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

ECeeVEadd /2

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

Tw

COSTANTEG max TG

1max

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

68.0max TG

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

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

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

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

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

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

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,…)