Wat zijn de belangrijkste eigenschappen van transport in superroosters en resonante tunnel-effecten?

Transport in superroosters heeft unieke eigenschappen die het onderscheiden van traditionele halfgeleiderapparaten. Het belangrijkste aspect van dit type transport is dat het langs de groeirichting van het superrooster plaatsvindt, een richting waarin het elektron beweegt door de potentiële barrières van het rooster. Dit fenomeen, bekend als longitudinaal transport, heeft de neiging zich te manifesteren op nanometerschaal, waardoor de invloed van verstrooiing op de elektronbeweging minimaal is. In plaats daarvan wordt de beweging voornamelijk beheerst door kwantumeffecten. Als gevolg van deze kwantumeffecten kunnen de elektronen veel hogere snelheden bereiken dan bij thermisch evenwicht, wat deze apparaten ook wel “hoge-snelheidsapparaten” of “hete-elektronapparaten” maakt.

Echter, de grootste obstakels voor de praktische toepassing van deze kwantumapparaten zijn de moeilijkheden bij het realiseren van apparaten die goed werken bij kamertemperatuur en de uitdagingen bij het bereiken van grootschalige integratie. Daardoor worden deze apparaten voorlopig alleen toegepast in specifieke gevallen, waar hun voordelen het meeste voordeel opleveren.

Deze miniband heeft enkele significante verschillen ten opzichte van de gewone energiebanden in bulk-halfgeleiders. Ten eerste is de miniband sterk anisotroop, wat betekent dat de energiebanden in de z-richting (de richting van de superroostergroei) veel smaller zijn dan in de x- en y-richting. Ten tweede is de miniband gedefinieerd in de Brillouin-zone in de z-richting, die veel kleiner is dan die van een bulk-halfgeleider. Dit resulteert in een sterk verschillende transportkarakteristiek dan in bulkmaterialen.

Een ander kenmerk van superroosters is de mogelijkheid van negatieve differentiële geleidbaarheid, wat kan optreden wanneer elektronen in de miniband bewegen. Dit gebeurt wanneer de elektronen aan de rand van de Brillouin-zone komen, waar de effectieve massa van de elektronen negatief is. Dit fenomeen kan resulteren in negatieve geleidbaarheid, wat een belangrijke eigenschap is van resonante tunnelapparaten die gebruik maken van minibanden.

De theorie van negatieve differentiële geleidbaarheid in superroosters werd eerder gepredict door Esaki en anderen, die het idee van Bloch-oscillaties introduceerden. Dit idee is gebaseerd op de beweging van elektronen in een elektrisch veld, waarbij de elektronen uiteindelijk de rand van de Brillouin-zone bereiken. Het kan worden aangetoond dat negatieve geleidbaarheid kan optreden als de elektronrelaxatietijd lang genoeg is zodat de elektronen het punt van negatieve massa bereiken zonder te verstrooien.

Wat belangrijk is om te begrijpen, is dat hoewel de theorie van superroosters en miniband transport fascinerend is en veel potentiële toepassingen biedt in de elektronische en opto-elektronische technologie, er aanzienlijke praktische obstakels blijven bestaan. De grootste daarvan is de integratie van deze technologieën op de schaal van massaproductie en hun prestaties bij niet-ideale omstandigheden, zoals bij kamertemperatuur. Het succes van superroosters en resonante tunnelapparaten in praktische toepassingen zal sterk afhangen van de vooruitgang in materiaalkunde en fabricagetechnieken die de integratie van deze kwantumapparaten mogelijk maken in functionele en schaalbare systemen.

Hoe werkt het geheugen op basis van de zwevende-gate-node in silicium?

Een cruciaal aspect in de werking van dergelijk geheugen is de zogenaamde Coulomb-blokkade (CB), die ervoor zorgt dat een elektron niet zomaar in en uit de geheugennode kan tunneleren. De laadcapaciteit van de node wordt bepaald door de elektrostatica van het systeem, en zodra een elektron de node binnendringt, kan het niet terug ontsnappen totdat de juiste spanningsdrempel wordt overschreden. Dit zorgt voor een betrouwbare en stabiele opslag van een elektron, wat op zijn beurt de basis legt voor het geheugenmechanisme van de technologie.

In de typische opstelling, zoals te zien in figuur 8.1, bestaat het geheugen uit een tunnel-junctie en een condensator, waarbij de tunnel-junctie zelf optreedt als een elektronische ‘val’ die een elektron vasthoudt zodra het de node bereikt. Het geheugen werkt via een hystereselus waarbij het voltagesignaal van de gate de hoeveelheid opgeslagen lading regelt. Zodra een kritieke spanning wordt bereikt, wordt het elektron “geschreven” in het geheugen, en kan dit, afhankelijk van de spanning, ook weer worden “uitgewist” door de spanning om te keren. Dit proces levert de twee verschillende toestanden op, wat resulteert in de representatie van binaire ‘0’ en ‘1’. De hystereselus die ontstaat tijdens dit proces zorgt voor de nodige stabiliteit om gegevens op te slaan.

