Making of a Carbon Nanotube Based Single Electron Transistor Using Electron Beam Lithography

Abstract

Yhden elektronin transistorissa on nanometrien suuruusluokkaa oleva johtavasta materiaalista valmistettu saareke kahden metallijohtimen välissä. Johdinten välille laitetaan jännite, jolloin elektronit pyrkivät tunneloitumaan yhdestä johtimesta saarekkeen kautta toiseen. Koska tunneliliitosten kapasitanssit ovat pieniä jo yksi elektroni aiheuttaa merkittävän varausenergian kasvun saarekkeella.

Hiilinanoputket ovat grafiittilevyistä rakentuneita putkimaisia molekyylejä. Ne ovat tyypillisesti muutaman mikrometrin pituisia ja noin 5-30 nm paksuja. Nanoputkien rakenne on kestävä. Niiden sähkönjohtavuus riippuu niiden rakenteesta, joka on joko samanlainen kuin metalleilla tai puolijohteilla.

Työssä pyrittiin valmistamaan yhden elektronin transistori hiilinanoputkea ja elektronisuihkulitografiaa käyttäen. Transistoriin sopiva hiilinanoputki paikannettiin ja siirrettiin oikeaan asentoon atomivoimamikroskoopilla. Nanoputken päälle, sen symmetria-akselia vastaan kohtisuoraan, valmistettiin elektronisuihkulitografialla kapea kultajohdin. Johtimen paksuuden avulla johteen resistanssi valittiin sopivaksi. Tavoitteena oli, että puolijohtavan hiilinanoputken päälle muodostuu yhden elektronin transistorin saareke, joka kytkeytyy tunneliliitoksilla nanoputken molemmilla puolilla oleviin kultajohtimiin.

Valmistetuista näytteistä kaksi toimi. Toisessa näytteessä kultajohtimen paksuus oli juuri niin suuri, että näyte johti. Kulta ei muodostanut yhtenäistä kerrosta nanoputken päälle. Virta kulki useamman kuin yhden saarekkeen läpi. Toisessa näytteessä kultajohtimen paksuus oli lähes yhtä suuri kuin hiilinanoputken halkaisija. Nanoputki oli sähkönjohtavuudeltaan metallinen. Virta kulki nanoputken ja kultasaarekkeen läpi peräkkäin.

Käytetyssä yhden elektronin transistorin valmistusmenetelmässä kultasaarekkeen saaminen yhtenäiseksi hiilananoputken päälle on ongelma. Lisäksi nanoputken tulee olla sähkönjohtavuudeltaan puolijohtava. Metallisten ja puolijohtavien hiilinanoputkien erottaminen ennen transistorin valmistamista on kuitenkin vaikeaa.