UNIWERSYTET im. ADAMA MICKIEWICZA w POZNANIU WYDZIAŁ FIZYKI PRACA MAGISTERSKA JUSTYNA WIŚNIEWSKA. Promotor pracy: prof. dr hab.

Transkrypt

1 UNIWERSYTET im. ADAMA MICKIEWICZA w POZNANIU WYDZIAŁ FIZYKI PRACA MAGISTERSKA TRANZYSTOR JEDNOELEKTRONOWY Z BLOKADĄ KULOMBOWSKĄ JUSTYNA WIŚNIEWSKA Promotor pracy: prof. dr hab. Józef Barnaś Zakład Fizyki Mezoskopowej, Wydział Fizyki UAM Poznań 2008

2 Chciałabym wyrazić podziękowania prof. Józefowi Barnasiowi za bycie promotorem tej pracy magisterskiej, prof. Andrei Lehmann-Szweykowskiej za recenzję pracy oraz dr Mariuszowi Sidowskiemu za ukazywanie tajników edytora tekstowego

3 SPIS TREŚCI 1. TRANZYSTOR POLOWY PRAWO MOORE A NANOTECHNOLOGIA SPINTRONIKA TRANZYSTOR JEDNOELEKTRONOWY I ZASADA JEGO DZIAŁANIA RODZAJE TRANZYSTORÓW JEDNOELEKTRONOWYCH TRANZYSTOR OPARTY NA MOLEKULE TRANZYSTOR OPARTY NA PÓŁPRZEWODNIKOWEJ KROPCE KWANTOWEJ TRANZYSTOR OPARTY NA METALICZNEJ GRANULCE ZASTOSOWANIA TRANZYSTORÓW JEDNOELEKTRONOWYCH 49

4 SPIS ILUSTRACJI RYSUNEK 1. UPROSZCZONA STRUKTURA I SYMBOL GRAFICZNY TRANZYSTORA NPN I PNP [3]. 11 RYSUNEK 2. TYPY TRANZYSTORÓW POLOWYCH I ICH SYMBOLE GRAFICZNE (W DRUGIM RZĘDZIE SYMBOLI GRAFICZNYCH POKAZANO SYMBOLE TRANZYSTORÓW MOSFET Z CZTEREMA ELEKTRODAMI, STOSOWANYMI DO PRODUKCJI UKŁADÓW SCALONYCH) [4, 5]. 14 RYSUNEK 3. PIERWSZY TRANZYSTOR, ZBUDOWANY W 1947 ROKU METODĄ OSTRZOWĄ (POLEGAŁA NA TRAWIENIU PŁYTKI GERMANOWEJ STRUMIENIEM KWASU DO UZYSKANIA GRUBOŚCI RZĘDU MIKROMETRÓW TAK POWSTAWAŁA BAZA, DO KTÓREJ OBU STRON JAK NAJBLIŻEJ SIEBIE PRZYMOCOWYWANO DRUCIKI (OSTRZA) MATERIAŁU DOMIESZKUJĄCEGO EMITER I KOLEKTOR). JEGO KONSTRUKTORAMI BYLI J. BARDEEN ORAZ W. H. BRATTAIN. [6] 14 RYSUNEK 4. GORDON MOORE I GRAFICZNA PREZENTACJA JEGO PRAWA [7]. 16 RYSUNEK 5. PRAKTYCZNA REALIZACJA PRAWA MOORE A NA PRZYKŁADZIE PRODUKTÓW FIRMY INTEL [9]. 17 RYSUNEK 6. RICHARD P. FEYNMAN PODCZAS SŁYNNEGO WYKŁADU THERE'S PLENTY OF ROOM AT THE BOTTOM WYGŁOSZONEGO W CALIFORNIA INSTITUTE OF TECHNOLOGY (CALTECH) [10]. 17 RYSUNEK 7. PRZYKŁAD NANOTECHNOLOGICZNEGO TWORU WYKONANEGO Z UŻYCIEM SKANINGOWEGO MIKROSKOPU TUNELOWEGO POSTAĆ ZBUDOWANA Z CZĄSTECZEK TLENKU WĘGLA OSADZONYCH NA POWIERZCHNI PLATYNY [11]. 18 RYSUNEK 8. GRAFICZNE PRZEDSTAWIENIE SPINU ELEKTRONU [16]. 20 RYSUNEK 9. MODEL I SCHEMAT ELEKTRYCZNY JEDNOELEKTRONOWEGO TRANZYSTORA. 23 RYSUNEK 10. OBSZAR BLOKADY KULOMBOWSKIEJ WIDOCZNY NA WYKRESIE ZALEŻNOŚCI PRĄDOWO-NAPIĘCIOWEJ JEDNOELEKTRONOWEGO TRANZYSTORA. 24 RYSUNEK 11. SCHEMAT PROCESÓW TUNELOWANIA SEKWENCYJNEGO (A-D) I KOTUNELOWANIA (E). 26 RYSUNEK 12. MODEL STRUKTURY CZĄSTECZKI MN 12 AC Z LEWEJ WIDAĆ CAŁĄ MOLEKUŁĘ (DLA PRZEJRZYSTOŚCI RYSUNKU GRUPY METYLOWE ZASTĄPIONO ATOMAMI WODORU), PO PRAWEJ STRONIE PRZEDSTAWIONO MAGNETYCZNE JĄDRO MN 12 O 12 OSIEM ZEWNĘTRZNYCH JONÓW MN 3+ (NIEBIESKIE KULKI) I CZTERY WEWNĘTRZNE JONY MN 4+ (ŻÓŁTE KULKI) POŁĄCZONE SĄ POPRZEZ ATOMY TLENU (CZERWONE KULKI). SPINY MN 3+ (S = 2) I MN 4+ (S = 3/2) SĄ SPRZĘŻONE ANTYFERROMAGNETYCZNIE DAJĄC WYPADKOWY SPIN (MAKROSPIN) S = 8X2 4X3/2 = 10 [27]. 30 RYSUNEK 13. PRZYKŁAD PĘTLI HISTEREZY MOLEKULARNEGO NANOMAGNESU [30]. 31 RYSUNEK 14. STRUKTURA MOLEKUŁY FE 8. JONY FE 3+ SĄ REPREZENTOWANE PRZEZ DUŻE POMARAŃCZOWE KULKI, NATOMIAST ATOMY O, C I N PRZEZ MAŁE ODPOWIEDNIO CZERWONE, SZARE I NIEBIESKIE [32]. 32 RYSUNEK 15. ZALEŻNOŚĆ PRĄDOWO-NAPIĘCIOWA WYKREŚLONA DLA KILKU WYBRANYCH WARTOŚCI NAPIĘCIA BRAMKI JEDNOELEKTRONOWEGO TRANZYSTORA ZBUDOWANEGO NA BAZIE MOLEKUŁY MN 12 (WSTAWKA) W TEMPERATURZE 300MK [35]. 34 RYSUNEK 16. ZALEŻNOŚCI KONDUKTANCJI RÓŻNICZKOWEJ OD NAPIĘĆ TRANSPORTOWEGO I BRAMKI W ZEROWYM (A) I NIEZEROWYM (B) POLU MAGNETYCZNYM DLA TRANZYSTORA, KTÓREGO WYSPĄ JEST SMM MN 12. WSTAWKI NA RYSUNKACH PRZEDSTAWIAJĄ TRANSPORTOWE DIAGRAMY ENERGETYCZNE. [35] 35 RYSUNEK 17. ŚREDNIA WARTOŚĆ SPINU MOLEKUŁY SMM ORAZ PRĄD W FUNKCJI NAPIĘCIA TRANSPORTOWEGO PŁYNĄCY PRZEZ TRANZYSTOR MAGNETYCZNY NA BAZIE SMM FE 8 DLA PRZYPADKU RÓWNOLEGŁEJ MAGNETYCZNEJ KONFIGURACJI MOMENTÓW MAGNETYCZNYCH ELEKTROD W TEMPERATURZE 0.01K [40]. 36

