С. Молекулярные Транзисторы
В Lawrence Berkeley National Laboratory (США) в 1998 г. также сначала были созданы
образцы нанотранзисторов на основе углеродных нанотрубок. В дальнейшем (2000 г.) были получены нанотранзисторы на основе фуллереновых кластеров C60. Нанотранзистор изготавливался следующим образом. Сначала с помощью электронно-лучевой литографической машины Nanowriter на кремниевой пластине создавалась решетка из узких золотых проводников шириной 200 нм и толщиной 10 нм. Пропуская по решетке электрический ток большой плотности, можно было вызывать электромиграцию атомов золота. В результате провода истончались до нанометровых размеров и разрывались в строго определенных местах, образуя зазоры шириной около 1 нм. Затем пластина покрывалась тонким слоем водного раствора фуллереновых кластеров. Далее растворитель испарялся, а кластеры C60 оказывались в зазоре между двумя электродами — истоком и стоком. Электрод затвора отделялся от остальных электродов изолирующим слоем двуокиси кремния.
Рис.24. Логический элемент ИЛИ-НЕ на нанотранзисторах Рис.25. Эффект квантования проводимости квантовых нитей
На рисунке 24 показан логический элемент ИЛИ-НЕ, реализованный на основе нанотранзисторов (physicsweb.org). В виду малых размеров элемент способен работать при комнатной температуре. Углеродные нанокластеры изготавливались отдельно, а затем размещались на подложке. В настоящее время исследователи разрабатывают технологию выращивания нанотрубок непосредственно на чипе.
Квантование сопротивления проводников. Кулоновская блокада. Одним из самых ярких проявлений квантовых свойств наномира является квантование сопротивления проводников. Согласно теории, проводимость нанообъекта, находящегося в контакте с массивными электродами, к которым приложена разность потенциалов V, определяется количеством квантовых уровней энергии, укладывающихся в интервал ΔE=Q0V. Один энергетический уровень дает сопротивление контакта R=ћ/2Q02 = 12,9 кОм. На двух контактах получается что-то около 30 кОм. Наиболее эффектно явление квантования проводимости выглядит для одномерных квантовых структур — квантовых нитей (рис. 25). В конце концов, точность отсчета числа электронов будет определяться быстродействием схемы — в силу принципа неопределенности Гейзенберга. Для увеличения быстродействия прибора необходимо увеличивать «размазывание» электрона по энергиям, не выходя, однако, за границы, устанавливаемые режимом существования кулоновской блокады. Расчеты дают примерно следующие типовые параметры для молекулярно-кластерного проводника: R~30 кОм, C~10–9нФ, Δt ~ 10–13 с. Теоретически это составляет быстродействие несколько тысяч гигагерц.
В 2004 г. в University of California (Irvine) на основе однослойной углеродной нанотруб-
ки с золотыми электродами был создан нанотранзистор, работающий на частоте 2,6 ГГц. В том же году в Infineon Technologies на основе углеродных нанотрубок меньшего размера был создан рекордно малый нанотранзистор: диаметр трубки 0,7–1,1 нм при длине канала 50 нм. Электроды стока и истока были выполнены из палладия. Транзистор обладает также рекордно высоким отношением сопротивлений в закрытом и открытом режимах — около 106.
Металлоэлектроника. Если металл взять в количестве нескольких атомов, то электронные свойства такого образования, нанокластера, будут напоминать свойства полупроводника. Это позволяет сконструировать транзистор нанометровых размеров на основе атомов металла с использованием окисла в качестве изолятора (рис. 26).
Рис. 26. «Металлический» транзистор
В процессе реализации этой идеи оказалось, что время жизни слоя, толщина которого
составляет несколько атомов в условиях нормальной эксплуатации, чрезвычайно мало. Это связано с тем, что плохо закрепленные атомы предпочитают перемещаться по наноструктуре или по подложке в поисках более крепкой связи, чему особенно способствует разогрев конструкции, а также электромиграция. В противоположность им, некоторые кластерные конфигурации обладают высокой устойчивостью, и все наружные атомы в них удерживаются очень прочно. Такие кластеры получили название магических, а числа входящих в них атомов — магических чисел. Например, для атомов щелочных металлов магические числа – 8, 20, 40, для атомов благородных металлов – 13, 55, 137, 255. Фуллерены C60, C70 и другие–тоже магические. Магическими являются и углеродные нанотрубки. Это обстоятельство обусловило перспективность технологии предварительного создания магических наноструктур в специальных реакторах и последующего их использования при сборке нанотранзисторов.