспективности с точки зрения реализации коррелированного транспорта электронов в условиях кулоновской блокады.


Благодарность


Автор выражает благодарность и признательность своему руководителю профессору Неволину Владимиру Кирилловичу, чье внимание и помощь были всегда в распоряжении автора.
Так же автор искренне благодарит за помощь в работе: к.т.н. Бобринецкого И.И., Симунина М.М., Аксенова А.И. и Строгонова А.А.






Список литературы
1. Агринская Н.В. Молекулярная электроника. Учебное пособие.
2. Roadmaps for nanotechnology – SSA. 2003.
3. Aviram A., Rather M.A. Chem. Phys. Lett., 1974, v.20, p.277.]
4. Iijima S. Helical microtubules of graphitic carbon // Nature. 1991. Vol. 354. P. 56-58.
5. Пакен А.М. Эпоксидные соединения и эпоксидные смолы / Пер. с нем. под ред .Л.С.Эфроса. - Л.: Госхимиздат, 1962. - 964 с.
6. Неволин В.К. Нанотехнология (конкурсный проект)// Электронная техника. Сер.3, Микроэлектроника. 1988. Вып.4(128). С.81.
7. Неволин В.К. Электронная техника. Сер. 3. Микроэлектроника. 1989. №3. С.58-59.
8. Канер Б.Р. Макдайрмид Э.Г. Электропроводящие полимеры. В мире науки. 1988/№ 4.
9. Петров Э.Г., Украинский И. И., Харкянен В.Н. Докл. АН СССР, 1978, т. 241, с. 966.
10. Davydov A.S. Phys. Stat. Sol., 1978, v. 90, p. 457.
11. Kazuhito Tsukagoshi, Iwao Yagi, Yoshinodu Aoygi. Appl. Phys.Lett. 2004. V.85. N6. P.1021-1023.
12. Yang Z., Norton D. L., Ventra M.D. Effects of geometry and doping on the operation of molecular transistors. Applied physics letters. V 82, N 12, 2003.
13. Chen Y., Ohlberg A. A., Li X. et al. Nanoscale molecular-switch devices fabricated by imprint lithography. Applied physics letters. V 82, N 10, 2003.
14. Li C., Fan W., Lei B. et al. Multilevel memory based on molecular devices. Applied physics letters. V 84, N 11, 2004.
15. Неволин В.К., Бессольцев В.А. Электронная техника. Сер. 3. Микроэлектроника. 1989. №3. С.59-61.
16. Вернер В.Д., Ю.Н. Дьяков, В.К. Неволин. Формирование функциональных структур с помощью туннельного микроскопа.//Электронная промышленность. 1991. -№3. -0.33 -36.
17. Волков А.Б. Электрофизические свойства микромостиков, формируемых туннельным зондом. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. 1994.
18. Grutter. P. Preparation and characterization of tungsten tips suitable for molecular electronics studies. A thesis submitted to McGill University in partial fulfillment of the requirements of the degree of Master of Science. Montreal, Canada 2004
19. M. K. Miller, A. Cerezo, M. G. Hetherington, and G. D. W. Smith. Atom Probe Field Ion microscopy. Oxford University Press, 1996.
20. Неволин В.К. Основы туннельно-зондовой нанотехнологии. Учебное пособие. Москва МГИЭТ (ТУ), 1996.
21. http://news.nanoapex.com/modules.php. Short nanotubes carry big currents - 2004 issue of the Proceedings of the National Academy of Sciences, September 14.
22. Jiwoong Park. Electron transport in single molecule transistors. A dissertation submitted in partial satisfaction of the requirements for the degree of doctor of philosophy in physics in the graduate division of the university of california, berkeley 2003.
23. Бобринцкий И.И., Неволин В.К., Петрик В.И., и др. Вольтамперные характеристики двухэлектродных элементов с углеродными нанотрубками. // Микроэлектроника. 2003. Том 32. N2. C. 102-104.
24. Раков Э.Г., Блинов С.Н., Иванов И.Г. и др. Получение углеродных нановолокон в непрерывнодействующем горизонтальном трубчатом реакторе// Молекулярная биология, химия и физика гетерогенных систем. Материалы 7 Межд. Научн. Конференции. М.-Прес.7-13 сент. 2003. Под.ред. И.А. Соболева и др. Иваново: Изд. «Юнона». С.191-195.
25. Krestinin A.V., Kislov M.B., Ryabenko A.G. Endofullerenes with metal atoms inside as precursors of nuclei of single-wall carbon nanotubes. J. Nanosci. Nanotech., in press.
26. Park J.Y., Yaish Y., Brink M. et al, Electrical cutting and nicking of carbon nanotubes using an atomic force microscope. Applied physics letters. V 80, N 23, 2002.
27. Collins P. G., Hersam M, Arnold M. et al. Current Saturation and Electrical Breakdown in Multiwalled Carbon Nanotubes. Physical review letters. V 86, N 14, 2001.
28. Гомбоев Р.И., Симаков И.Г. Низкочастотная диэлектрическая проницаемость воды в адсорбционном слое. http://www.bsfp.media-security.ru/science/index.htm.
29. Бобринецкий И.И. Формирование и исcледование электрофизических свойств планарных структур на основе углеродных нанотрубок. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. 2004.
30. Булатов А.Н., Хартов С.В. Исследование адсорбата воздуха на твердотельных подложках методами атомно-силовой микроскопии. Известия ВУЗов. Электроника. №.4 С. 9-16. 2004.
31. Леше. А. Физика молекул. Москва «Мир» 1987.
32. Li S., Yu Z., Burke P. J. Synthesis of Aligned Arrays of Millimeter Long, Straight Single-Walled Carbon Nanotubes.Chem. Mater. № 16(18), 2004, pp 3414 - 3416;
33. Li S., Yu Z., Yen S.F. et al. Carbon Nanotube Transistor Operation at 2.6 GHz. Nano letters. V. 4, № 4, 2004, pp 753 - 756;
34. Li S., Yu Z., Rutherglen C. Electrical Properties of 0.4 cm Long Single-Walled Carbon Nanotubes. Nano letters. V. 4, № 10, 2004, pp 2003 - 2007;
35. Аверин А.В., Лихарев К.К. ЖЭТФ, 1986, 90, 733.
Цена, в рублях:

(при оплате в другой валюте, пересчет по курсу центрального банка на день оплаты)		 2000
Скачать бесплатно 29134.doc 





Найти готовую работу


ЗАКАЗАТЬ

Обратная связь:


Связаться

Доставка любой диссертации из России и Украины

Вход для партнеров

Регистрация

Восстановить доступ

Материал для курсовых и дипломных работ


Ссылки:

Выполнение и продажа диссертаций, бесплатный каталог статей и авторефератов

Счетчики:

Besucherzahler
счетчик посещений

© 2006-2022. Все права защищены.
Выполнение уникальных качественных работ - от эссе и реферата до диссертации. Заказ готовых, сдававшихся ранее работ.