5 RYSUNEK 18. GEOMETRIA JEDNOELEKTRONOWEGO TRANZYSTORA NA BAZIE KROPKI KWANTOWEJ (A) NIEMAGNETYCZNEJ JEDNOPOZIOMOWEJ/(B) MAGNETYCZNEJ WIELOPOZIOMOWEJ POŁĄCZONEJ Z FERROMAGNETYCZNYMI ELEKTRODAMI, KTÓRYCH MAGNETYCZNE MOMENTY USTAWIONE SĄ RÓWNOLEGLE LUB ANTYRÓWNOLEGLE WZGLĘDEM SIEBIE ORAZ (C) SCHEMAT PROFILU ENERGETYCZNEGO MAGNETYCZNEGO UKŁADU PRZY PRZYŁOŻONYM NAPIĘCIU TRANSPORTOWYM (DYSKRETNE POZIOMY ENERGETYCZNE WYSPY OZNACZONO LINIĄ CIĄGŁĄ (SPINY W GÓRĘ) I PRZERYWANĄ (SPINY W DÓŁ) W CELU ROZRÓŻNIENIA ORIENTACJI SPINÓW) [51, 52]. 38 RYSUNEK 19. W TRZECH OBSZARACH W KSZTAŁCIE ROMBÓW W OKOLICACH ZEROWEGO NAPIĘCIA TRANSPORTOWEGO LICZBA ELEKTRONÓW NA KROPCE JEST USTALONA 0 W OBSZARZE A, 1 W OBSZARZE B ORAZ 2 W OBSZARZE A, SEKWENCYJNE TUNELOWANIE JEST WTEDY ZABLOKOWANE. WRAZ ZE WZROSTEM NAPIĘCIA TRANSPORTOWEGO, POWYŻEJ PROGU OBSZARU BLOKADY KULOMBOWSKIEJ, KROPKA MOŻE BYĆ OBSADZONA OKREŚLONĄ LICZBĄ ELEKTRONÓW 0 I 1 W OBSZARZE C, 1 I 2 W OBSZARZE C. W OBSZARZE D MOŻLIWE SĄ WSZYSTKIE STANY ŁADUNKOWE 0, 1 I 2. [51] 39 RYSUNEK 20. ZALEŻNOŚCI OD NAPIĘCIA TRANSPORTOWEGO (A) TUNELOWEGO PRĄDU (LINIA CIĄGŁA ODPOWIADA ANTYRÓWNOLEGŁEJ KONFIGURACJI MOMENTÓW MAGNETYCZNYCH ELEKTROD PODCZAS, GDY PRZERYWANA ODPOWIADA KONFIGURACJI RÓWNOLEGŁEJ), (B) KONDUKTANCJI RÓŻNICZKOWEJ (W PRZYPADKU TYLKO KONFIGURACJI ANTYRÓWNOLEGŁEJ) ORAZ (C) TUNELOWEGO MAGNETOOPORU W TEMPERATURZE 2.3K WYGENEROWANE DLA SET NA BAZIE NIEMAGNETYCZNEJ KROPKI KWANTOWEJ [52]. 40 RYSUNEK 21. TUNELOWY PRĄD W ANTYRÓWNOLEGŁEJ KONFIGURACJI MAGNETYCZNEJ SET NA BAZIE NIEMAGNETYCZNEJ KROPKI KWANTOWEJ (A) ORAZ TMR (B) W FUNKCJI NAPIĘCIA BRAMKI W RÓŻNYCH TEMPERATURACH [52]. 41 RYSUNEK 22. TMR W FUNKCJI PARAMETRU OPISUJĄCEGO PROCESY SPIN-FLIP ZACHODZĄCE NA KROPCE KWANTOWEJ WYSPIE SET [50]. 41 RYSUNEK 23. AKUMULACJA ŁADUNKOWA (A) I FLUKTUACJE ŁADUNKU (B) JAKO FUNKCJA NAPIĘCIA TRANSPORTOWEGO (LINIA CIĄGŁA KONFIGURACJA ANTYRÓWNOLEGŁA, LINIA PRZERYWANA - KONFIGURACJA RÓWNOLEGŁA) [52]. 42 RYSUNEK 24. AKUMULACJA SPINOWA (A) I FLUKTUACJE SPINU (B) JAKO FUNKCJA NAPIĘCIA TRANSPORTOWEGO (LINIA CIĄGŁA KONFIGURACJA ANTYRÓWNOLEGŁA, LINIA PRZERYWANA - KONFIGURACJA RÓWNOLEGŁA) [52]. 42 RYSUNEK 25. TMR W FUNKCJI NAPIĘCIA TRANSPORTOWEGO DLA DOWOLNYCH WARTOŚCI PARAMETRU KORELACJI KULOMBOWSKICH NA KROPCE KWANTOWEJ SET [50]. 43 RYSUNEK 26. SCHEMAT FERROMAGNETYCZNEGO JEDNOELEKTRONOWEGO TRANZYSTORA. UKŁAD MOŻE ZNAJDOWAĆ SIĘ W DWÓCH MAGNETYCZNYCH KONFIGURACJACH RÓWNOLEGŁEJ I ANTYRÓWNOLEGŁEJ. STRZAŁKI WSKAZUJĄ MAGNETYZACJĘ WYSPY I ELEKTROD. 44 RYSUNEK 27. GĘSTOŚĆ STANÓW JAKO FUNKCJA ENERGII DLA FERROMAGNETYCZNYCH METALI PRZEJŚCIOWYCH ROZWAŻANA W PRZYPADKU KONFIGURACJI RÓWNOLEGŁEJ I ANTYRÓWNOLEGŁEJ MAGNETYZACJI UKŁADU [53]. 45 RYSUNEK 28. SPINOWO ZALEŻNE PRZEWODNICTWO ELEKTRYCZNE JAKO ANALOGIA DO RÓWNOLEGŁEGO POŁĄCZENIA DWÓCH OPORNIKÓW [53]. 46 RYSUNEK 29. PRĄD ELEKTRYCZNY PŁYNĄCY PRZEZ FM SET W KONFIGURACJI RÓWNOLEGŁEJ (I P ) I ANTYRÓWNOLEGŁEJ (I AP ) W FUNKCJI NAPIĘCIA TRANSPORTOWEGO. PARAMETRY UŻYTE DO WYGENEROWANIA ZALEŻNOŚCI: R P 1, = 0.3MΩ, R P 1, = 0.115MΩ, R P 2, = 5MΩ, R P 2, = 2.5MΩ, R ap ap p p = R = R R i i, i, i,, (I=1,2), C 1 = C 2 = C G = 1AF, V 2 = V G = 0, T = 4.2 K. 47 RYSUNEK 30. TMR W FUNKCJI NAPIĘCIA TRANSPORTOWEGO DLA FM SET. PARAMETRY WZIĘTE DO OBLICZEŃ ODPOWIADAJĄ TYM Z RYSUNKU

