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CARBON NANOTUBE SINGLE-ELECTRON TRANSISTORS AT ROOM TEMPERATURE Ginevra Castellano Henk W. Ch. Postma, Tijs Teepen, Zhen Yao, Milena Grifoni, Cees Dekker.

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1 CARBON NANOTUBE SINGLE-ELECTRON TRANSISTORS AT ROOM TEMPERATURE Ginevra Castellano Henk W. Ch. Postma, Tijs Teepen, Zhen Yao, Milena Grifoni, Cees Dekker (Science 293, 2001)

2 SINGLE-ELECTRON TRANSISTORS (SETs) Il transistor a singolo elettrone costituisce unalternativa ai tradizionali dispositivi elettronici basati sul silicio La realizzazione di SETs a temperatura ambiente (RTSETs) permette di superare i limiti imposti dalle basse temperature Luso di molecole conduttrici con proprietà e dimensioni ben definite consente un controllo efficace sul dispositivo

3 SET: COME FUNZIONA Dispositivo che usa electron tunneling per amplificare la corrente Due giunzioni tunnel formano unisola conduttrice Basse temperature e tensioni di bias il trasporto elettrico attraverso il dispositivo è bloccato

4 NANOTUBI DI CARBONIO: CHE COSA SONO Fogli di grafite arrotolati, tubi chiusi alle estremità da due mezzi fullereni Le proprietà elettroniche dipendono dalla chiralità Possono essere metalli o semiconduttori Single-wall Multi-wall

5 NANOTUBI DI CARBONIO: PERCHE? Elevata densità di corrente (10¹º A/cm²) Trasporto balistico Elevata conducibilità termica Diametro nm Possono essere usati come quantum wires (S. J. Tans et al., Nature 386,1997)

6 CARBON NANOTUBE RTSETs Nanotubo di carbonio single- wall metallico Proprietà del trasporto funzioni di temperatura, tensione di bias e tensione di gate Due deformazioni realizzate in serie con AFM agiscono come barriere tunnel per il trasporto elettronico Le due barriere tunnel definiscono unisola di 25 nm allinterno del nanotubo

7 CARATTERISTICHE DEL TRASPORTO: CONDUTTANZA DIFFERENZIALE (1) Tensione di bias e tensione di gate possono essere usate per modulare la conduttanza differenziale dI/dV

8 CARATTERISTICHE DEL TRASPORTO: CONDUTTANZA DIFFERENZIALE (2) E possibile osservare Coulomb blockade come funzione delle tensioni di bias e di gate

9 COULOMB CHARGING Per aggiungere un elettrone allisola è necessaria unenergia pari a: E add = 120 eV E add >> KT

10 CONDUTTANZA DIFFERENZIALE A 30 K A 30 K è possibile osservare caratteristiche non evidenziabili a temperatura ambiente Le tracce della conduttanza differenziale mostrano dei picchi che shiftano lungo lasse della tensione di bias quando la tensione sul gate cambia

11 CONDUTTANZA DIFFERENZIALE A 30 K: OSSERVAZIONI (1) I picchi sono associati ai livelli di energia dellisola che diventano disponibili per il trasporto elettronico La distanza fra due picchi è pari a 2ΔE ΔE = 38meV ΔE = hv f /4L, per un nanotubo di lunghezza L

12 CONDUTTANZA DIFFERENZIALE A 30 K: OSSERVAZIONI (2) Lisola si comporta come un quantum box per gli elettroni Da E add è possibile estrarre lenergia di caricamento E c e²/2C ~ 41 meV Contrariamente al solito ΔE ~ E c Questo è il risultato delle piccole dimensioni dellisola e della natura delle giunzioni ΔE quando L, E c rimane costante ΔE/ E c grande

13 LA CONDUTTANZA DIPENDE DALLA TEMPERATURA Il picco corrispondente alla conduttanza massima G max e la larghezza del picco w aumentano allaumentare della temperatura

14 LA CONDUTTANZA DIPENDE DALLA TEMPERATURA: OSSERVAZIONI (1) Questo risultato è in contrasto con il comportamento atteso per SET sia in regime classico (KT > ΔE) che in regime di Coulomb blockade (KT < ΔE) Ci si aspetterebbe che : ma che oppure

15 LA CONDUTTANZA DIPENDE DALLA TEMPERATURA: OSSERVAZIONI (2) La conduttanza mostra una dipendenza dalla temperatura del tipo power-law

16 LA CONDUTTANZA DIPENDE DALLA TEMPERATURA: OSSERVAZIONI (3) Da 4 a 90 K si può osservare che: Per valori di temperatura superiori la conduttanza massima aumenta oltre

17 LA CONDUTTANZA DIPENDE DALLA TEMPERATURA: OSSERVAZIONI (4) Si definisce G* la conduttanza integrata rispetto alla tensione di gate La dipendenza di G* dalla temperatura è di questo tipo: La dipendenza dalla temperatura del tipo power-low dimostra la presenza di tunneling sequenziali correlati attraverso il dispositivo SET a nanotubo

18 LUTTINGER-LIQUID MODEL (1) Trasporto elettronico in nanotubi di carbonio metallici Isola di Luttinger connessa da due barriere tunnel a due liquidi di Luttinger semi-infiniti (M. Bockrath et al., Nature 397, 1999) Trasporto come processo di tunneling sequenziale Secondo questo modello: e

19 LUTTINGER-LIQUID MODEL (2) E possibile definire: g è il parametro di interazione di Luttinger che caratterizza la forza dellinterazione elettrone-elettrone

20 LUTTINGER-LIQUID MODEL (3) Nel caso di nanotubi di carbonio g assume valori compresi fra 0.19 e 0.26 Contraddizione

21 TUNNELING SEQUENZIALE CORRELATO ATTRAVERSO LISOLA (1) Il calcolo per la conduttanza dovuta a questo meccanismo di tunneling produce: end-end = 1.66 g = 0.23

22 TUNNELING SEQUENZIALE CORRELATO ATTRAVERSO LISOLA (2) Questo modello è confermato dai dati sulla conduttanza differenziale integrata (dI/dV)* rispetto alla tensione di bias per valori alti di questultima (V > 10 mV) Si ottiene infatti una relazione di questo tipo:

23 CONCLUSIONI RTSETs presentano molti vantaggi rispetto ai transistori ad effetto di campo che usano nanotubi semiconduttori a temperatura ambiente (S. J. Tans et al., Nature 393, 1998) Nanotubi semiconduttori sono inclini al disordine Elettronica molecolare: molecole individuali come dispositivi funzionali: es. giunzioni intramolecolari di nanotubi di carbonio (Z. Yao et al., Nature 402, 1999) FET a nanotubi: circuiti logici (inverter, NOR, cella SRAM,…)


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