A Hybrid Random Number Generator Using Single Electron Tunneling Junctions and MOS Transistors

This paper proposes a novel single electron random number generator (RNG). The generator consists of multiple tunneling junctions (MTJ) and a hybrid single electron transistor (SET)/MOS output circuit. It is an oscillator-based RNG. MTJ is used to implement a high-frequency oscillator,which uses the inherent physical randomness in tunneling events of the MTJ to achieve large frequency drift. The hybrid SET and MOS output circuit is used to amplify and buffer the output signal of the MTJ oscillator. The RNG circuit generates high-quality random digital sequences with a simple structure. The operation speed of this circuit is as high as 1GHz. The circuit also has good driven capability and low power dissipation. This novel random number generator is a promising device for future cryptographic systems and communication applications.

Magnetic tunneling junctions with the Heusler compound Co 2 Cr 0.6 Fe 0.4 Al

Materialen mit sehr hoher Spinpolarisation werden für Anwendungen im Bereich der Spin-Elektronik benötigt. Deshalb werden große Forschungsanstrengungen zur Untersuchung der Eigenschaften von Verbindungen mit potentiell halbmetallischem Charakter, d. h.mit 100% Spinpolarisation, unternommen. In halbmetallischen Verbindungen, erwartet man eine Lücke in der Zustandsdichte an der Fermi Energie für Ladungsträger einer Spinrichtung, wahrend die Ladungsträger mit der anderen Spinrichtung sich metallisch verhalten. Eine Konsequenz davon ist, dass ein Strom, der durch solche Verbindung fließt, voll spinpolarisiert ist. Die hohe Curie-Temperatur Tc (800 K) und der theoretisch vorhergesagte halbmetallische Charakter machen Co2Cr0.6Fe0.4Al (CCFA) zu einem guten Kandidaten für Spintronik-Anwendungen wie magnetische Tunnelkontakte (MTJs = Magnetic Tunneling Junctions). In dieser Arbeit werden die Ergebnisse der Untersuchung der elektronischen und strukturellen Eigenschaften von dünnen CCFA Schichten dargestellt. Diese Schichten wurden in MTJs integriert und der Tunnel-Magnetowiderstands-Effekt untersucht. Hauptziele waren die Messung der Spinpolarisation und Untersuchungen der elektronischen Struktur von CCFA. Der Einfluss verschiedener Depositionsparameter auf die Eigenschaften der Schichten, speziell auf der Oberflächenordnung und damit letztlich auf den Tunnel-Magnetowiderstand (TMR), wurde bestimmt. Epitaktische d¨unne CCFA Schichten mit zwei verschiedenen Wachstumsrichtungen wurden auf verschiedene Substrate und Pufferschichten deponiert. Ein Temperverfahren wurde eingesetzt um die strukturelle Eigenschaften der dünnen Schichten zu verbessern. Für die MTJs wurde Al2O3 als Barrierenmaterial verwendet und Co als Gegenelektrode gewählt. Die Mehrschicht-Systeme wurden in Mesa-Geometrie mit lithographischen Methoden strukturiert. Eine maximal Jullière Spinpolarisation von 54% wurde an Tunnelkontakte mit epitaktischen CCFA Schichten gemessen. Ein starker Einfluss der Tempernbedingungen auf dem TMR wurde festgestellt. Eine Erhörung des TMR wurde mit einer Verbesserung der Oberflächenordung der CCFA Schichten korreliert. Spektroskopische Messungen wurden an den MTJs durchgeführt. Diesen Messungen liefern Hinweise auf inelastische Elektron-Magnon und Elektron-Phonon Stossprozesse an den Grenzflächen. Einige der beobachteten Strukturen konnten mit der berechneten elektronischen Struktur von CCFA korreliert worden.

Structural aspects of redox-mediated electron tunneling (Dedicated to the memory of professor Alexander M. Kuznetsov)