6 RYSUNEK 31. PRĄD PŁYNĄCY W KONFIGURACJI RÓWNOLEGŁEJ I ANTYRÓWNOLEGŁEJ W FUNKCJI NAPIĘCIA BRAMKI DLA FM SET PRZY NAPIĘCIU TRANSPORTOWYM V 1 = 50MV. POZOSTAŁE PARAMETRY IDENTYCZNE JAK NA RYSUNKU RYSUNEK 32. TMR W FUNKCJI NAPIĘCIA BRAMKI DLA FM SET PRZY NAPIĘCIU TRANSPORTOWYM V 1 = 50MV. POZOSTAŁE PARAMETRY ODPOWIADAJĄ TYM Z RYSUNKU RYSUNEK 33. (A) SCHEMAT OBWODU WYKORZYSTYWANEGO W PROCESIE MIESZANIA SYGNAŁÓW PRZY UŻYCIU SET (W MIEJSCU OZNACZONYM PRZERYWANĄ LINIĄ) ORAZ KOLEJNE ETAPY UZYSKIWANIA SYGNAŁÓW O CZĘSTOTLIWOŚCI RADIOWEJ [55]. 50 RYSUNEK 34. JEDNOELEKTRONOWY TRANZYSTOR POŁĄCZONY POJEMNOŚCIOWO ZE ŹRÓDŁEM SYGNAŁU SPEŁNIAJĄCY ROLĘ ELEKTROMETRU [58]. 51 RYSUNEK 35. ZALEŻNOŚCI I-Q 0 JEDNOELEKTRONOWEGO TRANZYSTORA W TEMPERATURZE 0K (A) - TRANZYSTOR SYMETRYCZNY, (B) TRANZYSTOR ASYMETRYCZNY [58]. 51 RYSUNEK 36. (A) UKŁAD DWÓCH ZŁĄCZ TUNELOWYCH MODEL JEDNOELEKTRONOWEGO TRANZYSTORA. (B) KONDUKTANCJA RÓŻNICZKOWA WYGENEROWANA DLA SET W RÓŻNYCH TEMPERATURACH NIEZGODNYCH Z ZAŁOŻENIAMI TEORII ORTODOKSYJNEJ. (C) TEMPERATUROWA ZALEŻNOŚĆ WZGLĘDNEJ ZMIANY KONDUKTANCJI ORAZ SZEROKOŚCI POŁÓWKOWEJ PIKU W KONDUKTANCJI RÓŻNICZKOWEJ. [60] 53 RYSUNEK 37. PRZYKŁADY LOGICZNYCH BRAMEK ZBUDOWANYCH NA BAZIE SET (A) NOT, (B) XOR, (C) NOR/NAND [57]. 54 RYSUNEK 38. PO LEWEJ OBRAZ JEDNOELEKTRONOWEGO INWERTERA ZE SKANINGOWEGO MIKROSKOPU ELEKTRONOWEGO, PO PRAWEJ ODPOWIEDNI JEGO SCHEMAT (V I NAPIĘCIE WEJŚCIA, V O NAPIĘCIE WYJŚCIA, V B NAPIĘCIE TRANSPORTOWE, V G1, V G2 NAPIĘCIA BRAMEK SET, C I1, C I2 - POJEMNOŚCI WYSP SET, C L POJEMNOŚĆ ŁADOWANIA). LINIAMI PRZERYWANYMI OZNACZONO NA SCHEMACIE DWA IDENTYCZNE SET BUDUJĄCE INWERTER. [62] 55 RYSUNEK 39. (A) WYJŚCIOWE NAPIĘCIE JEDNOELEKTRONOWEGO INWERTERA JAKO FUNKCJA NAPIĘCIA WEJŚCIOWEGO ORAZ ZMIANY INDUKOWANEGO ŁADUNKU MIĘDZY WYSPAMI SETÓW W TEMPERATURZE 25MK [62]. (B) ZALEŻNOŚĆ NAPIĘCIA WYJŚCIOWEGO OD NAPIĘCIA WEJŚCIOWEGO INWERTERA DLA DWÓCH WARTOŚCI ZMIANY INDUKOWANEGO ŁADUNKU (LINIA CIĄGŁA PREZENTUJE WYNIKI SYMULACJI Z UŻYCIEM TEORII ORTODOKSYJNEJ) W TEMPERATURZE 30MK [62]. (C) ZALEŻNOŚĆ NAPIĘCIE WEJŚCIOWE-NAPIĘCIE WYJŚCIOWE INWERTERA W TEMPERATURZE 27K [65]. (D) WYKRES SCHODKOWY NAPIĘCIA WYJŚCIOWEGO OD PRZYŁOŻONEGO W INWERTERZE NAPIĘCIA WEJŚCIOWEGO W FUNKCJI CZASU DLA TEMPERATURY 27K [65]. (E) CHARAKTERYSTYKI WEJŚCIA-WYJŚCIA INWERTERA DLA RÓŻNYCH TEMPERATUR [64]. 56 RYSUNEK 40. SCHEMAT RINGOWEGO OSCYLATORA ZBUDOWANEGO NA BAZIE TRZECH JEDNOELEKTRONOWYCH INWERTERÓW (C L POJEMNOŚĆ ŁADOWANIA) [64]. 58 RYSUNEK 41. SYGNAŁ OSCYLACYJNY W FUNKCJI CZASU GENEROWANY PRZEZ RINGOWY OSCYLATOR. KAŻDA KRZYWA ODPOWIADA NAPIĘCIOM WYJŚCIA POSZCZEGÓLNYCH INWERTERÓW, Z KTÓRYCH RINGOWY OSCYLATOR JEST ZBUDOWANY. [64] 58 RYSUNEK 42. ZASTOSOWANIE SETÓW W UKŁADZIE JEDNOELEKTRONOWEGO KOŁOWROTU I JEDNOELEKTRONOWEJ POMPY [57, 58]. 59 RYSUNEK 43. (A) SCHEMAT JEDNOELEKTRONOWEGO KOŁOWROTU. (B) DIAGRAM STABILNOŚCI KOŁOWROTU JEDNOELEKTRONOWEGO. [58] 60 RYSUNEK 44. ZASADA KONTROLOWANEGO TRANSFERU POJEDYNCZEGO ELEKTRONU PRZEZ LINIOWY SZEREG MAŁYCH ZŁĄCZ TUNELOWYCH PRACUJĄCYCH W TRYBIE KOŁOWROTU. ZŁĄCZA OZNACZONO PRZEKREŚLONYM SYMBOLEM KONDENSATORA, NAPIĘCIE BRAMKI PRZYŁOŻONE JEST DO KONDENSATORA NIE BIORĄCEGO UDZIAŁU W TUNELOWANIU ELEKTRONÓW. KOLEJNE ETAPY TUNELOWANIA ELEKTRONU PRZEZ KOLEJNE ZŁĄCZA UKŁADU POKAZANO OD 1-6 PO LEWEJ PIERWSZA POŁOWA CYKLU W WYNIKU KTÓREJ ŁADUNEK OZNACZONY W KÓŁKU ZOSTAJE SPUŁAPKOWANY NA ŚRODKOWEJ ELEKTRODZIE, DRUGA POŁOWA CYKLU ODBYWA SIĘ PRZY ZMNIEJSZONYM NAPIĘCIU

7 TRANSPORTOWYM, ŁADUNEK MOŻE TUNELOWAĆ TYLKO W PRAWĄ STRONĘ AŻ DO OPUSZCZENIA UKŁADU PRZEZ ELEKTRON. [70] 61 RYSUNEK 45. CHARAKTERYSTYKI PRĄDOWO-NAPIĘCIOWE KOŁOWROTU JEDNOELEKTRONOWEGO DLA RÓŻNYCH CZĘSTOTLIWOŚCI RADIOWYCH NAPIĘCIA BRAMKI. WSTAWKA PRZEDSTAWIA ZALEŻNOŚĆ PRĄDU OD NAPIĘCIA BRAMKI O STAŁEJ CZĘSTOTLIWOŚCI DLA RÓŻNYCH AMPLITUD NAPIĘCIA BRAMKI. [70] 62 RYSUNEK 46. OBRAZ ZE SKANINGOWEGO MIKROSKOPU SIŁ ATOMOWYCH UKŁADU 7 SETÓW TWORZĄCYCH JEDNOELEKTRONOWĄ POMPĘ [72]. 62 RYSUNEK 47. (A) SCHEMAT JEDNOELEKTRONOWEJ POMPY ZBUDOWANEJ NA BAZIE DWÓCH SET POŁĄCZONYCH ZŁĄCZEM (POJEMNOŚCI BRAMEK C 1,C 2, POJEMNOŚCI ZŁĄCZ C, C, C, NAPIĘCIA BRAMEK U 1, U 2, NADMIAROWE ELEKTRONY NA WYSPACH SET N 1, N 2 ). (B) DIAGRAM STABILNOŚCI JEDNOELEKTRONOWEJ POMPY W ZEROWYM NAPIĘCIU TRANSPORTOWYM. [71] 64 RYSUNEK 48. CHARAKTERYSTYKI PRĄDOWO-NAPIĘCIOWE JEDNOELEKTRONOWEJ POMPY NA BAZIE DWÓCH SET DLA RÓŻNYCH CZĘSTOTLIWOŚCI RADIOWEGO SYGNAŁU NAPIĘĆ BRAMEK [73]. 65 RYSUNEK 49. ZALEŻNOŚĆ PRĄDU OD CZĘSTOTLIWOŚCI SYGNAŁU W JEDNOELEKTRONOWEJ POMPIE [71]. 65

8 Nauka to przecież najbardziej zaawansowany rodzaj aktywności intelektualnej, wynikający z wyjątkowej zdolności człowieka do poznawania rzeczywistości i, w następstwie tego, kreowania nowych jej form. Ta zdolność, motywowana nierozpoznanym w pełni imperatywem tkwiącym w człowieku i nakazującym mu podejmowanie wyzwań, stanowi o istocie nauki zarówno w jej warstwie poznawczej, jak i kreatywnej. Te jedyne w swoim rodzaju intelektualne cechy człowieka spowodowały, że ludzkość okazała się, jak dotychczas, jedynym znanym gatunkiem zdolnym do stworzenia cywilizacji, a badania, jako podstawowa metodologia nauki, obejmować muszą obydwa te warunkujące się nawzajem aspekty [1]

9 WSTĘP Wiek XX rozpoczęły fundamentalne odkrycia pozwalające na zrozumienie natury mikroświata to czas atomu i elektroniki. Początek XXI wieku to w dużej mierze czas technologii informacyjnej. Jesteśmy świadkami nieodwracalnej i wielkiej przemiany społecznej już niedługo kolejne pokolenia nie będą w stanie wyobrazić sobie świata bez Internetu i masowego zastosowania informatyki. Ale rozwój informatyki, jak również innych dziedzin życia, nie byłby możliwy bez nauki o materiałach i nowych technologiach. Struktury nowoczesnych materiałów, w kontekście technologii informacyjnej wymagających ciągłej miniaturyzacji, projektowane są już od poziomu atomów, a tworzenie takich materiałów to domena rodzącej się nanotechnologii. Zgodnie z dewizą Nova et Nove, czyli nowe zjawiska, materiały, struktury i urządzenia nanoświata w większości przypadków poznajemy za pomocą nowoczesnych metod zarówno teoretycznych, jak i doświadczalnych. Badania w dziedzinie nanotechnologii łączą ze sobą współczesną fizykę, chemię i biologię (stąd coraz częściej podejrzana dla laika wszechobecność nanotechnologii niby to samo, a jednak nie to samo), pozwalając na integrację wiedzy o mikroświecie dotychczas dzielonej między tymi dziedzinami nauki. Badania te koncentrują się na obiektach mikroświata o rozmiarach nanometrowych (1nm=10-9 m) stanowiących bądź to odrębne obiekty (pojedyncze atomy), bądź też będące wynikiem mikroskopowej organizacji materiałów o bardzo drobnych elementach składowych (fullereny, kropki kwantowe, układy molekularne). Znaczenie nanotechnologii rośnie i będzie rosło, gdyż w skali atomów napotykamy na liczne zjawiska fizyczne natury kwantowej. Jest jedną z najprężniej rozwijających się dziedzin nauki i techniki. Spowodowane jest to tym, że rozwój cywilizacji technicznej zależy w coraz większym stopniu od rozwoju materiałów. Współczesna nauka nie może się rozwijać bez ścisłego związku z technologiami informatycznymi. Intensywny rozwój technik informatycznych wymaga opracowywania coraz to nowych metod zapisu i odczytu informacji. A to pociąga za sobą konieczność miniaturyzacji elementów elektronicznych. Niewątpliwie jednakże granice miniaturyzacji narzuca nam sama przyroda, w pewnym momencie natura powie stop, gdyż w przeciwnym razie podstawowe elementy elektroniczne (tranzystory) musiałyby 9

