新しいナノスケール電子科学の創出と次世代デバイスの設計指針の獲得

创建新的纳米级电子科学并获取下一代设备的设计指南

基本信息

批准号：
09J01612
负责人：
高田幸宏
金额：
$ 1.34万
依托单位：
University of Tsukuba
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2009
资助国家：
日本
起止时间：
2009 至 2011
项目状态：
已结题

项目摘要

半導体デバイスの極微細化の結果、MOSFETsのチャネル長は10nmのオーダーに達しようとしている。このような系では、ナノスケールの伝導体中の電気伝導が現実のデバイス特性を支配するようになる。ナノスケール伝導体を挟むソース電極(電荷の出発点)とドレイン電極(電荷の終着点)の間に通常の電圧(1V程度)を印加すると、伝導体は高電界下に置かれ、ドレイン電極が最早熱平衡状態にはならない。我々はこれまで全く研究の行われてこなかった高電界下のナノスケール伝導体中の電子ダイナミクスに関する研究を行った。本研究において、ナノスケール伝導体中の電子は「波でもなく粒子でもない状態」、電子波束として伝導に寄与すると考え、粒子性と波動性のクロスオーバーする領域での電子ダイナミクスを検討することを狙った。電子波束は、原理的にエネルギーの高い固有状態も含んでおり、その影響は多体効果において特に顕著に表れる。すなわち、多体の電子相関効果を取り込んだ電子波束ダイナミクスを考えることが非常に重要である。本研究ではナノスケール伝導体中での電子輸送に関する基礎的な知見を得ることを目指して、長距離電子間相互作用を取り込んだ多電子波束ダイナミクスに関する理論的研究を行った。計算の結果、電子間相互作用によって電子波束の時間発展が抑制されるという結果を得た。結果は、ナノスケール伝導体中において電子が粒子性を示すことを示唆する結果である。言い換えると、電子間相互作用が電子波束の寿命を伸長する様な影響を与えることが分かった。また、電界を加えたシステムにおいても、電子波束がこのような振舞を示すという結果も得られた。したがって、本研究の結果から将来のナノデバイスにおいては電子間相互作用がデバイス特性に非常に重要な影響を与える要素であると考えられる。そのためこのような結果とその発展は、将来のナノデバイス設計に有力な指針を与えることができると考えられる。

由于半导体器件的小型化，MOSFET的沟道长度约为10 nm。在此类系统中，纳米级导体的导电性在实际器件性能中占主导地位。当在夹着纳米级导体的源极（充电起点）和漏极（充电终点）之间施加正常电压（约1V）时，导体被置于高电场下，漏极电极不再达到热平衡状态。我们进行了高电场下纳米级导体的电子动力学研究，目前还没有研究过。在这项研究中，我们认为纳米级导体中的电子“既不是波也不是粒子”，而是以电子波包的形式参与传导，我们的目标是研究粒子和波性质交叉的区域中的电子动力学。原则上，电子波包也包含高能本征态，它们的影响在多体效应中尤其明显。换句话说，考虑包含多体电子相关效应的电子波包动力学非常重要。在这项研究中，我们对包含长程电子-电子相互作用的多电子波包动力学进行了理论研究，旨在获得有关纳米尺度导体中电子传输的基础知识。计算结果表明，电子波包的时间演化受到电子间相互作用的抑制。结果表明电子在纳米级导体中表现出粒子性质。即，发现电子间的相互作用具有延长电子波包的寿命的效果。他们还发现，即使在施加电场的系统中，电子波包也表现出这种行为。因此，本研究结果表明，在未来的纳米器件中，电子之间的相互作用将是影响器件特性的一个非常重要的因素。因此，人们认为这些结果及其发展可以为未来的纳米器件设计提供有力的指导。