Optical and electrical addressing in molecule based logic circuits

Manheller, Marcel; Waser, Rainer

doi:4272

Optical and electrical addressing in molecule based logic circuits = Optische und elektrische Addressierung von molekülbasierten logischen Bauteilen

Manheller, Marcel

2012

VerantwortlichkeitsangabeMarcel Manheller

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich, Zentralbibliothek 2012

UmfangXIV, 183 S. : Ill., graph. Darst.

ISBN978-3-89336-810-5

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich : Reihe Information ; 21

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Waser, Rainer (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-07-06

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-42723
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/63403/files/4272.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Werkstoffe der Elektrotechnik II und Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik (611610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Molekularelektronik (Genormte SW) ; Coulomb-Blockade (Genormte SW) ; Ladungstransport (Genormte SW) ; Tunnelkontakt (Genormte SW) ; Tunneleffekt (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Coulomb Blockade (frei) ; optische Addressierung (frei) ; Tunnel (frei) ; molecular electronic (frei) ; optical addressing (frei) ; charge transport (frei) ; tunneling (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Moderne industrielle Herstellungsmethoden ermöglichen Strukturgrößen elektronischer Schaltkreise mit lateralen Dimensionen von momentan bis zu 22 nm. Eine weitere Verkleinerung dieser Bauteile ist nicht ohne eine fundamentale Veränderung elektronischer Eigenschaften über einen bestimmten Grenzwert hinaus möglich. Organische Moleküle bieten neue Möglichkeiten im Nanometerbereich. Der erste Schritt für die Entwicklung molekularer Elektronik ist die Definition zuverlässiger elektrischer Kontakte an einzelnen Molekülen. Es hat sich gezeigt, dass dies große Schwierigkeiten mit sich bringt. Aus diesen Gründen zielen die in dieser Arbeit vorgestellten Experimente darauf ab, zuverlässige Kontakte zwischen molekülbenetzten Nanopartikeln und metallischen Elektroden zu entwickeln und in solch einer Anordnung von Nanopartikel zwischen Elektroden logische Schaltkreise nachzuahmen. Um dieses Ziel zu realisieren, wurden Nanoelektroden mit einem Abstand von nur wenigen Nanometern (3±1 nm) verwendet, welche in einem optimierten Elektronenstrahl-Lithographie-Prozess, unter Verwendung des Vektor-Grafik-Elektronenstrahlschreibers EBPG5000+ von Vistec, entwickelt wurden. Diese Präzision wurde durch ein optimiertes Zweilagen-Lacksystem in Kombination mit einem angepassten Entwicklersystem erzielt. Des Weiteren wurde eine optimale Geometrie der Elektroden, unter Einbeziehung von Nahbereichs-Streueffekten, erarbeitet. In dieser Arbeit werden einzelne Nanopartikel mit einem Durchmesser von wenigen Nanometern in Elektroden mit einem geringeren Abstand immobilisiert. Die Immobilisierung der geladenen oder ungeladenen Nanopartikel geschieht durch Dielektrophorese, d.h. unter Anlegen einer AC, oder DC, Spannung über die Nanoelektroden. In dieser Konfiguration entstehen zwei Tunnelkontakte, welche auf wenigen (5-10) Molekülen pro Tunnelkontakt basieren. Im Fokus der Arbeit steht die Charakterisierung der Tunnelkontakte und die dezidierte Analyse der beteiligten Transportmechanismen, wie Arrhenius-, Superaustausch-, Granular-metal oder auf Tunneln basierenden Transport. Die Leitfähigkeit des immobilisierten Nanopartikels ist entscheidend davon abhängig wie perfekt der Nanopartikel die Nanoelektroden ausfüllt. Molekülparameter wie die Höhe der Tunnelbarriere und das eventuell noch vorhandene Vakuumgap werden mittels einer iterativen Simmons Fitroutine und der Methode ”Transition Voltage Spectroscopy” bestimmt. Erstaunlicherweise waren die Transporteigenschaften über den Elektrode/Molekül-Nanopartikel-Molekül/Elektrode Kontakt durch die molekularen Eigenschaften dominiert. Rastertunnel mikroskopische Messungen an den verwendeten Molekülen haben erstaunliche Übereinstimmungen gezeigt und haben die Zuordnung der molekularen Energieniveaus erm¨oglicht. Bei Nanopartikeln mit einem Durchmesser von weniger als 5nm wurde Coulomb Blockade, ”ein elektrostatisches Phänomen”, bereits bei Raumtemperatur beobachtet. Coulomb Blockade Diamanten wurden an einem in Transistorgeometrie vermessenen Nanopartikel beobachtet. Es wurden unter anderem funktionalisierte Moleküle verwendet, welche unter Einstrahlung von UV-Licht die atomare Anordnung im Molekül reversibel verändern (Photoisomere). Die zwei Isomere zeigen dramatisch unterschiedliche Transporteigenschaften. Über die Anwendung als lichtgesteuerter Schalter hinaus kann dieses System mit geeigneter Wahl der Parameter einen kompletten Full-Adder-Schaltkreis ersetzen. Es wurde nicht nur eine Verkleinerung bestehender CMOS-Bausteine angestrebt, sondern die Implementierung komplexer logischer Schaltkreise in einem Baustein.

