Rozprawy doktorskie na temat „Coulomb blockade”

In this thesis we propose and implement the fabrication on 4 inch wafer of a novel type of nanobiosensor capable of high sensitivity detection. The principle of the nanobiosensor is based on the variation of electrical tunnelling conductivity through metal nanoislands due to the quantum phenomenon called “Coulomb blockade”. Nickel nanoislands (~5nm diameter), are placed between interdigitated nanoelectrodes devices (IND) (width~45nm). Hence, the conductivity of these Multiple-Tunnel-Junction (MTJ) devices is modified by the adsorption of biomarkers involved in tumourigenesis. Oncologists have recently isolated and characterised a new conformational single chain variable fragment (scFv) which selectively recognises the active form of RhoA. This potential biomarker has been found overexpressed in various tumours. Antibodies fragments (scFv) are adsorbed through coordinative bonds onto nickel nanoislands. Hence the scFv are capable of recognising specifically the active RhoA conformation. We have investigated this biomarker and validated the nickel nanoilands based chemical construction for label-free biodetection using a quartz crystal microbalance (QCM) before implementing the methodology to our devices. An innovative methodology to realise photoPDMS-based microchannels was also developed. Encapsulation with an etched PDMS-nanocomposite finalised the integration of the devices. The final electrical characterisation of the integrated device was tested in real time and continuous biological flow. The active form of RhoA was discriminated against its inactive conformation. In annexe, I present my epistemological and ethical opinions in nanotechnology
Dans cette thèse, nous proposons et démontrons un nouveau type de nanobiocapteur pour la détection de biomolécules à haute sensibilité et leur intégration à grande échelle (plaquette de 4 pouces). Le principe du nouveau nanobiocapteur électrique est basé sur la variation de conductivité électrique à travers des nano-îlots grâce au phénomène quantique appelé « blocage de Coulomb ». Les nano-îlots de nickel (~5nm de diamètre) sont placés entre les nano-électrodes interdigitées (IND) (~45nm de largeur). La conductivité de ces dispositifs à Jonctions Tunnel Multiples (MTJ) est modifiée par l’adsorption de biomarqueurs impliqués dans la tumorogènese. Les oncologues ont récemment isolé et caractérisé un nouveau fragment d’anticorps à chaîne simple (scFv) qui reconnaît sélectivement la forme active de RhoA. Ce biomarqueur potentiel a été trouvé surexprimé dans diverses tumeurs. Les fragments d’anticorps ont été adsorbés, par des liaisons de coordination, sur les nano-îlots de nickel. Ces fragments sont capables de reconnaître spécifiquement la forme active de RhoA. Nous avons étudié ce biomarqueur et validé la chimie de surface à base de nano-’îlots de nickel pour la détection sans marquage, en utilisant une microbalance à quartz (QCM). Puis, nous avons mis au point et adapté à notre dispositif une méthodologie innovatrice pour réaliser, à l’échelle d’une plaquette, des microcanaux basés sur du photoPDMS. La caractérisation électrique finale des dispositifs intégrés a été testée en temps réel et à flux biologique continu. La forme active de RhoA a été détectée en discriminant la forme inactive. En annexe, je présente mon opinion épistémologique et éthique sur la nanotechnologie

Mes travaux de thèse portent sur la fabrication et la caractérisation électrique et magnétique de jonctions tunnel à base de graphène. C’est autour de l’idée d’apporter une meilleur compréhension des mécanismes d’injection et de détection d’un courant de charge et de spin aux interfaces graphène/ferromagnétique que s’articule ce manuscrit. Après avoir démontré qu’il est possible de faire croître de manière épitaxiée une barrière tunnel de MgO sur graphène, nous avons étudié les mécanismes de transport dépendant en spin dans des jonctions verticales de Co/MgO/Gr/Ni. Nous avons mis en évidence l’interaction du graphène avec l’électrode de nickel à travers les inversions de signe de la magnétorésistance. Celles-ci peuvent être expliquées à l’aide d’un modèle de canaux de conduction assistés par phonons. Enfin du blocage de Coulomb reproductible a été mesuré dans des amas d’aluminium potentiellement mono disperses et auto assemblés sur graphène
My PhD thesis deals with the fabrication and the electric and magnetic characterizations of magnetic tunnel junctions based on graphene. The interaction of graphene with its close environment opens new possibilities for spintronics applications. The manuscript is focused on the improvement of the understanding of mechanisms involved in the injection and detection of a polarized spin current at the graphene/ferromagnetic interfaces. We show that it is possible to grow epitaxially MgO tunnel barrier on graphene. We study the spin transport mechanisms in vertical junctions of Co/MgO/Gr/Ni. The interaction of graphene with nickel electrode is probed through tunnel magnetoresistance inversions which can be explained by the activation of phonon assisted conduction channel. We also measure in vertical and lateral devices based on alumina barrier on graphene, reproducible Coulomb blockade processes linked to the presence of monodisperse aluminum clusters at the graphene edge

Cette thèse consiste en une étude de jonctions tunnels à Quantum Dot (QD) unique. Le second chapitre présentera une introduction aux concepts fondamentaux nécessaires à la description d’une telle jonction. Dans le troisième chapitre, je décrirais les méthodes de fabrications et de mesures. Dans le quatrième chapitre, je décrirais une étude par spectroscopie tunnel de QDs PbS. Trois signatures distinctes du couplage électron-phonon sont observées dans le spectre tunnel. Dans le régime de « remplissage de couches », la dégénérescence d’ordre 8 des états est levée par les interactions de Coulomb et permet l’observation des sous-bandes de phonons résultant de l’émission de phonons optiques. A faible tension, une bande interdite (gap) est observée dans le spectre, laquelle ne peut être fermée avec la tension de grille, ce qui est une signature caractéristique du blocage de France-Condon. A partir de ces données, un facteur de Huang-Rhys de l’ordre de S~1.7-2.5 est obtenu. Finalement, dans le régime de « shell-tunneling », les phonons optiques apparaissent dans le spectre tunnel inélastique d2I/dV2. Dans le cinquième chapitre, je présente une étude du spectre tunnel de QDs HgSe. En appliquant une tension de grille, différents niveaux d’occupation du QD peuvent être atteints. La valeur de la bande interdite change avec le niveau d’occupation. Une valeur de 0.9 eV est observée pour l’inter-bande (QD vide), une valeur de 0.2 eV est observée pour l’intra-bande (QD occupé par 2 e). Sous illumination, un photocourant peut être mesuré en utilisant une technique de démodulation. De cette mesure, une durée de vide τ ~ 65 μs est extraite pour la paire électron-trou photo-générée
My PhD work consists in a study of single Quantum Dot (QD) tunnel junctions. Following the introduction chapter, the second chapter will present the fundamental concepts needed to describe a single QD junction, such as quantum confinement and Coulomb blockade. In the third chapter, I will describe the sample fabrication methods and the measurement setups. In the fourth chapter, I will describe a tunneling spectroscopy study of single PbS QDs. Three distinct signatures of strong electron-phonon coupling are observed in the Electron Tunneling Spectrum (ETS) of these QDs. In the shell-filling regime, the 8 times degeneracy of the electronic levels is lifted by the Coulomb interactions and allows the observation of phonon sub-bands that result from the emission of optical phonons. At low bias, a gap is observed in the spectrum that cannot be closed with the gate voltage, which is a distinguishing feature of the Franck-Condon blockade. From the data, a Huang-Rhys factor in the range S~ 1.7 - 2.5 is obtained. Finally, in the shell tunneling regime, the optical phonons appear in the inelastic ETS d2I/dV2. In the fifth chapter, I present a tunnel spectroscopy study of single HgSe QDs. Upon tuning the gate voltage, different occupation levels of the QD can be reached. The gap observed in the ETS changes with the occupation level. A large inter-band gap, 0.9~eV, is observed for the empty QDs, and an intra-band gap 0.2~eV is observed for the doubly occupied QD. Upon illuminating the QD, a photocurrent can be measured using an especially designed demodulation technique. From this measurement, the lifetime τ ~65 μs is extracted for the photogenerated electron-hole in the QD

Cette thèse consiste en une étude de jonctions tunnels à Quantum Dot (QD) unique. Le second chapitre présentera une introduction aux concepts fondamentaux nécessaires à la description d’une telle jonction. Dans le troisième chapitre, je décrirais les méthodes de fabrications et de mesures. Dans le quatrième chapitre, je décrirais une étude par spectroscopie tunnel de QDs PbS. Trois signatures distinctes du couplage électron-phonon sont observées dans le spectre tunnel. Dans le régime de « remplissage de couches », la dégénérescence d’ordre 8 des états est levée par les interactions de Coulomb et permet l’observation des sous-bandes de phonons résultant de l’émission de phonons optiques. A faible tension, une bande interdite (gap) est observée dans le spectre, laquelle ne peut être fermée avec la tension de grille, ce qui est une signature caractéristique du blocage de France-Condon. A partir de ces données, un facteur de Huang-Rhys de l’ordre de S~1.7-2.5 est obtenu. Finalement, dans le régime de « shell-tunneling », les phonons optiques apparaissent dans le spectre tunnel inélastique d2I/dV2. Dans le cinquième chapitre, je présente une étude du spectre tunnel de QDs HgSe. En appliquant une tension de grille, différents niveaux d’occupation du QD peuvent être atteints. La valeur de la bande interdite change avec le niveau d’occupation. Une valeur de 0.9 eV est observée pour l’inter-bande (QD vide), une valeur de 0.2 eV est observée pour l’intra-bande (QD occupé par 2 e). Sous illumination, un photocourant peut être mesuré en utilisant une technique de démodulation. De cette mesure, une durée de vide τ ~ 65 μs est extraite pour la paire électron-trou photo-générée
My PhD work consists in a study of single Quantum Dot (QD) tunnel junctions. Following the introduction chapter, the second chapter will present the fundamental concepts needed to describe a single QD junction, such as quantum confinement and Coulomb blockade. In the third chapter, I will describe the sample fabrication methods and the measurement setups. In the fourth chapter, I will describe a tunneling spectroscopy study of single PbS QDs. Three distinct signatures of strong electron-phonon coupling are observed in the Electron Tunneling Spectrum (ETS) of these QDs. In the shell-filling regime, the 8 times degeneracy of the electronic levels is lifted by the Coulomb interactions and allows the observation of phonon sub-bands that result from the emission of optical phonons. At low bias, a gap is observed in the spectrum that cannot be closed with the gate voltage, which is a distinguishing feature of the Franck-Condon blockade. From the data, a Huang-Rhys factor in the range S~ 1.7 - 2.5 is obtained. Finally, in the shell tunneling regime, the optical phonons appear in the inelastic ETS d2I/dV2. In the fifth chapter, I present a tunnel spectroscopy study of single HgSe QDs. Upon tuning the gate voltage, different occupation levels of the QD can be reached. The gap observed in the ETS changes with the occupation level. A large inter-band gap, 0.9~eV, is observed for the empty QDs, and an intra-band gap 0.2~eV is observed for the doubly occupied QD. Upon illuminating the QD, a photocurrent can be measured using an especially designed demodulation technique. From this measurement, the lifetime τ ~65 μs is extracted for the photogenerated electron-hole in the QD

