ebook Pomiary elektryczne nanozłączy Maciej Wawrzyniak

Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej

Rok wydania: 2012

W pracy przedstawiono metody formowania, pomiarów elektrycznych i charakteryzacji nanozłączy stosowane obecnie w nanotechnologii. Opisane metody formowania umożliwiają tworzenie nanozłączy o szerokości pojedynczego atomu charakteryzujących się unikalnymi właściwościami, których nie mają przewodniki o większych wymiarach.

Omówiono sposoby wyznaczania przewodności elektrycznej w zależności od rozmiarów przewodników i podano zakresy ich stosowania. Uzasadniono zależności: Maxwella, na podstawie której można wyznaczyć przewodność elektryczną złącza makroskopowego, oraz Landauera, wykorzystywaną do określania przewodności nanozłączy. Posługując się modelem elektronów swobodnych, pokazano sposób wykorzystania zależności Landauera do obliczenia przewodności nanozłącza.

Opisano budowę systemów pomiarowych stosowanych do pomiaru sygnałów elektrycznych, na podstawie których wyznaczane są wielkości charakteryzujące nanozłącza. Do podstawowych metod charakteryzacji nanozłączy zaliczono: pomiar przebiegu czasowego przewodności oraz wyznaczanie histogramu przewodności i charakterystyki prądowo-napięciowej. Zaproponowano także nowe metody charakteryzacji: zestawienie histogramów pojedynczych przebiegów czasowych oraz trzy typy histogramów 2D korelacji przewodności. Sformułowano trzy estymatory umożliwiające wyznaczenie histogramów 2D wzajemnej korelacji przewodności na podstawie założonej liczby przebiegów czasowych. Przedstawiono sposób kalibracji systemów pozwalający zmniejszyć niepewność wyników pomiarów. Zidentyfikowano główne błędy systematyczne mogące w sposób skuteczny zafałszować wyniki pomiarów oraz zaproponowano metody korekcji tych błędów. Skuteczność tych metod wykazano na przykładowych wynikach pomiarów.

Na podstawie wyników przeprowadzonych pomiarów pokazano sposób wykorzystania przedstawionych metod do charakteryzacji nanozłączy. Na przykładzie nanozłączy formowanych z metali zaprezentowano i omówiono efekty skokowych zmian przewodności, kwantowania przewodności, formowania łańcuchów pojedynczych atomów, nieliniowości charakterystyki prądowo-napięciowej, regularnego zmniejszania szerokości rozciąganego nanozłącza oraz wpływu nanozłączy formowanych pomiędzy zestykami na stany nieustalone w obwodach RLC. Przedstawiono także sposób pomiaru maksymalnego natężenia prądu elektrycznego płynącego przez nanozłącze.

Omówiono specyfikę przygotowania próbki półprzewodnika, formowania nanozłączy oraz pomiarów nanozłączy powstających w obszarze pomiędzy metalem i półprzewodnikiem. Na szczególną uwagę zasługują efekty wykładniczego wzrostu natężenia prądu elektrycznego i wzmocnienia prądu wykryte w nanozłączach formowanych pomiędzy ostrzem z kobaltu i powierzchnią próbki z germanu.

Spis treści ebooka Pomiary elektryczne nanozłączy

Streszczenie 5
Wykaz oznaczeń 6

1. Wstęp 11

1.1. Postęp badań w dziedzinie nanotechnologii 11
1.2. Nanozłącza 14
1.3. Cel i zakres pracy 18

2. Przewodność elektryczna nanozłącza 21

2.1. Wpływ rozmiarów przewodnika na sposób obliczania jego przewodności elektrycznej 21
2.2. Przewodność elektryczna złącza makroskopowego w ujęciu Maxwella 24
2.3. Przewodność elektryczna nanozłącza w ujęciu Landauera 30
2.3.1. Model jednowymiarowy z pojedynczym kanałem przewodności 30
2.3.2. Model wielokanałowy 39
2.3.3. Określanie prawdopodobieństwa transmisji dla modelu wielokanałowego 44

3. Sposoby formowania nanozłączy 53

3.1. Zastosowanie skaningowego mikroskopu tunelowego 53
3.2. Zastosowanie techniki MCBJ 57
3.3. Formowanie nanozłączy pomiędzy drutami makroskopowymi 60
3.4. Formowanie nanozłączy w dwuwymiarowy gazie elektronowym 62
3.5. Metody wytwarzania trwałych nanozłączy 63

4. Pomiar przebiegów czasowych i wyznaczanie histogramów 69

4.1. Wprowadzenie 69
4.2. System pomiarowy do pomiarów przebiegów czasowych przewodności 71
4.2.1. Pomiar przebiegów czasowych przewodności 71
4.2.2. Konwerter prąd–napięcie 75
4.2.3. Magnetostrykcyjny element wykonawczy 78
4.3. Histogram przewodności 81
4.3.1. Sposób wyznaczania 81
4.3.2. Korekcja wpływu błędu nieliniowości różniczkowej przetwornika a/c 83
4.3.3. Normalizacja szerokości przedziałów przewodności 86
4.4. Wzorcowanie systemu pomiarowego 87
4.5. Wykrywanie powtarzalności poziomów plateau na przebiegach czasowych przewodności 94
4.6. Histogramy wzajemnej korelacji przewodności 97

5. Pomiar charakterystyki prądowo-napięciowej 105

5.1. Wprowadzenie 105
5.2. System pomiarowy do pomiarów charakterystyki prądowo-napięciowej 107
5.3. Analiza wpływu pojemności sond oscyloskopu
5.3.1. Schemat zastępczy z uwzględnieniem sond oscyloskopu 113
5.3.2. Określenie błędu systematycznego spowodowanego wpływem pojemności sond dla modelu 2S 116
5.3.3. Określenie błędu systematycznego spowodowanego wpływem pojemności sond dla modelu 3S 124
5.4. Korekcja błędu systematycznego spowodowanego wpływem pojemności sond 133

6. Badania nanozłączy formowanych z metali 137

6.1. Pomiary przewodności nanozłączy formowanych ze złota, srebra i miedzi 137
6.2. Pomiary przewodności nanozłączy formowanych z niklu 143
6.3. Charakterystyka prądowo-napięciowa nanozłączy formowanych ze złota 149
6.4. Pomiary maksymalnej wartości natężenia prądu elektrycznego płynącego przez nanozłącze 151
6.5. Wpływ nanozłącza powstającego między zestykami łącznika na stany nieustalone w obwodzie RLC 154

7. Badania nanozłączy formowanych w obszarze złącza metal–półprzewodnik 161

7.1. Właściwości nanozłączy formowanych pomiędzy ostrzem z metalu i powierzchnią półprzewodnika 161
7.2. Sposób przygotowania próbki półprzewodnika 163
7.3. Pomiary przewodności 165
7.4. Pomiary charakterystyki prądowo-napięciowej nanozłączy formowanych pomiędzy ostrzem z kobaltu i powierzchnią próbki z germanu typu p 168
7.5. Pomiary charakterystyki prądowo-napięciowej nanozłączy formowanych pomiędzy ostrzem z kobaltu i powierzchnią próbki z germanu typu n 172

Podsumowanie 177
Literatura 181
Summary 200