Современная электроника №8/2023

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 12 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 8 / 2023 выходной ток с помощью управляю - щего электрода . Поэтому правильнее было бы называть устройства , полу - ченные методом AMCBJ, одномолеку - лярным аналогом транзистора (single- molecule analogue of a transistor) [22]. Подобные устройства в течение ряда лет разрабатываются исследователь - ской группой из университетской лабо - ратории нидерландского города Делфта (Delft University of Technology) [23, 24]. Для изготовления молекулярного диода использовался метод механиче - ски контролируемых разрывных сое - динений (AMCBJ), который описан в первой части нашей статьи . Уникальной особенностью разра - ботанной конструкции стал третий электрод , который выполнял функ - цию затвора . Управляющий электрод в этом одноэлектронном устройстве играет роль затвора транзистора . Это позво - лило регулировать электростатиче - ский потенциал молекулы относи - тельно энергии Ферми электродов . В результате был реализован меха - низм выравнивания энергетических уровней , ответственных за транспорт заряда . В данной публикации описан метод изготовления третьего электро - да . Образ алюминиевого затвора был нанесён на гибкую подложку из фос - форной бронзы с помощью литогра - фического способа . В качестве элек - троизоляции был использован слой полиимида . На первом этапе с помощью метода атомно - слоевого осаждения (atomic- layer-deposition) был сформирован слой из оксида алюминия , предназначен - ный специально для затвора . Затем на него накладывалась золотая проволока толщиной 15 нм . Для окончательного формирования затвора использовался метод изотропного плазменного трав - ления (isotropic plasma etch). Затвор должен быть расположен максимально близко к молекуле , но при этом быть надёжно электрически изолирован от истока и стока , а также от самой моле - кулы . На рис . 7 показано изображение мостика в одномолекулярном устрой - стве с тремя электродами , полученное с помощью SEM с разрешением 200 нм . В основе конструкции использова - на асимметричная молекула DPE-2F. Молекула , используемая в данной работе , состоит из двух сопряжён - ных частей , соединённых насыщен - ным этановым мостиком , разрыва - ющим сопряжение , как показано на рис . 8 а . Асимметрию , ответственную за выпрямление , вносят два атома фто - ра , которые расположены на одном из фенильных колец , оба в ортоположе - нии по отношению к этановой груп - пе . Молекула имеет на обоих концах тиоловые группы , которые действуют как якорные переходники для соеди - нения с металлическими электродами . Подробное описание процесса синте - за этой молекулы DPE-2F приведено в дополнительной документации [25]. На рис . 8b и 8c показана эволюция энергетических уровней в зависимости от напряжения смещения . При нуле - вом напряжении смещения (bias) ток практически отсутствует . Ток увеличи - вается при увеличении положительно - го смещения . В какой - то момент , при смещении , равном 0,55 В , проявляет - ся ярко выраженный пик . Эта точка соответствует случаю , когда два моле - кулярных элемента ( МЭ ) имеют оди - наковые энергии , и в этот момент про - исходит резонансный скачок переноса заряда . При более высоких напряже - ниях МЭ выходят из резонанса , и ток уменьшается . При обратном смещении (Stark shift) энергия правого молеку - лярного элемента уменьшается , и ток резко падает ( см . нижнюю левую часть рис . 1 с ). Поскольку ток проходит через моле - кулу только при определённой поляр - ности смещения , молекула ведёт себя как выпрямитель . Зависимость тока через молекулу DPE-2F от напряжения смещения пока - зана в нижней части рис . 8. Кривая , выделенная сплошной синей линией , получена с помощью теории функционала плотности (DFT) в сочетании с формализмом неравно - весной функции Грина (NEGF). В этом случае для EC (electronic coupling) взя - то значение – 100 МэВ . Падение напря - жения внутри молекулы было получе - но из модели DFT и составляло 0,54 В . Пунктирная красная кривая соответ - ствует расчётам , выполненным с помо - щью двухэлементной модели при зна - чении EC, равном 25,8 МэВ . При переносе заряда возникают делокализованные связи HOMO ( выс - шие занятые молекулярные уровни ). При этом возможны два варианта – с образованием химической связи и без образования связи . В этих модельных расчётах пик был получен при положи - тельном смещении . Однако в экспери - ментах ориентацию молекулы контро - лировать было невозможно . Поэтому пик тока можно было ожидать как при положительном , так и при отрицатель - ном напряжении смещения . В процессе экспериментов было так - же зафиксировано появление отрица - тельной дифференциальной проводи - мости (NDC), что указывает на перенос заряда с преобладанием HOMO. Также важно отметить , что диод работает оптимально , когда HOMO- уровни молекулы близки (< 0,25 эВ ) к энергии Ферми . Для расчётной кривой , показанной на рис . 8 с , было получено максималь - ное значение RR = 751 при смещении 0,55 В . Кроме того , полученная зави - симость коэффициента выпрямления от напряжения на затворе послужила доказательством действия в молеку - ле механизма именно двухэлемент - Ток ( нА ) Затвор Напряжение затвора ( В ) Рис . 6. Механически контролируемое разрывное соединение с третьим управляющим электродом затвора : a) изображение микрочипа MCBJ, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии (scanning electron microscopy – SEM С ); b) эквивалентная схема AMCBJ соответствуеттранзистору с электродами истока , затвора и стока [21] Рис . 7. Изображение мостика в одномолекулярном устройстве с тремя электродами , полученное с помощью SEM с разрешением 200 нм Электроды из золота Алюминиевый затвор Полиимид 200 нм