СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЕМКОСТИ УЕДИНЕННОЙ НАНОЧАСТИЦЫ Российский патент 2008 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к электрическим измерениям, а именно к определению электрических характеристик наночастиц, и может быть использовано в технологии наноэлектроники.

Проблема практической реализации устройств, использующих, в частности, одноэлектронные эффекты в наночастицах - одиночных молекулах и молекулярных кластерах, а также малых кластерах с числом атомов N<100 и работающих при комнатных температурах, требует знания и учета электрофизических параметров этих объектов. Этому вопросу посвящен ряд публикаций и изобретений - см., например, Gubin S.P., Gulayev Yu.V., Khomutov G.B., Kislov V.V., Kolesov V.V, Soldatov E.S., Sulaimankulov K.S. Trifonov A.S., MOLECULAR CLUSTERS AS BUILDING BLOCKS FOR NANOELECTRONICS: THE FIRST DEMONSTRATION OF CLUSTER SET TRANSISTOR AT ROOM TEMPERATURE, Nanotechnology, 2002, V.13, pp.185-194, Губин С.П., Катаева Н.А., Колесов В.В., Солдатов Е.С., Трифонов А.С., Хомутов Г.Б., Шорохов В.В. Нанофазные материалы в электронике - вещества, технология, устройства. Нелинейный мир, №1-2, т.3, 2005; V.V.Shorokhov, P.Johansson, E.S.Soldatov, SIMULATION OF CHARACTERISTICS OF MOLECULAR SET TRANSISTOR WITH DISCRETE ENERGY SPECTRUM OF THE CENTRAL ELECTRODE, J. Appl. Phys. 91, 3049 (2002); RU 2106041 C1, 27.02.1998.

Кластеры и молекулярные кластеры отличаются от других органических и неорганических молекул тем, что они состоят из компактного тяжелого ядра, как правило, с близкой к сферической симметрией, окруженного лигандной оболочкой из легких атомов или простейших молекул. Особенности электронного строения молекулярных кластеров - наличие густой сети близко расположенных верхних заполненных молекулярных орбиталей и соответствующих им нижних вакантных молекулярных орбиталей (и те, и другие, как правило, слабо связывающие) обусловливает, с одной стороны, появление в кластерах множественных одноэлектронных обратимых переходов и, с другой стороны, обеспечивает достаточную устойчивость остова молекулярных кластеров после добавления или удаления электрона. Часто такие молекулы называют "электронные резервуары" - в грубом приближении кластер можно рассматривать как микрогранулу металла.

Электрохимические свойства многих молекулярных кластеров достаточно надежно определены и варьируют в достаточно широких пределах в зависимости от природы металла, лигандного окружения и строения кластеров. Полагают, что такие молекулярные кластеры - одни из наиболее вероятных кандидатов на роль простейших "элементов" будущих наноструктур молекулярной электроники (С.П.Губин "Химия кластеров". - М.: Наука, 1987, 260 с.; Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. Серия "Синергетика: от прошлого к будущему", 2006. 592 с.).

К важным для молекулярной электроники параметрам относится электрическая емкость квантового объекта - наночастицы/молекулярного кластера. Как и в традиционном случае, емкость - это характеристика проводника, количественная мера его способности удерживать электрический заряд. В рассматриваемом случае значение емкости также определяет величину максимально возможного отрицательного заряда, который может быть помещен на молекулу или кластер.

Известен способ определения электрической емкости С уединенного объекта, например проводящего шара, согласно которому определяется заряд q и потенциал ϕ, а само значение емкости С рассчитывается по формуле: С=q/ϕ (см., например, Детлаф А.А. и др. Курс физики (в трех томах), т.II. Электричество и магнетизм, изд. 4, перераб., М.: Высшая школа, 1977, с.56-67).