Nanostructure based devices are very promising candidates for the emerging nanotechnologies with advantage in terms of power consumption and functional density. Nanowire Field Effect Transistor (NWFET) and Single Electron Transistor (SET) are the focus of this work. The serious challenges faced by the MOSFET due to scaling limits can be solved by these devices. NWFET provides better gate control and overcomes the short channel effects. SET operates in the quantum confinement regime where the basic operation of MOSFET becomes a challenge. SET works better when the dimensions are small encouraging the process of scaling down. Because of these characteristics of the nanodevices, they have achieved a huge interest from the viewpoint of theoretical as well as applied electronics. The studies focus on the understanding of the basic transport characteristics of the devices. The necessity is to develop a model which is efficient, can be used at circuit level and also provides physical insights of the device. The first part of this work focuses on developing the model for SET and to implement it at the circuit level. The transport properties of SET are studied through quantum simulations. The behavioral characterization of the device is performed and the effect of different device parameters on the transport is studied. Furthermore, the impact of gate voltage is analyzed which modulates the current by shifting the energy levels of the device. After observing the transport through SET, a model is developed that efficiently evaluates the IV characteristics of the device. The quantum simulations are used as reference and a huge computational over-head is achieved while maintaining accuracy. Then the model is implemented in hardware descriptive language showing its functional variability at circuit level by designing some logic circuits like AND, OR and FA. In the second part, the performance of the nanoarrays based on NWFET is characterized. A device level model is developed to evaluate the gate capacitance and drain current of NWFET. Starting from the output of the model, in-house simulator is modified and used to evaluate the switching activity of the devices in nanoarray. A nanoarray implementation for bio-sequence alignment based on a systolic array is realized and its essential performance is evaluated. The power consumption, area and performance of the nanoarray implementation are compared with CMOS implementation. A wide solution space can be explored to find the optimal solution trading power and performance and considering the technological limitations of a realistic implementation.

In this thesis the electrical conduction mechanism and some of the optical properties of thin films (TFs) of gold nanoislands (GNIs) are studied to utilize them for applications in nanoelectronics, sensors, solar cells, and plasmonics. In a regular array of GNIs where NIs have an identical size and tunnel gap, the tunnel current can be calculated by using a relatively simple formula (provided in chapter one). In discontinuous GTFs, there are distributions of GNI sizes and tunnel gaps. Therefore, calculating the tunnel current in such systems at low and high applied voltages over a wide temperature range will be challenging. Here, we introduce a conduction percolation model where uncorrelated broad probability distributions for both the tunnel junction gaps and the Coulomb blockade energies are assumed. An excellent agreement is achieved between model calculations and experimental results at low and high applied voltages over a wide temperature range (2-300 K). In discontinuous GTFs where the Coulomb blockade energies become significantly small such that the tunnel resistance is not much higher than the GNI resistance, the metallic behaviour of GNIs and the thermal expansion of the substrate can play an important role in the temperature dependent resistance of discontinuous GTFs. In this thesis, the temperature dependence of the electrical resistance of discontinuous GTFs at temperatures between 2 K and 300 K is studied experimentally and by model calculations. We show that the tunnel junctions and the Coulomb blockade energies are important at low temperatures and that the thermal expansion of the substrate and the resistance of the GNIs affect the resistance at high temperatures. We obtain a simple expression for the temperature at which the resistance changes from non-metal-like behaviour into metal-like behaviour. iv To show an application of the discontinuous GTFs in nanoelectronics, we measure their resistances over a temperature range of 10-300 K. One of the samples essentially shows a temperature independent resistance (~ 2% resistance variation over a temperature range of 10-300 K). We find that such behaviour corresponds to the minimized Coulomb blockade energy (approximately 0.3 meV). This is achieved by reducing the nearest neighbour distance and increasing the size of the GNIs. It is shown that the temperature independent resistor operates in a regime where the thermally activated electron tunnelling is compensated by the metallic behaviour of the GNIs. Generally, z-scan measurements can be used to demonstrate the nonlinear light absorption in gold, but in TFs, scattering of light from the surface due to its roughness can introduce inaccuracy in measuring absorption nonlinearity. We overcome this problem by developing an experimental technique where a GTF is irradiated by a Nd-YAG pulsed laser at the wavelength of 532 nm in near resonance with the d-band transition of gold. The temperature increase in the GTF is estimated for different light intensities by electrical measurement. Then, the temperature increase is calculated by using a 1D heat transport equation by assuming a constant absorbance for the GTF at the low laser intensities. The comparison between results of the calculations revealed the nonlinear absorption in the GTF. We employed this deviation from the linear behaviour to determine the nonlinear absorption coefficient. It is shown that the nonlinear absorption is due to smearing of the Fermi distribution, and scattering of the light from the surface dose not play a major role in the temperature increase of the GTF. To demonstrate an application of discontinuous GTFs in opto-electronics, we use a discontinuous GTF to rectify an oscillating tunnel current at ultra high frequency (optical frequency). This is done by irradiating the GTF with a Nd-YAG pulsed laser at the v wavelength of 532 nm while a high DC voltage is applied to the sample. The tunnel current is found to be strongly enhanced by partial rectification of the plasmon-induced AC tunnel currents flowing between adjacent GNIs. In addition, our technique shows that the enhancement is due to the plasmon oscillation and the thermal effects seem not to contribute to the tunnel current enhancement.

Dans ce travail, nous présentons les nouvelles méthodes expérimentales que nous avons développées afin d’étudier la physique fondamentale du transport électronique à travers des conducteurs mésoscopiques en se basant sur la mesure des fluctuations électriques. Dans la première partie de la thèse, nous présentons une nouvelle conception d’un détecteur quantique sans rétroaction pour mesurer séparément la densité spectrale de puissance des fluctuations de courant pour les fréquences positives (bruit d’absorption) et négatives (bruit d’émission). Nous extrayons le bruit d’absorption et d’émission d’une mesure de la puissance échangée entre un conducteur quantique et un résonateur linéaire à fréquence finie, testé pour une jonction SIS couplée à un filtre à cavité. Nos résultats soulignent la signification physique de la formule de Kubo qui, couplée à une description quantique du dispositif de mesure, fournit une version quantique du théorème de Joule. Dans la deuxième partie de la thèse, nous présentons la conception et la construction d’une plate-forme expérimentale pour les mesures RF dépendantes du temps dans les champs magnétiques élevés. L’objectif est de mesurer efficacement un conducteur quantique qui donne lieu à une contre-action de détection sur ses propriétés de transport, connue sous le nom de Blocage de Coulomb Dynamique (DCB). Nous souhaitons étudier de tels effets dans le cas élémentaire d’un canal de conduction unique, avec une transmission arbitraire, interagissant avec un mode électromagnétique unique. Le principal défi consiste à concevoir des résonateurs RF à haute impédance utilisés comme transformateur d’impédance pour coupler efficacement le canal unique à haute impédance (25,8 kΩ) à l’équipement de détection RF désadapté de 50 Ω. Pour notre installation, nous avons d’abord conçu et testé un résonateur tolérant aux champs magnétiques, une bobine métallique plane, qui fournit une impédance caractéristique de 1 kΩ à une fréquence de résonance de 5,4 GHz. En utilisant deux résonateurs en série, il est possible d’obtenir une impédance de détection efficace de 27 kΩ qui assure un couplage suffisant à un seul canal. Avec toutes les méthodologies développées dans cette thèse, il est maintenant possible de réaliser une série remarquable d’expériences diverses dans un futur proche
In this work, we present the new experimental methods that we have developed in order to investigate the fundamental physics of electronic transport across mesoscopic conductors based on the measurement of electrical fluctuations. In the first part of the thesis we present a novel design of a back-action free quantum detector to separately measure the power spectral density of current fluctuations for positive (absorption noise) and negative (emission noise) frequencies. We extract the absorption and emission noise from a measurement of the power exchanged between a quantum conductor and a finite frequency linear resonator, tested for a SIS junction coupled to a cavity filter. Our results stress the physical meaning of the Kubo formula which, coupled to a quantum description of the measurement setup, provides a quantum version of Joule’s theorem. In the second part of the thesis, we present the design and construction of an experimental platform for time dependant RF-measurements in high magnetic fields. The goal is to efficiently measure a quantum conductor that gives rise to a detection back-action on its transport properties, known as Dynamical Coulomb Blockade (DCB). We wish to investigate such effects in the elementary case of a single conduction channel, with arbitrary transmission, interacting with a single electromagnetic mode. The main challenge is the engineering of high impedance RF resonators used as impedance transformer to efficiently couple the high impedance single channel (25.8 kΩ) to the mismatched 50 Ω RF-detection equipment. For our setup we have firstly designed and tested a magnetic field tolerant resonator, a planar metallic coil, that provides a characteristic impedance of 1 kΩ at a resonance frequency of 5.4 GHz. Using two resonators in series, an effective detection impedance of 27 kΩ is achievable that provides sufficient coupling to a single channel. With all the methodologies developed in this thesis, it is now possible to perform an amazing series of various experiments in the near future

