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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 (Science 293, 2001)
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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
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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
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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
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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)
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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
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CARATTERISTICHE DEL TRASPORTO: CONDUTTANZA DIFFERENZIALE (1)
Tensione di bias e tensione di gate possono essere usate per modulare
la conduttanza differenziale dI/dV
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CARATTERISTICHE DEL TRASPORTO: CONDUTTANZA DIFFERENZIALE (2)
E’ possibile osservare Coulomb blockade come funzione delle tensioni
di bias e di gate
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COULOMB CHARGING
• Per aggiungere un elettrone all’isola è necessaria un’energia pari a:
• Eadd = 120 eV
• Eadd >> KT
ECeeVEadd /2
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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
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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
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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
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LA CONDUTTANZA DIPENDE DALLA TEMPERATURA
Il picco corrispondente alla conduttanza massima Gmax e la larghezza
del picco w aumentano all’aumentare della temperatura
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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
Tw
COSTANTEG max TG
1max
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LA CONDUTTANZA DIPENDE DALLA TEMPERATURA:OSSERVAZIONI (2)
La conduttanza mostra una dipendenza dalla temperatura del tipo
“power-law”
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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
68.0max TG
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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
66.1* TG
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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:
e1
max endTG
Tw
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LUTTINGER-LIQUID MODEL (2)
• E’ possibile definire:
• g è il parametro di interazione di Luttinger che caratterizza la forza dell’interazione elettrone-elettrone
1
1
4
1
gend
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LUTTINGER-LIQUID MODEL (3)
• Nel caso di nanotubi di carbonio g assume valori compresi fra 0.19 e
0.26
• Contraddizione
2.0max
TG
8.0* TG
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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
1max
endendTG
endendTG *
endendend 2
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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:
87.0*/ VdVdI
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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,…)