Elektronsugár litográfia felbontásánál kisebb nanoáramkörök vizsgálata
Title in English
Nanocircuits beyond the resolution of electron beam lithography
Keywords in Hungarian
nanofizika, molekuláris elektronika
Keywords in English
nanophysics, molecular electronics
Discipline
Physics (Council of Physical Sciences)
100 %
Ortelius classification: Solid state physics
Panel
Physics 1
Department or equivalent
Department of Physics (Budapest University of Technology and Economics)
Participants
Bakos, István Balogh, Zoltán Csonka, Szabolcs Makk, Péter Mészáros, Gábor Pósa, László Tóvári, Endre
Starting date
2012-09-01
Closing date
2016-12-31
Funding (in million HUF)
26.886
FTE (full time equivalent)
14.35
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Az elektronikai eszközök építőkövei már napjainkban is a hagyományos elektronsugár vagy fotolitográfián alapuló előállítási módszerek felbontásának alsó mérethatárát súrolják. Ezen mérethatárnál kisebb szerkezetek kialakításánál a megszokott mérnöki tervezés helyett nagy részben az anyagok önszerveződő tulajdonságaira kell hagyatkozni. Mindezt jól szemlélteti a molekuláris elektronika néven fejlődő tudományterület, mely molekulák kémiai kölcsönhatásait kihasználva egyedi molekulákból felépített áramkörök kialakítását tűzte ki célul. Napjainkban a nanofizikai kutatások jelentős kihívásai közé tartozik az atomi méretskálájú szerkezetek létrehozása és viselkedésük megértése, melynek végső célja pár atomból vagy egyedi molekulákból álló eszközök (tranzisztorok, memóriaelemek, szenzorok) fejlesztése.
A projekt keretében a nanolitográfia felbontásánál kisebb nanoszerkezetek létrehozására alkalmas módszereket fejlesztünk, illetve ezen szerkezetek önszerveződő viselkedését és vezetési tulajdonságait tanulmányozzuk részletes kísérleti vizsgálatokkal. A projekt egyik fontos célja a kontaktálásra használt anyagok körének bővítése. A széleskörben használt, de számos problémát felvető arany elektródákon alapuló molekuláris vezetékek helyett reaktív fémek és grafén elektródák bevezetésével, illetve ionos vezetőkön alapuló atomi méretű rezisztív kapcsolók fejlesztésével kívánunk az alkalmazások szempontjából perspektivikus atomi méretű nanoszerkezeteket létrehozni. A kísérleteket mechanikusan kontrolálható illetve STM törőkontaktus technika mellett elektronsugár litográfiával előkészített, majd további módszerekkel atomi méretskálára vékonyított nanoszerkezeteken végezzük.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A projekt azt a kérdést vizsgálja, hogy hogyan lehet nanoáramköröket - pl. egyedi molekulákból felépülő vezetékeket, vagy pár atomból kialakított rezisztív kapcsolókat - a nanolitográfiánál kisebb méretskálán létrehozni a hagyományos, de számos problémát felvető arany elektródákat leváltó újszerű anyagok (reaktív fémek, grafén) segítségével.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! Az atomi méretskálán lejátszódó folyamatok részletes megértése és kontrolálása elengedhetetlen feltétele a molekuláris elektronikán vagy atomi szintű kapcsolási jelenségeken alapuló forradalmian új technológiák fejlesztésének. A kutatások során fejlesztett mérőrendszerek, újszerű méréstechnikák, illetve a grafén és reaktív fém elektródákkal kialakított atomi/molekuláris kontaktusokról ill. rezisztív kapcsolókról nyert ismeretek ezáltal az alkalmazott nanoelektronika területén folyó fejlesztésekhez járulnak hozzá.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. Az elektronikai eszközök építőkövei már napjainkban is a hagyományos gyártási módszerek felbontásának alsó mérethatárát súrolják. Ezen mérethatárnál kisebb szerkezetek kialakításánál a megszokott mérnöki tervezés helyett nagy részben az anyagok önszerveződő tulajdonságaira kell hagyatkozni. Mindezt jól szemlélteti a molekuláris elektronika néven fejlődő tudományterület, mely molekulák kémiai kölcsönhatásait kihasználva egyedi molekulákból felépített áramkörök kialakítását tűzte ki célul. Napjainkban a nanofizikai kutatások jelentős kihívásai közé tartozik az atomi méretskálájú szerkezetek létrehozása és viselkedésük megértése, melynek végső célja pár atomból vagy egyedi molekulákból álló eszközök (tranzisztorok, memóriaelemek, szenzorok) fejlesztése. A projekt keretben olyan parányi nanoáramkörök előállításának a lehetőségét és viselkedését tanulmányozzuk, melyekben az áram pár atomon vagy egy egyedi molekulán keresztül folyik.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. The building blocks of electronic devices are already close to the ultimate size limit due to the finite resolution of electron-beam and photolithography. Beyond this border the fabrication of nanocircuits is less straightforward, and the available techniques strongly rely on the self-organization of matter. A demonstrative example is the highly emerging field of molecular electronics, where the chemical interaction of molecules with nanostructures is utilized to establish conducting single-molecule bridges between two metallic electrodes. Nowadays it is a fundamental challenge of nanoscience to understand and control the behavior of such atomic-scale structures, and finally to construct functional devices (transistors, memory elements or ultra-sensitive sensors) which are composed of single molecules or a few atoms.