xvi, 116 p. : ill. (some col.) A print copy of this thesis is available through the UO Libraries. Search the library catalog for the location and call number.
This dissertation focuses on low-dimensional electron transport phenomena in devices ranging from semiconductor electron 'billiards' to semimetal atomic clusters to gold nanoparticles. In each material system, the goal of this research is to understand how carrier transport occurs when many elements act in concert. In the semiconductor electron billiards, magnetoconductance fluctuations, the result of electron quantum interference within the device, are used as a probe of electron transport through arrays of one, two, and three connected billiards. By combining two established analysis techniques, this research demonstrates a novel method for determining the quantum energy level spacing in each of the arrays. That information in turn shows the extent (and limits) of the phase-coherent electron wavefunction in each of the devices. The use of the following two material systems, the semimetal atomic clusters and the gold nanoparticles, is inspired by the electron billiard results. First, the output of the simple, rectangular electron billiards, the magnetoconductance fluctuations, is quite generally found to be fractal. This research addresses the question of what output one might expect from a device with manifestly fractal geometry by simulating the electrical response of fractal resistor networks and by outlining a method to implement such devices in fractal aggregates of semimetal atomic clusters. Second, in gold nanoparticle arrays, the number of array elements can increase by orders of magnitude over the billiard arrays, all with the potential to stay in a similar, phase-coherent transport regime. The last portion of this dissertation details the fabrication of these nanoparticle-based devices and their electrical characteristics, which exhibit strong evidence for electron transport in the Coulomb-blockade regime. A sketch for further 'off-blockade' experiments to realize magnetoconductance fluctuations, i.e. phase-coherent electron phenomena, is presented.
Committee in charge: Jens Noeckel, Chairperson, Physics; Richard Taylor, Member, Physics; Heiner Linke, Member, Physics; David Strom, Member, Physics; James Hutchison, Outside Member, Chemistry

Nowadays DC current metrology is not yet supported by quantum based standards, intrinsically standard that does not require calibration depending only by fundamental constants. This thesis is focused on the modeling and realization of nano-devices for potential applications in DC current metrology. The choice of the fabrication technique is a crucial step for these tricky processes. Two kind of processes have been optimized at INRiM, the first being the most investigated from the 80s, the second being a recently purposed mesoscopic tunnel junction hybrid assembly nanofabrication technique concerning the Focused gallium Ion Beam (FIB) present at Nanofacility Piemonte. The main objective of our experimental activity is to compare the fabrication and characterization competences acquired at INRiM regarding a well documented device, trying , subsequently, to transfer them to a more innovative solution. The first introductory chapter starts with an overview of the so-called metrological triangle binding together volt, ohm and ampere in a fundamental definition of this three SI units; it follows a representative selection of candidate devices for the new definition of the ampere together with a short description of the physics that lies behind them. The second chapter is a detailed presentation of our Hybrid Single Electron Transistor theoretical modeling; its applications in DC current metrology are deeply threated focusing on the intrinsic and technological factors that limit the ultimate reachable accuracy of the presented device. The third chapter is a technical discussion of the two processes we used to fabricate our single electron devices. The first part is a review of our slightly modified version of the quite famous Dolan technique; the second sections is a detailed description of physical and technological principles, foundations for the innovative FIB process. The last chapter presents a set of electrical measurements devoted to a better understanding of our fabrication and characterization processes quality and reproducibility in relation to the well documented single-electronics literature. In appendix a collection of process recipes and instrumentation technical descriptions is present.

La compréhension des propriétés de transport de charge des nanostructures métalliques et magnétiques est très importante pour le développement et la miniaturisation des dispositifs fonctionnels modernes. En particulier, les nanostructures synthétisées chimiquement sont intéressant car elles permettent de mieux contrôler leur forme et leur taille, ce qui peut être utilisé pour ajuster leurs propriétés de transport de charge. L'objectif de cette thèse est d'étudier les aspects différents des propriétés de transport de charge qui résultent de la petite taille et de la nature magnétique de différents types de nanostructures comprenant des nanoparticules de Pt (1,3-3 nm), des particules magnétiques FeCo (⁓10 nm), et complexe de coordination à base de triazole Fe (II). Pour préciser davantage, des phénomènes tels que le blocage de Coulomb, la magnétorésistance tunnel et la transition de spin seront mis en évidence. En fonction de la propriété souhaitée, ces nanostructures peuvent être exploitées pour leurs applications dans divers capteurs, actionneurs et dispositifs spintroniques, etc
Understanding charge transport properties of metallic and magnetic nano-structures is highly important for the development and miniaturization of modern functional devices. In particular, chemically synthesized nano-structures are in focus as they provide better control over their shape and size, which can be used to tune their charge transport properties. The aim of this thesis is to study the various aspects of charge transport properties which emerge due to the small size and magnetic nature of different types of nanostructures which include Pt nanoparticles (1.3-3 nm), FeCo magnetic particles (⁓10 nm), and Fe (II) triazole based coordination complex. To further specify, phenomenon such as Coulomb blockade, tunnel magnetoresistance and spin-transition will be in focus. Depending on the desirable property, these nanostructures can be exploited for their applications in a variety of sensors, actuators and spintronic devices etc

[Excerpt from the Introduction]: This thesis focuses on neutral excitations of few-electrons states in nanofabricatedQDsmeasured by inelastic light scattering. The analysis of the spectra demonstrate that this technique can open a venue in the study of quasi-particles at the nanoscale. A model of electronic states confined in QDs is presented in the first chapter, while the second one provides a survey of the relevant experimental studies in this field. Special attention is paid to the process of inelastic light scattering by introducing a description of the selection rules for the scattering processes by electrons in semiconductor QDs. Chapter 3 describes the nano-fabrication techniques of doped AlGaAs/GaAs QDs and the different setups used for the measurements. Experiments performedwith μ-photoluminescence that demonstrate the confinement and the homogeneity of the fabricated QDs are reported at the end of this chapter. Chapter 4 reports inelastic light scattering spectra fromQDs with many electrons. In these experiments the atomic-like shell structure of the electronic states is demonstrated. The framework used to describe this regime of highly populated QDs is similar to the one used for transport experiments in the Coulomb blockade regime.Observations of tunneling excitations in coupled quantumdots with inelastic light scattering will also be presented. The most innovative results of this work are presented in chapter 5 that focuses on the study of interaction phenomena that take place in QDs in the few electron regime. The correlations that occur among the electrons deeply affect the inelastic light spectra in these systems. Themain outcome regards the case of QDs with four electrons where strong correlation effects have been found in the behavior of spin and charge collective excitations. Light scattering spectra from these dots at zero and finite perpendicularmagnetic fieldswill be presented. The evaluation of the excitation spectra as a function of the magnetic field reveals a ground-state transition between correlated states of the four electrons with different spin configurations.

Les amplificateurs paramétriques Josephson (JPA) se sont révélés être un outil indispensablepour l’étude expérimentale de dispositifs quantiques dans le régime micro-onde ; car ilsrajoutent uniquement le minimum de bruit imposé par la mécanique quantique[1]. Cependant,ces amplificateurs sont beaucoup plus difficiles à utiliser et optimiser que leurs homologuesclassiques. Récemment, plusieurs expériences réalisées avec des circuits supraconducteurs,composés d’une jonction Josephson polarisée en tension en série avec un résonateur microonde,ont montré qu’une paire de Cooper peut traverser la barrière de la jonction par effettunnel en émettant un ou plusieurs photons avec une énergie totale de 2e fois la tensionappliquée. Dans cette thèse, nous montrerons qu’un tel circuit permet de mettre en place unamplificateur micro-onde préservant la phase que nous appelons « Amplificateur basé sur letunneling inélastique de paires de Cooper » (ICTA). Il est alimenté par une tension continueet peut fonctionner avec un bruit très proche de la limite quantique.Nous commencerons en présentant le principe du fonctionnement de l’ICTA. Par analogieavec la théorie quantique des JPAs[2], nous avons étudié les performances de cet amplificateurcomme le gain, la bande passante et le bruit. Ensuite, nous présenterons la premièrepreuve expérimentale d’une amplification proche de la limite quantique sans utilisation d’unepompe micro-onde externe, mais simplement d’une tension continue dans une configurationextrêmement simple. Ces mesures ont été faites sur des échantillons avec des jonctionsen aluminium, dénommés ICTA de première génération. Selon nos résultats théoriques etexpérimentaux, nous avons conçu des circuits hyperfréquences où l’impédance présentéeà la jonction dépend de fréquences spécifiques afin d’optimiser les performances de notreamplificateur. Ces échantillons, dénommés ICTA de seconde génération, ont été fabriquésavec du nitrure de niobium. Une amélioration significative du gain et du bruit a été prouvée.Un tel amplificateur, alimenté par une simple tension continue, pourrait rendre la mesurede signaux micro-ondes au niveau du photon unique beaucoup plus faciles et permettred’intégrer plusieurs amplificateurs sur une seule puce. Il pourrait donc être un élémentimportant pour la lecture de qubit dans les processeurs quantiques à grande échelle
Josephson parametric amplifiers (JPA), have proven to be an indispensable tool for awide range of experiments on quantum devices in the microwave frequency regime, becausethey provide the lowest possible noise. However, JPAs remain much more difficult to use andoptimize than conventional microwave amplifiers. Recent experiments with superconductingcircuits consisting of a DC voltage-biased Josephson junction in series with a resonator,showed that a tunneling Cooper pair can emit one or several photons with a total energyof 2e times the applied voltage. In this thesis we show that such q circuit can be used toimplement a new type of phase preserving microwave amplifier, which we call InelasticCooper pair Tunneling Amplifier (ICTA). It is powered by a simple DC bias and offers nearquantum-limited noise performance.We start this work by presenting a brief and simple picture of the basic ICTA operatingprinciples. In analogy with the quantum theory of JPAs, we calculate the performances ofthis amplifier such as the gain, bandwidth and noise. Then, we present the first experimentalproof that amplification close to the quantum limit is possible without microwave drive inan extremely simple setup. These measurements are made on a first generation of samplesbased on aluminium junctions. According to our theoretical and experimental results, wehave designed microwave circuits presenting specific frequency-dependent impedances tothe junction in order to optimize the performances of our amplifier. This second generationof ICTA samples is fabricated from niobium nitride and provide significantly lower noiseand higher gain.We expect that once fully optimized, such an amplifier, powered by simple DC voltagescould then make measuring microwave signals at the single photon level much easier andallow to deploy many amplifiers on a chip. It could therefore be an important ingredient forqubit readout in large-scale quantum processors

