JP2817082B2 - High temperature single electron tunneling structure - Google Patents
High temperature single electron tunneling structureInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は、高温・単一電子トン
ネリング構造に関するものである。さらに詳しくは、こ
の発明は、新しい構造の一電子トンネリングトランジス
ター等の電子デバイス、超微細加工等の諸分野において
有用な、室温においても形成可能な電子トンネリング構
造に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high temperature single electron tunneling structure. More specifically, the present invention relates to an electron tunneling structure that can be formed at room temperature and is useful in various fields such as electronic devices such as a one-electron tunneling transistor having a new structure and ultra-fine processing.
【0002】[0002]
【従来の技術とその課題】走査トンネル顕微鏡(ST
M)技術の発展は、物質表面の微細構造を観察するため
の手段として新しい技術地平を切拓いてきている。そし
てこの技術の発展にともなって、一電子トンネリングの
現象と、その応用の検討が進められてきてもいる。2. Description of the Related Art A scanning tunneling microscope (ST)
M) The development of technology has opened up new technological horizons as a means for observing the fine structure of the material surface. With the development of this technology, studies of the phenomenon of one-electron tunneling and its application are being advanced.
【0003】この一電子トンネリング(Single Electro
n Tunneling :SET)は、従来、たとえば図1に例示
したように、走査トンネル顕微鏡(STM)微細探針
(1)と、微小空隙を介して配置した金属粒子(2)、
金属酸化膜(3)および金属基板(4)という系におい
て実現していた。この一電子トンネリング(SET)
は、金属粒子(2)としての中央電極の化学ポテンシャ
ルの離散化によって生起されるものであって、この系に
より、特有のi−vカーブが形成されることになる。こ
のカーブを模式的に示すと図2のようになり、中央電極
の余剰電荷が増減する毎に入る毎に電流の変化が起きる
ことを示している。[0003] This single electron tunneling (Single Electron Tunneling)
Conventionally, as shown in FIG. 1, for example, a scanning tunneling microscope (STM) fine probe (1) and a metal particle (2) arranged through a minute gap,
This has been realized in a system of a metal oxide film (3) and a metal substrate (4). This one-electron tunneling (SET)
Is caused by the discretization of the chemical potential of the central electrode as the metal particles (2), and a unique iv curve is formed by this system. This curve is schematically shown in FIG. 2, which shows that the current changes every time the surplus charge of the center electrode increases or decreases.
【0004】このi−vカーブは、ゲートによって制御
することができることから、一電子トンネリング現象
は、新しいトランジスター等として応用できることが期
待されてもいる。しかしながら、これまでの知見と技術
によっては、たとえば図1に例示した一電子トンネリン
グ構造は4K以下という極低温下でなければ実現できな
いとう欠点があった。このため、新しいトランジスター
等への応用を図るには、実用上の大きな障害があった。Since this iv curve can be controlled by a gate, it is expected that the one-electron tunneling phenomenon can be applied as a new transistor or the like. However, there is a drawback that, for example, the one-electron tunneling structure illustrated in FIG. 1 cannot be realized unless the temperature is extremely low, for example, 4 K or less, depending on the knowledge and technology so far. For this reason, there is a serious obstacle to practical use in applying it to a new transistor or the like.
【0005】そこで、この発明は、以上の通りの従来技
術の欠点を解消し、4K以下という極低温条件に制約さ
れることなく、室温もしくはその近傍の、より高温域に
おいて一電子トンネリングを実現することのできる新し
い構造を提供することを目的としている。Therefore, the present invention solves the above-mentioned drawbacks of the prior art, and realizes one-electron tunneling in a higher temperature region at or near room temperature without being restricted by a cryogenic condition of 4 K or less. It aims to provide a new structure that can be used.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】この発明は、上記の通り
の課題を解決するものとして、微細探針に微小空隙を介
して分子および基板を順次配置して一電子トンネリング
させることを特徴とする高温・単一電子トンネリング構
造を提供する。さらにまた、この発明においては、分子
として、室温近傍において転移配向する液晶等の分子を
配設することをその好ましい態様としてもいる。In order to solve the above-mentioned problems, the present invention is characterized by sequentially arranging molecules and a substrate on a fine probe via a minute gap and performing one-electron tunneling. Provide high temperature single electron tunneling structure. Furthermore, in a preferred embodiment of the present invention, a molecule such as a liquid crystal that undergoes transition alignment near room temperature is provided as the molecule.