De detectie van de geheugenstatus wordt gerealiseerd door een lading-sensordevice, zoals een enkel-elektron-transistor (SET) of een metaal-oxide-semiconductor veld-effect transistor (MOSFET), die voldoende gevoelig is om de aanwezigheid van een enkel elektron te detecteren. De spanning van de geheugennode wordt gemeten in relatie tot de gate-spanning, waarbij de Coulomb-blokkade een belangrijke rol speelt in het beperken van de electronenstromen binnen het geheugen, afhankelijk van de spanningstoestand.

In praktische toepassingen worden silicium-nanodraden vaak gebruikt als tunnellijnen voor de MTJ's (multitunnel-juncties), zoals gedemonstreerd door de opstelling van Stone et al., die een compact enkel-elektron-geheugen op basis van deze technologie ontwikkelden. Deze geheugencellen kunnen een duidelijke geheugenwerking vertonen met een spanning van meer dan 100 mV tussen de "0" en "1" toestanden bij een temperatuur van 4.2 K, wat de haalbaarheid en effectiviteit van deze technologie aantoont, zelfs bij extreem lage temperaturen. De meetresultaten van de hysterese geven aan hoe de lading in de geheugennode tussen deze twee niveaus kan worden verschoven, en dit proces is volledig reproduceerbaar en stabiel.

Naast de technische en operationele aspecten van dit type geheugen, is het belangrijk om te begrijpen dat de stabiliteit van het geheugensysteem sterk afhankelijk is van de geometrie van de componenten, zoals de lengte en breedte van de nanodraden, de capaciteiten van de condensatoren, en de kwaliteit van de tunnellijnen. Dit verklaart waarom geheugenoplossingen op basis van silicium en enkel-elektron-technologieën zowel veelbelovend als uitdagend kunnen zijn. De ontwikkeling van nieuwe fabricagetechnieken en verbeterde materialen kan echter de prestaties van deze geheugensystemen verder verbeteren.

Hoe de Rashba Spin-Orbit Interactie en Magnetische Flux Spinpolarisatie in Quantumringen Beïnvloeden

De contourkaarten van de effectieve spinpolarisatie $P_{\text{ef}}$ als functie van de Rashba sterkte $\bar{\alpha}$ en de magnetische flux $\phi$ worden getoond voor zowel vierkante als cirkelvormige AB-structuren in figuren 14.5a en 14.5b. De incidentie van een niet-gepolariseerde elektron levert een positieve of negatieve waarde van $P_{\text{ef}}$, afhankelijk van de spinrichting op de z-as. De absolute waarde van $P_{\text{ef}}$ bevat zowel informatie over de elektronenstroomdichtheid als de spinpolarisatie van het uitgaande elektron.

Een vergelijking van de resultaten in figuren 14.5a en 14.5b toont duidelijk dat $P_{\text{ef}}$ sneller verandert in de cirkelvormige ring, terwijl er in de vierkante ring een bredere regio van $(\bar{\alpha}, \phi/\phi_0)$-waarden is, wat handig is voor het moduleren van de spinpolarisatie. Dit resultaat is consistent met eerdere onderzoeken die hebben aangetoond dat het transport in een AB-ring afhangt van de energiebandstructuren van een gesloten ring. Eigenenergieën van Rashba-staten in een vierkante lus zijn groter dan die in een cirkelring, waardoor de spintransport in de vierkante ring minder gevoelig is voor de relevante parameters. Bovendien is het langer maken van de armen in een vierkante ring waarschijnlijker om een spin-afhankelijke kwantuminterferentie teweeg te brengen, wat de geometrie van de structuur belangrijk maakt.

Het is belangrijk te begrijpen dat de geometrie van de structuur niet alleen van invloed is op de mate van spinpolarizatie, maar ook op de stabiliteit van het systeem. De vierkante ring biedt meer flexibiliteit in het moduleren van de spinpolarisatie dankzij de bredere regio van geschikte parameterwaarden. Dit maakt de vierkante ring een potentieel stabielere oplossing voor toepassingen waarbij de controle over de spinpolarisatie essentieel is.