We investigated structural aspects of electron transfer (ET) in tunneling junctions (Au(1 1 1)vertical bar FcN vertical bar solution gap vertical bar Au STM tip) with four different redox-active N-thioalk(ano)ylferrocenes (FcN) embedded. The investigated molecules consist of a redox-active ferrocene (Fc) moiety connected via alkyl spacers with N = 4, 6, 8 and 11 carbon atoms to a thiol anchoring group. We found that for short FcNs (N = 4, 6,8) the redox-mediated ET response increases with the increase of the alkyl chain length, while no enhancement of the ET was observed for Fc1 1. The model of two-step ET with partial vibrational relaxation by Kuznetsov and Ulstrup was used to rationalize these results. The theoretical ET steps were assigned to two processes: (1) electron tunneling from the Fc group to the Au tip through the electrolyte layer and (2) electron transport from the Au(1 1 1) substrate to the Fc group through the organic adlayer. We argue that for the three short FcNs, the first process represents the rate-limiting step. The increase of the length of the alkyl chain leads to an approach of the Fc group to the STM tip, and consequently accelerates the first El' step. In case of the Fcl 1 junctions the rather high thickness of the organic layer leads to a decrease of the rate of the second ET step. In consequence, the contribution of the redox-mediated current enhancement to the total tunneling current appears to be insignificant. Our work demonstrates the importance of combined structural and transport approaches for the understanding of Er processes in electrochemical nanosystems. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Low-noise THz Niobium SIS Mixers

This thesis describes the development of low-noise heterodyne receivers at THz frequencies for submillimeter astronomy using Nb-based superconductor-insulator-superconductor (SIS) tunneling junctions. The mixers utilize a quasi-optical configuration which consists of a planar twin-slot antenna and antisymmetrically-fed two-junctions on an antireflection-coated silicon hyperhemispherical lens. On-chip integrated tuning circuits, in the form of microstrip lines, are used to obtain maximum coupling efficiency in the designed frequency band. To reduce the rf losses in the integrated tuning circuits above the superconducting Nb gap frequency (~ 700 GHz), normal-metal Al is used to replace Nb as the tuning circuits.

To account the rf losses in the micros trip lines, we calculated the surface impedance of the AI films using the nonlocal anomalous skin effect for finite thickness films. Nb films were calculated using the Mattis-Bardeen theory in the extreme anomalous limit. Our calculations show that the losses of the Al and Nb microstrip lines are about equal at 830 GHz. For Al-wiring and Nb-wiring mixers both optimized at 1050 GHz, the RF coupling efficiency of Al-wiring mixer is higher than that of Nb-wiring one by almost 50%. We have designed both Nb-wiring and Al-wiring mixers below and above the gap frequency.

A Fourier transform spectrometer (FTS) has been constructed especially for the study of the frequency response of SIS receivers. This FTS features large aperture size (10 inch) and high frequency resolution (114 MHz). The FTS spectra, obtained using the SIS receivers as direct detectors on the FTS, agree quite well with our theoretical simulations. We have also, for the first time, measured the FTS heterodyne response of an SIS mixer at sufficiently high resolution to resolve the LO and the sidebands. Heterodyne measurements of our SIS receivers with Nb-wiring or Al-wiring have yielded results which arc among the best reported to date for broadband heterodyne receivers. The Nb-wiring mixers, covering 400 - 850 GHz band with four separate fixed-tuned mixers, have uncorrected DSB receiver noise temperature around 5hv/k_b to 700 GHz, and better than 540 K at 808 GHz. An Al-wiring mixer designed for 1050 GHz band has an uncorrected DSB receiver noise temperature 840 K at 1042 GHz and 2.5 K bath temperature. Mixer performance analysis shows that Nb junctions can work well up to twice the gap frequency and the major cause of loss above the gap frequency is the rf losses in the microstrip tuning structures. Further advances in THz SIS mixers may be possible using circuits fabricated with higher-gap superconductors such as NbN. However, this will require high-quality films with low RF surface resistance at THz frequencies.

Tunnelkontakte mit Heusler-Elektrode: Spinpolarisation von Co 2Cr 0,6Fe 0,4Al und Einfluss der Barriere

