静电势阱组装有序量子点阵单电子晶体管的制备与理论研究

基于库仑阻塞和单电子隧穿效应的单电子晶体管被认为是最具应用前景的纳米电子器件之一。针对目前存在的难以实现量子点可控定位和隧穿势垒精确控制的问题，本项目提出一种基于静电势阱组装有序量子点阵构建单电子晶体管的精确可控制备方法：结合静电自组装和有序介孔二氧化硅模板技术，通过自组装单层膜选择性修饰，在介孔薄膜表面的介孔端形成正电荷静电势阱，诱导负电荷修饰的金量子点到势阱中心，实现量子点大面积的精确定位组装，再通过双束技术耦合电极，构建出有序量子点阵单电子晶体管。本项目重点解决静电势阱组装有序量子点阵、量子点-电极耦合以及量子点单电子晶体管电学性能理论模型等关键科学技术问题，形成相应的基本实验和理论方法，实现2-10nm量子点的可控精确定位和77K以上单电子晶体管的原型器件，并探索量子点阵的微结构与器件性能的内在关联与规律。本项研究在纳米电子器件、纳米光电器件以及纳米传感器等领域具有广泛的应用前景。

基于库仑阻塞和单电子隧穿效应的单电子晶体管被认为是最具应用前景的纳米电子器件之一。针对目前存在的难以实现量子点可控定位和隧穿势垒精确控制的问题，本项目提出一种基于静电势阱组装有序量子点阵构建单电子晶体管的精确可控制备方法，重点解决了静电势阱组装有序量子点阵、量子点-电极耦合以及量子点单电子晶体管电学性能理论模型等关键科学技术问题，形成了相应的基本实验和理论方法，实现了2-10nm量子点的可控精确定位和77K以上单电子晶体管的原型器件，并探索了量子点阵的微结构与器件性能的内在关联与规律。. 采用蒸发诱导自组装的方式合成出不同相结构的氨基功能化有序介孔二氧化硅薄膜，分析表明，介孔薄膜具有高度有序的规则结构；采用种子法，制备了尺寸在2-10 nm尺度范围的金量子点，金量子点十分均匀，实现了粒径的调控；然后通过表面修饰，在介孔表面形成正电荷静电势阱，将修饰后的基片置于带负电荷的金量子点胶体溶液中，由于正负电荷之间的静电作用力，实现了大面积金量子点的静电组装。此外，采用介孔氧化铝模板制备了有序金量子点阵。. 采用双束技术和微电子加工技术，在制备好的有序金量子点阵上搭建金属互连线，形成源、漏、栅极，并结合光刻、引线、封装等工艺，完成了金纳米粒子单电子器件的制作。在低温条件下（77K）测试了器件的电子输运性能，源漏电极的电子传输表现出库仑阻塞现象，表明组装的Au量子点在器件中起到库仑岛的作用。根据电流-电压特性曲线分析了各个器件的库仑岛尺寸等信息，与材料表征结果能较好地吻合。. 利用隧穿结模型和基态能量模型分析了单电子晶体管的电学特性，并采用蒙特卡洛法进行了仿真计算。为分析隧穿结等效电阻，建立了基于弹道输运的隧穿结电子输运模型，为单电子晶体管实验研究提供了理论支撑。模拟结果表现出量子点单电子隧穿器件的典型特征，包括库仑台阶、库仑振荡和库仑菱形，证实了静电自组装得到的金量子点阵可以用于构建单电子晶体管，同时也说明了理论模型和模拟方法较为合理。. 本项研究在纳米电子器件、纳米光电器件以及纳米传感器等领域具有广泛的应用前景。