Charge and spin transport in nanoscale devices

Resumen

La miniaturización en el tamaño de los transistores ha sido seguida por numerosos otros componentes electrónicos y, como resultado, los dispositivos modernos consumen menos energía, la información es procesada más rápidamente y es posible almacenar la de forma más compacta. Sin embargo, la miniaturización continua de los componentes electrónicos podría estar acercándose rápidamente a un límite. En el momento en que los componentes individuales de los dispositivos se acercan a las escalas moleculares e incluso atómicas [1-5], los beneficios típicos del escalado en tamaño se pierden y conceptualmente se deberían necesitar nuevos dispositivos [6-8].En 2011, el transistor planar tradicional fue totalmente re-diseñado con el dispositivo Intel FinFET en el nodo de 22 nm. Desde entonces, la tecnología ha avanzado al nodo de 14nm en el 2014 y la industria tiene como objetivo producir un transistor de 10 nm en 2016. En tales dimensiones, la funcionalidad del dispositivo depende fuertemente de la física mesoscópica. La creación de las generaciones futuras de dispositivos electrónicos requiere tanto de la exploración de métodos de fabricación como del diseño de estructuras capaces de superar las limitaciones actuales.Diversas perspectivas inspiradoras se encuentran en el uso de conjuntos de moléculas como componentes de dispositivos electrónicos y en el aprovechamiento del espín de los portadores de carga para mejorar la funcionalidad [9]. En esta tesis, se explora la fabricación y el funcionamiento de dispositivos en la nano escala en un intento de arrojar luz sobre algunas cuestiones clave relativas a las próximas generaciónes de dispositivos electrónicos. En particular, nos centramos en el transporte de carga y espín en metales espacialmente confinados, en uniones túnel laterales y en conjuntos de moléculas. El transporte de carga eléctrica en dimensiones reducidas es abordado a través de la creación y caracterización de uniones túnel laterales. Con estos dispositivos se exploran los límites de la fabricación en nuestro instituto y durante las medidas de transporte nos acercamos al límite cuántico. Al acercar las dimensiones del dispositivo al camino libre medio del electrón, el efecto túnel se hace esencialmente omnipresente. Aparte de comprender y controlar los efectos de la corriente de fuga, las uniones túnel se pueden usar en dispositivos con funcionalidades únicas (por ejemplo, diodos Esaki, uniones túnel magnéticas, transistores de electrones individuales). Con estos mismos dispositivos podemos estudiar el transporte de carga a través de moléculas y nanopartículas conductoras, entidades que pueden dar lugar a dispositivos con funcionalidad única. Por último, prestaremos atención al transporte de espín utilizando válvulas de espín laterales (VEL). En estos dispositivos la funcionalidad extra viene dada por la introducción del espín, y la importancia de la dimensionalidad se ilustra claramente mediante la manipulación de la corriente de espín a través de la modulación de la anchura del canal de transporte. En el Capítulo 1, se presentan los conceptos teóricos fundamentales de interés para nuestro trabajo. Empezamos explicando el impacto de las dimensiones en eltransporte electrónico e introducimos el concepto de túnel cuántico. Seguidamente, discutimos el transporte a través de grupos de moléculas y nanopartículas conductoras así como la importancia tanto del canal de transporte de cargas como de los electrodos del dispositivo. Finalmente, se presentan los conceptos básicos de la espintrónica e introducimos la válvula de espín lateral. En el Capítulo 2 nos centramos en la nanofabricación. Comenzamos introduciendo el concepto de litografía, que es la técnica principal aplicada durante este trabajo. Con ello examinamos cada paso de la fabricación en detalle y el efecto individual de cada etapa en la resolución final del proceso. Finalmente discutimos la fabricación de uniones túnel laterales. La fabricación de estos dispositivos se realiza mediante litografía por haz de electrones (EBL), Electromigración (EM) y un método al que nos referiremos como el Método de Proyección.