10 stać się mniejsze od atomów. Szacunki wskazują, że przy obecnie powszechnie stosowanej technologii krzemowej krytyczna granica miniaturyzacji zostanie osiągnięta za kilkanaście lat. Stąd też konieczność poszukiwania nowych technologii (nanotechnologii) oraz alternatywnych urządzeń (już nie klasycznych a kwantowych), do których należą m.in. tranzystory jednoelektronowe. Elektronika przeszłości wykorzystywała tylko jedną cechę elektronu ładunek elektryczny. Elektronika przyszłości to intensywna eksploatacja zjawisk związanych ze spinem spintronika. W pierwszym rozdziale pracy, jako wprowadzenie do tematyki tranzystorów kwantowych, omówiono klasyczny tranzystor, następnie prawo Moore a, które motywuje do ciągłego postępu w miniaturyzacji elementów elektronicznych, takich jak tranzystory. Trzeci i czwarty rozdział to prezentacja założeń oraz możliwych zastosowań nowych dziedzin nauki teoretycznej i doświadczalnej nanotechnologii oraz spintroniki. Kolejny rozdział obrazuje realizacje pomysłu tranzystora jednoelektronowego, przybliża zasadę jego działania, jak również teoretyczne podejście do jego analizy. W szóstym rozdziale przedstawiono możliwe rodzaje tranzystorów jednoelektronowych, natomiast kolejne jego podrozdziały demonstrują wyniki analizy własności transportowych wybranych typów tranzystorów jednoelektronowych opartych na molekule, na kropce kwantowej oraz na metalicznej granulce. Ostatni siódmy rozdział jest przeglądem możliwych zastosowań tranzystorów jednoelektronowych, prezentuje ich zalety, jak również problemy napotykane na drodze wprowadzenia ich do codziennych, komercyjnych zastosowań. 1. TRANZYSTOR POLOWY Tranzystor to trójzłączowy półprzewodnikowy element elektroniczny, posiadający zdolność wzmacniania sygnału elektrycznego [2]. Nazwa tranzystor pochodzi od angielskiego zwrotu transfer resistor ( transconductance resistor ), który oznacza transformator rezystancji. Wyróżnia się dwie główne grupy tranzystorów, różniące się między sobą zasadniczo zasadą działania tranzystory bipolarne (dwupolowe, iniekcyjne) i unipolarne (polowe). Tranzystor bipolarny zbudowany jest z trzech warstw półprzewodników (przemiennie domieszkowanych warstw germanu lub krzemu) o różnym rodzaju 10

11 przewodnictwa, tworzących dwa złącza p-n (złącze dwóch półprzewodników niesamoistnych o różnych typach przewodnictwa w półprzewodnikach typu n (nadmiarowe) występują nośniki większościowe ujemne (elektrony) oraz unieruchomione w siatce krystalicznej atomy domieszek (donory), analogicznie w półprzewodniku typu p (niedomiarowe) nośnikami większościowymi są dziury o ładunku elektrycznym dodatnim oraz atomy domieszek (akceptory)), a sposób polaryzacji złącz determinuje stan prac tranzystora (ze względu na kolejność warstw półprzewodnika, zależną od typu półprzewodnika tworzącego bazę, rozróżnia się dwa typy tranzystorów: pnp - nośnikiem prądu są dziury oraz npn - nośnikiem prądu są elektrony; Rysunek 1). Nazwa bipolarne bierze się zatem stąd, że dotyczy tranzystorów, w których transport ładunków odbywa się za pośrednictwem obu rodzajów nośników jakie istnieją w półprzewodniku elektronów i dziur. Bipolarny tranzystor posiada trzy końcówki przyłączone do warstw półprzewodnika skrajne warstwy półprzewodnika nazywamy emiterem (oznaczenie E) i kolektorem (oznaczenie C), a środkową bazą (oznaczenie B). Rysunek 1. Uproszczona struktura i symbol graficzny tranzystora npn i pnp [3].3 Zasada działania tranzystora bipolarnego polega na sterowaniu wartością prądu kolektora za pomocą prądu bazy prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy (prąd emitera jest zawsze sumą prądu kolektora i prądu bazy). Napięcie przyłożone do złącza baza-emiter w kierunku przewodzenia wymusza przepływ prądu przez to złącze nośniki większościowe (elektrony w tranzystorach typu npn lub dziury w tranzystorach typu pnp) przechodzą z emitera (stąd nazwa elektrody: emiter, bo emituje nośniki) do obszaru bazy. Nośniki wprowadzone do obszaru bazy przechodzą bezpośrednio do kolektora, dzięki niewielkiej grubości 11

12 obszaru bazy znacznie mniejszej niż droga swobodnej dyfuzji nośników ładunku w tym obszarze (ok. 0,01 0,1mm). Ponieważ złącze baza-kolektor jest spolaryzowane w kierunku zaporowym, więc to nośniki mniejszościowe są przyciągane przez kolektor. Podstawowe znaczenie dla działania tranzystora bipolarnego mają zjawiska zachodzące w cienkim obszarze bazie, pomiędzy dwoma złączami półprzewodnikowymi. W tranzystorach bipolarnych prąd wyjściowy jest funkcją prądu wejściowego (sterowanie prądowe). Odmienną konstrukcję ma tranzystor unipolarny, nazywany także polowym (ang. Field-Effect Transistor FET, dokładniej tranzystor z efektem polowym). Tranzystor polowy to tranzystor, w którym sterowanie prądem odbywa się za pomocą pola elektrycznego (stąd jego nazwa). Zasadniczą częścią tranzystora polowego jest kryształ odpowiednio domieszkowanego półprzewodnika z dwiema elektrodami: źródłem (symbol S od angielskiej nazwy Source ) i drenem (symbol D od angielskiej nazwy Drain ). Pomiędzy nimi tworzy się tzw. kanał, którym płynie prąd. Wzdłuż kanału umieszczona jest trzecia elektroda sterująca, zwana bramką (symbol G od angielskiej nazwy Gate ). Przejście między dwoma elektrodami, źródłem i drenem, jest wykonane z półprzewodnika jednego typu n lub p. Przyłożone do bramki napięcie wywołuje w krysztale dodatkowe pole elektryczne (sama bramka pobiera znikomo mały prąd), które wpływa na rozkład nośników prądu w kanale. Skutkiem tego jest zmiana przekroju kanału, co objawia się jako zmiana oporu źródło-dren. Działanie tranzystora polowego polega na sterowaniu przepływem prądu przez kanał za pomocą pola elektrycznego wytwarzanego przez napięcie doprowadzone do bramki (tranzystor jest otwierany i zamykany pod wpływem napięcia między bramką a źródłem). Ponieważ w tranzystorze polowym nie ma żadnych przewodzących złącz, więc do bramki nie wpływa ani z niej nie wypływa żaden prąd. Elektrody w tranzystorze unipolarnym spełniają podobne funkcje jak odpowiadające im elektrody w tranzystorze bipolarnym kolektorowi C odpowiada dren D, emiterowi E odpowiada źródło S, a bazie B odpowiada bramka G (w przypadku układów scalonych, w których wytwarza się wiele tranzystorów na wspólnym krysztale, wykorzystuje się jeszcze czwartą elektrodę, tzw. podłoże (symbol B od angielskiej nazwy Bulk albo Body ), służącą do odpowiedniej polaryzacji podłoża. Przewodzenie prądu między źródłem i drenem (prąd nośników jednego rodzaju, prąd nośników 12