L'effet Kondo naît du couplage tunnel entre une impureté magnétique et une mer de Fermi. L'essence de cet état de fortes corrélations électroniques trouve son origine dans la nature non perturbative du couplage d'échange entre le moment local et les électrons de conduction, et qui conduit à la formation d'un état fondamental non magnétique à température nulle. Dans le régime Kondo, toutes les propriétés physiques du système (impureté + réservoir d'électrons) s'expriment en fonction d'une unique échelle d'énergie, la température Kondo TK. Ce caractère universel a été observé dans des métaux contenant une grande quantité d'impuretés magnétiques ainsi que dans des impuretés artificielles comme les boîtes quantiques. Pour être mis en évidence expérimentalement, l'élément tunnel connectant le moment local et le réservoir de Fermi doit être large et l'on réfère souvent au problème Kondo comme à un problème de couplage fort. Les boîtes quantiques latérales offrent de grandes possibilités d'étudier plus en détail l'effet Kondo. En particulier, contraindre la mer de Fermi à une région finie de l'espace et comprendre comment cela influence l'écrantage du moment local, est une question cruciale du problème Kondo. Nous présenterons des mesures de transport à travers une double boîte quantique où une boîte quantique de petite taille jouant le rôle d'impureté magnétique sera couplée à une boîte quantique de grande taille jouant le rôle de réservoir fini. Différentes expériences effectuées dans le régime de couplage fort entre boîtes nous confronterons à la nature multi-niveaux de la grande boîte quantique et montrerons l'importance de considérer l'hybridation de multiples niveaux d'énergie. De plus, nous présenterons des données où le transport à travers le système est médié par des mécanismes de types Kondo impliquant un niveau hybridé entre boîtes. A la dégénérescence de charge des boîtes quantiques, une amplification de la température Kondo résultant de la réduction de l'énergie de charge du système, permet de révéler un singulet Kondo à température finie. En analysant les différentes configurations de spin possibles, nous discuterons la compétition entre deux singulets pouvant être stabilisés dans le système, un singulet de type Kondo et un singulet entre boîtes où les effets à multiples niveaux jouent un rôle important. Nous pensons que la réduction du couplage d'échange entre boîtes due au faible écart entre niveaux d'énergie dans la grande boite quantique explique l'invariance du phénomène observé en ce qui concerne l'occupation de cette même boîte, et ceci à la température électronique de base de notre expérience
The Kondo effect arises when a single magnetic impurity is tunnel coupled to a Fermi sea. The essence of this highly correlated electron state is found in the non-perturbative nature of the exchange interaction between the local moment and the surrounding conduction electrons which leads to a non-magnetic ground state at zero temperature. In the Kondo regime all the physical quantities of the system (impurity + electron reservoir) scale with a unique energy being the Kondo temperature TK. This universal character has been observed in metals containing a large number of magnetic impurities and in manmade artificial magnets such as quantum dots. To be experimentally observable, the tunneling element connecting the local moment and the Fermi reservoir has to be large and the Kondo problem is often referred to as a strong coupling limit. Laterally defined quantum dots offer great possibilities to investigate further more the Kondo effect. In particular, constraining the Fermi sea to a finite region and studying how this influences the screening of the local moment appears to be a crucial question in the Kondo problem. We will present transport measurements through a double quantum dot where a small quantum dot acting as a magnetic impurity will be tunnel coupled to a large quantum dot being the finite size reservoir. Different experiments performed in the strong inter-dot coupling limit will confront us to the multi-level nature of the large quantum dot where hybridization of both objects has to be carried over several energy levels. Furthermore, we will present data where evidences of transport mechanisms through the system are mediated by a Kondo mechanism through a hybridized level of the dots. At the double dot charge degeneracy point, a boosting of the Kondo temperature due to the reduction of the charging energy of the system, enables to reveal a Kondo singlet at finite temperature. By considering the different spin configurations possible in our system, we will discuss the competition between two possible singlet states one can stabilize in the system, a Kondo type singlet and a inter-dot singlet where multi-level effects play an important role. We believe that the reduction of the exchange coupling between the two dots due to the small level spacing in the large dot explains the invariance of the phenomenon with respect to the occupation number of the large dot at our base electron temperature

La miniaturisation des composants, qui s'est engagée depuis l'avènement de l'électronique il y a plus de 50 ans, atteint aujourd'hui la dimension nanométrique, ouvrant la porte aux phénomènes quantiques. Ultime étape de cette miniaturisation, la boîte quantique, dans laquelle les électrons sont confinés dans les trois directions de l'espace, présente des propriétés remarquables, telles que l'augmentation du gap entre la bande de conduction et la bande de valence, ou la discrétisation des niveaux d'énergies. Autre conséquence du confinement, la forte interaction électron-électron régnant au sein de la boîte conduit à une énergie de charge importante, susceptible de bloquer l'entrée d'un électron dans la boîte sans apport d'énergie extérieur. Ce phénomène de blocage des charges est appelé blocage de Coulomb. Le transistor à un électron (SET), dispositif élémentaire tirant profit de ce phénomène, est pressenti pour quelques applications, comme la réalisation de fonctions logiques ou la détection de charge. Parmi les domaines concernés, la thermoélectricité, c'est-à-dire la possibilité de créer du courant électrique à partir d'une différence de température, s'intéresse de près aux dispositifs à un électron en raison de leurs niveaux d'énergie discrets qui conduisent à une très faible conductivité thermique. Ce travail présente le simulateur SENS (Single-Electron Nanodevice Simulation) développé dans l'équipe, et dont j'ai réalisé la partie destinée à la simulation du SET. Il s'appuie sur la résolution des équations couplées de Poisson et Schrödinger, nécessaire à la détermination des fonctions d'onde dans la boîte de silicium, elles-mêmes dépendantes des tensions appliquées aux électrodes. Les fréquences de transition tunnel sont ensuite calculées par la règle d'or de Fermi. L'étude approfondie du courant dans les SET permet d'extraire des diagrammes de stabilité en diamant, et démontre l'importance de paramètres tels que la taille de l'îlot, la dimension des barrières tunnel, la température et le nombre d'électrons occupant la boîte. L'étude du courant électronique et du courant de chaleur en présence d'une différence de température aux électrodes du SET est également faite pour juger de la pertinence de l'utilisation d'un SET en tant que générateur thermoélectrique, mais aussi comme étalon pour déterminer le coefficient Seebeck. Enfin, une étude du bruit de grenaille dans la double-jonction tunnel (SET sans la grille) est faite, démontrant le fort lien entre taux de transfert tunnel et bruit. En particulier, selon l'évolution des taux des transferts tunnel d'entrée et de sortie de l'îlot, pour un nombre d'électrons supérieur 2, il est possible d'observer une augmentation importante du bruit, qui devient alors super-Poissonien. L'étude de l'influence des paramètres géométriques démontre que le bruit de grenaille dépend essentiellement de la différence des épaisseurs de barrière tunnel.

Neste trabalho é apresentado o cálculo, pelo grupo de renormalização numérico, da condutância AC através de uma nanoestrutura acoplada a gases eletrônicos, a baixa temperatura e no regime de resposta linear. Este sistema apresenta a competição entre dois efeitos: blo¬queio Coulombiano e efeito Kondo. Nosso modelo considera gases eletrônicos unidimensionais que são unidos pelas extremidades para formar um anel, no qual a corrente é induzida por um fluxo magnético oscilante com freqüência . Nós partimos de um modelo tight-binding de vizinhos mais próximos para os gases eletrônicos e, deste modo, o potencial vetor é facilmente incorporado ao Hamiltoniano por condições de contorno torsionais. Uma barreira de potencial entre os gases eletrônicos e a nanoestrutura é simulada em termos de uma taxa de tunelamento entre a nanoestrutura e os sítios adjacentes menor que aquela entre entre sítios vizinhos no anel. A capacitância da nanoestrutura é pequena, o que implica que nós podemos considerar mudanças no número de elétrons dentro da mesma por apenas uma unidade. Como conseqüência, o Hamiltoniano é mapeado no Hamiltoniano de Anderson com correlação U entre os elétrons. Uma voltagem de gate controla a energia da impureza (da nanoestrutura), 0. Plotada como função de , a condutância mostra dois picos característicos do bloqueio Coulombiano, em freqüências correspondentes às energias para adicionar um elétron à nanoestrutura e para remover um elétron da nanoestrutura respectivamente. No regime Kondo, 0 > 0 > -U (ou seja, para voltagens de gate tais que a nanoestrutura isolada teria estado fundamental com degenerescência de spin), um pico (Kondo) adicional aparece próximo à = 0. Plotada como função de Vg, a condutância DC mostra um largo pico no regime Kondo, caindo rapidamente a zero para voltagens resultando em um estado fundamental não degenerado para a nanoestrutura isolada. Uma relação entre a condutância e a densidade espectral do nível da impureza é obtida e utilizada para interpretar os resultados numéricos.
In this work a renormalization-group calculation of the low-temperature AC conductance in the linear response regime through a nanostructure coupled to metallic leads is presented. This system shows a competition between two effects: the Coulomb blockade and the Kon¬do effect. Our model considers one-dimensional leads which are connected to form a ring, in which a current is induced by a magnetic flux oscillating at the frequency . We start from a nearest-neighbor tight-binding model for the leads and in this way the potential vector is easily incorporated in the model Hamiltonian by twisting boundary conditions. A potential barrier between the leads and the nanostructure is simulated in terms of a tunneling rate between the nanostructure and the adjacent sites in the leads, which is smaller than the one between neighbors sites in the leads. The capacity of the nanostructure is small, which implies that substantial energy changes are associated with each electron transfered to the nanostructure. As a consequence, the model Hamiltonian maps onto the spin-degenerate Anderson Hamiltoni¬an with correlation U between the electrons. A gate voltage Vg controls the impurity (i.e., nanostructure) energy 0. Plotted as a function of , the conductivity shows two Coulomb-blockade peaks, at the energy needed to add an electron to and to remove an electron from the nanostructure, respectively. In the Kondo regime 0 > 0 > -U (i.e., for gate voltages such that the isolated nanostructure would have a spin-degeneration ground state), an addition (Kondo) peak appears near = 0. Plotted as functions of Vg, the static conductivity shows a broad peak in the Kondo regime and drops rapidly to zero for voltages resulting in a non-degenerate nanostructure ground state. A relation between the conductance and the spectral density of the impurity is obtained and used to interpret the numerical results.

