Quantum Devices from the Assembly of Zero- and One-Dimensional Building Blocks

Abstract: Popular Abstract in Swedish Ämnet för den här avhandlingen är tillverkning och studier av elektroniska komponenter tillverkade av mycket små tråd- och punktformade byggmateriel. Diametern hos en sådan tråd kan vara så liten som 1 nanometer, vilket motsvarar en miljondels millimeter. När komponenter krymps till de här ytterst små dimensionerna uppstår nya fenomen, och parametrar som kan tyckas vara kontinuerliga i vardagliga sammanhang blir plötsligt diskreta. Den gren av fysiken man kallar kvantmekanik används för att beskriva dessa system. Elektroner ses här som vågor istället för partiklar, vilket förklarar företeelser som tunnling, interferens och kvantisering. Avhandlingen består av två delar. I första delen används ett atomkraftsmikroskop (AFM) för att studera och manipulera små nanorör av kol. Detta material upptäcktes i början av 1990-talet, och har bra elektrisk ledningsförmåga samt en extremt hög mekanisk hållbarhet. Baserat på dessa egenskaper utfördes under avhandlingsarbetet en studie kring möjligheten att använda nanorör som ytterst små kontakter till andra objekt på nanometerskalan. En transistor konstruerades genom att sätta ihop två nanorör med en nanopartikel av guld med hjälp av ett AFM. På grund av komponentens storlek måste elektronerna passera en och en genom guldpartikeln, och med en tredje kontakt kunde denna ström styras. I andra delen av avhandlingsarbetet studerades nanotrådar av olika halvledarmaterial. En halvledare skiljer sig från en metall genom att det vid låga temperaturer inte finns några elektroner som kan leda ström i materialet. Dock kan strömförande elektroner ganska lätt skapas genom inverkan av temperatur, ljus eller dopning med andra ämnen. Detta ger ett mycket större användningsområde för trådar av ett halvledarmaterial jämfört med t.ex. en tråd av ren metall. En teknik har utvecklats för att växa dessa trådar, atomlager för atomlager, från små katalytpartiklar. Vi har lyckats kombinera olika halvledarmaterial inuti nanotrådar för att skapa något som kan liknas vid en hinderbana för elektroner. Komponenter såsom dioder och transistorer har exempelvis tillverkats, vilka i vårt fall bygger på kvantmekanisk tunnling av elektroner genom tunna barriärer utmed tråden. Dessa komponenter har studerats både med högupplösande elektronmikroskopi och med elektriska mätningar vid låga temperaturer.