ИСТИНА

Одноэлектронные эффекты, которые планируется исследовать в проекте, основаны на явлении Кулоновской блокады, которое заключается в заметном изменении проводимости и других параметров электронной системы, содержащей наноразмерный объект, при изменении его заряда на счетное (вплоть до одного) число электронов. Наряду с фундаментальным интересом, который связан с квантовой природой этого явления, оно представляет также и значительный практический интерес в связи с возможностью создания одноэлектронных систем для высокочувствительных зарядовых сенсоров, сверхбыстрых аналого-цифровых преобразователей, логических элементов интегральных микросхем и других устройств микро- и наноэлектроники. Ранее теоретически было показано, что одноэлектронные эффекты могут наблюдаться не только в твердотельных устройствах, но также и в вакуумных системах, основанных на явлении полевой эмиссии электронов из наноразмерных гетероструктур. Однако до настоящего времени не было получено прямых экспериментальных подтверждений наличия одноэлектронных эффектов при полевой эмиссии, что связано с рядом технических трудностей, как в изготовлении таких наноразмерных гетероструктур, так и в методике регистрации указанных эффектов. Недавно в группе заявителей по данному проекту была обнаружена возможность формирования эмитирующего наноуглеродного кластера на окончании алмазного кристаллита иглоподобной формы непосредственно в процессе полевой эмиссии. При этом результаты по измерению спектров энергии эмитированных электронов однозначным образом свидетельствуют о наличии одноэлектронных эффектов в такой углеродной гетероструктуре. Эти предварительные результаты продемонстрировали принципиальную возможность экспериментальной реализации Кулоновской блокады в полевой эмиссии электронов. В предлагаемом проекте планируется проведение систематических исследований, направленных как на разработку методик по контролируемому созданию наноразмерных гетероструктур на основе различных материалов, так и на изучение фундаментальных особенностей одноэлектронных эффектов при полевой эмиссии из них. В проекте будут использованы современные методики синтеза наноматериалов, формирования наноразмерных гетероструктур и характеризации их структурных и электронных свойств, а также передовые методы исследования полевой эмиссии электронов. Актуальность данных исследований определяется высоким интересом научного сообщества к явлению Кулоновской блокады в новых системах. Исследуемые в проекте полевые эмиссионные структуры являются принципиально новыми, и представляют значительный интерес, как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения. Фундаментальный интерес обусловлен сочетанием явлений Кулоновской блокады и полевой эмиссии в единой системе, которое приводит к новым физическим эффектам и уникальным характеристикам создаваемых электронных пучков. Практический интерес связан с возможностью создания одноэлектронных вакуумных устройств нового типа, которые обладают рядом важных особенностей, отличающих их от существующих аналогов. Таким образом, реализация проекта позволит определить основные характеристики и механизмы одноэлектронных процессов в системах с полевыми эмиттерами и выявить возможности их практического применения в устройствах микроэлектроники.

Single-electron effects are based on the Coulomb blockade phenomenon, which consists in a noticeable change in conductivity and other parameters of the electronic system containing a nano-sized object, when its charge changes to a small (up to one) number of electrons. Along with the fundamental interest associated with the quantum nature of this phenomenon, it is also of considerable practical interest, because of the possibility of creating single-electron systems for highly sensitive charge sensors, ultrafast analog-to-digital converters, logic elements of integrated circuits and other micro and nanoelectronics devices. Previously, it was theoretically shown that single-electron effects can be observed not only in solid-state devices, but also in vacuum systems based on the phenomenon of field emission of electrons from nanoscale heterostructures. However, to date, no direct experimental evidence has been obtained for the presence of single-electron effects during field emission, because there are several technical difficulties, both in the fabrication of such nanoscale heterostructures and in the method of detection of these effects. Recently, a group of applicants for this project discovered the possibility of forming an emitting nanocarbon cluster at the end of a needle-like diamond crystallite during field electron emission. The results of measuring the energy spectra of the emitted electrons unambiguously indicate the presence of single-electron effects in such a carbon heterostructure. These preliminary results demonstrated the fundamental possibility of experimentally implementing the Coulomb blockade in the field emission of electrons. In the proposed project, it is planned to conduct systematic studies aimed at both developing methods for the controlled creation of nanoscale heterostructures based on various materials, and at studying the fundamental features of single-electron effects during field emission from them. The project will use state of the art techniques for the synthesis of nanomaterials, the formation of nanoscale heterostructures and the characterization of their structural and electronic properties, as well as advanced methods for studying field emission of electrons. The relevance of these studies is determined by the high interest of the scientific community to the phenomenon of the Coulomb blockade in new systems. The field emission structures investigated in the project are new and are of considerable interest, both from a fundamental and from an applied point of view. Fundamental interest is due to a combination of the Coulomb blockade and field emission in a single system, which leads to new physical effects and unique characteristics of the generated electron beams. Practical interest is connected with the possibility of creating single-electron vacuum devices of a new type, which have a number of important features that distinguish them from existing analogues. Thus, the project implementation will allow to determine the main characteristics and mechanisms of single-electron processes in systems with field emitters and to identify the possibilities of their practical application in microelectronics devices.