Основные направления и достижения научной группы наноэлектроники

Руководитель направления к.ф.-м.н. Преснов Д.Е.

Междисциплинарные научные исследования по разработке и созданию наноразмерных биосенсоров на основе полевых транзисторов с каналом-нанопроводом уже несколько лет ведутся в лаборатории «Криоэлектроника» совместно с кафедрой химической энзимологии химического факультета МГУ. Новая оригинальная модификация структуры полевого транзистора

—

формирование его канала в виде нанопровода — создает уникальные возможности для обнаружения наноразмерных объектов, приближающихся к поверхности нанопровода или присоединяющихся к ней, например, сверхнизких концентраций ДНК, вирусов, белков.

Изготавливаемые для биосенсоров полевые транзисторы формируются в верхнем слое кристаллического кремния пластины кремния на изоляторе (КНИ) и состоят из кремниевого канала в виде тонкой (< 100 нм) проволоки

—

нанопровода, соединенного с транспортными электродами стока и истока, и управляющих затворов, роль которых выполняет положка пластины КНИ и погруженный в раствор AgCl электрод (рис. 1).

Рис. 1. Схематичное изображения полевого транзистора с каналом-нанопроводом и жидкостной измерительной ячейки

В реальных сенсорах (рис. 2) к поверхности нанопровода «пришиваются» специальные биомолекулы, которые могут селективно связываться с детектируемыми молекулами, что приводит к изменению напряженности электрического поля в точках связывания и, как результат, к изменению проводимости нанопровода.

Рис. 2. Фотографии биосенсорной системы на основе полевого транзистора с каналом-нанопроводом и его чувствительного элемента — кремниевого нанопровода

Чувствительность подобных сенсоров экстремально высока и достигает уровня аттомолей (10^-18 м), а в отдельных случаях позволяет добиться детектирования одиночных молекул или частиц.

В научной группе разработана оригинальная конструкция биосенсора, позволяющая существенно увеличить его чувствительность. Поверхность нанопровода сначала модифицировалась золотыми наночастицами диаметром 3-5 нм (рис. 3), а затем к поверхности наночастиц «пришивались» специальные биомолекулы.

Рис. 3. а — кремниевый нанопровод, модифицированный Au наночастицами; б — отклик биосенсора на внешнее воздействие тиреотропный гормоном — ТТГ

Руководитель направления к.ф.-м.н. Трифонов А.С.

В ряде случаев создание и изучение наноразмерных систем требуют проведения высокочувствительного, бездеструктивного анализа профилей потенциалов поверхностей микро- и нанообъектов с нанометровым пространственным разрешением.

Для решения этой задачи было предложено также использовать полевой транзистор с каналом-нанопроводом. В новом устройстве локального полевого сенсора предполагалось расположить такой транзистор на оконечности зонда, который с помощью системы позиционирования приближался бы к исследуемому объекту.

В научной группе был разработан и запатентован оригинальный метод, позволяющий расположить наноразмерную структуру в непосредственной близости от оконечности зонда (от 0 до 50 нм). Такой структурой в нашей работе был полевой транзистор с измененной геометрией канала-нанопровода (рис. 4). Полевой зонд на его основе встраивался в измерительную систему сканирующего атомно-силового микроскопа (рис. 5а), с помощью которого была продемонстрирована картина профиля потенциала модельных образцов (рис. 5б) с нанометровым пространственным разрешением (~ 20 нм).

Рис. 4. а — Транзистор с каналом-нанопроводом на оконечности зонда; б — зонд, встроенный в измерительную систему сканирующего микроскопа

Рис. 5. а — и схема сканирования поверхности в сканирующем микроскопе; б — профиль потенциала модельного образца

И.В. Божьев, А.С. Трифонов, Д.Е. Преснов, С.А. Дагесян, А.А. Дорофеев, И.И. Циняйкин, and В.А. Крупенин. Метод восстановления потенциального профиля поверхностей, покрытых диэлектрическим слоем. Вестник Московского университета. Серия 3: Физика, астрономия, 1:42–47, 2020.

A.S. Trifonov, D.E. Presnov, I.V. Bozhev, D.A. Evplov, V. Desmaris, and

V.A. Krupenin. Non-contact scanning probe technique for electric field measurements based on nanowire field-effect transistor. Ultramicroscopy, 179:33–40, 2017.

Руководитель направления к.ф.-м.н. Божьев И.В., м.н.с. Дорофеев А.А.

Наноэлектромеханические системы (НЭМС) представляют собой устройства, в которых механические колебания подвижного элемента, один или несколько характерных размеров которого составляют 100 нм и менее, преобразуются в электрический сигнал. Основными направлениями фундаментального и прикладного изучения НЭМС является исследование сенсорных свойств таких систем и применение этих свойств для детектирования различных физических величин, таких как масса, смещение, сила, с высокой чувствительностью: среди рекордов можно отметить чувствительность по массе (1,3*10^-25 кг Гц^-1/2) и силе (12*10^-21 Н Гц^-1/2).

С помощью НЭМС возможно проведение измерений ниже стандартного квантового предела. Также НЭМС применялись и в области квантовых коммуникационных технологий в качестве элементов квантовой памяти.

В состав наноэлектромеханической системы входит множество элементов, среди которых основными являются следующие:

• подводящие электроды системы;
  
  
• наномеханический резонатор — элемент, на котором происходит первичное преобразование информации о воздействии в электрический сигнал;
  
  
• считывающее устройство, измеряющее отклик НЭМС на внешнее воздействие. По своему виду наномеханический резонатор представляет собой подве-
  
  

шенный электропроводящий нанопровод (рис. 6), механические колебания которого возбуждаются магнитодвижущим методом: нанопровод раскачивается в магнитном поле при пропускании через него переменного тока.

