Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование процессов в новых устройствах электроники на основе квантования переноса заряда и магнитного потока

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.740.11.0229
Руководитель работ
Снигирев Олег Васильевич
Продолжительность работ
2009 - 2011, 26 мес.
Бюджетные средства
13,5 млн
Внебюджетные средства
2,7 млн

Информация отсутствует

Участники проекта

Зам. руководителя работ
Хвостов Валерий Владимирович

Этапы проекта

1
07.07.2009 - 15.09.2009
1. Проведено патентное исследование, предметом которого являлась конструкция СВЧ-усилителя на основе параллельных и последовательных цепочек СКВИДов постоянного тока, имеющего повышенный коэффициент усиления и чрезвычайно высокую линейность в достаточно широкой полосе частот в диапазоне 1 – 10 ГГц.
2. Проведены исследования общих закономерностей макроскопической квантовой интерференции в “умных” многоэлементных джозефсоновских структур, которые обеспечивает высокую линейность отклика напряжения на магнитную компоненту входного электромагнитного сигнала. Такие структуры могут быть использованы для разработки высокочувствительных и высоколинейных усилителей гигагерцового диапазона частот.
3. Исследованы вольт-потоковые характеристики многоэлементных СКИФ-структур и продемонстрирована необходимость использования «умных» структур для получения высокой линейности вольт-полевого отклика в гигагерцовом диапазоне частот.
4. Проведено детальное численное моделирование основных частей усилителя-интерфейса. Исследована динамика процессов усиления одноквантовых импульсов. Определены требования к характеристикам универсального интерфейса для передачи цифровой информации из устройств сверхпроводниковой электроники в цепи полупроводниковой электроники.
5. Определены требования к физико-химическим свойствам поверхности наноэлектродов молекулярных транзисторов и наночастиц для проведения и контроля процесса иммобилизации наночастиц в зазоре транзистора: наиболее приемлемый материал электродов и наночастиц, размеры наночастиц, необходимые требования к гладкости поверхности наноэлектродов
6. Модернизирована исследовательская установки «Surface Center» («Riber») и изготовлена к ней приставка для исследования эмиссионных характеристик углеродных гетероструктур на основе углеродных пленок в сверхвысоком вакууме.
7. Разработан стенд для измерения продольной и поперечной проводимости гетероструктур на основе углерода. Изготовлен интерфейс для автоматизации измерений.
8. Начаты работы по созданию пакета программ в среде MathLab для компьютерного моделирования процессов инжекции, транспорта и эмиссии электронов в нано гетероструктурах.
9. Была произведена полная модернизация ранее используемой измерительной установки для проведения процесса электромиграции и измерения электрических характеристик полученных образцов, включающая в себя создание механической части и комплекса электронной аппаратуры для формирования и исследования электрических характеристик молекулярных танзисторов и их наноэлектродов. Электрический блок созданной установки имеет необходимые скоростные показатели для обеспечения контролируемого разрыва тонкопленочного мостика в реальном времени.
Развернуть
2
16.09.2009 - 12.12.2009
1. Предложено два подхода к построению последовательных многоэлементных джозефсоновских структур, для которых линейность отклика напряжения на магнитный сигнал способна достигать 100 дБ. Мировых аналогов предложенные структуры не имеют.
2. Предложено два подхода к созданию выходного импульсного усилителя-интерфейса для передачи сигналов быстрой одноквантовой логики в цепи полупроводниковой электроники при частоте следования импульсов до 2 ГГц: на основе цепочки двухконтактных интерферометров в резистивном состоянии и на основе релаксационного СКВИДа. Расчеты демонстрируют возможность усиления-преобразования одноквантовых импульсов в выходные однополярные импульсы напряжения с амплитудой 1 мВ на нагрузке 50 Ом.
