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)

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

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

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

NANOTUBI DI CARBONIO: PERCHE’? Elevata densità di corrente (10¹º A/cm²) Trasporto balistico Elevata conducibilità termica Diametro 1-100 nm Possono essere usati come quantum wires (S. J. Tans et al., Nature 386,1997)

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 un’isola di 25 nm all’interno del nanotubo

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

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

COULOMB CHARGING Per aggiungere un elettrone all’isola è necessaria un’energia pari a: Eadd = 120 eV Eadd >> KT

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 l’asse della tensione di bias quando la tensione sul gate cambia

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

CONDUTTANZA DIFFERENZIALE A 30 K: OSSERVAZIONI (2) L’isola si comporta come un quantum box per gli elettroni Da Eadd è possibile estrarre l’energia di caricamento Ec ≡ e²/2C ~ 41 meV Contrariamente al solito ΔE ~ Ec Questo è il risultato delle piccole dimensioni dell’isola e della natura delle giunzioni ΔE ↑ quando L↓, Ec rimane costante  ΔE/ Ec grande

LA CONDUTTANZA DIPENDE DALLA TEMPERATURA Il picco corrispondente alla conduttanza massima Gmax e la larghezza del picco w aumentano all’aumentare della temperatura

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

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

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

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

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

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

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

TUNNELING SEQUENZIALE CORRELATO ATTRAVERSO L’ISOLA (1) Il calcolo per la conduttanza dovuta a questo meccanismo di tunneling produce: end-end = 1.66  g = 0.23

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

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,…)