В ИФП СО РАН (в группе Квантового транспорта в низкоразмерных системах, в лаб. 24, в лаб. 20) создан уникальный полупроводниковый прибор, позволяющий использовать одноэлектронный транзистор с эффектом кулоновской блокады, чувствительный к перемещению единичных электронов, для детектирования сверхмалых перемещений и колебаний – наноэлектромеханический одноэлектронный транзистор [1]. Уникальность полученного транзистора состоит в том, что детектирующий элемент – кантилевер, характеризующийся высокой добротностью, и преобразователь механических колебаний в электрический сигнал совмещены в одном приборе. Отличие описываемого прибора от обычного одноэлектронного транзистора заключается в том, что его квантовая точка и подведенная к ней нанопроволока оторваны от массива полупроводника (см. рис. 1), а, следовательно, могут смещаться из положения равновесия и колебаться. Сцепка появившихся механических степеней свободы с “электрическими” позволяет наблюдать ряд совершенно новых и интересных явлений.

Рис. 1. Одноэлектронный транзистор с квантовой точкой QD на краю подвешенной нанопроволоки. Обозначения: S – исток, D – сток, G1..G5 – затворы.

Рис. 2. Кондактанс G одноэлектронного транзистора как функция частоты ВЧ-напряжения, возбуждающего механические колебания.

Так, например, было обнаружено, что кондактанс такого транзистора обладает повышенной чувствительностью к резонансным механическим колебаниям. Описываемые колебания возбуждались ВЧ напряжением, прикладываемым к одному из затворов (G1). При частотах ВЧ-напряжения, равных собственным частотам механических колебаний транзистора, наблюдался пробой кулоновской блокады, выражающийся в резком увеличении дифференциального кондактанса (см. рис. 2). То, что колеблющаяся часть транзистора и детектор колебаний объединены в одно устройство, наделяет его безусловным преимуществом перед традиционными схемами детектирования колебаний по отражению лазерного луча от кантилевера. Кроме того, наноэлектромеханический транзистор может послужить основой для создания прецизионного источника тока, управляемого частотой механических колебаний. Рассматривается возможность применения одноэлектронного транзистора в масс-спектрометрии био-молекул, осажденных на колеблющуюся нанопроволоку по сдвигу резонансных частот.

Исследование подобных устройств и их приложений открывает совершенно новую область физики полупроводников. Полученные результаты уже нашли подтверждение в последующих работах других исследовательских групп [2]. Кроме того, аналогичные исследования проводились с углеродными нанотрубками [3, 4]. Однако, полупроводниковые одноэлектронные транзисторы обладают существенным преимуществом – они автоматически оказываются совместимы с современной полупроводниковой технологией.

[1] А. Г. Погосов, М. В. Буданцев, А. А. Шевырин и др. Письма в ЖЭТФ, том 90, вып. 8, с. 626-629 (2009).
[2] Yu. A. Pashkin, T. F. Li, J. P. Pekola et al. Appl. Phys. Lett. 96, 263513 (2010)
[3] G. A. Steele, A. K. Hüttel, B. Witkamp et al., Science 325, 1103 (2009).
[4] B. Lassagne, Y. Tarakanov, J. Kinaret, D. Garcia-Sanchez, and A. Bachtold, Science 325, 1107 (2009).