Investigations of the Coulomb Blockade effect in double tunnel junctions

• Autorzy: Gutek, J. , Winiarz, S. , Piechocka, I. , Płotka, P. , Czajka, R.

Warianty tytułu

PL

Badania zjawiska blokady kulombowskiej w podwójnych złączach tunelowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The Coulomb Blockade effect (CBE) is observed in double tunnel junctions where a small metallic cluster is precisely located between two outer electrodes. This electrically isolated nanocluster exhibits capacitances of attofarads. Such extremely small capacitance may cause that the charging energy Ec = e²/2C which an individual electron needs to be placed at the cluster may be bigger than the electron's thermal energy kBT. The Coulomb potential of the electron localized at the cluster keeps the other electrons from flowing through the tunnel junction. Tunnel current increase is possible only after a discrete increase of bias voltage, what is observed as a so called Coulomb staircase in I-V curves. In our investigations, we have created an ultra-thin oxide (barrier) layer on the Si(111) 7x7 surface via controlled oxidation process inside the UHV chamber. One of the tunnel junctions was made by deposition of Ag nanoclusters onto an oxidized Si(111) surface. The other tunnel junction was set up by STM tip and vacuum when the tip was hovering over the Ag cluster. I-V curves measured in above clusters showed a step-like shape. The steps were smeared due to thermal broadening and asymmetry in capacitances and resistances of both tunnel junctions. The junction parameters were estimated by fitting the experimental curve to the theoretical one.

PL

Pierwsze eksperymenty, w których obserwowano efekty blokady kulombowskiej związanej z tunelowaniem elektronów w strukturach o ultra-małych pojemnościach elektrycznych, przeprowadzano już w latach sześćdziesiątych XX wieku. W 1975 roku opracowana została pierwsza tzw. "ortodoksyjna" teoria, która ilościowo opisywała zjawisko przepływu prądu w podwójnych złączach tunelowych. Szybki rozwój nanotechnologii w latach osiemdziesiątych ub. wieku umożliwiły wytwarzanie podwójnych złączy tunelowych poprzez precyzyjne umieszczanie małych metalicznych klasterów pomiędzy dwiema zewnętrznymi elektrodami. Był to początek szybkiego rozwoju dziedziny nazywanej obecnie "elektroniką jednoelektronową" - czyli taką która wykorzystuje własności wynikające z przepływu pojedynczych elektronów. Elektrycznie izolowane nanoklastery umieszczone między zewnętrznymi elektrodami wykazują pojemności rzędu attofaradów. Energia ładowania równoważnego kondensatora (Ec = e²/2C czyli energia, którą potrzebuje elektron, aby zostać ulokowanym w nanoklasterze jest wtedy większa od energii termicznej kBT. Potencjał kulombowski powstały po naładowaniu klastera blokuje przepływ kolejnych elektronów przez złącze tunelowe. Wzrost prądu tunelowego jest możliwy tylko po zwiększeniu napięcia polaryzacji o pewną skwantowaną wielkość, co prowadzi do pojawienia się tzw. stopni kulombowskich na charakterystyce I-V. W naszych badaniach, wytworzyliśmy ultra-cienką warstwę tlenku krzemu (bariera potencjału) na powierzchni krzemu Si(111) 7x7 w procesie kontrolowanego utleniania w komorze bardzo wysokiej próżni. Pierwsze złącze tunelowe utworzono poprzez osadzenie nanoklasterów srebra na utlenionej powierzchni krzemowego podłoża. Drugie złącze, z barierą próżniową, tworzone było poprzez lokalizację sondy mikroskopu tunelowego nad klasterem Ag. Zmierzone nad klasterami Ag charakterystyki I-V wykazały obecność stopni kulombowskich. Rozmycie stopni i ich nachylenie wynikało z poszerzenia termicznego oraz asymetrii pojemności i rezystywności obu złączy tunelowych. Oszacowano parametry podwójnych złączy tunelowych poprzez dopasowanie krzywych eksperymentalnych do zależności teoretycznych. Efekt blokady kulombowskiej może być wykorzystany w elektronice ze względu na ekstremalną czułość ładunkową w różnego rodzaju miernikach oraz w układach pamięci o ekstremalnie dużych gęstościach upakowania elementów.

Słowa kluczowe

PL

blokada kulombowska; stopnie kulombowskie; klastery; podwójne złącza tunelowe

EN

Coulomb blockade; Coulomb staircase; clusters; double tunnel junction; STM

• Czasopismo: Metrology and Measurement Systems
• Rocznik: 2006
• Tom: Vol. 13, nr 2
• Strony: 137-147
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Gutek, J.

autor

Winiarz, S.

autor

Piechocka, I.

autor

Płotka, P.

autor

Czajka, R.

• Poznań University of Technology, Faculty of Technical Physics, Institute of Physics, Poland,

Bibliografia

• 1. Moore G.E., Electronics 38(8), 1965.
• 2. Lambe J., Jaklevic R. C., Phys. Rev. Lett. 20, p. 1504, 1969.
• 3. Kulik O., Shekhter R. I., Sov. Phys. JETP 41, p. 308, 1975.
• 4. Hanna E., Tinkham M., Phys Rev. B 44, p. 5919, 1991.
• 5. Single Charge Tunneling, vol. 294 of NATO Advanced Study Institute, Series B: Physics, edited by H. Grabert, M.H. Devoret (Plenum, New York, 1992).
• 6. Schon G., Quantum Transport and Dissipation, edited by T. Dittrich et al, chapter 3 (Wiley-VCH Verlag, 1998).
• 7. Rainer Waser, Nanoelectronics And Information Technology: Advanced Electronic Materials and Novel Devices, John Wiley & Sons Inc; 02/2005.
• 8. Takahashi Y., Ono Y., Fujiwara A., Inokawa H., J. Phys.: Condens. Matter 14, R995, 2002.
• 9. Likharev K. K., Zorin A. B., J. of Low Temp. Phys. 59, pp. 347-382, 1985.
• 10. Meyer E., Hug H. J., Bennewitz R.: Scanning Probe Microscopy – The Lab on a Tip, Springer-Verlag, Berlin, 2003.
• 11. Giaver, Zeller H. R., Phys. Rev. 181, p. 789, 1969.
• 12. Gutek J.: Ph.D Thesis, Creation of metallic nanostructures at Si(111) substrate and theirs characterization by means of scanning tunneling microscopy and spectroscopy, Poznań 2005.