基于有序介孔薄膜的室温单电子晶体管模型优化与实验制备研究

论文摘要

单电子晶体管是一种利用量子隧穿效应和库仑阻塞效应工作的纳米电子器件,基本结构为一个或多个库仑岛通过隧穿势垒与源极和漏极连接,通过电容与栅极耦合。该器件具有纳米级器件尺寸和超低功耗等优点,被广泛认为是最有应用前景的纳米电子器件之一。单电子晶体管实用化的关键是实现室温下的正常工作和提高器件结构的可控性。本文提出了基于有序介孔薄膜的室温单电子晶体管,为解决上述关键问题探索了新途径。围绕基于有序介孔薄膜制备室温单电子晶体管这一核心创新的实现,本文在若干关键技术上进行了理论与技术创新,主要成果如下:第一,从甚小尺寸库仑岛的量子能级特性和库仑岛链的隧穿结构特征两方面出发,建立了甚小尺寸库仑岛单电子晶体管的半经典模型,优化了多岛单电子晶体管的半经典模型,并进一步建立了经验修正的多岛单电子晶体管半经典模型,为室温单电子晶体管的设计与模拟奠定了理论基础。第二,开发了三维六方结构和三维立方结构的金纳米粒子阵列与槽宽十纳米以下的纳米槽阵列的高质量低成本制备工艺,基于二氧化硅有序介孔薄膜,制备出高有序度且尺寸可控的库仑岛阵列、隧穿势垒和纳米槽阵列,为室温单电子晶体管和纳米阵列结构的制备奠定了工艺基础。第三,精确设计了基于有序介孔薄膜的室温单电子晶体管的结构,使隧穿结构完全由化学反应精确决定。开发了相应制备工艺,搭建了纳米电子器件的电学测试平台,制备并测试了基于有序介孔薄膜的室温单电子晶体管。结构表征、电学测试、参数提取与理论模拟结果均与结构设计完全一致,证实了器件的成功制备和基于有序介孔薄膜的室温单电子晶体管优化模型的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米科技、纳米电子学和单电子学
• 1.1.1 纳米科技
• 1.1.2 纳米电子学
• 1.1.3 单电子学
• 1.2 单电子晶体管
• 1.2.1 单电子晶体管概述
• 1.2.2 单电子晶体管的工作原理
• 1.2.3 单电子晶体管的理论模型
• 1.2.4 单电子晶体管的制备技术
• 1.3 本论文的研究意义和研究内容
• 第二章 基于有序介孔薄膜的室温单电子晶体管模型优化
• 2.1 甚小尺寸库仑岛单电子晶体管的半经典模型优化
• 2.1.1 金纳米粒子的电子能级
• 2.1.2 电流模型
• 2.1.3 模型验证与分析
• 2.2 多岛单电子晶体管的半经典模型优化
• 2.2.1 各库仑岛净电荷数估计
• 2.2.2 漏源电流计算
• 2.2.3 模型验证与分析
• 2.3 多岛单电子晶体管半经典模型的经验优化
• 2.3.1 经验优化
• 2.3.2 模型验证与分析
• 2.4 小结
• 第三章 二氧化硅有序介孔薄膜的制备与金纳米粒子组装
• 3.1 二氧化硅有序介孔薄膜
• 3.1.1 二氧化硅有序介孔薄膜概述
• 3.1.2 二氧化硅有序介孔薄膜的结构
• 3.1.3 二氧化硅有序介孔薄膜的合成方法
• 3.1.4 二氧化硅有序介孔薄膜的合成机理
• 3.1.5 二氧化硅有序介孔薄膜的功能化
• 3.1.6 客体分子在二氧化硅有序介孔薄膜中的组装
• 3.2 金纳米粒子阵列/二氧化硅有序介孔复合薄膜
• 3.2.1 基片准备
• 3.2.2 氨基功能化二氧化硅有序介孔薄膜的制备
• 3.2.3 金纳米粒子在氨基功能化二氧化硅有序介孔薄膜中的自组装
• 3.2.4 金纳米粒子阵列/二氧化硅有序介孔复合薄膜的表征与分析
• 3.3 基于二氧化硅有序介孔薄膜的纳米槽阵列
• 3.3.1 纳米槽阵列制备技术概述
• 3.3.2 纳米槽阵列制备
• 3.3.3 纳米槽阵列表征与分析
• 3.4 小结
• 第四章 基于有序介孔薄膜的室温单电子晶体管制备与分析
• 4.1 基于有序介孔薄膜的室温单电子晶体管的结构设计
• 4.1.1 总体结构设计
• 4.1.2 一维库仑岛链的隧穿结构
• 4.1.3 三维六方结构库仑岛阵列的隧穿结构
• 4.2 基于有序介孔薄膜的室温单电子晶体管的制备工艺
• 4.2.1 库仑岛阵列的制备
• 4.2.2 焊盘和微米级导线的制备
• 4.2.3 纳米级导线的制备
• 4.3 基于有序介孔薄膜的室温单电子晶体管的特性分析
• 4.3.1 基于有序介孔薄膜的室温单电子晶体管的结构表征与分析
• 4.3.2 基于有序介孔薄膜的室温单电子晶体管的电学特性测试与分析
• 4.3.3 基于有序介孔薄膜的室温单电子晶体管的电学参数提取
• 4.4 小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 器件制备使用的主要试剂
• 附录B 器件分析制备、表征和测试仪器