Au cours de ce travail de thèse à caractère expérimental, nous nous sommes attachés à mesurer les spectres absolus de section efficace d’absorption de nanotubes de carbone individuels placés dans différents environnements. Pour ce faire, nous avons développé un dispositif expérimental basé sur la technique de spectroscopie à modulation spatiale qui permet d’accéder de manière directe à la section efficace d’absorption de nano-objets individuels. Cette méthode ne requière aucun a priori sur les propriétés des nanotubes, et très important nous affranchit des effets d’ensemble. Ainsi, nous avons pu étudier les propriétés d’absorption de nanotubes individuels simple et double parois dans les environnements suivants : suspendus librement, agrégés en petit fagot, et déposés sur substrat. Plus précisément, l’évolution de l’absorption excitonique des nanotubes est analysée en fonction des paramètres structuraux (diamètre, nombre de parois, chiralité) et de l’environnement de ces derniers. Un autre aspect de cette thèse a pour objet l’analyse des propriétés de transport électronique des nanotubes de carbone soumis à des pressions hydrostatiques de gaz de l’ordre du gigapascal, avec la possibilité d’accéder au régime des basses températures. Ici, nous nous sommes concentrés sur l’étude de transistors à effet de champ composés de petits fagots de nanotubes de carbone contactés à leurs extrémités par des électrodes en palladium. Dans ce cadre, nous avons notamment réalisé la première observation de l’effet de blocage de Coulomb sous pression. Au final, ce travail de thèse a permis d’analyser les propriétés optiques et électroniques intrinsèques aux nanotubes de carbone et leur évolution sous l’effet de différents environnements (écrantage diélectrique, dopage chimique, contrainte mécanique et pression hydrostatique). Ce travail a pu être réalisé grâce au développement de nouvelles techniques permettant de sonder ces propriétés au niveau du nanotube individuel
In this dissertation, we report on the experimental investigation of the optical properties of single- and double-wall carbon nanotubes. Despite numerous studies performed using photoluminescence or Raman and Rayleigh scattering, knowledge of their optical response is still partial. In particular direct quantitative measurement of their absorption cross-section has not been achieved yet. Using spatial modulation spectroscopy we have determined, over a broad optical spectral range, the spectrum and amplitude of the absorption cross-section of identified individual single- and double-wall carbon nanotubes. These quantitative measurements permit the determination of the oscillator strength of the different excitonic resonances. Furthermore, investigation of the same nanotube, either a single-wall or double-wall nanotube, freestanding or deposited on a substrate shows large broadening with increase of oscillator strength of the excitonic resonances, as well as stark weakening of polarization dependent antenna effects, due to nanotube-substrate interaction. Similar study on nanotube bundles and double-wall nanotubes demonstrate the importance of inter-tube and inter-wall exciton coupling effects which seem to be of different nature in these two types of sample. The second part of this thesis studies electrical transport in carbon nanotube bundles under high pressure condition and low temperature. The behavior of nanotubebased field-effect transistors has been investigated, in the classical and Coulomb blockade regime, under gas-pressure up to 0.9 GPa. Overall, this dissertation communicates on the quantitative analysis of the absorption and electronic properties of carbon nanotubes and how they are influenced by various environmental effects such as dielectric screening, stress induced strain, hydrostatic pressure, or chemical doping. The novelty of this work is to address these issues at the single nanotube level

Les nanofils d'or ultrafins sont des objets fascinants présentant une morphologie quasi 1D, leur diamètre n'excédant par 2 nm pour une longueur micrométrique. Les quelques 30 atomes qui composent la section de ses fils sont principalement des atomes de surface, permettant d'envisager des applications de type capteurs. De plus, l'anisotropie de forme unique pourrait permettre un confinement électronique unidimensionnel, menant à de nouvelles propriétés physiques. Nous avons réalisé une étude fondamentale de la synthèse et réaliser une première étude de transport sur une assemblée de nanofils.La première partie du manuscrit, divisée en quatre chapitres, consiste en l'étude du mécanisme de croissance de ces nanofils ultrafins. Suite à une analyse détaillée des modèles proposés, nous introduisons la technique de diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) utilisée pour nos études mécanistiques. Le chapitre 3 est consacré à l'étude de la synthèse de nanofils en milieu confiné. Contrairement aux postulats précédents, un suivi cinétique in-situ par SAXS nous a permis de montrer que la phase lamellaire n'intervenait pas dans la croissance des objets, voir même qu'elle était détrimentaire à leur formation. Le dernier chapitre présente la synthèse en milieu isotrope. Un mécanisme de croissance efficace où les sphères jouent le rôle de germe est avancé. L'auto-organisation des fils en solution suivant une phase hexagonale appuie l'hypothèse d'une stabilisation des fils par une double couche d'oleylamine et de chlorure d'ammonium. Un mécanisme de croissance analogue aux mécanismes proposés pour les bâtonnets d'or dans l'eau est donc proposé.La deuxième partie du manuscrit, divisée en trois chapitres, consiste en une caractérisation des propriétés de transport électronique dans ces nanofils d'or ultrafins. Nous dressons, dans un premier temps, un bilan des différents régimes de transport observés au sein de nano-objets de basse dimensionnalité. Suite aux étapes indispensables de dépôt et de connexion, le troisième chapitre présente les premières mesures de transport effectuées sur des assemblées de nanofils d'or faiblement couplées. Nous mettons ainsi en évidence, grâce à une étude sur une large gamme de températures et de tensions de polarisation, un transport de charge coopératif dans le cadre d'un régime de blocage de Coulomb.

In this thesis we study the noise in Coulomb blockaded quantum dots in the vicinity of the peak of conductance in a full quantum treatment using the Keldysh technique. In previous work on this system, the emphasis have been on master equation approaches in the shot noise regime. In the vicinity of the peak of conductance it remained unclear if this classical approach is valid since we have two strongly interacting charging states and a full quantum treatment is necessary. Using our full, quantum mechanical approach we find an analytical expression for the noise valid from the low bias regime all the way to the shot noise regime valid in the vicinity of peak of conductance. In the shot noise regime we recover the result from the master equation approach.

L'étude du transport électronique dans des nano-objets métalliques et magnétiques issus de la chimie est un challenge en spintronique. En particulier, le manque de résultats expérimentaux révèle la difficulté à positionner ces nano-objets entre des électrodes de mesures tout en préservant leurs propriétés (magnétisme, intégrité des barrières tunnel organiques...). Ce travail de thèse vise à contourner ces difficultés et à étudier le magnétotransport dans ces systèmes. Pour cela, nous avons conçu et développé à l'intérieur d'une boîte à gants couplée à un bâti de pulvérisation cathodique des systèmes expérimentaux d'assemblages de nano-objets. Nous avons étudié les mécanismes mis en jeu lors de l'assemblage par la technique de dip coating, et réussi à déposer des monocouches de nanoparticules (NPs) de natures différentes (FeCo, Fe, Co) sur des surfaces d'Au, de SiO2 et de résine fine (40 nm). Ces résultats, couplés à une technique de nanoindentation, ont permis de mesurer quelques - voire une- NP(s). Une autre technique, la diélectrophorèse, s'est révélée simple et efficace pour piéger et orienter des nano-objets de taille, de nature, et de forme différentes entre des électrodes. Grâce à cette technique et au dépôt d'une couche protectrice d'alumine, nous avons étudié les propriétés de magnétotransport de plusieurs types de nano-objets sensibles à l'oxydation ou à la vapeur d'eau: NPs de Fe, de Co, FeCo et [Fe(H-trz)2(trz)](BF4)] (composés à transition de spin). Trois jeux de barrières tunnel organiques greffés sur des NPs de fer ont présenté de la magnétorésistance tunnel jusqu'à température ambiante. De plus, des nano-objets de [Fe(H-trz)2(trz)](BF4)] de facteurs de forme variable, ont montré une variation de la conductance liée à la transition de spin. Enfin, nous avons étudié l'influence de la longueur des ligands sur les propriétés de conductions de NPs de Cobalt, qui a validé nos méthodes d'échange de ligands et ont pu être analysées quantitativement. Nos travaux rendent désormais envisageable l'utilisation de NPs issues de la chimie dans différents domaines de la spintronique.

