ナノメータ微粒子薄膜ブリッジ接合を用いた単電子デバイスの研究

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微小トンネル接合の2次元アレイとしてモデル化される金属微粒子薄膜の寸法を、電荷ソリトンの寸法に比べて十分小さくすると、1次元アレイあるいは単接合のように明確な単一電子トンネル効果が期待でき、単一電子デバイスの動作温度を飛躍的に増加させることができる。本研究では金属微粒子薄膜をナノメータ寸法のブリッジ型素子に加工し、電界効果型の単電子トランジスタを作製し、これらの高感度センサ、論理回路、新機能デバイスへの応用を目指した。本年度では以下の結果を得た。1.走査トンネル顕微鏡によりNbN,Pd,Au,NbN/BN Cermet等の各種の薄膜の微粒子構造を観察し、微粒子粒径が小さく均一な微粒子薄膜の探索を行った。その結果、Pd微粒子薄膜が良好な微粒子構造を有することが明かとなった。2.Pd微粒子薄膜を用いたブリッジ素子を作成し、低温における電子伝導特性を調べた。これより、粒界微小トンネル接合のチャージングエネルギーを導出し、構造から得られる理論値と良く一致することを示した。さらに、低温における電子伝導特性が、正負の電荷ソリトンの結合に起因した電荷KT効果に支配されることを示した。3.NbN微粒子薄膜を用いたナノメータ微粒子薄膜ブリッジ素子を作製し、これらの低温での電子伝導特性ならびにゲート電界印加効果を調べた。これにより、本素子が単電子トンネル接合の擬1次元的な電子伝導特性を持つことを明らかにした。しかしながら、得られた電界効果の大きさは、理論から期待される大きさに比べて小さいことがわかった。この理由として、接合パラメータの分布効果と薄膜周辺の固定電荷の存在が考えられる。そのため、数値シミュレーションにより2次元アレイの電子伝導特性のパラメータ分布効果を調べ、固定電荷の存在により電界効果の振幅が劇的に減少することを見出した。