Известен способ определения очень малых емкостей (RU 2216027 С2, ФОН БАССЕ и др., 10.11.2003), согласно которому к электродам, между которыми находится определяемый объект, в течение предварительно заданного времени прикладывают электрический потенциал таким образом, что между проводником возбуждения и несколькими проводниками считывания возникает разность потенциалов. Последняя заряжает конденсаторы, заряд отводят посредством каждого проводника считывания в отдельности на накопительный конденсатор. Для каждого проводника считывания определяют заряд или разность потенциалов накопительного конденсатора или соответственно число циклов заряда. Измеренная величина емкости позволяет сравнивать отпечатки пальцев различных лиц. Однако данный способ использует растр конденсаторных электродов, собственная емкость которых намного превышает как величины емкости наночастиц, так и электродов.

Известны также традиционные способы определения емкости методом непосредственных измерений по методу с уравновешиванием моста и другие, использующие образцовые меры (см. Электроника: Энциклопедический словарь / гл. ред. В.Г.Колесников. - М.: Сов. энциклопедия, 1991, с.132). Однако эти электрические способы измерений не могут быть осуществлены для анализируемых систем, к которым относятся кластеры и одиночные молекулы, поскольку невозможно проводить какие-либо манипуляции с внесением заряда ввиду их сверхмалых размеров. Кроме того, что самое главное, процесс заряжения оказывает необратимое влияние на состояние самого кластера. Иными словами, для целей определения в объектах микромира сверхмалых значений емкостей - долей аттофарады - не могут быть использованы известные принципы и средства диэлькометрических измерений. Использовать сканирующие туннельные микроскопы (RU 2092863 С1, Кислов В.В. и др., 10.10.1997; RU 2005102703 А, 20.08.2005, МАЙЛЗ и др. (аналог публикации - WO 2004/005844, 15.01.2004) не представляется возможным, поскольку регистрируемая электрическая емкость на границе раздела между зондом и нанообразцом является параметром, формирующим изображение объекта, и ее значение не определяется.

Задача изобретения сводится к определению электрической емкости уединенных (одиночных) предельно малых наночастиц (молекул, молекулярных кластеров, кластеров, квантовых точек) неэлектрическими средствами, что является техническим результатом изобретения.

Технический результат достигается тем, что способ определения электрической емкости уединенной наночастицы включает следующие операции:

- формирование объекта, содержащего наночастицы одного вида в жидком и/или газообразном состоянии,

- определение в указанном объекте методом фотоэлектронной спектроскопии значений потенциала ионизации, энергии нейтральных наночастиц в основном состоянии и энергии основного состояния отрицательных ионов, образовавшихся после присоединения электрона,

- определение искомого параметра из выражения

С_х=е²/(l_x+(S₀-S₁)),

где С_х - электрическая емкость уединенной наночастицы, Ф; е - заряд электрона, Кл; l_x - потенциал ионизации, Дж; S₀, S₁ - энергия нейтральных наночастиц в основном состоянии и энергия основного состояния отрицательных ионов, образовавшихся после присоединения электрона, соответственно, Дж.

Наночастица может представлять собой любую молекулу (например, молекулу цитохрома) или любой молекулярный кластер (например, Pt₅(СО)₇(Р(С₆Н₅)₃)₄), или кластер (например, частица/скопление атомов вещества) с размером, не превышающим 100 нанометров, или квантовую точку с размерами, обеспечивающими размерное квантование энергии в трехмерном пространстве (например, частица/скопление атомов вещества с размером 5 нанометров).