La r eduction (\scaling") continue des dimensions des transistors MOS- FET nous a conduits a l' ere de la nano electronique. Le transistor a ef- fet de champ multi-grilles (MultiGate FET, MuGFET) avec l'architecture \nano l canal" est consid er e comme un candidat possible pour le scaling des MOSFET jusqu' a la n de la roadmap. Parall element au scaling des CMOS classiques ou scaling suivant la loi de Moore, de nombreuses propo- sitions de nouveaux dispositifs, exploitant des ph enom enes nanom etriques, ont et e faites. Ainsi, le transistor mono electronique (SET), utilisant le ph enom ene de \blocage de Coulomb", et le transistor a atome unique (SAT), en tant que transistors de dimensions ultimes, sont les premiers disposi- tifs nano electroniques visant de nouvelles applications comme la logique a valeurs multiples ou l'informatique quantique. Bien que le SET a et e ini- tialement propos e comme un substitut au CMOS (\Au-del a du dispositif CMOS"), il est maintenant largement consid er e comme un compl ement a la technologie CMOS permettant de nouveaux circuits fonctionnels. Toutefois, la faible temp erature de fonctionnement et la fabrication incompatible avec le proc ed e CMOS ont et e des contraintes majeures pour l'int egration SET avec la technologie FET industrielle. Cette th ese r epond a ce probl eme en combinant les technologies CMOS de dimensions r eduites, SET et SAT par le biais d'un sch ema d'int egration unique a n de fabriquer des transistors \Trigate" nano l. Dans ce travail, pour la premi ere fois, un SET fonction- nant a temp erature ambiante et fabriqu es a partir de technologies CMOS SOI a l' etat de l'art (incluant high-k/grille m etallique) est d emontr e. Le fonctionnement a temp erature ambiante du SET n ecessite une le (ou canal) de dimensions inf erieures a 5 nm. Ce r esultat est obtenu grce a la r eduction du canal nano l "trigate" a environ 5 nm de largeur. Une etude plus ap- profondie des m ecanismes de transport mis en jeu dans le dispositif est r ealis ee au moyen de mesures cryog eniques de conductance. Des simula- tions NEGF tridimensionnelles sont egalement utilis ees pour optimiser la conception du SET. De plus, la coint egration sur la m^eme puce de MOS- FET FDSOI et SET est r ealis ee. Des circuits hybrides SET-FET fonction- nant a temp erature ambiante et permettant l'ampli cation du courant SET jusque dans la gamme des milliamp eres (appel e \dispositif SETMOS" dans la litt erature) sont d emontr es de m^eme que de la r esistance di erentielle n egative (NDR) et de la logique a valeurs multiples. Parall element, sur la m^eme technologie, un transistor a atome unique fonc- tionnant a temp erature cryog enique est egalement d emontr e. Ceci est obtenu par la r eduction de la longueur de canal MOSFET a environ 10 nm, si bien qu'il ne comporte plus qu'un seul atome de dopant dans le canal (dif- fus ee a partir de la source ou de drain). A basse temp erature, le trans- port d' electrons a travers l' etat d' energie de ce dopant unique est etudi e. Ces dispositifs fonctionnent egalement comme MOSFET a temp erature am- biante. Par cons equent, une nouvelle m ethode d'analyse est d evelopp ee en corr elation avec des caract eristiques a 300K et des mesures cryog eniques pour comprendre l'impact du dopant unique sur les caracteristiques du MOSFET a temp erature ambiante.

Exploiter des effets dépendants du temps pour induire et contrôler des courants à travers des conducteurs mésoscopiques et nanoscopiques est un enjeu majeur dans le domaine du transport quantique. Dans cette thèse, nous considérons deux systèmes de taille nanométrique pour lesquels un courant est induit grâce au couplage entre champs extérieurs dépendants du temps et le transport d'électrons. Nous étudions d'abord un problème de pompage quantique au sein d'un système à trois sites en configuration d'anneau, en considérant la possibilité d'induire un courant continu par modulation temporelle des paramètres de contrôle. Nous nous intéressons en particulier à la transition entre régime adiabatique et antiadiabatique en présence d'un mécanisme de dissipation modélisé par un couplage entre le système et un bain extérieur.Nous montrons que le modèle dissipatif admet une solution analytique complète valable pour la composante DC du courant à fréquence arbitraire. Ceci nous permet de bien comprendre comment le courant induit dépend de la fréquence de pompage. Nous nous concentrons ensuite sur un autre système de contrôle du courant exploitant le phénomène des oscillations tunnel à un électron (SETOs). Contrairement au cas précédent, ici la circulation d'un courant continu à travers un circuit comportant une jonction tunnel produit, pour le régime approprié, un courant quasi-périodique d'électrons. On étudie le spectre de bruit à température nulle d'une jonction tunnel dans différents environnements résistifs dans le but de déterminer les limites du régime des SETOs et de quantifier leur degré de périodicité. Nous généralisons par la suite les résultats à température finie et discutons des effets des fluctuations quantiques
Exploiting time-dependent effects to induce and control currents through mesoscopic and nano\-scopic conductors is a major challenge in the field of quantum transport. In this dissertation we consider two nanoscale systems in which a current can be induced through intriguing mechanisms of coupling between excitations by external fields and electron transport.We first study a quantum pumping problem, analyzing the possibility to induce a DC response to an AC parametric driving through a three-site system in a ring configuration. We are interested in particular in the crossover between adiabatic and antiadiabatic driving regimes and in the presence of dissipation, which is accounted for by coupling with an external bath. We show that for a clever choice of this coupling the dissipative model admits a full analytical solution for the steady state current valid at arbitrary frequency, which allows us to fully understand the pumping-frequency dependence of the induced current. We then focus on a different current-controlling scheme exploiting the phenomenon of single-electron tunneling oscillations (SETOs). In this case, opposite to what happens for pumping, an AC effect, an almost periodic current of single electrons, arises through a tunnel junction circuit as a consequence of a DC bias. We study the zero-temperature noise spectrum of a tunnel junction in different resistive environments with the aim to determine the boundaries of the SETOs regime and quantify their quality in terms of periodicity. We then discuss the finite-temperature generalization and the possibility to account for the effects of quantum fluctuations

We report on conductance measurements in carbon nanotube based double quantum dots connected to two normal electrodes and a central superconducting finger. By operating our devices as Cooper pair beam splitters, we provide evidence for Crossed Andreev Reflection (CAR). We inject Cooper pairs in the superconducting electrode and measure the differential conductance at both left and right arm. The contacts split the device into two coupled quantum dots. Each of the quantum dots can be tuned by a lateral sidegate. If the two sidegates are tuned such that both quantum dots are at a transmission resonance, a considerable part of the injected Cooper pairs splits into different normal contacts. On the contrary, if only one of the two dots is at resonance, nearly all pairs tunnel to the same normal contact. By comparing different triple points in the double dot stability diagram, we demonstrate the contribution of split Cooper pairs to the total current. In this manner, we are able to extract a splitting efficiency of up to 50% in the resonant case. Carbon Nanotubes ensure ballistic transport and long spin-flip scattering lengths. Due to these properties they are promising candidates to investigate EPR-type correlations in solid state systems.

Cette thèse porte sur l’étude du transport de charge et de spin dans les nanostructures 0D, 2D et les hétérostructures 2D-0D de Van der Waals (h-VdW). Les nanocristaux pérovskite de La0.67Sr0.33MnO3 ont révélé des magnétorésistances (MR) exceptionnelles à basse température résultant de l’aimantation de leur coquille indépendamment du coeur ferromagnétique. Les transistors à effet de champ à base de MoSe2 ont permis d’élucider les mécanismes d’injection de charge à l’interface metal/semiconducteur 2D. Une méthode de fabrication des h-VdW adaptés à l’électronique à un électron est rapportée et basée sur la croissance d’amas d’Al auto-organisés à la surface du graphene et du MoS2. La transparence des matériaux 2D au champ électrique permet de moduler efficacement l’état électrique des amas par la tension de grille arrière donnant lieu aux fonctionnalités de logique à un électron. Les dispositifs à base de graphene présentent des MR attribuées aux effets magnéto-Coulomb anisotropiques
This thesis investigates the charge and spin transport processes in 0D, 2D nanostructures and 2D-0D Van der Waals heterostructures (VdWh). The La0.67Sr0.33MnO3 perovskite nanocrystals reveal exceptional magnetoresistances (MR) at low temperature driven by their paramagnetic shell magnetization independently of their ferromagnetic core. A detailed study of MoSe2 field effect transistors enables to elucidate a complete map of the charge injection mechanisms at the metal/MoSe2 interface. An alternative approach is reported for fabricating 2D-0D VdWh suitable for single electron electronics involving the growth of self-assembled Al nanoclusters over the graphene and MoS2 surfaces. The transparency the 2D materials to the vertical electric field enables efficient modulation of the electric state of the supported Al clusters resulting to single electron logic functionalities. The devices consisting of graphene exhibit MR attributed to the magneto-Coulomb effect

In this thesis, we consider the noise properties of a Coulomb blockaded quantum dot weakly coupled to two non interacting leads. We consider two approaches to calculating the density of states of the quantum dot, the first of which uses a functional integral approach which is difficult to extend to consider the noise problem. We show that the second approach also returns the correct result for the density of states and can be extended to calculate the noise power spectrum for the interacting quantum dot. We calculate the Fano factor in the shot noise regime and evaluate numerically the Fano factor as a function of the bias voltage.