By using state of the art industrial production methods it is possible to fabricate device geometries with lateral dimensions of 22 nm. A further reduction of these components is accompanied by a fundamental change of electronic properties, if a certain threshold is overcome.Organic molecules applied as functional components provide new possibilities in the nanometer scale. The first step, which is necessary for the development of molecular electronics, is the definition of reliable electrical contacts to individual molecules. It has been shown that this implicates major difficulties. Therefore, the aimed target of the presented experiments is to develop reliable contacts between molecular capped nanoparticles and metallic electrodes, and to mimic logic circuits in such an arrangement of nanoparticles and electrodes. In order to realize this aim nano-electrodes with a distance of only a few nanometers (3 ± 1 nm) were developed in an optimized electron-beam lithography process, using the vector graphics EBPG5000+ electron beam writer from Vistec. This precision was achieved by developing an optimized two layer E-beam process, in combination with a customized system of developers. Moreover, an optimal geometry of the electrodes was elaborated including short-range scattering effects in the considerations.In this work, individual nanoparticles with a diameter of a few nanometer were immobilized between electrodes with a shorter tip separation. Charged and uncharged nanoparticles were immobilized applying dielectrophoretic trapping, i.e. the application of an AC, or DC, voltage over the nanoelectrodes. In this configuration the obtained tunnel junctions are based on a few (5-10) molecules per tunnel junction. The focus of this work is the characterization of tunnel junctions and the thoroughly analysis of the transport mechanisms involved, such as Arrhenius, super-exchange, granular metal-based transport or tunneling. The total conductivity across the gap formed by the nanoelectrodes is shown to be critically dependent upon how perfectly the NP fills the gap. For nanogaps partially and completely filled with a nanoparticle, respectively, representative measurements are shown. From transport measurements characteristic molecule parameters as the tunneling barrier height of the BP3 molecules and the remaining vacuum gap-width are obtained by a combination of Simmons fit and transition voltage spectroscopy. Surprisingly, the transport properties of the ’electrode/ molecule-nanoparticle-molecule/electrode’-contact were dominated by molecular properties. Scanning tunneling microscopic measurements on the applied molecules have shown astonishing similarities in the I(U) characteristics. Furthermore, the observed energy levels could be assigned to molecular energy levels. Nanoparticles with a diameter of less than 5 nm have shown Coulomb blockade, an electrostatic phenomenon, already at room temperature. Coulomb blockade diamonds were observed in nanoparticle based devices with transistor geometry.Among others functionalized, photo-isomeric molecules, which reversibly change the atomic arrangement under irradiation of UV light, were applied. The two isomer conformations show dramatically different transport properties.Beyond the application as a light-controlled switch with such a type of device it is also possible to mimic, with a suitable choice of parameters, a complete full adder circuit. The aim in this work was not only a reduction of existing bricks of current CMOS devices, but the implementation of complex logic circuits in a single bricked unit.

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