ТУННЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
TUNNEL DEVICE

Изобретение относится к функциональным устройствам наноэлектроники и может быть использовано для приборного и схемотехнического применения нанотехнологии, например для построения одноэлектронных логических схем, схем одноэлектронной и спиновой памяти. Изобретение также может быть использовано для создания высокочувствительных сенсоров магнитного поля и ключевых устройств с комбинированным или полностью магнитным управлением.
80
20
84
16
Известно устройство-аналог: спиновое полупроводниковое устройство [Biqin Huang, Douwe J. Monsma, Ian Appelbaum, Physical Review Letters 99, 177209 (2007)], работающее при температурах до 150 К и использующее ток спин-поляризованых электронов через массив чистого кремния. Устройство использует в качестве спин-поляризатора и детектора пленки NiFe и CoFe. Разница токов при параллельной и перпендикулярной намагниченности ферромагнитных пленок составляет 16%, а время жизни спин-поляризованных электронов доходит до 500 нс (при 60 К). В более ранних версиях устройства-аналога в качестве инжектора спинов использовались ферромагнитные контакты из железа, никеля и кобальта. Электроны приобретали определенную спин-поляризацию в таком контакте, а потом инжектировались в полупроводник GaAs [J.M.Kikkawa, D.D.Awschalom, Phys. Rew. Lett. 80, 4313 (1998)]. Такой способ инжекции спин-поляризованных электронов через границу ферромагнитный металл/полупроводник малоэффективен из-за большого различия в их проводимостях (число спин-поляризованных электронов, прошедших границу, около 1%). Более эффективна инжекция электронов в магнитные полупроводники (GaMnAs), используемые для создания спиновых устройств, однако технологии получения магнитных полупроводников дороги, и устройства-аналоги работают при низких температурах.
Недостатки и ограничения устройства-аналога состоят в том, что устройство работает только при низких температурах (Т<150 К); в том, что для работы устройства требуется повышенное напряжение (~20 В), и в том, что устройство имеет большие линейные размеры (~1 мм).
Известно устройство-прототип: туннельный прибор - патент RU 2105386, С1, 6 Н01L 29/88, состоящий из входного, выходного и N управляющих электродов, в котором туннельные барьеры и межбарьерное пространство выполнены в виде упорядоченной структуры из молекул и кластеров. Туннельные барьеры обеспечивают одноэлектронное коррелированное туннелирование электронов в приборе, причем каждый управляющий электрод расположен в области упорядоченной структуры из молекул и кластеров. Туннельные барьеры достаточно малы для того, чтобы обеспечить проявление эффекта кулоновской блокады туннелирования электронов при комнатной температуре (Т~300 К). В системах, содержащих несколько туннельных переходов, возможна строгая пространственная корреляция актов туннелирования электронов в различных переходах. Для реализации туннельного прибора были выбраны металлсодержащие карборановые кластеры размером порядка 2 им, а в качестве управляющего электрода был выбран зонд сканирующего туннельного микроскопа.
Недостаток устройства-прототипа состоит в том, что управление туннельным током в устройстве-прототипе ограничено применением только электрического поля (изменением электрического потенциала управляющих электродов).
Целью предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей устройства-прототипа путем обеспечения управления туннельным током внешним магнитным полем или комбинацией электрического и магнитного полей и детектирования магнитного поля, в том числе пространственной неоднородности магнитного поля.
Поставленная цель достигается благодаря тому, что в предлагаемом туннельном устройстве:
- имеется входной, выходной и N управляющих электродов,
- туннельные барьеры и межбарьерное пространство выполнены в виде упорядоченной структуры, обеспечивающей одноэлектронное коррелированное туннелирование электронов в устройстве,
- каждый управляющий электрод расположен в области упорядоченной структуры из нанообъектов,
согласно изобретению:
- устройство выполнено по планарной технологии,
- упорядоченная структура состоит из наноразмерных объектов (в дальнейшем нанообъектов), обладающих магнитными свойствами,
- входной электрод имеет ферромагнитные свойства для поляризации спина электронов (в дальнейшем спин-поляризации) по вектору намагниченности ферромагнетика.
Нанообъектами в предлагаемом устройстве могут служить биомолекулы с магнитным моментом; молекулярные кластеры с магнитным моментом; магнитные наночастицы. Выходной электрод может быть выполнен из материала с ферромагнитными свойствами.
Перечень чертежей
Фиг.1 Блок-схема туннельного устройства, где
1 - входной электрод;
2 - ферромагнитный слой входного электрода;
3 - нанообъекты;
4 - ферромагнитный слой выходного электрода;
5 - выходной электрод;
6 - управляющие электроды.