Рис. 6. а — схематический вид нанопровода, закрепленного с двух сторон; б — изготовленные НЭМС различной длинны; в — резонансный оклик НЭМС

По величине сдвига резонансной частоты нанопровода в дальнейшем и определяется значение исследуемого параметра системы: будь то масса частиц или сила, действующая на нанопровод.

Недавно сотрудниками лаборатории «Криоэлектроника», совместно с коллегами из Ланкастерского университета, было проведено пионерское исследование, вызвавшее широкий резонанс в научной среде, по детектированию единичных квантовых вихрей в сверхтекучем гелии-4 с помощью сенсора на основе НЭМС, (рис. 7).

Это исследование позволило

Рис. 7. Отклик наномеханического

выявить важные особенности про-_{резонатора при взаимодействии ^{цесса взаимодействия квантового} квантового вихря в гелии-4 с нанопроводом вихря с нанопроводом: свободное при T = 10 мК состояние, момент захвата вихря нанопроводом, их взаимодействие и освобождение вихря.}

A. Guthrie, S. Kafanov, M. T. Noble, Yu A. Pashkin, G.R. Pickett, V. Tsepelin,

A.A. Dorofeev, V.A. Krupenin, and D.E. Presnov. Nanoscale real-time detection of quantum vortices at millikelvin temperatures. Nature communications, 12(1):2645, 2021.

Д.Е. Преснов, С.Г. Кафанов, А.А. Дорофеев, И.В. Божьев, А.С. Трифонов, Ю.А. Пашкин, and В.А. Крупенин. Механический резонанс в кремниевом нанопроводе с высокой добротностью. Письма в ЖЭТФ, 108(7):522–528, 2018.

Руководители направления д.ф.-м.н. Крупенин, к.ф.-м.н. Шорохов В.В.

В связи появившимися технологическими возможностями около 10 лет назад начались разработки и исследования одноатомных наноструктур, в которых в качестве активных структурных элементов использовались единичные примесные атомы в твердотельной матрице.

Примесные атомы отделены от электродов и друг от друга туннельными барьерами малой прозрачности (R >> R_кв. ~ 26 кОм), а транспортный ток в таких структурах имеет одноэлектронную природу, т.е. электроны перемещаются через примесные атомы строго один за другим. Простейшей реализацией одноатомной структуры является одноатомный транзистор, в котором примесный атом расположен между транспортными электродами, а ток через него регулируется электростатическим затвором (рис.8). На сегодняшний день большинство одноатомных структур имеют низкую рабочую температуру (~ 4 К) из-за использования стандартных легирующих примесей (P, As, B) и твердотельных матриц (Si), в которых эффективный размер зарядового центра, образованного примесным атомом, достаточно велик (5-7 нм).

В основном именно его размеры определяют характерную зарядовую энергию одноатомных структур и, соответственно, его рабочую температуру.

Для повышения рабочей температуры необходимо использовать глубоко-залегающие примесные атомы с величинами энергий E > 200 меВ. Эта работа уже начата в лаборатории и на основе примесных атомов калия в кремнии продемонстрирована одноатомная структура с комнатной рабочей температурой (рис. 9).

Рис. 8. Одноатомные транзисторы, изготовленные в лаборатории «Криоэлектроника»: а — на основе атомов мышьяка; б — на основе атомов фосфора. T = 4K

Измерения изготовленных образцов (внс Крупенин В.А. и снс Дагесян С.А.)

Рис. 9. Одноатомная структура с комнатной рабочей температурой на основе атомов калия и ее вольтамперная характеристика

Важной частью работы являются теоретическое исследование и моделирование характеристик одноатомных структур, которые ведутся под руководством к.ф.-м.н. Шорохова В.В. Разработанные методы позволяют моделировать поведение и рассчитывать транспортные характеристики достаточно сложных одноэлектронных устройств (рис. 10).

Перспективы будущего применения одноатомных структур крайне широки. Это область квантовых вычислений, где на их основе формируются кубиты и считывающие устройства, это область квантовых сенсоров, где возможно создание на их основе уникальных диагностических и сенсорных устройств для медицины и различных областей науки и Рис. 10. Диаграмма стабильности модели _{техники. Это также возможность} одноэлектронного транзистора на основе _{создавать наноразмерные одно-}

^{двух примесных атомов электронные резервуарные сети, в которых помимо классического машинного обучения могут быть реализованы алгоритмы квантового машинного обучения. Развитие одноэлектронных резервуарных сетей в перспективе позволяет перейти к новому типу классических и квантовых сенсоров со встроенной предобработкой поступающих сигналов. Также на основе одноэлектронных резервуарных сетей в перспективе могут быть реализованы зарядовые классические и квантовые клеточные автоматы для реализации вычислительных устройств на новых физических принципах.}

S.A. Dagesyan, V.V. Shorokhov, D.E. Presnov, E.S. Soldatov, A.S. Trifonov, and V.A. Krupenin. Sequential reduction of the silicon single-electron transistor structure to atomic scale. Nanotechnology, 28:225304, 2017.

V.V. Shorokhov, D.E. Presnov, S.V. Amitonov, Yu A. Pashkin, and V.A. Krupenin. Single-electron tunneling through an individual arsenic dopant in silicon. Nanoscale, 9:613–620, 2017.

Крупенин В.А., Преснов Д.Е., Трифонов А.С., Шорохов В.В.