Ученые из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) в сотрудничестве с японскими и китайскими коллегами создали сверхчувствительный преобразователь механических колебаний в электрические. В качестве детектора малых амплитуд наномеханического резонатора ученые использовали одноэлектронный транзистор. Созданное на его основе и уже работающее устройство – квантовая система, имеющая механическую степень свободы – представляет собой принципиально новый класс приборов.

Сконструировано работающее устройство, преобразующее механические колебания наноразмерной системы в электрические. Над созданием прибора вместе с российскими специалистами работали сотрудники лаборатории наноэлектроники корпорации NEC (Япония), Института передовых технологий РИКЕН (Япония), Института микроэлектроники Университета Цинхуа (Китай).

Преобразователем колебаний в электрический сигнал послужил одноэлектронный транзистор. Этот прибор способен чувствовать самые малые изменения электрического заряда на нем – вплоть до элементарного заряда электрона.

Одноэлектронный транзистор состоит из островка, на который попадает электрон, и соединенных с островком туннельными переходами двух контактов. Один из них – исток, с которого на островок может переходить единичный электрон, другой – сток, через него электрон уходит. Устройство снабжено так называемым боковым затвором – источником напряжения, запирающим или открывающим электрону переходы исток-остров-сток. Вся конструкция выполнена на подложке из полупроводника, чаще всего кремния. При низких температурах его можно считать изолятором. Для регистрации отдельного электрона необходимо сделать островок достаточно маленьким (с малой емкостью), чтобы энергия, необходимая для перехода электрона на островок, была больше температуры системы.

В обычном одноэлектронном транзисторе эта конструкция лежит на полупроводниковой подложке и механической степенью свободы не обладает. Исследователи модифицировали способ изготовления устройства и смогли подвесить остров, буквально превратив его в мостик, опирающийся только на контакты (исток и сток), лежащие на полупроводниковой подложке. Типичная длина мостика составляет 500 нм, ширина и толщина – от 30 до 40 нм.

Для создания подобных конструкций применяется технология трехмерной литографии. Разработано несколько способов, позволяющих варьировать размеры и конфигурацию устройства, а, следовательно, и его свойства. Например, изменяя площадь контактов можно варьировать туннельные характеристики перехода. Методом вакуумного напыления алюминия формируется мостик (или же островок, материал под которым затем «выбирается»). В результате окисления кислородом он покрывается тончайшей оксидной пленкой. Исток и сток напыляются на эту пленку. Такой контакт обеспечивает слабую связь и создает условия туннельного перехода. Но «подвешиванием» мостика изменение в конструкции одноэлектронного транзистора не ограничивается.

Говорит один из разработчиков устройства, научный сотрудник ФИАНа кандидат физ.-мат. наук Дмитрий Князев:

Мы модифицировали метод изготовления прибора, сделав существенное дополнение: кроме обычного бокового затвора, расположенного в одном слое с транзистором, используется еще один, нижний затвор, помещенный под мостик и отделенный от него вакуумным зазором. Такая конфигурация в несколько раз увеличивает емкость связи, повышая чувствительность транзистора к механическим смещениям".

Теперь это устройство можно использовать в качестве детектора механических колебаний.

Оригинальность идеи состоит в том, что наномеханическим резонатором, колебания которого детектирует одноэлектронный транзистор, стал служить структурный элемент самого транзистора.

Подвешенный островок одноэлектронного транзистора, ставший мостиком, обладает механической степенью свободы, имеет собственную частоту колебаний и служит «струной» или «камертоном» резонатора. То есть прибор этот – одновременно и резонатор, и преобразователь механических колебаний в электрические.

Нижний затвор и мостик фактически представляют собой две обкладки конденсатора. Если приложить напряжение, возникнет притяжение или отталкивание, мостик будет прогнут или выгнут. За счет изменения геометрии и расстояний между обкладками меняется и емкость системы. Приложенное к нижнему затвору переменное напряжение заставит систему колебаться и вызовет изменение наведенного электрического заряда на мостике. А это – полезный сигнал, связанный с механическими колебаниями. Таким образом, подача переменного напряжения на нижний затвор дает возможность определять резонансную частоту.

Так как заряд на мостике меняется, изменяется и ток, текущий через одноэлектронный транзистор. Резонанс определяется по характеру зависимости измеряемого тока от частоты переменного сигнала. «Мы измеряем ток в зависимости от напряжения на боковом затворе и параллельно прикладываем переменное напряжение к нижнему. И медленно изменяем частоту. Система всегда колеблется, но колеблется на разной частоте. Вдали от резонанса мы видим просто отклик системы на вынуждающую колебательную силу. А когда частота вынужденных колебаний подходит к резонансу, на зависимости тока от частоты возникает характерная особенность», – говорит Дмитрий Князев. В этом случае даже самое слабое воздействие на систему будет заметно. Если масса мостика изменится, например, при попадании на него одной молекулы, – резонансная частота тоже резко изменится.

Разработка открывает абсолютно новый класс приборов, возможности которых могут быть использованы как в фундаментальных исследованиях, так и в области нанотехнологий. Устройство применимо в экспериментах, связанных с квантовыми измерениями, в электрометрии, метрологии. Сверхчувствительный масс-детектор, детектор отдельных молекул – уже работающий прибор.

Комментирует заведующий отделом Высокотемпературной сверхпроводимости и наноструктур ФИАН доктор физ.-мат. наук Владимир Пудалов:

Есть так называемые нулевые колебания. Они присущи каждой квантовой частице. При нулевой температуре у нее есть ненулевая энергия, это известный эффект. Обычно нулевые колебания наблюдают на ансамбле из огромного числа частиц – макрообъект, мезообъект. Интересно увидеть их на одной частице… Возможно, шаг к этому сделан. Ведь прибор, сам камертон, представляет собой квантовую систему, в которой существуют нулевые колебания. Конечно, это новый класс устройств, обладающих совершенно специфическими свойствами. Это начало целой большой области в технике сверхмалых измерений и изучении квантовых эффектов".

Статья представлена Филипповым Ю.П. по материалам: