ОТЗЫВ официального оппонента на диссертационную работу

ОТЗЫВ
официального оппонента на диссертационную работу Герасимова
Ярослава Сергеевича «Теоретическое исследование электронного
транспорта
в
молекулярном
одноэлектронном
транзисторе»,
представленную на соискание учёной степени кандидата физикоматематических наук по специальностям 01.04.04 – физическая
электроника и 01.04.07 – физика конденсированного состояния.
Диссертационная работа Я.С. Герасимова посвящена теоретическому
исследованию транспортных характеристик одноэлектронных нанотранзисторов
на основе эффекта коррелированного туннелирования электронов между
электродами и квантовой точкой (молекулой или наночастицей) с размером менее
5 нм, отделенной от электродов диэлектрической прослойкой толщиной 1–2 нм.
По прогнозам развития современной электроники (International Technology
Roadmap for Semiconductors, ITRS) к 2020 году планируется производство
интегральных схем по технологии менее 10 нм. Это означает, что после этой даты
необходимо использовать новые материалы и новые идеи для создания приборов с
размерами в единицы нанометров, т.е. фактически приблизиться к молекулярным
масштабам. Одноэлектронные транзисторы с «каналом» в виде молекул или
кластеров находятся в ряду наиболее перспективных. При разработке
одноэлектронных элементов неизбежно возникает задача подбора оптимальных
нано-объектов, являющихся их составной частью. Поэтому крайне актуальным
представляется исследование энергетических параметров нано-объектов и
изучение влияния дискретной структуры их энергетических спектров на вольтамперные характеристики одноэлектронного транзистора, предпринятое автором в
диссертационной работе.
Диссертация состоит из четырех глав и библиографии, включающей 150
наименований. Общий объем диссертации 172 страницы, включая 8 таблиц и
51 рисунок.
В первой главе автором кратко рассмотрено современное состояние
исследований в электронике в целом, актуальность перехода к молекулярной
электронике.
Обсуждаются
последние
результаты
по
исследованию
молекулярных одноэлектронных устройств, приведен обзор основных типов
молекулярных одноэлектронных транзисторов. В завершении первой главы автор
обосновывает необходимость изучения туннельного транспорта электронов в
наноструктурах молекулярного масштаба с учетом одноэлектронных эффектов и
эффектов квантования энергетического спектра электронов.
Вторая глава посвящена проблеме сопряжения молекулярных квантовых
элементов с классическими
металлическими
и полупроводниковыми
устройствами. Автором предложена методика определения эффективной
взаимной электрической емкости для объектов наномасштаба, основанная на
квантово-механическом расчете энергии их взаимодействия в приближении
слабой связи в зависимости от их зарядов и расстояния между ними. Приведены
результаты расчета взаимной емкости на основе предложенной методики для пар
одинаковых молекул карборана C2B10H12, фуллерена C60 и платинового
молекулярного кластера.
В третьей главе диссертационной работы исследованы закономерности и
особенности спектров основных и возбужденных по спиновому числу
энергетических состояний молекул при изменении их полного электрического
заряда. Автором рассчитаны одночастичные электронные спектры молекул и
найдены те уровни в области энергетической
щели, которые определяют
особенности
электронного
транспорта
через
молекулу
в
составе
одноэлектронного транзистора. На основе рассчитанных энергетических спектров
с помощью численного моделирования получены диаграммы стабильности
туннельного тока для одноэлектронного транзистора на базе молекул карборана
C2B10H12 и фуллерена C60.
Четвертая глава посвящена изучению одноэлектронных и
физикохимических свойств конкретного типа нано-объектов – золотых наночастиц,
окруженных лигандной оболочкой из органических молекул алкантиолов.
Автором произведен квантово-механический расчет энергетических параметров
золотых наночастиц с количеством атомов от 1 до 33, а также зависимость этих
параметров от размера частиц. Теоретически исследовано влияние лигандов на
энергетические и емкостные свойства золотых наночастиц. На основе сделанных
расчетов и оценок автором сформулирована параметрическая модель определения
значений полной энергии золотых наночастиц любых размеров, в том числе,
для которых полномасштабный квантовый расчет (в контексте моделирования
одноэлекронного транспорта) представляется мало возможным. В последнем
разделе главы представлены результаты моделирования транспортных
характеристик одноэлектронного молекулярного транзистора на основе золотых
наночастиц. Проанализирован вклад возбужденных энергетических состояний в
формирование туннельного тока через золотую частицу. В конце проведено
сравнение расчетной диаграммы стабильности туннельного тока с
экспериментально измеренной для одноэлектронного транзистора на основе
золотой частицы с лигандами-тиолами общим размером 5.2 нм.
В Заключении работы приведены основные результаты диссертации.
Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением с
экспериментальными данными, а также тем, что асимптотики квантовомеханически рассчитанных параметров переходят в классические зависимости при
росте размеров нанообъектов.
Основные результаты диссертационной работы Я.С. Герасимова являются
новыми и научно обоснованными, опубликованы в 7 печатных и электронных
работах, из них 2 статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК, 2 статьи,
включенные в систему цитирования Web Of Knowledge, и 3 тезисов докладов
международных конференций. Автореферат полностью отражает содержание
диссертации.
Замечания по содержанию диссертации:
1) Не было изучено влияние ориентации нанообъекта относительно электродов в
нанозазоре на вид транспортных характеристик одноэлектронного транзистора в
том случае, если форма нанообъекта существенно отличается от сферической.
2) При расчете туннельного транспорта в одноэлектронной системе не был изучен
вопрос зависимости темпов туннелирования от энергии электронного уровня в
спектре нанообъекта.
3) При описании электронного транспорта не учитывается влияние подложки и
внешних электрических полей, а также туннельные процессы более высокого
порядка.
Приведенные выше замечания не влияют на общую положительную оценку
диссертации.
Диссертация представляет собой добротное и законченное научное
исследование, обладает внутренним единством и отвечает критериям
Положения ВАК о порядке присуждения учёных степеней, а ее автор,
Герасимов Ярослав Сергеевич, несомненно, заслуживает присуждения ему
учёной степени кандидата физико-математических наук по специальностям
01.04.04 – физическая электроника и 01.04.07 – физика конденсированного
состояния.
Официальный оппонент:
Заместитель директора ФТИАН РАН
по научной работе,
д.ф.-м.н., член-корр. РАН
В.Ф. Лукичев
Подпись В.Ф. Лукичева удостоверяю.
Ученый секретарь ФТИАН РАН,
к.т.н.
В.А. Кальнов