3. На основе анализа данных компьютерного моделирования определены доминирующие механизмы формирования инжекционно-эмиссионных токов в нанопленочной структуре металл–диэлектрик.
4. Сформулированы требования к параметрам нанокристаллических пленок алмаза, линейно-цепочечного углерода (ЛЦУ) и ГЦК-углерода как основного материала для построения элементной базы баллистической микро- и наноэлектроники.
5. Получены и исследованы квантовые точки, пригодные по уровню электронно-оптического квантового выхода для реализации наноразмерного светоизлучающего диода.
6. Разработаны основы теоретического подхода к расчету транспортных характеристик молекулярных одноэлектронных устройств на основе свойств как цепочки молекул, так и двумерного упорядоченного массива молекул.
7. Созданы нанозаготовки для изготовления электродов молекулярного транзистора, для которых величины как гладкости поверхности золотых пленок, так и временной стабильности образцов, показывают возможность проведения экспериментов по отработке процессов самосборки нанообъектов суб-10 нм масштаба.
8. Для реализации комплексных методов исследования электронного транспорта в углеродных наносистемах разработана схема установки для измерения сопротивления высокоомных пленок в широком диапазоне температур и напряжений.
9. Разработаны испытательные стенды для измерения работы выхода углеродных пленок на основе диодного метода и метода контактной разности потенциалов.
10. Спроектированы и протестированы фотошаблоны для предложенных последовательных джозефсоновских структур, обеспечивающих высокую линейность отклика напряжения на магнитную компоненту входного сигнала
Развернуть
3
01.01.2010 - 30.06.2010
1. Предложен новый подход к линеаризации передаточной функции одиночного сквида. Линейность отклика напряжения на магнитный сигнал синтезированной цепи би-сквида способна достигать 100 дБ. Мировых аналогов предложенная структура не имеет.
2. Произведено численное моделирование входной цепи изохронного мультиплицирования одноквантовых импульсов усилителя-интерфейса, связывающего цепи сверхпроводниковой электроники с цепями полупроводниковой электроники. Определены оптимальные параметры элементарной ячейки сплиттера, обеспечивающие корректную работу цепи в наибольшем диапазоне токов питания.
Проведена модернизация программного комплекса расчета сверхпроводниковых цепей PSCAN. В программный пакет добавлена возможность автоматического выполнения задач по оптимизации схем сверхпроводниковой электроники.
3. Разработан метод получения пленочных углеродных структур с широким спектром свойств, удовлетворяющих требованиям технологии микроэлектроники (низкие давления и температуры; интеграция)
4. Созданы гетероконтакты Al/ЛЦУ/p-Si и измерены их ВАХ. Показано, что гетероконтакты Al/ЛЦУ/p-Si обладают выпрямляющими свойствами и хорошо описываются классическими моделями барьера Шоттки (в прямом направлении) и туннельной эмиссии (в обратном направлении).
5. Разработаны методы синтеза необходимых для формирования наноэлектронных элементов наночастиц типа ядро-оболочка, имеющих различный состав. Были получены и исследованы наночастицы благородных металлов Au (3,2 нм и 4,0 нм) и полупроводниковые наночастицы CdS (3,4 нм) и ZnO (2,4-10,2 нм), размеры и характеристики которых удовлетворяют требованиям построения одноэлектронных и оптоэлектронных элементов наноэлектроники.
6. Выполнен этап работ по созданию методики изготовления тонкопленочных заготовок для проведения процесса электромиграции. На этом этапе были подобраны технологические параметры создания двойной полимерной маски, обеспечивающие необходимые свойства заготовок и, прежде всего, малую ширину (менее 200 нм) тонкопленочных мостиков.
7. Предложен новый способ изучения влияния внешнего химического и электромагнитного окружения на свойства молекулярных электронных наноустройств: вычисление одночастичного спектра составных молекулярных элементов по известным транспортным характеристикам наноустройства, полученным экспериментальным путем. Это, в свою очередь, позволяет говорить о принципиально новой возможности электронной спектроскопии одиночных молекулярных нанообъектов в планарных наноустройствах молекулярной электроники.