Фиг.2 Блок-схема работы туннельного устройства, где
1 - внешнее продольное магнитное поле (вдоль преимущественного направления туннельного тока в устройстве);
2 - внешнее перпендикулярное магнитное поле (перпендикулярно преимущественному направлению туннельного тока в устройстве);
3 - намагниченность ферромагнитного слоя входного электрода;
4 - намагниченность ферромагнитного слоя выходного электрода;
5 - намагниченность нанообъектов;
6 - условное изображение направления спинов электронов туннельного тока.
Фиг.3 Вольт-амперная характеристика симметричного одноэлектронного транзистора.
Фиг.4 Фотография трехэлектродной реализации устройства, где
1 - управляющий электрод;
2 - выходной электрод;
3 - входной электрод.
Фиг.5 Зависимость электронного транспорта от напряжения на управляющем электроде в отсутствие намагниченности входного и выходного электродов и при внешнем магнитном поле В=0.
Фиг.6 Вольт-амперная характеристика реализованной модели туннельного устройства
1 - при параллельной ориентации намагниченности входного и выходного электродов;
2 - оценка вольт-амперной характеристики для противоположной ориентации намагниченности входного и выходного электродов.
В основе заявляемого технического решения лежит использование одноэлектронного туннелирования и спиновой поляризации электронов. Схема устройства представлена на фиг.1.
0
1
2
t
g
Одноэлектронное туннелирование требует выполнения ряда условий на конструкцию и функционирование устройства. Рассмотрим частный случай заявляемого устройства с числом управляющих электродов N=1, упорядоченной структуры с единственным нанообъектом и намагниченностью входного электрода и магнитного нанообъекта, равных нулю. В этом случае получаем трехэлектродную схему устройства, являющегося одноэлектронным транзистором. Схема устройства состоит из центрального электрода (в нашем случае нанообъекта) с собственной емкостью С, отделенного от внешних электродов туннельными барьерами с емкостями С и С и достаточно высоким сопротивлением R, и управляющего электрода, связанного с центральным электродом при помощи емкости C.
Для реализации эффекта туннелирования отдельных электронов необходимо выполнение двух основных условий.
2
-16
Σ
b
b
Σ
1. Условие малости тепловых флуктуаций по отношению к электростатической энергии перехода e/2C>>kТ, где k - постоянная Больцмана, Т - температура. Это условие позволяет оценить требуемую емкость центрального электрода при Т=4,2 К как С~10 Ф. Это означает, что для реализации одноэлектронного туннелирования размеры нанообъекта в качестве центрального электрода не должны превышать 50 нм. Для получения более высоких рабочих температур необходимо уменьшать размеры нанообъекта. Использование в качестве центрального электрода нанообъектов с размерами 1-30 нм позволяет выполнить это условие и обеспечить одноэлектронное туннелирование.
t
2. Условие малости квантового шума - хаотического туннелирования, когда электроны локализованы на центральном электроде - нанообъекте: сопротивление туннельных переходов R>>h/4e2≈6,5 кОм, где h - постоянная Планка.
t
Σ
Ток между входным и выходным электродами равен нулю при напряжениях, меньших некоторого порогового значения V, а при увеличении напряжения ВАХ устройства выходит на асимптоту (фиг.3): <I>=(1/R)(<V>-е/2С).
t
g
Важнейшим свойством данной трехэлектродной схемы является то, что пороговое напряжение блокады V периодически, с периодом е в зарядовых единицах, зависит от напряжения на затворе V.
При наведении на центральный электрод избыточного заряда, большего чем
g
Q=U/C=0,5|e|, электрону выгодно протуннелировать на центральный электрод или с него, так что избыточный заряд центрального электрода снова становится меньше 0,5 |е|. Управляющий электрод позволяет управлять наведенным зарядом нанообъекта, а следовательно, и туннельным током через устройство [1].
Спин-поляризация электронов может реализовываться в 3d-ферромагнитных металлах (Fe, Cr, Ni), в которых в процессах проводимости принимают участие магнитные 3d-электроны. Магнитный момент этих металлов отражает разбаланс между числом 3d-электронов со спинами, направленными, например, «вверх», и числом 3d-электронов со спином «вниз». Экспериментальные данные позволяют утверждать, что длина спиновой релаксации во многих металлических ферромагнетиках превышает 10 нм, что позволяет наблюдать эффекты спин-поляризованного транспорта.