【0007】この構造によって、4K以下という従来の
極低温の条件に拘束されることなく、より高温度での、
たとえば室温近傍での一電子トンネリングを実現するこ
とがはじめて可能となる。すなわち、さらに詳しく説明
すると、一電子トンネリング(SET)が実現するかど
うかは、静電エネルギー(e2 /2C)と、熱エネルギ
ー(kT)との大小関係で決まるが、eは物理基礎定数
であって、静電エネルギーは中央電極の静電容量(C)
で決定され、しかもこの静電容量(C)は、中央電極の
面積で決まることから、中央電極構成物質をより静電容
量の小さな物質にすることができれば、室温の熱エネル
ギーより大きな静電エネルギーが形成されて一電子トン
ネリングが室温でも生起することになる。With this structure, without being restricted by the conventional cryogenic temperature condition of 4K or less,
For example, it is only possible to realize one-electron tunneling near room temperature. More specifically, whether or not one-electron tunneling (SET) is realized is determined by the magnitude relationship between the electrostatic energy (e 2 / 2C) and the thermal energy (kT), where e is a physical fundamental constant. The electrostatic energy is the capacitance of the center electrode (C)
And the capacitance (C) is determined by the area of the central electrode. Therefore, if the material constituting the central electrode can be made a material having a smaller capacitance, the electrostatic energy larger than the thermal energy at room temperature Is formed, and one-electron tunneling occurs even at room temperature.
【0008】このため、この発明では、従来の金属粒子
に代えて、室温で一電子トンネリングを実現するため
に、物質分子を配置する。この分子は、一電子の投入に
よって極めて大きな静電エネルギーを生じるものとして
選択することができるのである。その代表例としては、
液晶分子を例示することができる。もちろん、液晶分子
に限定されることはなく、前記の通りの特性を備えた分
子を選択使用すればよい。Therefore, in the present invention, instead of the conventional metal particles, material molecules are arranged in order to realize one-electron tunneling at room temperature. This molecule can be selected to produce a very large electrostatic energy upon injection of one electron. As a typical example,
Liquid crystal molecules can be exemplified. Of course, the present invention is not limited to liquid crystal molecules, and molecules having the above-mentioned characteristics may be selected and used.
【0009】液晶分子の場合には、配向構造の形成によ
って、一電子トンネリングの制御に極めて有用な物質で
あると言うこともできる。以下、実施例を示し、さらに
詳しくこの発明について説明する。In the case of liquid crystal molecules, it can be said that they are extremely useful for controlling one-electron tunneling by forming an alignment structure. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.
【0010】[0010]
【実施例】実施例1 4′−n−アルキル−4−シアノビフェニル(mCB;
mはアルキル基の炭素数を示し、m=5、6および7)
の各々の化合物を配置分子として使用した。この分子化
合物は、室温近傍においてスメクチック液晶(LC)相
を形成する。EXAMPLES Example 1 4'-n-alkyl-4-cyanobiphenyl (mCB;
m represents the number of carbon atoms of the alkyl group, and m = 5, 6, and 7)
Were used as configuration molecules. This molecular compound forms a smectic liquid crystal (LC) phase near room temperature.
【0011】この液晶分子としてのmCBを、グラファ
イト表面に配設した。この場合、グラファイトの最外表
面は使用前に剥離処理し、新しい表面を露出させた。S
TM探針としては、金属ワイヤを使用した。各々の液晶
分子について、そのネマチック相転移温度よりもわずか
に低い温度にあるように、常温、常圧の条件に維持し、
STM像を観察し、かつ、i−vカーブを測定した。i
−v特性は、−200mV〜200mVのバイアス電圧
の範囲において測定した。The mCB as the liquid crystal molecules was disposed on the graphite surface. In this case, the outermost surface of graphite was stripped before use to expose a new surface. S
A metal wire was used as the TM probe. For each liquid crystal molecule, maintain at normal temperature and normal pressure so that it is slightly lower than its nematic phase transition temperature,
The STM image was observed, and the iv curve was measured. i
The -v characteristic was measured in a range of a bias voltage of -200 mV to 200 mV.
【0012】mCBとして、前記のものより炭素数の多
い8CB、10CB、12CBを用いる場合には、2層
構造が観察されるが、実施例の5CB、6CB、および
7CBについては、異った構造がSTM像として観察さ
れた。図3は、5CBについてのSTM像を、図4は6
CB、図5は7CBのSTM像を示している。When 8CB, 10CB and 12CB having more carbon atoms than those described above are used as the mCB, a two-layer structure is observed. Was observed as an STM image. FIG. 3 shows an STM image of 5CB, and FIG.
CB, FIG. 5 shows an STM image of 7CB.
【0013】56×56ASTM像である。アルキル基
部分は、シアノビフェニル基部分よりも暗く表現されて
いる。セットポイント電流は、0.2nAであり、バイ
アス電圧は1Vである。ちなみに、図4は、6CBが準
単一層構造を有し、シアノビフェニル基が対向している
ことを示唆している。図6、図7および図8は、各々、
5CB、6CBおよび7CBの場合のi−vカーブを示
したものであり、いずれも多段ステップ状カーブが観測
される。This is a 56 × 56 ASTM image. The alkyl moiety is represented darker than the cyanobiphenyl moiety. The set point current is 0.2 nA and the bias voltage is 1V. Incidentally, FIG. 4 suggests that 6CB has a quasi-single-layer structure and that the cyanobiphenyl groups are opposed. FIGS. 6, 7 and 8 each show:
It shows an iv curve in the case of 5CB, 6CB and 7CB, in which a multi-step curve is observed.
