Когда размер имеет значение

Физики показали превращение проводника в диэлектрикпри уменьшении его размера из-за квантового результата.

В наши дни, в то время, когда электронные устройства становятся все более миниатюрными, делается ответственным вопрос, а сохраняют ли проводящие материалы собственные свойства при уменьшении их размеров?

Изображение обычной структуры примера из висмута до ионного стачивания. Размеры на осях указаны в микрометрах. В опыте уменьшалась центральная перемычка. (Иллюстрация: npj Quantum Materials 2, Article number: 18 (2017).) Слева пример до стачивания, справа – по окончании стачивания. (Иллюстрация: ВШЭ.) Упрощённая зонная диаграмма для проводников, полупроводников и диэлектриков (Рисунок: Wikipedia.)‹ ›

Как мы знаем, в металлах носителем заряда помогает электрон. Возможность того, что электрон находится в определенной  области, описывается квантовомеханической волновой функцией, имеющей характерный размер – длину волны де Бройля. В случае если проводящий кристалл значительно уменьшается так, что его размер делается сопоставим с длиной волны де Бройля, вступают в воздействие квантовые законы, и в следствии значительно изменяются все электронные особенности материала: проводимость, холловские и термоэлектрические коэффициенты, отражательная свойство, химическая поверхностная активность и т. д. Такое явление стало называться квантово-размерного результата.

Константин Арутюнов (Верховная школа экономики, математики и Московский институт электроники и Университет физических неприятностей РАН), Егор Седов (Верховная школа экономики, математики и Московский институт электроники) и Кари-Пекка Рииконен (Kari-Pekka Riikonen, Наноцентр Йювяскюля (Финляндия)) экспериментировали с монокристаллическим железным нанопроводом из висмута, уменьшая его сечение.

Имеется два способа изучения квантово-размерных эффектов: в первом последовательно уменьшают размер одного и того же примера, а во втором применяют пара образцов различного размера. Исследователи выбрали первый, поскольку, согласно их точке зрения, опыт при таких условиях был бы более «чистым». Главной проблемой стала задача уменьшить структуру так, дабы не повредить ее.

Размеры наноструктур уменьшали направленным пучком ионов инертного газа (аргона), что «стачивал» поверхность; этим занимались в Наноцентре Йювяскюля. Стартовый диаметр провода был порядка 300 нм (нанометров), в конце он уменьшался до 40 нм. Шероховатость поверхности составляла приблизительно 1 по поводу (около двух ядерных слоев).

В итоге физикам в первый раз удалось показать, что благодаря квантово-размерному эффекту электрическое сопротивление в утончающемся проводнике сперва осциллирует (колеблется), а после этого быстро возрастает, превращая проводник в диэлектрик. Результаты изучения размещены в издании Nature:Quantum Materials.

Главным выяснилось то, что заветный переход металл-диэлектрик существует не только в расчетах теоретиков. В более ранних работах аналогичного результата достигали в опытах с узкими плёнками, а вот попытки сделать то же самое в нанопроводах были не через чур успешны. Так что возможно заявить, что эта работа – одна из первых, в которой экспериментально показан квантово-размерный эффект в железном проводнике.

Появление квантово-размерного результата связано с тем, что энергия электронов квантуется – иными словами, у них имеется разрешенные уровни энергии. Таковой дискретный энергетический спектр существует неизменно, но в громадных кристаллах он делается фактически постоянным. При малых размерах квантование энергии начинает четко проявляться, и физики в этом случае говорят о расщеплении постоянного спектра на четко определённые уровни.

Нижние уровни энергии, заполненные электронами при температуре 0 К, именуются валентной территорией, а выше находится территория проводимости. У металлов обе территории перекрываются, исходя из этого они и выполняют электрический ток. У полупроводников и диэлектриков валентная территория находится ниже так именуемого уровня Ферми и отделена от территории проводимости запрещенной территорией (щелью), и потому при низких температурах они ток не выполняют.

Но при уменьшении размеров проводника энергетические уровни начинают сдвигаться относительно уровня Ферми, и в момент, в то время, когда последний заполненный уровень валентной территории пересекает его, образуется запрещенная образец и зона переходит из железного в диэлектрическое состояние. В этом и состоит сущность квантового размерного результата.

Для обычного металла квантовые явления заметно будут проявляться при  размерах примера порядка одного нанометра, что на практике сделать достаточно тяжело. Исходя из этого экспериментаторы выбрали для изучения висмут, в котором квантово-размерный эффект проявляется на намного больших масштабах, нежели в других металлах.

Так, в примерах висмута, выращенных на протяжении определенной кристаллографической ориентации, резкое повышение сопротивления происходило при размерах приблизительно в 50 нм. Но, как подчеркивают авторы работы, обрисованный в статье эффект возможно заметить не только в висмуте, но и в произвольных вторых металлах.

Показанный эффект универсален, и с ним нужно будет считаться в электронных устройствах нового поколения, каковые достигнут уже сверхмалых размеров. Иначе говоря полученные результаты разрешают выяснить фундаментальные ограничения на миниатюризацию элементов электронных цепей.

Создатель: Алексей Понятов

Источник: жизнь и Наука (nkj.ru)

Случайные записи:

• В человеческом носу нашли новый антибиотик
• Некоторые гены просыпаются после смерти

Размер имеет значение? Отвечают женщины от 18 до 45

Похожие статьи, которые вам понравятся:

• Hydrobee – гидроэлектростанция размером с пивную банку

  Сейчас появляется всё больше гаджетов, каковые разрешают заряжать мобильные устройства при отсутствии доступа к центральной электросети. Таковой…

• Только наше серое вещество сокращается в размерах с возрастом

  Новое изучение продемонстрировало, что сокращение количеств мозга – это и имеется та цена, которую мы все платим за то, что нам посчастливилось появиться…

• Размер мозга расскажет, сколько у вас друзей

  Как мы знаем громадный размер мозга не показывает, что вы умнее вторых, но имеется одно маленькое исключение. Выясняется, свойство заводить друзей и…

• Создана лазерно-пузырьковая ручка, способная писать наночастицами, размером в 1 нанометр » dailytechinfo

  Исследователи из Техасского университета в Остине создали новую пузырьковую литографическую разработку (bubble-pen lithography), которая при помощи…