Для реализации патентуемого косвенного способа определения электрической емкости используются методы лазерной фотоэлектронной спектроскопии, основанные на измерении энергетических спектров электронов, вылетающих при фотоэлектронной эмиссии. По спектру электронов определяются энергии связи электронов и их уровни энергии в исследуемом объекте (см, например, RU 2272279 С1, Родченко и др., 20.03.2006). Измерения методом фотоэлектронной спектроскопии для металлических и неметаллических гомоатомных соединений, описанные в статье «Electronic and structural evolution of Con clusters (n=1-108) by photoelectron spectroscopy», Shu-Rong Liu, Hua-Jin Zhai, and Lai-Sheng Wang, Phys. Rev. B, 64, 153402, показывают, что сродство к электрону (разность между энергией нейтральных наночастиц в основном состоянии и энергией основного состояния отрицательных ионов, образовавшихся после присоединения электрона) возрастает с числом атомов до значения работы выхода макроскопического образца, состоящего из тех же атомов. Емкость молекулы и других оговоренных наночастиц возрастает по мере того, как возрастает в сторону отрицательных значений, вместе с размером молекулы, сродство к электрону. В случае, если сродство к электрону молекулы величина положительная, то эффективная емкость молекулы будет сравнима с эффективной емкостью отдельных атомов.

Способ реализуют следующим образом. Из наночастиц одного вида «х», находящихся в жидком и/или газообразном состоянии после их синтеза и разделения по фракциям, формируют объект исследования - наночастицы помещают в кювету. Далее, в сформированном объекте методом фотоэлектронной спектроскопии определяют значение потенциала l_x ионизации, энергию S₀ нейтральных наночастиц в основном состоянии и энергию S₁ основного состояния отрицательных ионов, образовавшихся после присоединения электрона.

Определение искомого параметра проводят по выражению:

С_х=е²/(l_x+(S₀-S₁)),

где С_х - электрическая емкость уединенной наночастицы, Ф; е - заряд электрона, Кл; l_x - потенциал ионизации, Дж; S₀, S₁ - энергия нейтральных наночастиц в основном состоянии и энергия основного состояния отрицательных ионов, образовавшихся после присоединения электрона, соответственно, Дж. Разница (S₀-S₁) характеризует энергию сродства к электрону.

В качестве примера в таблице приведены результаты, полученные для молекул фуллеренов С₇₀, С₈₀, С₁₀₀ и кластеров из разного числа атомов железа в форме шара. Для удобства значение С_х дано в аттофарадах (10^-18 Ф), а энергетические характеристики - в электронвольтах.

Таблица.ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЕМКОСТЬ НАНОЧАСТИЦ№ п.п.НаночастицаЧисло атомов NПотенциал ионизации I, эВS₀-S₁, эВС, •10^-18 Ф.1.Фуллерен707,03,00,04807,04,00,0551006,04,50,092.Кластер железа в форме шара36,51,50,03256,01,80,04105,41,90,047135,52,20,050255,02,10,055

Способ определения электрической емкости уединенной наночастицы включает операции: формирование объекта, содержащего наночастицы одного вида в жидком и/или газообразном состоянии; определение в указанном объекте методом фотоэлектронной спектроскопии значений потенциала ионизации, энергии нейтральных наночастиц в основном состоянии и энергии основного состояния отрицательных ионов, образовавшихся после присоединения электрона, с последующим определением электрической емкости уединенной наночастицы по предложенной формуле, используя ранее определенные значения указанных выше величин. Изобретение обеспечивает определение электрической емкости уединенных (одиночных) предельно малых наночастиц - (молекул, молекулярных кластеров, кластеров, квантовых точек) неэлектрическими средствами. 4 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ определения электрической емкости уединенной наночастицы включает операции:

формирование объекта, содержащего наночастицы одного вида в жидком и/или газообразном состоянии,

определение в указанном объекте методом фотоэлектронной спектроскопии значений потенциала ионизации, энергии нейтральных наночастиц в основном состоянии и энергии основного состояния отрицательных ионов, образовавшихся после присоединения электрона,

определение искомого параметра из выражения

C_x=e²/(l_x+(S₀-S₁)),

где С_х - электрическая емкость уединенной наночастицы, Ф;

e - заряд электрона, Кл;

l_х - потенциал ионизации, Дж;

S₀, S₁ - энергия нейтральных наночастиц в основном состоянии и энергия основного состояния отрицательных ионов, образовавшихся после присоединения электрона, соответственно, Дж.