Cette thèse présente une étude du transport électronique à basse température dans des transistors à effet de champ nanométriques en silicium sur isolant. Leur comportement électrique dépend notamment de la constitution des jonctions entre les réservoirs et le canal, qui est déterminée lors de la fabrication par l'utilisation d'espaceurs de part et d'autre de la grille. Cette différence de comportement est exacerbée à basse température. Dans des transistors très courts, de longueur de grille typique égale à 30 nm, compte tenu de la diffusion des dopants lors du recuit d'activation, il est possible d'obtenir sous la grille un unique donneur bien couplé aux deux réservoirs. Sa présence est révélée par de l'effet tunnel résonant à travers les niveaux d'énergie associés à ses orbitales, observé à basse température à des tensions de grille inférieures au seuil du transistor. L'estimation de l'énergie d'ionisation de ce donneur donne une valeur supérieure à la valeur attendue pour un donneur dans du silicium massif, ce qui est attribué à l'effet du confinement diélectrique du donneur. À l'inverse, il est possible de définir des résistances d'accès au canal suffisantes pour y confiner les électrons. Un transistor se comporte alors comme un transistor mono-électronique à basse température, dont l'îlot est situé sous la grille. Ce moyen de créer un transistor mono-électronique est étendu à des systèmes d'îlots couplés, en déposant plusieurs grilles entre la source et le drain. Plusieurs comportements sont obtenus selon l'écart entre les grilles et la longueur des espaceurs. Ces systèmes sont utilisés pour réaliser le transfert d'un électron unique
We present low temperature electronic transport measurements in silicon-on-insulator nano-MOSFETs. Their electrical properties depend in particular on the junctions between the reservoirs and the transistor channel, determined during fabrication by the spacers deposited on both sides of the gate. The behaviour differences are emphasized at low temperature. In ultra-scaled transistors, with a typical gate length of 30 nm, dopants diffusion during activation annealing can result in a single dopant well coupled to the reservoirs located in the middle of the channel, below the gate. It is revealed at low temperature below the transistor threshold by resonant tunnelling through its energy levels. An estimation of its ionization energy gives an enhanced value as compared to the bulk value, attributed to the dielectric confinement of the donor. On the contrary, electrons can be confined in the transistor channel by high enough access resistances. Thus samples turn at low temperature into single electron transistors, with the island located below the gate. It is extended to coupled dots systems, by depositing several gates between source and drain. Their behaviour depends on the distance between gates and on spacers length. These systems are used to transfer a single electron

Thesis (Ph. D.) -- University of Maryland, College Park, 2007.
Thesis research directed by: Dept. of Physics. Title from t.p. of PDF. Includes bibliographical references. Published by UMI Dissertation Services, Ann Arbor, Mich. Also available in paper.

Cette thèse présente une étude du transport électronique à basse température dans des transistors à effet de champ nanométriques en silicium sur isolant. Leur comportement électrique dépend notamment de la constitution des jonctions entre les réservoirs et le canal, qui est déterminée lors de la fabrication par l'utilisation d'espaceurs de part et d'autre de la grille. Cette différence de comportement est exacerbée à basse température. Dans des transistors très courts, de longueur de grille typique égale à 30 nm, compte tenu de la diffusion des dopants lors du recuit d'activation, il est possible d'obtenir sous la grille un unique donneur bien couplé aux deux réservoirs. Sa présence est révélée par de l'effet tunnel résonant à travers les niveaux d'énergie associés à ses orbitales, observé à basse température à des tensions de grille inférieures au seuil du transistor. L'estimation de l'énergie d'ionisation de ce donneur donne une valeur supérieure à la valeur attendue pour un donneur dans du silicium massif, ce qui est attribué à l'effet du confinement diélectrique du donneur. À l'inverse, il est possible de définir des résistances d'accès au canal suffisantes pour y confiner les électrons. Un transistor se comporte alors comme un transistor mono-électronique à basse température, dont l'îlot est situé sous la grille. Ce moyen de créer un transistor mono-électronique est étendu à des systèmes d'îlots couplés, en déposant plusieurs grilles entre la source et le drain. Plusieurs comportements sont obtenus selon l'écart entre les grilles et la longueur des espaceurs. Ces systèmes sont utilisés pour réaliser le transfert d'un électron unique.

Les propriétés physico-chimiques d'un nanocristal semi-conducteur sphérique, intermédiaires entre la molécule et le solide, dépendent de sa taille. Empilés ou dispersés, ces nanocristaux sont les briques architecturales de nouveaux matériaux fonctionnels aux propriétés ajustables, en particulier pour l'optoélectronique. Cette thèse s'inscrit dans le développement de ces nouveaux matériaux et présente avant tout une méthodologie pour la simulation du transport électronique dans un solide à nanocristaux en régime de faible couplage électronique appliquée à des nanocristaux de silicium dans une matrice de SiO2 pour les applications photovoltaïques. La cinétique du déplacement des porteurs est liée au taux de transfert tunnel (hopping) entre nanocristaux. Ces taux sont calculés dans le cadre de la théorie de Marcus et prennent en compte l'interaction électron-phonon dont l'effet du champ de polarisation dans la matrice ainsi que les interactions électrostatiques à courte et longue portée. Le calcul des états électroniques (électrons et trous) en théorie k.p associé à l'utilisation de la formule de Bardeen donne au code la capacité, par rapport à la littérature, de fournir des résultats (mobilité ou courant) en valeur absolue. Les résultats de mobilité ainsi obtenus pour des empilements cubiques idéaux viennent contredire les résultats de la littérature et incitent à considérer d'autres matériaux notamment en ce qui concerne la matrice pour obtenir de meilleurs performances. En outre, les résultats de simulation de dispositifs montrent l'impact considérable des électrodes sur les caractéristiques courant-tension. Aussi, un nouvel algorithme Monte-Carlo Cinétique accéléré a été adapté afin de pouvoir reproduire le désordre inhérent à la méthode de fabrication tout en maintenant un temps de simulation raisonnable. Ainsi l'impact du désordre en taille se révèle faible à température ambiante tandis que les chemins de percolation occultent la contribution des autres chemins de conduction. Des résultats de caractérisation comparés aux simulations tendent par ailleurs à indiquer que ces chemins peuvent concentrer les porteurs et exhiber un phénomène de blocage de coulomb. Enfin, la section efficace d'absorption est calculée théoriquement et permet d'obtenir le taux de génération sous illumination qui se révèle proche du silicium massif. Et une méthode en microscopie à sonde de Kelvin est décrite pour caractériser la durée de vie des porteurs c'est-à-dire le taux de recombinaison, les résultats ainsi obtenus étant cohérents avec d'autres techniques expérimentales.

We present the development of a novel, UHV-compatible device fabrication strategy for the realisation of nano- and atomic-scale devices in silicon by harnessing the atomic-resolution capability of a scanning tunnelling microscope (STM). We develop etched registration markers in the silicon substrate in combination with a custom-designed STM/ molecular beam epitaxy system (MBE) to solve one of the key problems in STM device fabrication ??? connecting devices, fabricated in UHV, to the outside world. Using hydrogen-based STM lithography in combination with phosphine, as a dopant source, and silicon MBE, we then go on to fabricate several planar Si:P devices on one chip, including control devices that demonstrate the efficiency of each stage of the fabrication process. We demonstrate that we can perform four terminal magnetoconductance measurements at cryogenic temperatures after ex-situ alignment of metal contacts to the buried device. Using this process, we demonstrate the lateral confinement of P dopants in a delta-doped plane to a line of width 90nm; and observe the cross-over from 2D to 1D magnetotransport. These measurements enable us to extract the wire width which is in excellent agreement with STM images of the patterned wire. We then create STM-patterned Si:P wires with widths from 90nm to 8nm that show ohmic conduction and low resistivities of 1 to 20 micro Ohm-cm respectively ??? some of the highest conductivity wires reported in silicon. We study the dominant scattering mechanisms in the wires and find that temperature-dependent magnetoconductance can be described by a combination of both 1D weak localisation and 1D electron-electron interaction theories with a potential crossover to strong localisation at lower temperatures. We present results from STM-patterned tunnel junctions with gap sizes of 50nm and 17nm exhibiting clean, non-linear characteristics. We also present preliminary conductance results from a 70nm long and 90nm wide dot between source-drain leads which show evidence of Coulomb blockade behaviour. The thesis demonstrates the viability of using STM lithography to make devices in silicon down to atomic-scale dimensions. In particular, we show the enormous potential of this technology to directly correlate images of the doped regions with ex-situ electrical device characteristics.

博士
國立清華大學
物理學系
97
In this thesis work, the effects of environment on Coulomb blockade behavior in point-contact single junctions are studied experimentally. The devices consist of a lead top-electrode and a cobalt bottom-electrode which are separated by a thin Si3N4 membrane with a nanopore within which the two electrodes form a junction. The transport behaviors of the point-contacts with different contact areas were investigated for temperatures ranging between 2K and 300K. At room temperature, all devices exhibited linear current-voltage (IV) characteristics with a well defined asymptotic resistance Ra. The devices showing high resistance (Ra >RK≡h/e2) at room temperature exhibited insulating behavior with the zero-bias resistance Ro increases with decreasing temperature, and the IV curves showed a suppression in current at low-bias voltage region. On the contrary, the devices showing low resistance (Ra < RK) at room temperature exhibited metallic behavior with Ro decreases with decreasing temperature, and the IV curves were linear in the voltage region of interest. A model circuit was proposed to explain the observed behaviors. This model consists of a single tunnel junction (a capacitor shunted with a tunnel resistor) connecting in series with environment of variable impedance. The single junction represents the point contact, which sees an environment comprising randomly stacked metal grains. The IV and Ro(T) characteristics of this model circuit were calculated based on P(E) theory which describes the probability for energy exchange between tunneling electrons with energy E and the environment of various impedance, and a good agreement was obtained.During the course of device fabrication, we noticed the presence of chimney metal structures surrounding the nanopores. The chimneys are considered to be formed by nucleation process at the edge of the Si3N4 pores because this process can be observed by cooling the substrates with LN2. The nucleation process has been tested using different evaporation methods, evaporation rates with various metals and is found to be very robust.

