Przekształcenie metalu w dielektryk 03.05.2017

Naukowcy z Wyższej Szkoły Ekonomii i Nanocentrum Jyväskul (Finlandia) po raz pierwszy zademonstrowali eksperymentalnie efekt wielkości kwantowej w metalowym nanodrutze. Odkryty efekt jest uniwersalny i powinien być uwzględniony przy projektowaniu ultramałych układów nanoelektronicznych.

Badania pokazują, jak rezystancja elektryczna metalowego nanodrutu wykonanego z bizmutu zmienia się niemonotonicznie w procesie zmniejszania jego średnicy, a następnie gwałtownie wzrasta, przenosząc obiekt w stan dielektryczny (izolacyjny). Zdaniem naukowców efekty wielkości kwantowej są związane z fundamentalnym zjawiskiem - kwantowaniem widma energetycznego elektronów. I można to zaobserwować tylko w obiektach o ekstremalnie małych rozmiarach.

„Nośnikiem ładunku jest z reguły elektron i nie da się określić jego dokładnego położenia, ale znamy prawdopodobieństwo jego przebywania w określonym obszarze. Prawdopodobieństwo to opisuje kwantowo-mechaniczna funkcja falowa, a każda fala ma własnej charakterystycznej skali – długości fali” – wyjaśnia jeden ze współautorów badań. – Jeśli więc zrobimy przewodnik, którego wymiary są porównywalne z długością fali tej fali, nastąpi jakościowa zmiana właściwości W tym przypadku mówimy o kwantyzacji poziomów energetycznych, czyli o podziale widma ciągłego na dobrze zdefiniowane poziomy.Ponadto jest tak zwany poziom Fermiego, który oddziela stany wypełnione energią od niewypełnionych. , gdy rozmiar przewodnika maleje, poziomy energii zaczynają się przesuwać w stosunku do tej wartości progowej, aw momencie, gdy ostatni wypełniony poziom przekracza poziom Fermiego, próbka przechodzi ze stanu metalicznego do stanu izolacyjnego. i to jest istota efektu wielkości kwantowej w naszym przypadku.”

Nanodruty zostały wybrane jako „przedmioty testowe”, ponieważ drut jest podstawą każdego obwodu elektrycznego, a jako przykład badano również cienką warstwę. Istnieje kilka metod badania efektów wielkości kwantowych (QSE). W pierwszym liczebność tej samej próby jest konsekwentnie zmniejszana; w drugim stosuje się kilka próbek o różnych rozmiarach.

Naukowcy wybrali to pierwsze, ponieważ uważali, że pasuje do "czystszego" eksperymentu. Głównym problemem w tym przypadku było zadanie zmniejszenia konstrukcji, aby jej nie uszkodzić. Rozmiary nanostruktur zmniejszono poprzez trawienie skierowaną wiązką jonów gazu obojętnego (argonu), tym samym „szlifując” powierzchnię. Znaleziono optymalny tryb przetwarzania, w którym chropowatość powierzchni wynosiła około 1 nanometra (około dwóch warstw atomowych). W tym przypadku najmniejsza średnica drutu wynosiła około 40 nm, a średnica początkowa około 300 nm. Same próbki zostały wytworzone przy użyciu dość standardowego procesu litografii wiązką elektronów i kierunkowego osadzania próżniowego. Po wykonaniu próbek i dokładnym ich sprawdzeniu, do pomiarów wybrano te najlepsze. Następnie cykl wytrawiania jonów i pomiarów powtarzano wielokrotnie, aż do momentu, gdy struktura była tak rozrzedzona, że ​​po prostu zawiodła (tj. rozerwała się).

„Głównym rezultatem pracy było to, że to cenione przejście metal-izolator istnieje nie tylko w obliczeniach teoretyków, ale można je również zaobserwować doświadczalnie. w nanodrutach, ale niezbyt udane.Możemy więc powiedzieć, że nasza praca jest jedną z pierwszych, które eksperymentalnie demonstrują efekt wielkości kwantowej w metalowym przewodniku.Efekt wielkości kwantowej jest zjawiskiem uniwersalnym, które powinno występować w absolutnie każdym układzie o wystarczającej małe rozmiary, dzięki czemu nasze badania pozwalają określić podstawowe ograniczenia miniaturyzacji elementów układów (nano)elektronicznych” – zauważają naukowcy.