13 większościowych) jest sterowane przez potencjał bramki, który reguluje szerokość bariery potencjału oddzielającej źródło i dren (efekt tunelowy zjawisko tunelowe, zjawisko kwantowe polegające na przenikaniu cząstki przez barierę potencjału, co wyklucza fizyka klasyczna, a wyjaśnienie tego efektu polega na odwołaniu się do zasady nieoznaczoności: pęd i energia potencjalna cząstki nie dadzą się ściśle określić w tym samym czasie, czyli możliwe są fluktuacje energii pozwalające na pokonanie bariery potencjału). Wartość prądu przepływającego przez tranzystor polowy jest zależna od wartości napięcia przyłożonego między źródłem a drenem oraz od wartości rezystancji kanału. Tranzystor polowy (unipolarny) to taki, w którym prąd wyjściowy jest funkcją napięcia tranzystor sterowany napięciowo. Są one sterowane polem elektrycznym co oznacza, że nie pobierają mocy na wejściu. Tranzystory polowe mogą być wykonane z dwoma rodzajami bramek (tranzystory złączowe i z izolowaną bramką), a ponadto mogą różnić się sposobem domieszkowania materiału półprzewodnikowego tworzącego kanał (Rysunek 2): złączowe (JFET, Junction FET, J od Junction złącze), w których bramka jest połączona z obszarem kanału tworząc złącze półprzewodnikowe; ze względu na rodzaj złącza bramka-kanał rozróżnia się: tranzystory ze złączem p-n (PNFET), tranzystory ze złączem metal-półprzewodnik (MSFET, Metal-Semiconductor FET); z izolowaną bramką (IGFET, Insulated Gate FET) bramka jest odizolowana od kanału; ze względu na technologię wykonania rozróżnia się tranzystory: tranzystory wykonane z półprzewodnika monokrystalicznego (MISFET, Metal-Insulator-Semiconductor FET), a ponieważ w nich najczęściej metalowa bramka izolowana jest dwutlenkiem krzemu SiO 2 (bardzo cienka warstwa, której grubość jest mniejsza od długości fali światła) od półprzewodnikowego kanału wiodącego prąd, stąd tranzystory te częściej nazywa się MOSFET (ang. Metal-Oxide-Semiconductor FET) lub krócej MOS; dodatkowo tranzystory MOS dzieli się na: tranzystory z kanałem zubożanym, w których przy braku napięcia bramka-źródło kanał jest otwarty, 13

14 tranzystory z kanałem wzbogacanym, w których przy braku napięcia bramka-źródło kanał jest całkowicie zatkany; tranzystory wykonane z półprzewodnika polikrystalicznego, a ponieważ tranzystory tego typu są wytwarzane w taki sam sposób, jak układy scalone cienkowarstwowe, toteż nazywane są tranzystorami cienkowarstwowymi (TFT, Thin Film Transistor). JFET N JFET P MOSFET N (zubożany) MOSFET P (zubożany) MOSFET N (wzbogacony) MOSFET P (wzbogacony) TFT N TFT P Rysunek 2. Typy tranzystorów polowych i ich symbole graficzne (w drugim rzędzie symboli graficznych pokazano symbole tranzystorów MOSFET z czterema elektrodami, stosowanymi do produkcji układów scalonych) [4, 5].45 Pierwszy tranzystor bipolarny (Rysunek 3) zbudowano w laboratoriach Bella w USA już ponad pół wieku temu (23 grudnia 1947r.), pomimo tego nadal pozostaje on centralnym obiektem współczesnej elektroniki. Rysunek 3. Pierwszy tranzystor, zbudowany w 1947 roku metodą ostrzową (polegała na trawieniu płytki germanowej strumieniem kwasu do uzyskania grubości rzędu mikrometrów tak powstawała baza, do której obu stron jak najbliżej siebie przymocowywano druciki (ostrza) materiału domieszkującego emiter i kolektor). Jego konstruktorami byli J. Bardeen oraz W. H. Brattain. [6]6 14

15 Pomimo wszelkich zabiegów zmniejszanie układów scalonych i miniaturyzacja całych urządzeń natrafiała na trudności natury zasadniczej cały czas budowano je z tranzystorów bipolarnych, przez co charakteryzowały się dużym poborem prądu, a co za tym idzie sporą ilością wydzielanego ciepła. Budowę układów wielkiej skali integracji umożliwiło zastosowanie technologii tranzystorów polowych MOSFET. Wynalezienie tranzystora uważa się za przełom w elektronice, zastąpił on bowiem duże, prądożerne, wydzielające spore ilości ciepła, a zarazem zawodne lampy elektronowe, dając początek coraz większej miniaturyzacji przyrządów i urządzeń elektronicznych. O wszechstronności i popularności tranzystorów niech świadczy fakt, że w roku 1955 produkowano już kilka milionów sztuk (mimo wysokiej ceny), natomiast dzisiaj jest to miliard miliardów. Znaczenie tranzystorów dla obecnej techniki jest olbrzymie od ponad pół wieku nikomu nie udało się zrealizować innego elementu elektronicznego, który miałby tak szerokie zastosowanie. Pierwszy tranzystor miał ok. 1,3 centymetra wysokości, był zatem kilkukrotnie mniejszy niż typowa lampa elektronowa, jednak dziś, taki wynik na nikim nie robi wrażenia. Dzisiaj submikronowa technologia, której era powoli się kończy, pozwala na konstrukcję procesorów składających się obecnie z setek milionów tranzystorów na niewielkiej płytce krzemu prawie niewidocznej gołym okiem. A my już potrafimy konstruować tranzystory jednoelektronowe. W roku 2001 holenderscy naukowcy z Uniwersytetu w Delft stworzyli taki miniaturowy tranzystor, którego rozmiary są na poziomie nanometra (10-9 m), a do zmiany swojego stanu (włączony/wyłączony) potrzebuje on tylko jednego elektronu. 2. PRAWO MOORE A The number of transistors incorporated in a chip will approximately double every 24 months te znamienne i prorocze słowa o liczbie tranzystorów w chipie podwajających się co dwa lata, które wypowiedział Gordon Moore, współtwórca firmy Intel, znane są dzisiaj jako prawo Moore a. W pierwotnej wersji, którą Gordon Moore opublikował 19 kwietnia 1965 roku na łamach pisma Electronics Magazine, była mowa tylko o 12 miesiącach i przewidywania te nie zostały uznane ani za "prawo", ani szczególnie "Moore'a". Tę nazwę nadał dopiero kilka lat później profesor California 15

16 Institute of Technology, Carver Mead. W 1975 roku sam Gordon Moore zrewidował swoją regułę, by bardziej pasowała do rynkowych realiów uznał, że przedziałem czasu, w którym podwaja się liczba tranzystorów w procesorze, są właśnie cytowane wcześniej 24 miesiące. Ostatecznie jednak okazało się, że najbliższy prawdzie okres to około 1,5 roku. Rysunek 4. Gordon Moore i graficzna prezentacja jego prawa [7].7 Rozwój technik informatycznych, podlegający empirycznemu prawu Moore a, wymaga opracowywania coraz to nowych metod zapisu i odczytu informacji. Jedynym czynnikiem zapewniającym racjonalność zasady Moore'a jest miniaturyzacja. Rozmiary komponentów układów scalonych nie mogą się jednak zmniejszać w nieskończoność. Pytania o to gdzie jest granica, poniżej której nie da się już zejść, jak daleko nam do tej granicy oraz czy i kiedy załamie sie prawo Moore a, to niewątpliwie pytania na czasie, spędzające sen z powiek wielu naukowcom, badaczom, konstruktorom, producentom, dystrybutorom i oczywiście odbiorcom różnego rodzaju sprzętu elektronicznego. Przewidywany w ciągu kilkunastu lat koniec rozwoju technologii krzemowych wynika z ograniczeń w skalowaniu połączeń i układów elektronicznych, w redukcji pobierania energii, jak również ograniczenia narzuca sama litografia metoda stosowana do wytwarzania krzemowych układów. Jak twierdzi Moore, w ciągu lat naukowcy powinni osiągnąć rozmiar atomu, będący granicą procesu miniaturyzacji. Trzeźwo myślący sceptycy od dawna wieszczą upadek tranzystora, ale producenci procesorów robią co mogą, by wytrzymać to mordercze tempo miniaturyzacji [8]. 16

17 Rysunek 5. Praktyczna realizacja prawa Moore a na przykładzie produktów firmy Intel [9].9 3. NANOTECHNOLOGIA Za prekursora nanotechnologii uważany jest Richard P. Feynman (laureat Nagrody Nobla w 1965r.). I want to build a billion, tiny factories, models of each other, which are manufacturing simultaneously. ( ) The principles of physics, as far as I can see, do not speak against the possibility of maneuvering things atom by atom. It is not an attempt to violate any laws; it is something, in principle, that can be done; but in practice, it has not been done because we are too big. jego słynne słowa wypowiedziane podczas wykładu There s Plenty of Room at the Bottom, głównego wydarzenia na grudniowym spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego w grudniu 1959 roku przypomniały się wszystkim wtedy, kiedy nanotechnologia przestawała być mżonką science-fiction, a zaczęła przyjmować realne, najpierw teoretyczne kształty, w ślad za którymi poszły realizacje fizyczne. Rysunek 6. Richard P. Feynman podczas słynnego wykładu There's Plenty of Room at the Bottom wygłoszonego w California Institute of Technology (Caltech)[10].10 17

