Quantum Devices from the Assembly of Zero- and One-Dimensional Building Blocks

Abstract

This thesis describes novel methods for the fabrication of nanometer-scale electronic devices, such as single-electron transistors and resonant tunneling diodes, from wire- and dot-shaped building blocks. The first part of the thesis describes the manipulation of metal nanoparticles and carbon nanotubes using an atomic force microscope. Single-electron transistors were realized by moving nanotubes and nanoparticles in electrical contact with metal electrodes. It is shown that various forms of carbon nanotubes can be used as mobile electrodes resulting in very small electrical switches. In particular, the use of carbon nanotubes as electrodes was demonstrated by electrically contacting a sub-10 nm gold particle with two nanotubes. This device showed single-electron charging effects up to 200 K.



The second part of the thesis deals with the fabrication and electrical characterization of semiconductor nanowire devices. Nanowires in the InAs/InP material system were grown by chemical beam epitaxy from size-selected nanoparticle catalysts. The heterostructure interfaces between the InAs and InP regions were determined to be almost atomically abrupt from high-resolution transmission electron microscopy investigations. Ohmic contacts, showing linear I-V characteristics down to 4.2 K, were developed to homogeneous InAs nanowires, and transport in these wires was investigated. From electrical characterization of InAs nanowires containing a thick InP barrier, the InP barrier height was estimated to be ~0.6 eV relative to the InAs conduction band edge. Resonant tunneling diodes were fabricated by incorporating a 15 nm InAs dot between two thin InP tunnel barriers. These devices showed peak-to-valley ratios up to 50:1 at 4.2 K. It is also shown that if the InAs dot is extended to a length of 100 nm, the nanowires work as ideal single-electron transistors at 4.2 K.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Ämnet för den här avhandlingen är tillverkning och studier av elektroniska komponenter tillverkade av mycket små tråd- och punktformade byggmateriel. Diametern hos en sådan tråd kan vara så liten som 1 nanometer, vilket motsvarar en miljondels millimeter. När komponenter krymps till de här ytterst små dimensionerna uppstår nya fenomen, och parametrar som kan tyckas vara kontinuerliga i vardagliga sammanhang blir plötsligt diskreta. Den gren av fysiken man kallar kvantmekanik används för att beskriva dessa system. Elektroner ses här som vågor istället för partiklar, vilket förklarar företeelser som tunnling, interferens och kvantisering.



Avhandlingen består av två delar. I första delen används ett atomkraftsmikroskop (AFM) för att studera och manipulera små nanorör av kol. Detta material upptäcktes i början av 1990-talet, och har bra elektrisk ledningsförmåga samt en extremt hög mekanisk hållbarhet. Baserat på dessa egenskaper utfördes under avhandlingsarbetet en studie kring möjligheten att använda nanorör som ytterst små kontakter till andra objekt på nanometerskalan. En transistor konstruerades genom att sätta ihop två nanorör med en nanopartikel av guld med hjälp av ett AFM. På grund av komponentens storlek måste elektronerna passera en och en genom guldpartikeln, och med en tredje kontakt kunde denna ström styras.



I andra delen av avhandlingsarbetet studerades nanotrådar av olika halvledarmaterial. En halvledare skiljer sig från en metall genom att det vid låga temperaturer inte finns några elektroner som kan leda ström i materialet. Dock kan strömförande elektroner ganska lätt skapas genom inverkan av temperatur, ljus eller dopning med andra ämnen. Detta ger ett mycket större användningsområde för trådar av ett halvledarmaterial jämfört med t.ex. en tråd av ren metall. En teknik har utvecklats för att växa dessa trådar, atomlager för atomlager, från små katalytpartiklar. Vi har lyckats kombinera olika halvledarmaterial inuti nanotrådar för att skapa något som kan liknas vid en hinderbana för elektroner. Komponenter såsom dioder och transistorer har exempelvis tillverkats, vilka i vårt fall bygger på kvantmekanisk tunnling av elektroner genom tunna barriärer utmed tråden. Dessa komponenter har studerats både med högupplösande elektronmikroskopi och med elektriska mätningar vid låga temperaturer.

• author: Thelander, Claes
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof Schönenberger, Christian, University of Basel, Switzerland
• organization: Solid State Physics
• publishing date: 2003
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Condensed Matter Physics
• keywords: quantum devices, classical mechanics, quantum mechanics, relativity, statistical physics, thermodynamics, Matematisk och allmän teoretisk fysik, klassisk mekanik, kvantmekanik, relativitet, gravitation, termodynamik, statistisk fysik, Mathematical and general theoretical physics, single-electron transistor, nanowires, AFM, carbon nanotubes, Fysicumarkivet A:2003:Thelander
• pages: 114 pages
• defense location: Room B, Dept of Physics, Sölvegatan 14, Lund Institute of Technology.
• defense date: 2003-11-07 10:15:00
• external identifiers: other:LUFTD2/TFFF-0068
• ISBN: 91-628-5775-4
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: AFM manipulation of carbon nanotubes: realization of ultra-fine nanoelectrodes, C. Thelander and L. Samuelson, Nanotechnology 13, 108 (2002); Gold nanoparticle single-electron transistor with carbon nanotube leads, C. Thelander, M. H. Magnusson, K. Deppert, L. Samuelson, P. R. Poulsen, J. Nygård, and J. Borggreen, Appl. Phys. Lett. 79, 2106 (2001); One-dimensional heterostructures in semiconductor nanowhiskers, M. T. Björk, B. J. Ohlsson, T. Sass, A. I. Persson, C. Thelander, M. H. Magnusson, K. Deppert, L. R. Wallenberg, and L. Samuelson, Appl. Phys. Lett. 80, 1058 (2002); Nanowire resonant tunneling diodes, M. T. Björk, B. J. Ohlsson, C. Thelander, A. I. Persson, K. Deppert, L. R. Wallenberg, and L. Samuelson, Appl. Phys. Lett. 81, 4458 (2002); Heterostructures incorporated in one-dimensional semiconductor materials and devices, C. Thelander, M. T. Björk, A. I. Persson, B. J. Ohlsson, T. Sass, L. R. Wallenberg, and L. Samuelson, Proceedings, 26th International Conference on the Physics of Semiconductors, Edinburgh, UK (2002); Single-electron transistors in heterostructure nanowires, C. Thelander, T. Mårtensson, M. T. Björk, B. J. Ohlsson, M. W. Larsson, L. R. Wallenberg, and L. Samuelson, Appl. Phys. Lett. 83, 2052 (2003)
• id: c1b55c08-b5d8-4e64-b2fc-ed94d1263896 (old id 466307)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:00:28
• date last changed: 2018-11-21 20:56:11