Coulomb-Blockade bei Raumtemperatur in selbstorganisierten Arrays von Pt-Clustern

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-opus-94
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.9855

Kreupl, Franz

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Date of publication of this fulltext: 17 May 2000 10:44

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Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	16 May 2000
Referee:	Prof. Dr. Horst Hoffmann
Date of exam:	18 March 1999
Institutions:	Physics
Keywords:	Platin / Cluster / Aluminiumoxide / Selbstorganisation / Coulomb-Potential , , Cluster
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 530 Physics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	9855

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Abstract (German)

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Ziel dieser Arbeit war es, Coulomb-Blockade bei Raumtemperatur experimentell nachzuweisen. Zur Erzeugung der hierfür notwendigen Strukturgrößen wurde das Wachstumsverhalten von Platin auf Al2O3- und SiO2-Oberflächen ausgenützt, um selbstorganisierte Arrays von Pt-Clustern herzustellen. Die Pt-Cluster haben dabei einen Durchmesser von 1-4 nm und voneinander einen Abstand von etwa 1 nm. Beides, sowohl die Clustergröße als auch der Abstand zwischen den benachbarten Clustern ist für den Erfolg der Arbeit von entscheidender Bedeutung. Die Arbeit gliederte sich im wesentlichen in zwei Teile.
Im ersten Teil der Arbeit wurden Pt-Cluster mit einem UHV-Rastertunnelmikroskop topographisch und spektroskopisch analysiert. Die Pt-Cluster wurden auf einer 1-2 nm dicken Al2O3-Schicht abgeschieden, die wiederum auf einer metallischen Basiselektrode aufgebracht wurde.. Die Strom-Spannungs-Kennlinien zeigen eine Vielzahl von Eigenschaften: Coulomb-Blockaden von 0,1-1,5 eV, Coulomb-Treppen und asymmetrische Tunnelkennlinien. Die erhaltenen I(V)-Kurven können gut mit der orthodoxen Theorie der Coulomb-Blockade beschrieben werden. Erfüllen die Pt-Cluster die oben genannten strukturellen Bedingungen nicht, so verschwindet die Coulomb-Blockade - zumindest bei Raumtemperatur.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde das kollektive elektrische Verhalten von zweidimensionalen Pt-Arrays untersucht, das sich zwischen zwei Kontaktelektroden auf einem oxidierten Si-Wafer befinden. Die Kontaktelektroden haben voneinander einen Abstand von 20-100 nm und eine Breite von 50-100 nm. Auch an diesen Arrays konnten bei Raumtemperatur Coulomb-Blockaden von 0,1-1 eV nachgewiesen werden. Bei Kennlinien ohne Coulomb-Blockade konnte durch Abkühlen der Proben auf 80 K die Ausbildung einer Blockade beobachtet werden. Der Strom durch das Pt-Array konnte durch kapazitives Einkoppeln einer Kontrollspannung verändert werden, so daß ein schaltbares Bauelement auf Basis von Einzel-Elektron-Effekten realisiert wurde.

Translation of the abstract (English)

Among the most promising candidates for future electron devices are the Single-Electron-Transistor and its derivatives, which make use of the Coulomb blockade effect occurring in structures with small feature sizes. In order to make these devices work at room temperature, structures with dimensions between 5 and 2 nm has to be created and has to be coupled with tunnel barriers having even smaller dimensions. Hitherto no lithographic and structuring methods are known to solve this 'tiny' problem.
In this work an approach for creating such small structures by utilizing the self-organization of platinum clusters during thin film growth of platinum on oxides is presented. By appropriate deposition parameters we can grow 2-dimensional arrays of Pt-clusters on both thin Al2O3- and SiO2-films. The Pt-clusters are 2-4 nm in diameter and separated from each other by about 1 nm.
Electron transport through individual Pt-clusters has been studied with an UHV-STM in-situ after their preparation in a UHV-deposition chamber. Together with the STM-tip and the 1-2 nm thick Al2O3-film on top of a conductive Au-substrate, the Pt-cluster establishes a double -tunnel-junction arrangement showing Coulomb blockade at room temperature with offset voltages between 0.3 � 1 Volt.
In addition, electron transport through 2-dimensional arrays of Pt-clusters has been studied, which have been deposited between two nanostructured contact Au-electrodes on top of a 100 nm thick SiO2-gateoxide. The electrodes have been made by e-beam lithography and lift-off technique and the distance between them was varied from 20 to 120 nm. Electron transport measurements in these arrays also revealed Coulomb blockade at room temperature with offset voltages ranging between 0.2 to 1 Volt. By capacitively coupling a 'gate'-voltage by a third electrode to the array, the current flowing through the array could be changed, which is attributed to a field effect where current oscillations are superimposed.

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