【0014】図6は、バイアススキャン427mV、バ
イアスモジュレーション50mV、セットポイント電流
2nA、バイアス電圧1V、サンプルピリオッド100
μs、の時の結果である。図7は、6CBについて、セ
ットポイント電流0.2nA、図8は、7CBについ
て、セットポイント電流2nAでの結果を示している。
図9は、6CBについて、アルキル基部分の上部に探針
がある場合のi−vカーブであり、図10は、シアノビ
フェニル基部分の上部に探針がある場合のi−vカーブ
である。後者の場合、明瞭な多段ステップ状カーブが観
測されていることがわかる。実施例2 実施例1において、基板を白金に代え、この白金結晶表
面に分子を配設した。FIG. 6 shows a bias scan of 427 mV, a bias modulation of 50 mV, a set point current of 2 nA, a bias voltage of 1 V, and a sample period of 100.
μs. FIG. 7 shows the result at a set point current of 0.2 nA for 6 CB, and FIG. 8 shows the result at a set point current of 2 nA for 7 CB.
FIG. 9 is an iv curve when the probe is located above the alkyl group portion for 6CB, and FIG. 10 is an iv curve when the probe is located above the cyanobiphenyl group portion. In the latter case, it can be seen that a clear multi-step curve is observed. Example 2 In Example 1, the substrate was replaced with platinum, and molecules were provided on the surface of the platinum crystal.
【0015】この場合には、より明瞭な階段ステップ状
のi−vカーブ特性が得られた。さらに基板をAu等の
金属に変更して同様のSTM観察およびi−vカーブの
測定を行った。探針素材との各種組合わせによって、そ
れらの結果には差異が見られたが、分子を用いることに
よる有効性については上記と同様にして確認された。In this case, a clearer step-shaped iv curve characteristic was obtained. Further, the substrate was changed to a metal such as Au, and similar STM observation and measurement of an iv curve were performed. Although the results were different depending on various combinations with the probe material, the effectiveness of using molecules was confirmed in the same manner as described above.
【0016】[0016]
【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この発明によ
って、室温近傍の高温においても一電子トンネリングが
実現される新しい構造が提供される。As described in detail above, the present invention provides a new structure capable of achieving one-electron tunneling even at a high temperature near room temperature.
【図1】従来の一電子トンネリング構造を示した模式図
である。FIG. 1 is a schematic view showing a conventional one-electron tunneling structure.
【図2】一電子トンネリング現象におけるi−vカーブ
を示した概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram showing an iv curve in a one-electron tunneling phenomenon.
【図3】実施例としての5CBのSTM像図である。FIG. 3 is an STM image diagram of 5CB as an example.
【図4】6CBのSTM像図である。FIG. 4 is an STM image diagram of 6CB.
【図5】7CBのSTM像図である。FIG. 5 is an STM image diagram of 7CB.
【図6】5CBのi−vカーブ図である。FIG. 6 is an iv curve diagram of 5CB.
【図7】6CBのi−vカーブ図である。FIG. 7 is an iv curve diagram of 6CB.
【図8】7CBのi−vカーブ図である。FIG. 8 is an iv curve diagram of 7CB.
【図9】6CBのアルキル基部分のi−vカーブ図であ
る。FIG. 9 is an iv curve diagram of the alkyl group portion of 6CB.
【図10】6CBのシアノビフェニル基部分のi−vカ
ーブ図である。FIG. 10 is an iv curve diagram of a cyanobiphenyl group portion of 6CB.
Claims (3)
基板を順次配置して一電子トンネリングさせることを特
徴とする高温・単一電子トンネリング構造。1. A high-temperature, single-electron tunneling structure characterized in that molecules and a substrate are sequentially arranged on a fine probe through a minute gap to perform one-electron tunneling.
である請求項1の構造。2. The structure according to claim 1, wherein the molecule is a transition orientation molecule near room temperature.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5032313A JP2817082B2 (en) | 1993-02-22 | 1993-02-22 | High temperature single electron tunneling structure |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP5032313A JP2817082B2 (en) | 1993-02-22 | 1993-02-22 | High temperature single electron tunneling structure |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06241713A JPH06241713A (en) | 1994-09-02 |
| JP2817082B2 true JP2817082B2 (en) | 1998-10-27 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP5032313A Expired - Fee Related JP2817082B2 (en) | 1993-02-22 | 1993-02-22 | High temperature single electron tunneling structure |
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| Country | Link |
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| JP (1) | JP2817082B2 (en) |
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- 1993-02-22 JP JP5032313A patent/JP2817082B2/en not_active Expired - Fee Related
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| JPH06241713A (en) | 1994-09-02 |
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