80
20
-3
+
-
Реализация электрода из мягкого ферромагнетика (NiFe) толщиной ~2-10 нм позволяет менять ориентацию и величину намагниченности электрода слабыми магнитными полями В~10 Тл. В структурах с 3d-ферромагнитными металлами реализуется механизм неодинакового рассеяния (в дальнейшем спин-зависимое рассеяние) двух групп электронов, отличающихся ориентацией спинов по отношению к направлению намагниченности магнитных структур. Вследствие обменного расщепления 3d и 3d-зон для уровней энергии выше уровня Ферми возникают различия в плотности незанятых состояний, в которые рассеиваются электроны с разнонаправленными спинами. Дополнительный вклад в эффект спин-поляризации вносит интерференция электронных волн на границах ферромагнетика.
Реализация электродов из ферромагнетиков с разной коэрцетивной силой позволяет менять взаимную ориентацию намагниченности входного и выходного электродов. Управление взаимной ориентацией позволяет детектировать эволюцию спиновых состояний электронов в туннельном устройстве.
Предлагаемое туннельное устройство функционирует следующим образом.
- В отсутствие внешнего магнитного поля и намагниченности входного электрода и нанообъектов и в случае реализации упорядоченной структуры с одним нанообъектом под действием какого-либо источника тока, подсоединенного к входному и выходному электродам, в устройстве происходит одноэлектронное туннелирование, коррелированное по времени.
- В более сложных системах, содержащих несколько переходов, возможна строгая пространственная корреляция актов туннелирования в различных переходах. Так для двух последовательно соединенных переходов туннелирование электрона через один переход увеличивает напряжение, а следовательно, и вероятность туннелирования через другой. Средний туннельный ток через такую систему будет определяться переходом с меньшим сопротивлением. Теория коррелированного одноэлектронного туннелирования справедлива для переходов с электродами не слишком малых размеров, энергетический спектр которых можно считать непрерывным. Оценки для проводящего нанообъекта с дискретным энергетическим спектром показывают, что в случае достаточно большого количества электронов на объекте влияние дискретности выразится в появлении на вольт-амперной характеристике устройства микроструктуры, обусловленной размерным эффектом при пространственном квантовании энергии электрона.
- В присутствии магнитного поля будет изменяться намагниченность нанообъектов. Соответственно, изменяется проницаемость туннельных барьеров для электронов в зависимости от ориентации спинов электронов. Для электронов с противоположной ориентацией спина увеличивается спин-зависимое рассеяние в нанообъекте. Это изменяет туннельный ток. Таким образом, реализуется чувствительность устройства к магнитному полю.
- При существенном изменении распределения магнитного поля в масштабах задействованной упорядоченной структуры возможно взаимное изменение намагниченности нанообъектов и, следовательно, изменение туннельного тока из-за соответственных изменений проницаемости туннельных барьеров и величин спин-зависимого рассеяния.
- При намагниченности ферромагнитного слоя входного электрода, достаточной для спин-поляризации электронов проводимости в ферромагнетике при приложенном напряжении между электродами, электроны с противоположным направлением спина отсеиваются. Отобранные электроны с однонаправленными спинами туннелируют через границу электрод - магнитный нанообъект. У магнитного нанообъекта есть своя намагниченность, которая в общем случае может не совпадать с направлением намагниченности входного ферромагнитного слоя. Туннельный ток будет зависеть от взаимной ориентации намагниченности ферромагнитного слоя и нанообъекта. В упорядоченной структуре из нанообъектов электрон будет также испытывать спин-зависимое рассеивание. В случае реализации ферромагнитного слоя у выходного электрода возможна регистрация эффекта поляризации спина электрона нанообъектами. Спиновый ток будет зависеть от относительной намагниченности обоих ферромагнитных слоев и магнитной наночастицы.
B
В
- Если магнитное поле В приложено вдоль преимущественного направления туннельного тока в устройстве и перпендикулярно намагниченности входного электрода, то на спин-поляризованные электроны туннельного тока будет действовать момент (gµ/h) [SB], где g - электронный g - фактор, µ - магнетон Бора, h - редуцированная постоянная Планка, S - спин электрона. В результате действия вращательного момента спин электронов будет прецессировать вокруг направления приложенного магнитного поля В. При повороте спина электрона на (2n+1)π, n=1, 2, 3…, при прохождении между параллельно намагниченными ферромагнитными слоями входного и выходного электродов, величина туннельного тока будет в локальном минимуме как функция величины приложенного магнитного поля.
Реализация устройства
Для демонстрации возможностей функционирования заявляемого устройства была создана модель туннельного устройства с использованием нанолитографии на первом этапе, технологии молекулярной диффузии на втором этапе и ЛБ-технологии осаждения гетерогенных молекулярных пленок на третьем этапе.