18 Nanotechnologia wydzielona z inżynierii materiałowej (nauka o strukturze, budowie, własnościach i technologii wytwarzania nowych materiałów), jest nowoczesną dziedziną badań, których celem jest miniaturyzacja urządzeń, z czym ściśle związane jest wytwarzanie materiałów o małych rozmiarach, rzędu nanometra (1nm = 10-9 m; struktury niskowymiarowe) takie rozmiary są typowymi odległościami między atomami w ciałach stałych. Stąd nanotechnologie określa się jako umiejętność manipulacji materią na poziomie molekularnym, jeszcze kilkadziesiąt lat temu nie do wyobrażenia (samo odkrycie elektronu było spektakularnym sukcesem i nikomu nie przyszło nawet do głowy, że można byłoby tym pojedynczym tworem móc manipulować). Słowo nano pochodzi z języka greckiego i oznacza karzeł. Nanotechnologia operuje zatem w obszarze karłów świata technicznego, czyli na poziomie atomów i cząstek. Nanotechnologia jest dziedziną interdyscyplinarną łączącą w sobie fizykę, chemię, biologię oraz elementy wielu innych nauk. Badania nanotechnologiczne dotyczą wielu bardzo różnych zjawisk, zarówno znanych (całkowicie nowych możliwości w dziedzinie badań dostarczają urządzenia takie jak skaningowy mikroskop tunelowy STM ang. scanning tunneling microscope, czy mikroskop sił atomowych AFM ang. atomic force microscope), jak i nieznanych dotychczas w skali makroskopowej, a obecnie dostępnych dla badań na obiektach w skali nanometrów (pojawiły się techniki umożliwiające manipulacje pojedynczymi atomami, molekułami i makromolekułami oraz badania właściwości pojedynczych molekuł). Rysunek 7. Przykład nanotechnologicznego tworu wykonanego z użyciem skaningowego mikroskopu tunelowego postać zbudowana z cząsteczek tlenku węgla osadzonych na powierzchni platyny [11].11 Nanomateriały zachowują właściwości fizykochemiczne charakterystyczne dla skali makro, ale dodatkowo posiadają zespół oryginalnych cech, związanych z ich rozmiarem. Z jednej strony podlegają one prawom fizyki klasycznej, ale są dla nich właściwe także zachowania opisywane przez fizykę kwantową. 18

19 Tranzystor z powodzeniem zastąpił lampy elektronowe, a dzięki oszałamiającej miniaturyzacji pozwolił na wykonywanie tych samych obliczeń za pomocą coraz to mniejszych urządzeń i mniejszej ilości energii. Nanotechnology allows an exponential growth in transistor count, as well as higher performance and lower power per transition. Robert Chau (Intel Corporation) Dzisiejsze procesory to już nanotechnologia, a tranzystor dzięki nanotechnologii pomimo swoich 60-ięciu lat istnienia na rynku ma się dobrze [8]. Terminem nanotechnologia określany jest także nurt zapoczątkowany przez Kima Erica Drexlera (na samym początku niektórzy ludzie uważali go za wariata, gdy po raz pierwszy usłyszeli o jego pomyśle stworzenia nanorobotów) Można by tworzyć przedmioty, manipulując pojedynczymi atomami i cząsteczkami, każdą z nich z osobna, dokładnie je ustawiając w szeregach jedna po drugiej, raz za razem [12]. Realizowany obecnie etap miniaturyzacji przyrządów elektronicznych do rozmiarów nanometrowych oznacza osiągnięcie granicy miniaturyzacji przyrządów sztucznie wytwarzanych przez człowieka i wejście w obszar zjawisk kwantowych. Konieczność umiejętnego manipulowania pojedynczymi atomami wprowadza nas w świat nanotechnologii. Podstawowym urządzeniem nanoelektroniki i przyszłością elektroniki są tranzystory jednoelektronowe. Nanoelektronika, wszystko na to wskazuje, ma szansę stać się jednym z kamieni węgielnych nanotechnologii. 4. SPINTRONIKA Największe zdobycze technologiczne XX wieku elektronikę i komputery, zawdzięczamy związanemu z elektronem ładunkowi elektrycznemu [13]. W konwencjonalnych układach elektronicznych aktywnie wykorzystywanym elementem jest na ogół właśnie ładunek elektronu. Obecnie, gdy elektronika dociera do fizycznych barier, coraz większą uwagę przyciąga inna cecha elektronu, którą jest spin. Nowe perspektywy stworzyło dopiero pojawienie się możliwości konstrukcji elementów elektronicznych z zaplanowaną strukturą spinową (inżynieria spinowa). Józef Barnaś (UAM Poznań, Instytut Fizyki Molekularnej PAN Poznań) W ten sposób narodziła się elektronika spinowa (spintronika), w której spin elektronu jest aktywnym elementem na równi z jego ładunkiem [14, 15]. Spintronika ( ) to ostatnio bardzo 19

20 modny kierunek rozwoju fizyki. Zajmuje sie nią wielu fizyków i technologów w licznych ośrodkach badawczych. Słowo modny w badaniach naukowych znaczy tyle co potrzebny, a przynajmniej perspektywiczny, i tylko wtedy ktoś decyduje się subsydiować takie badania. Zbysław Wilamowski (Instytut Fizyki PAN, Warszawa) Spintronika wykorzystuje efekty związane z transportem elektronowym uwzględniającym zarówno ładunek elektronu, jak i jego własny moment pędu (nie wynika z ruchu danej cząstki względem innych cząstek, lecz tylko z samej natury tej cząstki i jest jej integralną częścią) związany z obrotami elektronu (czwarty stopień swobody), zwany spinem. Jest to własność związana z tensorowym charakterem funkcji falowej, opisującej daną cząstkę, względem grupy obrotów. Obserwowane wartości spinu są wartościami własnymi operatora spinu. Aby dla danej cząstki otrzymać wartość jej spinu należy zadziałać tym operatorem na jej funkcję falową. Trzy składowe spinu elektronu są opisane macierzami Pauliego. Zachowanie kolektywne cząstek jest inne w zależności od tego jaki mają spin. Gdy spin cząstki jest całkowity, cząstki są bozonami i podlegają statystyce Bosego-Einsteina. W sytuacji, gdy cząstki mają spin połówkowy są fermionami i podlegają statystyce Fermiego-Diraca. Wartość spinu elektronu nie może przyjmować dowolnej wartości, lecz wyłącznie ściśle określoną skwantowaną, może być równy tylko dwóm wartościom: 1/2 i -1/2. Przyjmuje się i obrazowo w sposób bardzo uproszczony przedstawia (Rysunek 8), że wartości spinu odpowiadają obrotom elektronu zgodnie z ruchem wskazówek zegara (wektor "w górę") i przeciwnie (wektor "w dół"). Spin w połączeniu z ładunkiem elektrycznym odpowiada za pole magnetyczne istniejące wokół elektronu różnym wartościom spinu odpowiadają przeciwnie zorientowane pola magnetyczne (fioletowe linie Rysunek 8). Rysunek 8. Graficzne przedstawienie spinu elektronu [16].16 20

21 W tranzystorach nośnikiem informacji są ładunki elektryczne przenoszone przez strumień elektronów płynących w próżni lub w ciele stałym [13]. Naukowcy zaczęli poważnie rozważać pomysł, aby w charakterze nośnika informacji wykorzystać nie tylko ładunek elektronu, ale także (a wręcz wyłącznie) jego spin. Zamiast sterować jedynie przepływem ładunku, jak we współczesnych układach scalonych, chcemy nauczyć się też "inteligentnie" sterować spinami zrobić tranzystory spinowe, bardziej energooszczędne i szybsze od obecnych. Tomasz Dietl (Uniwersytet Warszawski) Ponieważ w tranzystorach zaczynamy operować już tylko pojedyncznymi elektronami można zatem powiedzieć, że mechanika kwantowa już znalazła swoje stałe miejsce w przyszłości komercyjnych urządzeń współczesnej elektroniki. Wykorzystanie efektów spintronicznych, związanych z polem magnetycznym elektronu, otwiera zupełnie nowe możliwości. Spintronika otwiera możliwość doboru całkowicie różnych zjawisk fizycznych optymalnie do realizowanych zadań w obrębie jednego tworu. Rozwija techniki, które pozwolą na kontrolowanie wstrzykiwania i transport spolaryzowanych elektronów oraz ich detekcję bez konieczności stosowania silnych pól magnetycznych. Przy całym ogromie prowadzonych i zaplanowanych w przyszłości badań nie jest łatwo powiedzieć co oznacza samo słowo spintronika. Trudność w precyzyjnym zdefiniowaniu tego pojęcia wiąże się właśnie z wielką mnogością i różnorodnością pomysłów oraz realizowanych projektów [17]. Prawdopodobnie spintronika stworzy nowy paradygmat przyszłej elektroniki, coraz usilniej poszukiwany, w miarę jak zbliżamy się do nieprzekraczalnej granicy miniaturyzacji, kiedy wielkość elementów elektronicznych stanie się porównywalna z wielkością atomów [13]. Z pewnością spintronika stanie się źródłem nowych wynalazków. 5. TRANZYSTOR JEDNOELEKTRONOWY I ZASADA JEGO DZIAŁANIA Rozwój technik informatycznych, dla których najistotniejszym jest fakt, że elektron może przenosić informację, stał sie główną siłą napędową narodzin spintroniki. Przechowywanie danych jest istotnym obszarem zastosowań spintroniki, wydaje się jednak, że jej wykorzystanie w układach logicznych może dać jeszcze 21