Ziel dieser Arbeit ist die Bestimmung der Spinpolarisation von der Heusler-Verbindung Co2Cr0,6Fe0,4Al. Dieses Ziel wurde durch die sorgfältige Präparation von Co2Cr0,6Fe0,4Al basierten Tunnelkontakten realisiert. Tunnelwiderstandsmessungen an Co2Cr0,6Fe0,4Al-basiertenrnTunnelkontakten ergaben einen Tunnelmagnetowiderstand von 101% bei 4 K. DieserrnTunnelmagnetowiderstand legt eine untere Grenze von 67% für die Spinpolarisation von Co2Cr0,6Fe0,4Al fest.rnrnCo2Cr0,6Fe0,4Al ist eine Heusler-Verbindung, der die Eigenschaften eines halbmetallischen Ferromagneten zugeschrieben werden. Ein halbmetallischer Ferromagnet hat an der Fermikante nur Elektronenspinzustände mit einer Polarisation. Als Folge davon können bei einem spinerhaltenden Tunnelprozess nur Elektronen einer Spinrichtung in den halbmetallischen Ferromagneten tunneln. Mit einem magnetischen Feld und einer durch einen Antiferromagneten fixierten Gegenelektrode, können an einem Tunnelkontakt mit einem spinpolarisierten Ferromagneten deshalb zwei Zustände, eine hohe und eine niedrige Tunnelleitfähigkeit, erzeugt werden. Daher finden spinpolarisierte Tunnelkontakte in Form von MRAM in der Datenspeicherung Verwendung. Bislang wurde jedoch keine Verbindung gefunden, der eine Spinpolarisation von 100% experimentell eindeutig nachgewiesen werden konnte. Für Co2Cr0,6Fe0,4Al lagen die höchsten gemessenen Spinpolarisationen um 50%.rnrnTunnelspektroskopie ist eine zuverlässige und anwendungsnahe Methode zur Untersuchung der Spinpolarisation. Inelastische Tunnelprozesse und eine reduzierte Ordnung an Grenzflächen bewirken einen reduzierten Tunnelmagnetowiderstand. Eine symmetriebrechende Barriere, wie amorphes AlOx, ist Voraussetzung für die Anwendung des Jullière-Modells zur Bestimmung der Spinpolarisation. Das Jullière-Modell verknüpft die Spin-aufgespaltenenrnZustandsdichten der Elektroden mit dem Tunnelmagnetowiderstand. Ohne einernsymmetriebrechende Barriere, zum Beispiel mit MgO als Isolatorschicht, können höhere Tunnelmagnetowiderstände erzwungen werden. Ein eindeutiger Rückschluss auf die Spinpolarisation ist dann jedoch nicht mehr möglich. Mit Aluminiumoxid-basierten Barrieren liefert die Anwendung des einfachen Jullière-Modells eine Untergrenze der Spinpolarisation.rnrnUm die Spinpolarisation von Co2Cr0,6Fe0,4Al durch Tunnelspektroskopie zu bestimmen, musste die Präparation der Tunnelkontakte verbessert werden. Dies wurde ermöglicht durch den Anbau einer neuen Sputterkammer mit besseren UHV-Bedingungen an ein bestehendes Präparationscluster. Co2Cr0,6Fe0,4Al wird mit Hilfe von Radiofrequenz-Kathodenzerstäuben deponiert. Die resultierenden Schichten verfügen nach ihrer Deposition über einen höheren Ordnungsgrad und über eine geordnete Oberfläche. Durch eine Magnesium-Pufferschicht war es möglich, auf diese Oberfläche eine homogene amorphe AlOx-Barriere zu deponieren. Als Gegenelektrode wurde CoFe als Ferromagnet mit MnFe als Antiferromagnet gewählt. Diese Gegenelektrode ermöglicht Tunnelmessungen bis hin zu Raumtemperatur.rnrnMit den in dieser Arbeit vorgestellten optimierten Analyse- und Präparationsmethoden ist es möglich, die Untergrenze der Spinpolarisation von Co2Cr0,6Fe0,4Al auf 67% anzuheben. Dies ist der bisher höchste veröffentlichte Wert der Spinpolarisation von Co2Cr0,6Fe0,4Al.rn

Zbadanie prądu tunelowego w złączach typu metal-nadprzewodnik trypletowy dla wybranych symetrii parametru porządku

Wydział Fizyki: Zakład Teorii Ciała Stałego

Direct Band-to-Band Tunneling in Reverse Biased MoS2 Nanoribbon p-n Junctions

We investigate the direct band-to-band tunneling (BTBT) in a reverse biased molybdenum disulfide (MoS2) nanoribbon p-n junction by analyzing the complex band structure obtained from semiempirical extended Huckel method under relaxed and strained conditions. It is demonstrated that the direct BTBT is improbable in relaxed monolayer nanoribbon; however, with the application of certain uniaxial tensile strain, the material becomes favorable for it. On the other hand, the relaxed bilayer nanoribbon is suitable for direct BTBT but becomes unfavorable when the applied uniaxial tensile or compressive strain goes beyond a certain limit. Considering the Wentzel-Kramers-Brillouin approximation, we evaluate the tunneling probability to estimate the tunneling current for a small applied reverse bias. Reasonably high tunneling current in the MoS2 nanoribbons shows that it can take advantage over graphene nanoribbon in future tunnel field-effect transistor applications.

