Кулоновская блокада туннелирования. Условие наблюдения одноэлектронных эффектов при комнатных температурах.

кулоновская блокада — это явление отсутствия тока при приложении напряжения к туннельному переходу из-за невозможности туннелирования электронов вследствие их кулоновского отталкивания. Напряжение, которое необходимо приложить к переходу для преодоления кулоновской блокады иногда называют также напряжением отсечки. В дальнейшем мы будем придерживаться термина «напряжение кулоновской блокады» и обозначения

Рассмотрим процесс протекания тока через одиночный туннельный переход. Так как ток является величиной непрерывной, то заряд на одной стороне перехода накапливается постепенно. При достижении величины е/2 происходит туннелирование одного электрона через переход и процесс повторяется.

Кулоновская блокада туннелирования – прошедший через туннельный переход электрон своим полем отталкивает следующий электрон, если кулоновское поле больше кинетичекой энергии электрона.

Малая емкость

< Эквивалентная схема туннельного перехода

 

Мемристор.

 

Мемристор – четвертый основной элемент электронных цепей, величина «мемсопротивление» - , определяется как скорость изменения потока зарядов, зависящая от величины заряда. Мемристор разработан таким образом, что его электрическое сопротивление зависит от количества заряда, уже прошедшего через прибор. Принцип работы мемристора основан на том, что его внутренняя структура меняется под воздействием текущего тока. Таким образом мемристор представляет собой резистор с памятью (отсюда и произошло его название.

, V=M(q)I, V=RI, M=M(q)=R,

Работающий прототип мемристора создан из пленки диоксида титана толщиной в 5 нм, расположенной между платиновыми электродами. Пленка поделена на две части – ее нижний слой представляет собой высокочистый оксид титана, отличающийся высоким значением сопротивления, верхний слой – диоксид титана, заряженный положительно за счет замены ряда атомов кислорода «дырками».

Приложение положительного заряда к верхнему платиновому электроду приводит к тому, что ряд положительно заряженных дырок перемещается в нижний слой. Такое изменение внутренней структуры пленки способствует течению тока через проводник. Дырки могут быть оттянуты назад, во внешний слой, что блокирует ток, хотя при этом и не происходит точного повторения пути, благодаря которому ток пошел через мемристор. Таким образом, сила тока, проходящего через мемристор, зависит от напряжения, приложенного к нему в прошлом.

 

Графен, нанотрубки, фуллерены (основные типы).

Щука, стр 98

Графит является веществом, которое встречается в природе. Это одна из модификаций углерода, которая характеризуется определенной кристаллической решеткой. Это обуславливает свойства, которыми обладает графит. В природе углерод встречается в двух основных видах. Это графит и алмаз. Их химическая формула идентична, но физические свойства радикально отличаются. Графит представляет собой серое вещество с металлическим блеском. Оно обладает высокой теплопроводностью (3,55 Вт/град./см). Благодаря этому графит активно применяют в различных сферах промышленности. Этот показатель выше, чем у кирпича, что объясняется наличием подвижных электронов в кристаллической решетке. Они также содействуют хорошей электропроводимости. Во всех агрегатных состояниях это вещество характеризуется низким сопротивлением току (от 0,4 до 0,6 Ом)

Графе́н — двумерная аллотропная(существование двух и более простых веществ одного и того же химического элемента, различных по строению и свойствам) модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, находящихся в sp²-гибридизации(угол120) и соединённых посредством σ- и π-связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку.

Графен можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла.

Фуллерены - Атомы углерода, испарившиеся с разогретой поверхности графита, соединяясь друг с другом, могут образовывать не только нанотрубки, но и другие молекулы, представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, например, в виде сферы или эллипсоида. В этих молекулах атомы углерода расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников, из которых составлена поверхность сферы или эллипсоида.

Молекулы самого симметричного и наиболее изученного фуллерена, состоящего из 60 атомов углерода (C60), образуют многогранник, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников и напоминающий футбольный мяч. Диаметр фуллерена C60, составляет около 1 нм.

Углеродные нанотрубки – это каркасные структуры или гигантские молекулы, состоящие только из атомов углерода. Углеродную нанотрубку легко себе представить, если вообразить, что вы сворачиваете в трубку один из молекулярных слоёв графита – графен.

Способ сворачивания нанотрубок – угол между направлением оси нанотрубки по отношению к осям симметрии графена (угол закручивания) – во многом определяет её свойства. Нанотрубки образуются сами, например, на поверхности угольных электродов при дуговом разряде между ними. При разряде атомы углероды испаряются с поверхности и, соединяясь между собой, образуют нанотрубки самого различного вида – однослойные, многослойные и с разными углами закручивания (рис. 24).

Диаметр однослойных нанотрубок, как правило, около 1 нм, а их длина в тысячи раз больше, составляя около 40 мкм. Они нарастают на катоде перпендикулярно плоской поверхности его торца. Происходит так называемая самосборка углеродных нанотрубок из атомов углерода. В зависимости от угла закручивания нанотрубки могут обладать высокой, как у металлов, проводимостью, а могут иметь свойства полупроводников.

Углеродные нанотрубки прочнее графита, хотя сделаны из таких же атомов углерода, потому, что в графите атомы углерода находятся в листах. А каждому известно, что свёрнутый в трубочку лист бумаги гораздо труднее согнуть и разорвать, чем обычный лист. Поэтому-то углеродные нанотрубки такие прочные. Нанотрубки можно применять в качестве очень прочных микроскопических стержней и нитей, ведь модуль Юнга однослойной нанотрубки достигает величин порядка 1-5 ТПа, что на порядок больше, чем у стали! Поэтому нить, сделанная из нанотрубок, толщиной с человеческий волос способна удерживать груз в сотни килограмм.

Правда, в настоящее время максимальная длина нанотрубок обычно составляет около сотни микронов - что, конечно, слишком мало для повседневного использования.