Charge and spin transport in nanoscale devices
Emmanouil Iosif Masourakis · 2015
La miniaturizacion en el tamano de los transistores ha sido seguida por numerosos otros componentes electronicos y, como resultado, los dispositivos modernos consumen menos energia, la informacion es procesada mas rapidamente y es posible almacenar la de forma mas compacta. Sin embargo, la miniaturizacion continua de los componentes electronicos podria estar acercandose rapidamente a un limite. En el momento en que los componentes individuales de los dispositivos se acercan a las escalas moleculares e incluso atomicas [1-5], los beneficios tipicos del escalado en tamano se pierden y conceptualmente se deberian necesitar nuevos dispositivos [6-8].En 2011, el transistor planar tradicional fue totalmente re-disenado con el dispositivo Intel FinFET en el nodo de 22 nm. Desde entonces, la tecnologia ha avanzado al nodo de 14nm en el 2014 y la industria tiene como objetivo producir un transistor de 10 nm en 2016. En tales dimensiones, la funcionalidad del dispositivo depende fuertemente de la fisica mesoscopica. La creacion de las generaciones futuras de dispositivos electronicos requiere tanto de la exploracion de metodos de fabricacion como del diseno de estructuras capaces de superar las limitaciones actuales.Diversas perspectivas inspiradoras se encuentran en el uso de conjuntos de moleculas como componentes de dispositivos electronicos y en el aprovechamiento del espin de los portadores de carga para mejorar la funcionalidad [9]. En esta tesis, se explora la fabricacion y el funcionamiento de dispositivos en la nano escala en un intento de arrojar luz sobre algunas cuestiones clave relativas a las proximas generaciones de dispositivos electronicos. En particular, nos centramos en el transporte de carga y espin en metales espacialmente confinados, en uniones tunel laterales y en conjuntos de moleculas. El transporte de carga electrica en dimensiones reducidas es abordado a traves de la creacion y caracterizacion de uniones tunel laterales. Con estos dispositivos se exploran los limites de la fabricacion en nuestro instituto y durante las medidas de transporte nos acercamos al limite cuantico. Al acercar las dimensiones del dispositivo al camino libre medio del electron, el efecto tunel se hace esencialmente omnipresente. Aparte de comprender y controlar los efectos de la corriente de fuga, las uniones tunel se pueden usar en dispositivos con funcionalidades unicas (por ejemplo, diodos Esaki, uniones tunel magneticas, transistores de electrones individuales). Con estos mismos dispositivos podemos estudiar el transporte de carga a traves de moleculas y nanoparticulas conductoras, entidades que pueden dar lugar a dispositivos con funcionalidad unica. Por ultimo, prestaremos atencion al transporte de espin utilizando valvulas de espin laterales (VEL). En estos dispositivos la funcionalidad extra viene dada por la introduccion del espin, y la importancia de la dimensionalidad se ilustra claramente mediante la manipulacion de la corriente de espin a traves de la modulacion de la anchura del canal de transporte. En el Capitulo 1, se presentan los conceptos teoricos fundamentales de interes para nuestro trabajo. Empezamos explicando el impacto de las dimensiones en eltransporte electronico e introducimos el concepto de tunel cuantico. Seguidamente, discutimos el transporte a traves de grupos de moleculas y nanoparticulas conductoras asi como la importancia tanto del canal de transporte de cargas como de los electrodos del dispositivo. Finalmente, se presentan los conceptos basicos de la espintronica e introducimos la valvula de espin lateral. En el Capitulo 2 nos centramos en la nanofabricacion. Comenzamos introduciendo el concepto de litografia, que es la tecnica principal aplicada durante este trabajo. Con ello examinamos cada paso de la fabricacion en detalle y el efecto individual de cada etapa en la resolucion final del proceso. Finalmente discutimos la fabricacion de uniones tunel laterales. La fabricacion de estos dispositivos se realiza mediante litografia por haz de electrones (EBL), Electromigracion (EM) y un metodo al que nos referiremos como el Metodo de Proyeccion.