The effect of environmental coupling on tunneling of quasiparticles in Josephson junctions

We study quasiparticle tunneling in Josephson tunnel junctions embedded in an electromagnetic environment. We identify tunneling processes that transfer electrical charge and couple to the environment in a way similar to that of normal electrons, and processes that mix electrons and holes and are thus creating charge superpositions. The latter are sensitive to the phase difference between the superconductors and are thus limited by phase diffusion even at zero temperature. We show that the environmental coupling is suppressed in many environments, thus leading to lower quasiparticle decay rates and better superconductor qubit coherence than previously expected. Our approach is nonperturbative in the environmental coupling strength.

Quantum tunneling through planar p-n junctions in HgTe quantum wells

We demonstrate that a p-n junction created electrically in HgTe quantum wells with inverted band structure exhibits interesting intraband and interband tunneling processes. We find a perfect intraband transmission for electrons injected perpendicularly to the interface of the p-n junction. The opacity and transparency of electrons through the p-n junction can be tuned by changing the incidence angle, the Fermi energy and the strength of the Rashba spin-orbit interaction (RSOI). The occurrence of a conductance plateau due to the formation of topological edge states in a quasi-one-dimensional (Q1D) p-n junction can be switched on and off by tuning the gate voltage. The spin orientation can be substantially rotated when the samples exhibit a moderately strong RSOI.

Tunneling magnetoresistance in CoFeB/GaAs/(Ga,Mn)As hybrid magnetic tunnel junctions

We reported the all electronic demonstration of spin injection and detection in the trilayers with hybrid structure of CoFeB/GaAs/(Ga,Mn)As (metal/insulator semiconductor) by probing the magnetoresistance at low temperature from 1.8 to 30 K. Tunneling magnetoresistance (TMR) ratios of 3.8%, 4.7%, 2.9%, and 1.4% at 1.8, 10, 20, and 30 K, respectively, were observed. Bias dependence of both the junction resistance and TMR ratio was studied systematically. V-half at which TMR drops to half of its maximum is 6.3 mV, being much smaller compared to that observed in (Ga,Mn)As/ZnSe/Fe and (Ga,Mn)As/AlAs/MnAs hybrid structures, indicating lower Fermi energy of (Ga,Mn)As.

From Tunneling to Hopping: A Comprehensive Investigation of Charge Transport Mechanism in Molecular Junctions Based on Oligo(p-phenylene ethynylene)s

The charge transport mechanism of oligo(p-phenylene ethynylene)s with lengths ranging from 0.98 to 5.11 nm was investigated using modified scanning tunneling microscopy break junction and conducting probe atomic force microscopy methods. The methods were based on observing the length dependence of molecular resistance at single molecule level and the current-voltage characteristics in a wide length distribution. An intrinsic transition from tunneling to hopping charge transport mechanism was observed near 2.75 nm. A new transitional zone was observed in the long length molecular wires compared to short ones. This was not a simple transition between direct tunneling and field emission, which may provide new insights into transport mechanism investigations. Theoretical calculations provided an essential explanation for these phenomena in terms of molecular electronic structures.

Power dissipation for systems with junctions of multiple quantum wires

We study power dissipation for systems of multiple quantum wires meeting at a junction, in terms of a current splitting matrix (M) describing the junction. We present a unified framework for studying dissipation for wires with either interacting electrons (i.e., Tomonaga-Luttinger liquid wires with Fermi-liquid leads) or noninteracting electrons. We show that for a given matrix M, the eigenvalues of (MM)-M-T characterize the dissipation, and the eigenvectors identify the combinations of bias voltages which need to be applied to the different wires in order to maximize the dissipation associated with the junction. We use our analysis to propose and study some microscopic models of a dissipative junction which employ the edge states of a quantum Hall liquid. These models realize some specific forms of the M matrix whose entries depends on the tunneling amplitudes between the different edges.

Metal-insulator transition in perovskite oxides: Tunneling experiments

In this paper we have investigated the composition-driven metal-insulator (MI) transitions in two ABO3 classes of perovskite oxides (LaNixCo1-xO3 and NaxTayW1-yO3) in the composition range close to the critical region by using the tunneling technique. Two types of junctions (point-contact and planar) have been used for the investigation covering the temperature range 0.4 K