8. Разработан блок электроники для управления экспериментальной установкой для изучения вынужденной электролюминесценции квантовых объектов на базе сканирующего туннельного микроскопа.
9. Разработана и поставлена задача специального практикума на физическом факультете МГУ им. М. В. Ломоносова по численному моделированию электронного транспорта в низкоразмерных углеродных структурах.
10. Показано, что линейно-цепочечный углерод (ДУ ЛЦУ) представляет собой собственный полупроводник, не имеющий примесных зарядов. На границе раздела не происходит перераспределения зарядов. Экстраполяция полученных в ходе работы вольт-амперных характеристик свидетельствует о преобладании надбарьерной эмиссии (инжекции) электронов во всех исследованных гетероструктурах. Обнаружен рост геометрического фактора усиления поля с ростом толщины пленки, для более полного понимания которого необходимы дальнейшие исследования гетероструктур на основе ЛЦУ.
11. Проведена электронная литография чипов с заготовками тонкопленочных электродов планарных одноэлектронных транзисторов на технологическом оборудовании организации, обособленном для целей проекта.
Все пункты технического задания на проведение третьего этапа НИР полностью выполнены.
Развернуть
4
01.07.2010 - 12.12.2010
1. Получено численное решение оптимизационной задачи позволившее найти распределение площадей ячеек СКИФа, обеспечивающих линейность отклика напряжения дифференциальной схемы соединения параллельных СКИФов до 100 дБ. Мировых аналогов предложенная структура не имеет.
2. Показано, что низкочастотный импеданс нагрузки обусловливает дополнительное шунтирование цепочки интерферометров, уменьшая размах отклика напряжения цепочки на приложенный магнитный поток. В случае 50-омной нагрузки наиболее существенное уменьшение отклика будет происходить для цепочек с большим количеством интерферометров N, когда NRN / 2 > 50 Ом.
3. Получены гетероструктуры на основе пленок металлов, диэлектрических алмазоподобных углеродных пленок и пленок линейно-цепочечного углерода.
4. На основе исследования атомной и электронной структуры полученных пленок методами ПЭМ, ЭСХА, ОЭС, СХПЭЭ, предложена модель атомной структуры двумерно упорядоченного линейно-цепочечного sp1- углерода, согласно которой это – многослойная структура со случайным смещением между слоями, состоящая из плотно упакованных цепочек углерода.
5. Разработана процедура надежного закрепления наночастиц золота размером 3-13 нм на пленке золота и путем подбора параметров процесса определены оптимальные условия для создания равномерного массива одиночных наночастиц, химически закрепленных на поверхности образца с плотностью 3 частицы на 1000 нм2. Эта плотность обеспечивает замыкание одиночной наночастицей зазора планарного одноэлектронного транзистора.
6. Разработана методика создания нанозазоров в тонких (15 нм) и узких (200 нм) золотых пленках с помощью процесса электромиграции, изготовлена и отлажена установка, пригодная для проведения как этого процесса, так и для измерения характеристик молекулярных транзисторов.
7. Исследовано 6 новых типов квантовых объектов, перспективных для создания квантового светоизлучающего диода. Найдено, что свет чаще всего излучается на временном интервале 50-200 секунд, причем каждый интервал светимости имеет или приблизительно одинаковое значение светимости, или равномерно изменяющееся.
8. Подготовлены научно-методические материалы для спецкурсов «Физические основы молекулярной и наноэлектроники», «Физические основы электроники твердого тела» и «Элементы физики твердого тела» для студентов Физического факультета.
Развернуть
5
01.01.2011 - 30.06.2011
5.1. Изучение факторов, определяющих радиус взаимодействия
джозефсоновских переходов в многоэлементных структурах
различного типа (параллельных, последовательных, параллельно-
последовательных). Численный анализ линейности отклика