In het kader van praktische toepassingen kan de keuze van de parameters van invloed zijn op de prestaties van spintronic devices zoals de spin-injectied FETs (field-effect transistors). Bij de ontwikkeling van dergelijke apparaten is het essentieel om de optimale combinatie van Rashba sterkte, magnetisch veld en geometrie te bepalen om de gewenste spinpolarizatie te verkrijgen en te controleren.

Wat maakt CNTFET's (koolstofnanobuis-transistoren) zo veelbelovend voor elektronische toepassingen?

In een FET (Field-Effect Transistor) bevinden zich twee Schottky-barrières: één bij de bron en één bij de afvoer, zoals geïllustreerd in de figuren van de referentie. Deze barrières kunnen de elektrische stroom van de ene elektrode naar de andere beïnvloeden, waarbij de stroom afhankelijk is van de type drager – elektronen of gaten. Als het contact met een metaal van hoge werkfunctie zoals palladium (Pd) wordt gemaakt, kan er een bijna barrièrevrije doorgang voor gaten ontstaan, terwijl de elektroneninjectie een maximale barrière tegenkomt, wat leidt tot een unipolaire werking van de p-type CNTFET. Als het metaal echter een lage werkfunctie heeft, zoals aluminium (Al), kan het elektronenvervoer bevorderen en de doorgang voor gaten blokkeren, wat resulteert in een unipolaire werking van de n-type CNTFET.

De Ion/Iout-verhouding van CNTFET's kan variëren van 10⁵ tot 10⁷, wat ze een aanzienlijke voordelen geeft ten opzichte van MOSFET's, met een factor van 6 in sommige gevallen. Deze eigenschappen maken CNTFET's ideaal voor de bouw van meer complexe schakelingen, zoals ringoscillatoren, die vaak de voorkeur geven aan de complementaire MOS-architectuur (CMOS), die zowel n- als p-type transistoren bevat. Dankzij hun symmetrische eigenschappen kunnen CNT’s die zowel elektronen als gaten goed geleiden, perfect worden toegepast in deze architectuur.

Het is mogelijk om verschillende typen FET’s te maken door de CNT’s te doperen, maar het is moeilijk om doping op nanoschaal nauwkeurig te controleren. In plaats daarvan kan de ambipolaire eigenschap van ongedopte CNT’s succesvol worden benut om de CMOS-architectuur te implementeren. Het afstemmen van de werkfunctie van het toegangsmateriaal, zoals palladium (Pd) voor p-FET’s en aluminium (Al) voor n-FET’s, maakt het mogelijk om de eigenschappen van de transistoren zo te regelen dat ze in een schakeltaken optimaal functioneren, zoals te zien is in de afbeeldingen van ringoscillatoren in de bijgevoegde figuren.

Naast CNTFET’s zijn er ook andere geavanceerde transistorstructuren, zoals de grafeen-ribbiontransistoren (GNRFET’s). Deze hebben een breedte van minder dan 10 nm en worden gebruikt om de eigenschappen van grafeen op nanometerschaal te onderzoeken. Bij GNRFET's wordt gebruik gemaakt van specifieke materialen voor de contacten, zoals titanium (Ti) arsenide, om de Schottky-barrière te minimaliseren en de prestaties van p-type transistoren te verbeteren. Deze transistoren vertonen indrukwekkende prestaties, zoals een hoge Ion/Ioff-ratio en een hoge transconductantie, en ze dragen bij aan de verdere ontwikkeling van geavanceerde nano-elektronische apparaten.

Naast hun intrinsieke voordelen voor elektronische schakelingen, bieden koolstofnanobuizen en grafeen de mogelijkheid om nieuwe verschijnselen in de vaste-stoffysica te bestuderen. Koolstofnanobuizen kunnen bijvoorbeeld gebruikt worden om nieuwe toestanden van gecondenseerde materie te onderzoeken, zoals de Luttinger-Tomonaga-vloeistof, die wordt gekarakteriseerd door sterk verweven elektronische interacties. Grafeen, aan de andere kant, heeft een aantal unieke eigenschappen, waaronder het anomale quantum Hall-effect en de Klein-paradox, die kunnen helpen om beter te begrijpen hoe materialen zich gedragen op het nanometerschaal.

Er is ook veel potentieel voor het gebruik van koolstofnanobuizen in opto-elektronische systemen, wat zou kunnen leiden tot snellere transistoren die werken op terahertzfrequenties. Deze systemen kunnen zowel actieve componenten als interconnecties bevatten die zijn gebaseerd op dezelfde materialen, wat de ontwikkeling van efficiëntere en goedkopere elektronische systemen mogelijk maakt. Het integreren van optica met koolstofgebaseerde materialen zou uiteindelijk kunnen leiden tot de ontwikkeling van een verenigde elektronische-opto-elektronische technologie.