This project will develop supporting technologies for the fabrication and characterization of nanoscale objects beyond the resolution of nanolithography. The main goal of the project is to explore potential application of non-conventional materials as contacting electrodes, such as the replacement of Au based single molecule structures by more reactive metallic electrodes; the fabrication of atomic-scale carbon nanostructures, and the development of novel ionic conductor based atomic-scale resistive switching devices. For these purposes nanostructures will be prepared both by mechanically controllable and STM break junction techniques, and by applying various methods to reduce the size of structures prefabricated by e-beam lithography.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. The project will explore the question, how nanocuircits - like single-molecule conductors and atomic-sized resistive switches - are established and characterized beyond the resolution of nanolithography, using propitious metarials as contacting electrodes, like graphene or reactive metals.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. The detailed understanding and experimental control of atomic-scale processes in matter is a fundamental requirement for the development of novel applied technologies based on molecular electronics and atomic-scale switching processes. Along the project novel devices and measurement techniques will be developed, and a comprehensive knowledge will be gathered about the construction of single-molecule wires and atomic-scale structures with graphene and reactive metal contacts or the behavior of resistive switching devices. All this will give important base knowledge to the advance of applied nanoelectronics.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. The building blocks of electronic devices are already close to the ultimate size limit due to the finite resolution of conventional nanolithography-based fabrication techniques. Beyond this border the fabrication of nanocircuits is less straightforward, and instead of conventional engineering methods the self-organization properties of matter should be exploited. A demonstrative example is the highly emerging field of molecular electronics, where the chemical interaction of molecules with nanostructures is utilized to establish conducting single-molecule bridges between two metallic electrodes. Nowadays it is a fundamental challenge of nanoscience to understand and control the behavior of such atomic-scale structures, and finally to construct functional devices (transistors, memory elements or ultra-sensitive sensors) which are composed of single molecules or a few atoms. This project will explore the possibilities of fabricating such tiny circuits, where the current is flowing along single molecules or a few atoms.
Final report
Results in Hungarian
A pályázat keretében olyan nanométeres skálájú elektronikai egységek fejlesztését tűztük ki célul, melyek mérete lényegesen kisebb a litográfiával elérhető skálánál. Ennek érdekében (i) egyedi molekulákat kontaktáltunk fém elektródákkal; (ii) grafén nanoréseket készítettünk; és (iii) közel atomi méretű memrisztorkontaktusokat fejlesztettünk és viszgáltunk. A projekt mindhárom területen eredményesnek mondható: (i) Részletesen vizsgáltuk fém atomi kontaktusok és CO molekulák kölcsönhatását; újszerű adatelemzési módszereket fejlesztettünk törőkontaktus-mérésekhez; struktúrális memóriaeffektusokat, és kapcsolási jelenségeket demonstráltunk Au-bipiridil-Au kontaktusokban. (ii) 1-3nm széles nanoréseket hoztunk létre CVD módszerrel növesztett grafén nanovezetékek kontrolált elektromos árammal történő égetésével, és grafén-SiOx-grafén nanorésekben rezisztív kapcsolási jelenségeket figyeltünk meg. (iii) Ag-Ag2S-PtIr memrisztorok kapcsolási dinamikáját, transzmissziós tulajdonságait, és lokális melegedését vizsgáltuk, illetve egy egyszerűsített elrendezésű, litográfiával készült memrisztor-chip működését demonstráltuk, melyben csupán Ag elektródákat használunk, és a rezisztív kapcsolás a geometriai aszimmetriából ered. Ezen mérések elvégzéséhez számos új mérőrendszert fejlesztettünk, többek között 6 STM és 2 MCBJ mintatartót. A kutatási eredményekről 13 publikáció jelent meg rangos nemzetközi folyóiratokban, illetve 1 PhD dolgozat, 3Msc és 1 BSc szakdolgozat, és 2 TDK munka készült.
Results in English
The project targeted the fabrication and characterization of nanoscale objects beyond the resolution of nanolithography, using three distinct platforms: (i) contacting single molecules by metal electrodes; (ii) fabricating graphene nanostructures; and (iii) developing atomic-scale memristors. Our experimental research was successful in all these three directions: (i) We have studied the interaction of CO molecules with metallic nanojunctions in detail; we have developed novel, advanced data analysis methods for break junction measurements; and we have observed structural memory effects and resisitve switching features in Au-bipyridine-Au break junctions. (ii) We have establidhed 1-3nm wide nanogaps by the controlled electroburning of CVD grown graphene nanoribbons, and demonstrated resisitive switching in graphene-SiOx-graphene nanogaps. (iii) We studied the switching dynamics, the transmission properties, and self-heating properties of Ag-Ag2S-PtIr memristors, and have demonstrated a proof of principle planar on-chip memristor device based on a highly simplified fabrication procedure with asymmetric all-Ag electrodes. To perform these measurements, several novel measurement setups were developed along the project including 6 new STM and 2 new MCBJ sample holders. These studies have resulted in 13 publications in prestigious international journals, 1 PhD thesis, 3 MSc theses, 1 BSc thesis and two theses for the Hungarian Scientific Students' Associations competition (TDK).