напряжения на основе одно-и двух-тонового методов.
5.2. Анализ влияния технологического разброса параметров
многоэлементных джозефсоновских структур на их конечные
характеристики. Анализ влияния паразитных элементов.
5.3. Синтез пленок линейно-цепочечного углерода (ЛЦУ)
Интеркалирование (легирование) пленок ЛЦУ с целью получения
на их основе одномерных полупроводников п- и р- типа.
5.4. Исследование атомной и электронной структуры полученных
пленок. Изучение электрофизических характеристик пленок ЛЦУ
(проводимость, анизотропия проводимости, оптические свойства,
фотоэлектрические свойства и т.п.).
5.5. Изготовление планарных одноэлектронных транзисторов на
основе молекул и малых наночастиц/квантовых точек;
математическое моделирование характеристик процессов транс-
порта заряда в таких структурах. Закупка расходных материалов.
5.6. Разработка лабораторного образца высокоэффективного
наноразмерного светоизлучающего диода в видимом и
инфракрасном диапазоне длин волн.
5.7. Подготовка научно-методического материала для учебного
пособия «Новые углеродные наностуктуры в электронике,
энергетике и медицине» для отделения дополнительного
образования по специальности бакалавров и магистров «физик-
менеджер».
5.8. Изучение механизмов эмиссии структур металл-ЛЦУ-металл.
5.9. Электронная литография чипов планарных одноэлектронных
транзисторов на технологическом оборудовании организации,
обособленном для целей проекта.
Развернуть
6
01.07.2011 - 05.09.2011
1.Завершена разработка методологии и алгоритмов создания высоколинейных джозефсоновских структур с большим динамическим диапазоном.
2. Завершена разработка усилителя-интерфейса для передачи цифровой информации сверхпроводниковых устройств на основе одиночных квантов магнитного потока в цепи полупроводниковой электроники.
3. Созданы макеты наноэлектронных устройств: резонансного нанодиода и полевого транзистора на основе ЛЦУ пленок. Закупка комплектующих.
4. Измерены функциональные свойства созданных наноэлектронных устройств на основе ЛЦУ.
5. Измерены характеристики электронного транспорта в планарных транзисторах на основе молекул и малых наночастиц.
6. Измерены характеристики изготовленного лабораторного образца наноразмерного светоизлучающего диода в видимом и инфракрасном диапазоне длин волн.
7. Проведена оценка полноты решения задач и эффективности полученных результатов в соответствии с современным научно-техническим уровнем.
8. Разработаны предложения к постановке ОКР.
9. Разработан лабораторный образец холодного эмиттера на основе структуры металл-ЛЦУ-металл.
10. Разработаны научно-методических материалов для спецкурсов по результатам исследований.
Развернуть

Программа

Программа "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы

Программное мероприятие

1.1 Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров
Продолжительность работ
2009 - 2011, 26 мес.
Бюджетные средства
14,7 млн
Организация
ФНМ
профинансировано
Тема
Исследование процессов транспорта энергии и заряда в металлических, полупроводниковых и высокомолекулярных наноструктурах.
Продолжительность работ
2008, 3 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
3
Тема
Исследование процессов переноса теплоты, массы и количества движения на проницаемых и рельефных поверхностях элементов энергоустановок.
Продолжительность работ
2008, 3 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
1
Тема
Технологии выращивания и электронные свойства комбинированных наноструктур для оптоэлектронных и магнитных устройств.
Продолжительность работ
2008, 3 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
1
Тема
Концентрированные магнитные полупроводники как рабочая среда для логических и запоминающих устройств спинтроники.
Продолжительность работ
2008 - 2009, 14 мес.
Бюджетные средства
20 млн
Количество заявок
1
Тема
Создание и исследование фотоннокристаллических структур с управляемыми спектральными свойствами для устройств опто- и СВЧ-электроники.
Продолжительность работ
2008, 3 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
0