22 bardziej spektakularne wyniki. Podstawowym problemem spintronicznych układów logicznych jest skonstruowanie odpowiednika klasycznego tranzystora, który włącza się, gdy elektrony są dodawane do półprzewodnika, a wyłącza, gdy są usuwane. Tendencja do miniaturyzacji elektroniki doprowadziła do tego, że poszczególne elementy lub ich części są układami nanometrycznymi (1nm = 10-9nm; nanoelektronika), ale również mezoskopowymi, czyli układami, których rozmiary są porównywalne lub znacznie mniejsze od drogi swobodnej elektronu. W układach takich elektron widzi i odczuwa działanie całego układu, w którym porusza się, co prowadzi do wielu kwantowych efektów. W nanostrukturach zaczyna się bezpośrednio obserwować kwantowe ograniczenia energii i ruchu elektronów w strukturach płaskich elektrony mogą poruszać się w dwóch wymiarach (w warstwie nanostruktur), w strukturach liniowych w jednym wymiarze (wzdłuż drutu kwantowego), w strukturach punktowych są one uwięzione w kropce kwantowej. Obserwuje się też kwantowe efekty tunelowania elektronów przez bariery potencjału. Jak daleko można zejść z rozmiarami tranzystora polowego (FET), aby jego istota nie została zmieniona? Na pewno dojdziemy do takiej sytuacji, gdzie poniżej pewnych granic nie będzie to już tranzystor polowy. Dążąc do tego, musimy uwzględnić fakt, że istotne wtedy stają się efekty związane z energią elektrostatycznego ładowania. Ów fakt doprowadził do koncepcji tranzystora jednoelektronowego (ang. Single-Electron Transistor SET), układu pozwalającego kontrolować pojedyncze elektrony. Ze względu na postępującą miniaturyzację elementów elektronicznych w konwencjonalnych komputerach wydaje się możliwe przejście od technologii opartej na FET-ach do technologii opartej na SET-ach [18]. Tranzystory jednoelektronowe w swej budowie przypominają klasyczne tranzystory. SET (Rysunek 9) powstaje przez połączenie za pomocą dwóch złącz tunelowych otoczonej izolatorem centralnej elektrody (zwanej wyspą) z dwoma zewnętrznymi elektrodami zwanymi źródłem (klasyczny emiter) i drenem (klasyczny kolektor) skojarzonymi z pojemnościami C S ( C L Rysunek 9) i C D ( C R Rysunek 9) oraz z elektrodą zwaną elektrodą bramką (klasyczna baza) na zasadzie pojemnościowego połączenia ( C G - Rysunek 9). Zmieniając napięcie bramki V G (Rysunek 9) można zmieniać elektryczny potencjał wyspy (liczba nadmiarowych 22

23 elektronów). Aby elektron mógł przedostać się ze źródła do drenu, musi przejść przez wyspę. Zakłada się, że przepływ elektronów w obszarze izolatora między źródłem a wyspą oraz między wyspą a drenem zachodzi poprzez kwantowe tunelowanie. Kluczowym momentem podczas podróży elektronu między źródłem a drenem jest zmiana ilości elektronów na wyspie tranzystora. tunneling junction Source Island Drain Gate R L, C L R R, C R C G V L V G V R Rysunek 9. Model i schemat elektryczny jednoelektronowego tranzystora. Tranzystory jednoelektronowe oprócz analogicznej budowy również działają na podobnej zasadzie, jak ich klasyczne odpowiedniki z tą różnicą, że skupiamy się w nich na ruchu pojedynczych elektronów, bowiem w skali nano pojedynczy elektron ma istotny wpływ na zachowanie się takiego tranzystora. W 1985 roku Dmitri Averin i Konstantin Likharev przedstawili ideę tranzystora jednoelektronowego zbudowanego na warstwach metalicznych i zdolnego do detekcji ruchu pojedynczych elektronów. 23

24 Teoria opisująca tunelowanie pojedynczych elektronów otrzymała miano teorii ortodoksyjnej [19, 20, 21] i jest swego rodzaju przepisem na tunelowanie pojedynczego elektronu. Jak się później okazało, teoria ta z sukcesem opisuje rezultaty eksperymentalnych obserwacji także skorelowanych aktów tunelowania elektronów. Aby mogło dojść do tunelowania pojedynczego elektronu podczas, gdy ładunek na wyspie jest dobrze zlokalizowany, po pierwsze tunelowy opór złącz układu R T musi przewyższać opór kwantowy R >> R ( R Q = h / e 2 25, 8kΩ), dzięki temu kwantowe T Q fluktuacje ładunku elektrycznego znajdującego się w złączach elektrod są pomijalne. Działanie jednoelektronowych tranzystorów opiera się na efekcie blokady kulombowskiej (Rysunek 10) w niskich temperaturach i dla małych napięć prąd nie płynie przez układ. Aby elektron mógł przetunelować na wyspę, gdzie znajduje się pewna ustalona liczba nadmiarowych elektronów N, energia jaką niesie ze sobą musi być większa niż kulombowska energia ładowania 2 = e / CΣ ( S D G E C 2 C Σ = C + C + C ). Poszczególne akty tunelowania elektronu na wyspę mają miejsce do czasu, kiedy powodują obniżenie energii elektrostatycznej układu (ujemna zmiana energii układu). 140 I[nA] obszar blokady kulombowskiej V bias [mv] Rysunek 10. Obszar blokady kulombowskiej widoczny na wykresie zależności prądowo-napięciowej jednoelektronowego tranzystora. Ponadto, aby móc obserwować efekty związane z tunelowaniem pojedynczych elektronów, wyspa tranzystora musi być wystarczająco mała (małe C Σ, rozmiar wyspy jest na tyle mały, że dodanie jednego elektronu znacznie podwyższa energię takiego układu), a temperatura otoczenia wystarczająco niska tak, aby energia E C potrzebna do dodania elektronu na wyspę, znacznie przewyższała energię termicznych fluktuacji E C >> k BT (warunek istnienia efektów dyskretnego ładowania). 24

25 W tranzystorach jednoelektronowych można wyróżnić następujące obszary transportu elektronowego: sekwencyjny (Rysunek 11 (a-d); pierwszy rząd tunelowania, elektron może przetunelować, jeśli jego energia jest większa od energii ładowania, dwa akty tunelowania nie są ze sobą skorelowane, elektrony tunelują jeden po drugim), kotunelowanie (Rysunek 11 (e); drugi rząd tunelowania, współtunelowanie, skorelowane, w tym samym czasie, dwa akty tunelowania sekwencyjnego poprzez stany wirtualne jeden elektron tuneluje na wyspę podczas, gdy inny równocześnie wyspę opuszcza tunelując przez drugie złącze), rezonansowe tunelowanie i obszar Kondo. Wszystkie te procesy dając wkład do procesów tunelowania elektronów przez bariery tunelowe wprowadzają pewne modyfikacje w charakterystykach transportowych (np. w obszarze blokady kulombowskiej procesy tunelowania sekwencyjnego są eksponencjalnie zablokowane, a pomimo tego obserwuje się przepływ prądu związany z kotunelowaniem). Podczas przeprowadzania teoretycznej analizy własności transportowych w jednoelektronowych tranzystorach niełatwo uwzględnić wszystkie obszary transportu elektronowego, tym niemniej dają one pełny, rzeczywisty obraz procesów tunelowania elektronów w tego typu nanoukładach. W limicie sekwencyjnego tunelowania częstotliwość przetunelowania elektronu z lewej elektrody na wyspę (zmiana liczby nadmiarowych elektronów na wyspie z N na N + 1) lub z wyspy na prawą elektrodę (liczba elektronów na wyspie zmienia się z N na N 1) można wyznaczyć z użyciem złotej reguły Fermiego: W i f 2π 2 = f H T i δ h ( E E ) i f, (1) gdzie W jest prawdopodobieństwem przejścia układu ze stanu i (stan początkowy) i f do f (stan końcowy) w jednostce czasu, H T hamiltonian tunelowy, E i energia układu w stanie początkowym, E f energia układu w stanie końcowym. Tunelowa częstotliwość przejścia elektronu przez złącze j ( j = L, R) w niemagnetycznym tranzystorze jednoelektronowym zależy od zmiany całkowitej energii elektrostatycznej układu E j ( N, V ) w wyniku aktu tunelowania: E j ( N, V ) ( N, V )/ k 1 Γ j ( N, V ) =, (2) 2 e R exp Tj [ E T ] 1 gdzie R Tj jest tunelowym oporem złącza j, T temperatura, k B stała Boltzmanna. j B 25