84
16
80
20
На атомарно чистой поверхности кремния Si(100) методами традиционной литографии формировалась трехэлектродная структура с минимально возможным зазором между входным и выходным электродами d~20 нм. На входной электрод напылялся ферромагнитный слой CoFe толщиной ~5 нм, а на выходной электрод напылялся ферромагнитный слой NiFe толщиной ~5 нм. Разный состав ферромагнетика для электродов позволяет использовать разную величину силы магнитной индукции В для независимого перемагничивания слоев и изменения взаимной ориентации спин-поляризации. В зазор между входным и выходным электродами напылялся предельно узкий (~10 нм) и тонкий (толщина ~2 нм) слой золота, соединяющий входной и выходной электроды. Через сформированный слой золота между входным и выходным электродами пропускали контролируемый электрический ток ~100 нА, напряжение ~1 В, который инициировал процесс электромиграции атомов золота и вызывал через время процесса ~100 минут разрыв золотой пленки и формирование зазора с характерным размером d~2-3 нм.
2
3
Нанообъект для устройства формировался с помощью LB-технологии на поверхности воды. Была выбрана матрица из полимера PVP 20 и наночастиц оксида железа γ-FеО, образованных разложением пентакарбонила железа в контакте с воздухом. После образования наночастиц монослой поджимался до образования двумерной молекулярной структуры полимера с включенными в нее наночастицами, а затем переносился с поверхности жидкости на поверхность образца с электродами.
На фиг.5 представлена сигнальная характеристика модели устройства, демонстрирующая периодичность изменения туннельного тока в зависимости от напряжения на управляющем электроде. Подобный вид сигнальной характеристики определяется одноэлектронным характером туннелирования электронов через наночастицу.
На фиг.6 представлена вольт-амперная характеристика модели устройства при комнатной температуре. Для Т~300 К расчетное снижение туннельного тока через устройство составит величину ~8-10% в случае антипараллельного направления намагниченности входного и выходного электродов (кривая 2).
В качестве нанообъектов в туннельном устройстве можно использовать такие биомолекулы с магнитными свойствами, как магнетоферритин - водорастворимый белок ферритин, в котором магнитное ядро заменено на магнетит или маггемит с большей намагниченностью и состоящий из «неорганического» ядра диаметром ~7 нм и белковой оболочки с толщиной ~6 нм. Наличие белковой оболочки обеспечивает биосовместимость частиц ферритина и позволяет использовать туннельное устройство в качестве сенсора собственных магнитных полей биообъектов [2].
В качестве нанообъектов в туннельном устройстве можно использовать молекулярные кластеры с магнитным моментом. Высокая степень упорядоченности и воспроизводимости молекулярных кластеров позволяет создавать устройства с воспроизводимыми туннельными параметрами. Использование фуллереновых кластеров в качестве оболочки для металлической наночастицы позволяет решить проблему сильного окисления металлических наночастиц и сохранения их высоких магнитных свойств. Часть электронной плотности с атомов металла передается фуллереновой оболочке. Таким образом, между отдельными углеродными кластерами, содержащими металлические атомы, устанавливается обменное взаимодействие, необходимое для выстраивания спинов в одном направлении и возникновения намагниченности.
Полученный технический результат:
- туннельный ток в устройстве управляется внешним магнитным полем или комбинацией магнитного поля и напряжения на управляющих электродах;
- устройство отличается высокой эффективностью и экономичностью, так как в спиновых устройствах изменение спина электрона практически не требует затрат энергии и, следовательно, эффективного теплоотвода, а в промежутках между операциями устройство может отключаться от источника питания, при изменении направления спина кинетическая энергия электрона не изменяется.
- устройство отличается высоким быстродействием, так как переворот спина осуществляется за несколько пикосекунд;
- в одноэлектронных устройствах нет видимых ограничений на миниатюризацию устройств, уменьшение характерных размеров приводит к усилению эффекта корреляции, что позволяет поднять рабочую температуру вплоть до Т~300 К;
- воспроизводимость туннельных параметров (одинаковость отклика на внешнее воздействие) обеспечивается использованием магнитных молекулярных кластеров, которые имеют фиксированное строение и образуют упорядоченную структуру.
Источники информации
1. D.V.Averin, K.K.Likharev in "Mesoscopc Phenomena in Solids", Ed. by B.L.Altshuler, P.A.Lee, R.A.Webb, Elsevier Science Publishers B.V., 1991, p.173.
2. Губин С.П., Кокшаров Ю.А., Хомутов Г.Б., Юрков Г.Ю. Усп. Хим., 2005 (74), 6, 539-574.