碩士
國立中央大學
電機工程研究所
100
In this thesis, we theoretically investigate the thermoelectric properties of a serially coupled quantum dot system (double quantum dots embedded in a nanowire connected to metallic electrodes ) by a two-level Anderson model. The charge and heat currents in the Coulomb blockade regime are calculated by the Keldysh-Green function technique. We study the following effects on the figure of merit (ZT) of system:1) electron interdot hopping strengths (t_AB) and Coulomb interactions, and 2) quantum dot energy levels above and below the Fermi energy (E_F) of electrodes. We also study the sign variation of Seebeck coefficient with respect to equilibrium temperature. When QD energy levels are aboveE_F , the maximum ZT is suppressed by the electron Coulomb interactions. When QD energy levels are below EF, the maximum ZT is attributed to the electron Coulomb interactions. The optimization of ZT prefers that the interdot electron hopping strengths are larger than electron tunneling rates arising from the coupling between the QDs and the electrodes in the presence of phonon thermal conductance. We demonstrate that ZT is not a monotonic increasing function of interdot electron hopping strength (t_AB). In addition, the Seebeck coefficient is not sensitive to the electron Coulomb interactions when QD energy levels are above E_F (far away from E_F). When QD energy levels are below E_F, we find the sign changed in the Seebeck coefficient with respect to temperature, which indicates that we can manipulate temperature to control the bipolar effect of junction system.

Es wurde gezeigt, dass durch die Vorpositionierung von Quantenpunkten, diese mit einem gezielten Abstand im Bereich von einigen 100 nm zueinander und daher mit einer definierten Dichte in Speicherbauelemente eingebracht werden können. Es wurde bei tiefen Temperaturen wohldefinierte Coulombblockade demonstriert. Durch die Analyse der Coulomb-Rauten war es möglich, auf die Größe und Ladeenergie von Quantenpunkten im Kanal zu schliessen. Es wurde gezeigt, dass vorpositionierte Quantenpunkte sehr gut als Floating Gate eingesetzt werden können. Die Speichereigenschaften dieser Quantenpunkte wurden im Hinblick auf die Hysteresebreite DeltaVth in Abhängigkeit der Kanalbreite, der Drainspannung und der Temperatur untersucht und diskutiert. Hierbei konnte eine deutliche Abhängigkeit der Thresholdspannung von der Kanalbreite der Struktur ermittelt werden. Für Strukturen mit einem breiten Kanal wurde festgestellt, dass der Stromfluss bereits bei negativen Gatespannungen einsetzt, während für schmale Strukturen positive Gatespannungen nötig sind, um einen Ladungstransport hervorzurufen. Zur Bestimmung der Temperaturstabilität der Ladezustände wurde sowohl die Thresholdspannung als auch die Hysteresebreite als Funktion der Probentemperatur im Bereich von 4.2K bis Raumtemperatur bei verschiedenen Drainspannungen bestimmt. Hierbei wurde festgestellt, dass die Hysteresebreite bis zu einer kritischen Temperatur stufenförmig abnimmt und danach wieder leicht ansteigt. Bei der Untersuchung der Threshold- Spannung wurde ein Unterschied Vth,zu und Vth,auf festgestellt. Erstmals konnte ein lateral und vertikal positionierter InAs Quantenpunkt als Speicher für den Betrieb bei Raumtemperatur demonstriert werden. Ferner wurde die Wirkung eines Gate-Leckstromes auf den gemessenen Drain- Strom eines monolithischen Drei-Kontakt-Struktur untersucht und diskutiert. Die untersuchten Proben basieren auf einem neuen Parallel-Design, in welchem das Gate nicht wie üblich zwischen Source und Drain positioniert wurde, sondern in serieller Verbindung mit dem Drain- oder Sourcekontakt, d.h. mit einem zentralen Drain zwischen Source und Gate, gesetzt wurde. Hierdurch konnte eine merkliche Reduzierung des Probeninnenwiderstandes erreicht werde. Zu Beginn wurden zur Charakterisierung der Probe Transportmessungen bei Raumtemperatur durchführt. Hierbei konnte verglichen mit herkömmlichen Quantendrahttranistoren realisiert auf demselbenWafer, zum einen eine deutlich höhere Transconductance durch das parallele Design erreicht werden. Zum anderen zeigte die ermittelte Transconductance nicht den erwarteten linearen Verlauf in Abhängigkeit der Drainspannung, sondern einen quadratischen. Die Messungen zeigten außerdem einen Abfall des Drain-Stromes ab einer kritischen Größe des Gate-Leckstromwertes, welcher auf ein dynamisches Gate, hervorgerufen durch die Ladungsträger aus dem Gate, zurückgeführt wird. Diese zusätzliche virtuelle Kapazität addiert sich in paralleler Anordnung zum geometrischen Gate-Kondensator und verbessert die Transistoreigenschaften. Zum Abschluss der Arbeit wurden Hochfrequenzmessungen zur Ermittlung einer Leistungsverstärkung von Drei-Kontakt-Strukturen bei Raumtemperatur für unterschiedliche Gate- und Drainspannungen durchgeführt. Um die Hochfrequenzeigenschaften der untersuchten Probe zu erhöhen, wurde hierfür ein Design gewählt, in welchem die Goldkontakte zur Kontaktierung sehr nahe an die aktive Region heranragen. Für diese Spannungskombination konnte für eine Frequenz im Gigaherz-Bereich eine positive Spannungsverstärkung > 1 dB gemessen werden. Höhere Spannungen führen zu einem Sättigungswert in der Leistungsverstärkung. Dies wird zurückgeführt auf den maximal zur Verfügung stehenden Strom in der aktiven Region zwischen den nahen Goldkontakten. Zudem wurde eine Lösung vorgestellt, um das fundamentale Problem der Impedanzfehlanpassung für Hochfrequenzmessungen von nanoelektronischen Bauelementen mit einem hohen Innerwiderstand zu lösen. Eine Anpassung der unterschiedlichen Impedanzen zwischen Bauelement und Messapparatur ist unbedingt notwendig, um Reflexionen bei der Übertragung zu vermeiden und somit die Gewinnoptimierung zu erhöhen. Zur Behebung der Fehlanpassung wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Impedanz-Anpassungs-Netzwerk auf einer PCB-Platine realisiert, welches mit der Probe verbunden wurde. Die Anpassung wurde durch eingebaute Strichleitungen in das Layout des Anpassungsboards vorgenommen. Durchgeführte Simulationen der Probe in Verbindung mit dem Anpassungs-Netzwerk bestätigten die experimentellen Ergebnisse. Durch die Anpassung konnte der simulierte Reflexionskoeffizient deutlich reduziert werden, bei gleichzeitiger Erhöhung des Transmissionskoeffizienten. Ebenfalls zeigten die Messungen an einer Drei-Kontakt-Struktur mit Anpassungs-Board eine signifikante Verbesserung der Leistungsverstärkung
Dynamical Charging and Discharging of laterally aligned quantum dot structures We can demonstrate that the direct positioning enables us to embed quantum dots with given periods to each other of only a few 100 nm and therefore with a defined density into the memory-structures. For low temperatures, well defined Coulombblockade can be observed. The analysis of the measured diamond patterns allows the determination of the dimension and the charging energy of the embedded quantum dots in the channel. The memory properties of these quantum dots were analyzed and discussed in terms of the hysteresis width DeltaVth which depends on the channel width, the applied drain voltage and the device temperature. The measurements reveal a dependence of the threshold voltage on the channel width of the structure. For devices with a wide channel the current transport sets in with negative applied gate voltages, in contrast to structures with narrow channels, requiring positive gate voltages to cause a current flow through the channel. To explain these results we assume that in large channels a higher negative voltage is necessary to deplete the charges out of the channel due to the higher charge density. To analyze the temperature stability of the charge states the threshold voltage as well as the hysteresis width is detected as a function of the temperature for different drain voltages in the range of 4.2K up to room temperature. It is determined that the hysteresis width decreases to a critical temperature before it rises again. For the investigation of the threshold voltage a difference between Vth,up and Vth,down is demonstrated. We assume that this difference is caused by the different charging behavior for increasing charge energies. In this work, lateral and vertical positioned InAs quantum dots could be demonstrated as a memory device operated at room temperature for the first time. Improved transistor functionality caused by gate leakage currents in nanoscaled Three Terminal Structures Further we investigate the role of gate leakage on the drain current in a monolithic, unipolar GaAs/AlGaAs heterostructure based on three leaky coupled contacts. Two in-plane barriers, defined by rows of etched holes in a two-dimensional electron gas, separate the leaky gate from the central drain and the drain from the source. Because of this the internal resistance of the structure can be appreciably decreased. It should be noted that the observed differential voltage amplification in the gate leakage regime of the studied structure is by far larger compared to the voltage amplification of any in-plane wire transistor fabricated from the same wafer, which were controlled by two non-leaking in-plane gates. The calculated transconductance increases quadratically and not in a non-linear manner, as expected. A pronounced reduction of the drain current sets in when the gate starts to leak, pointing at a large parallel gate capacitor. We associate the gate-leakage current induced gating with a virtual floating gate induced by the space charge injected from the gate. The space charge can hereby be described by a parallel gate capacitor that can control a low dimensional channel lying nearby. High frequency measurements on Three Terminal Structures High frequency measurements for determination of the power gain in Three Terminal Structures are carried out at room temperature. To improve the high frequency properties of the investigated structures a special design was chosen, where the gold contacts for contacting the sample approach very closely the active switching region. The measurements show that negative gate voltages are much more efficient to the power gain than positive ones. For these voltage combinations a power gain > 1 dB for frequencies in the GHz range is detected, whereas the power gain saturates for higher voltages. This is interpreted in terms of the maximum number of charges in the active region between the gold contacts. Furthermore an answer to the fundamental obstacle of the impedance mismatch for high frequency measurements on nanoelectronic structures with high internal resistance is given. Such a matching between the device and the measurement setup is necessary to reduce signal reflections and therefore increase the gain. To match the impedances, an impedancematching- network on a PCB-plate (printed circuit board) via integrated stubs was realized. Simulation data of the sample in connection with the matching-network is in very good agreement with the experimental data. Using the network reduces the simulated reflection coefficient and simultaneously raises the transmission coefficient. The measurements also show a significant improvement of the power gain behaviour