26 (a) energia (b) energia ε+e C ε 0 ε+e C ε ev 2 0 ev 2 L R L R energia efekt blokady kulombowskiej (c) ε+e C ε ev 2 0 ev 2 L R zniesienie blokady kulombowskiej (d) energia (e) energia L ε+e C ε R ev 2 0 ev 2 L ε+e C ε R ev 2 0 ev 2 Rysunek 11. Schemat procesów tunelowania sekwencyjnego (a-d) i kotunelowania (e). 26

27 W sekwencyjnym tunelowaniu dynamika systemu może być modelowana przez czasową ewolucję prawdopodobieństwa obsadzenia wyspy opisanego przez równanie master (równanie bilansu): dp ( N, V, t) dt [ Γ ( N, V ) + Γ ( N, V ) + Γ ( N, V ) + Γ ( N, V )] P( N, V t) + = i i L R i i L R, [ Γ ( N 1, V ) + Γ ( N 1, V )] P( N 1, V t) + + L i R i, [ ( N + 1, V ) + Γ ( N + 1, V )] P( N + 1, V t) + i L i R, Prawdopodobieństwo wyjściowe P ( N V, t) Γ (3), obsadzenia wyspy przez N nadmiarowych elektronów w chwili czasu t, przy przyłożonym napięciu V, może zmieniać się dzięki dwóm procesom tunelowania na i z wyspy: P ( N 1, V, t) wyjściowego trzeba dodać elektron na wyspę, P ( N 1, V, t) aby dotrzeć do stanu + dojście do stanu wyjściowego wymaga usunięcia elektronu z wyspy. Chcąc znaleźć prąd płynący przez tranzystor interesuje nas stacjonarne rozwiązanie równania master zakładające zerowanie się czasowej pochodnej prawdopodobieństwa. Wykorzystując ponadto + n= warunek normalizacji prawdopodobieństw ( n, V ) = 1 P można wyznaczyć stacjonarne prawdopodobieństwo obsadzenia wyspy tranzystora przez N nadmiarowych elektronów. Znając częstotliwości tunelowania elektronów (równanie 2) oraz wyznaczając prawdopodobieństwa obsadzenia wyspy (równanie 3) można wykreślić charakterystyki prądowo-napięciowe korzystając z zależności na prąd płynący przez jednoelektronowy tranzystor (prąd stacjonarny płynący przez lewe złącze jest taki sam, jak prąd płynący przez prawe złącze, czyli I = I ): L R I ( V ) = e [ ( N, V ) Γ ( N, V )] P( N V ) L i L L i, N = Γ (4) 6. RODZAJE TRANZYSTORÓW JEDNOELEKTRONOWYCH Elektrody tranzystora jednoelektronowego mogą być wytworzone z użyciem różnorodnych materiałów metali, półprzewodników, czy przewodzących polimerów. Mogą działać albo w stanie normalnym, ferromagnetycznym albo nadprzewodzącym. Pierwszy eksperymentalny jednoelektronowy tranzystor zaprezentowany został w 1987 roku [22]. Od tego czasu wykonano już tranzystory z metali (np. Al/AlO), 27

28 półprzewodników (np. GaAs), nanorurek węglowych, jak również pojedynczych cząsteczek molekuł (np. molekularne magnetyki, fulereny itp.). W tranzystorach jednoelektronowych istotne zastosowanie znalazł ferromagnetyzm (nierozłącznie związany ze spinem elektronu). Jeśli zewnętrzne elektrody tranzystora są ferromagnetykami, elektrony tunelujące do wnętrza wyspy są spolaryzowane spinowo, a przyłożenie napięcia do elektrod zewnętrznych umożliwia przepływ prądu, który ściśle zależy od konfiguracji magnetycznej układu jej zmiana pozwala sterować prądem. W procesie działania ferromagnetycznego jednoelektronowego tranzystora musimy opanować technologię pozwalającą operować spolaryzowanymi spinowo elektronami, przenosić je w tym stanie do materiałów oraz odpowiednio długo zachować ich polaryzację. Interesującym efektem elektronowego transportu przez nanostruktury połączone z ferromagnetycznymi elektrodami jest tunelowy magnetoopór (ang. tunneling magnetoresistance TMR). Zjawisko to odkryto już ponad 30 lat temu, w 1975 roku, w przypadku złącz płaskich [23]. TMR to efekt polegający na zmianie oporu dwuwarstwy metali ferromagnetycznych oddzielonych cienką warstwą izolatora. Tunelowanie elektronów silnie zależy od polaryzacji spinowej po obu stronach bariery izolującej (różnica w gęstościach stanów dla elektronów mniejszościowych i większościowych) i w związku z tym efekt TMR związany jest z zależnym od spinu prawdopodobieństwem tunelowania elektronów jedynie część elektronów przepływa przez warstwę izolatora. Płynący prąd zależy od konfiguracji magnetycznej warstw ferromagnetyków w równoległej jest wyraźnie większy niż w antyrównoległej. Efekt TMR ilościowo opisywany jest przez stosunek: Rap R p TMR =, (5) R gdzie R p ( R ap) całkowity opór układu w konfiguracji równoległej (antyrównoległej). W ogólności momenty magnetyczne elektrod mogą znajdować się w dowolnej magnetycznej konfiguracji (różne pola koercji ferromagnetyków) ogólnie nazywanej niekolinearną. Badania ferromagnetycznych tranzystorów jednoelektronowych polegają na przeprowadzaniu analizy spinowo spolaryzowanego transportu elektronowego. Analizę p 28

29 SET przeprowadza się w oparciu o charakterystyczne wielkości takie jak: elektryczny i spinowy prąd tunelowy, tunelowy magnetoopór, konduktancja różniczkowa, spinowa i ładunkowa akumulacja i inne. Różne właściwości elektronowego transportu w nanoukładach ukazują się dzięki efektom dyskretnego ładowania prowadząc do zjawiska blokady kulombowskiej i oscylacji kulombowskich prądu elektrycznego TRANZYSTOR OPARTY NA MOLEKULE W połowie lat osiemdziesiątych zaczęły pojawiać się związki i materiały magnetyczne całkiem nowego rodzaju, o innej budowie chemicznej i nietypowych mechanizmach oddziaływania magnetycznego molekularne magnetyki. Magnetykiem molekularnym określa się związek organiczny lub metaloorganiczny, w którym grupy organiczne pośredniczą w oddziaływaniu momentów jonów metali przejściowych lub same mogą być nośnikiem momentów magnetycznych. Pierwszy ferromagnetyk molekularny odkryty został w 1985 roku przez Millera i in. [24] był to związek, którego cząsteczka składająca się z 18-tu atomów węgla, 6-ciu atomów wodoru i 4-ech atomów węgla zawierała tylko jeden atom żelaza, sól zbudowana z łańcuchów [Fe(CH 3 C 5 ) 2 ] + [TCNE] -. Najbardziej istotnym sukcesem magnetyzmu molekularnego było odkrycie niezwykłych własności pewnych klastrów (dużych cząsteczek) molekularnych, obiektów z pogranicza świata klasycznego i kwantowego, nazywanych (nano)magnesami molekularnymi (ang. Single Molecule Magnets SMM). SMM stanowi zgrupowanie magnetycznych jonów, których spiny są ze sobą na tyle silnie związane przez oddziaływanie wymiany, że w niskich temperaturach układ taki zachowuje sie jak pojedynczy makrospin. Tę odrębną, a zarazem niezwykłą klasę molekularnych magnetyków stanowią zerowymiarowe układy nieoddziałujących cząsteczek o dużej wartości całkowitego spinu i silnej anizotropii magnetycznej (różne właściwości magnetyczne w zależności od kierunku badania). Z powodu dużej liczby jonów metalu (np. Mn) mogą być traktowane jako klastry metaliczne zanurzone w matrycy organicznej. Odkrycie własności tych cząsteczek wzbudziło ogromne zainteresowanie wśród fizyków i rozpoczęło dobę nanomagnetyzmu molekularnego, ważnego ze względów poznawczych, a także potencjalnych zastosowań. 29