Когда размер имеет значение
Физики продемонстрировали превращение проводника в диэлектрик при уменьшении его размера из-за квантового эффекта.
В наше время, когда электронные устройства становятся все более миниатюрными, становится важным вопрос, а сохраняют ли проводящие материалы свои свойства при уменьшении их размеров?
Как известно, в металлах носителем заряда служит электрон. Вероятность того, что электрон находится в определенной области, описывается квантовомеханической волновой функцией, имеющей характерный размер – длину волны де Бройля. Если проводящий кристалл уменьшается настолько, что его размер становится сопоставим с длиной волны де Бройля, вступают в действие квантовые законы, и в результате существенно изменяются все электронные свойства материала: проводимость, холловские и термоэлектрические коэффициенты, отражательная способность, химическая поверхностная активность и т. д. Такое явление получило название квантово-размерного эффекта.
Константин Арутюнов (Высшая школа экономики, Московский институт электроники и математики и Институт физических проблем РАН), Егор Седов (Высшая школа экономики, Московский институт электроники и математики) и Кари-Пекка Рииконен (Kari-Pekka Riikonen, Наноцентр Йювяскюля (Финляндия)) экспериментировали с монокристаллическим металлическим нанопроводом из висмута, уменьшая его сечение.
Есть два метода изучения квантово-размерных эффектов: в первом последовательно уменьшают размер одного и того же образца, а во втором используют несколько образцов разного размера. Исследователи выбрали первый, так как, по их мнению, эксперимент в таком случае был бы более «чистым». Основной проблемой стала задача уменьшить структуру так, чтобы не повредить ее.
Размеры наноструктур уменьшали направленным пучком ионов инертного газа (аргона), который «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 примерно 1 нм (около двух атомных слоев).
В итоге физикам впервые удалось продемонстрировать, что благодаря квантово-размерному эффекту электрическое сопротивление в утончающемся проводнике сначала осциллирует (колеблется), а затем резко возрастает, превращая проводник в диэлектрик. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature:Quantum Materials.
Главным оказалось то, что заветный переход металл-диэлектрик существует не только в расчетах теоретиков. В более ранних работах подобного результата достигали в опытах с тонкими плёнками, а вот попытки сделать то же самое в нанопроводах были не слишком успешны. Так что можно сказать, что эта работа – одна из первых, в которой экспериментально продемонстрирован квантово-размерный эффект в металлическом проводнике.
Появление квантово-размерного эффекта связано с тем, что энергия электронов квантуется – иными словами, у них есть разрешенные уровни энергии. Такой дискретный энергетический спектр существует всегда, но в больших кристаллах он становится практически непрерывным. При достаточно малых размерах квантование энергии начинает отчетливо проявляться, и физики в этом случае говорят о расщеплении непрерывного спектра на четко определённые уровни.
Нижние уровни энергии, заполненные электронами при температуре 0 К, называются валентной зоной, а выше располагается зона проводимости. У металлов обе зоны перекрываются, поэтому они и проводят электрический ток. У полупроводников и диэлектриков валентная зона находится ниже так называемого уровня Ферми и отделена от зоны проводимости запрещенной зоной (щелью), и потому при низких температурах они ток не проводят.
Однако при уменьшении размеров проводника энергетические уровни начинают сдвигаться относительно уровня Ферми, и в момент, когда последний заполненный уровень валентной зоны пересекает его, образуется запрещенная зона и образец переходит из металлического в диэлектрическое состояние. В этом и состоит суть квантового размерного эффекта.
Для типичного металла квантовые явления заметно будут проявляться при размерах образца порядка одного нанометра, который на практике сделать довольно трудно. Поэтому экспериментаторы выбрали для исследования висмут, в котором квантово-размерный эффект проявляется на значительно больших масштабах, нежели в других металлах. Так, в образцах висмута, выращенных вдоль определенной кристаллографической ориентации, резкое увеличение сопротивления происходило при размерах примерно в 50 нм. Однако, как подчеркивают авторы работы, описанный в статье эффект можно увидеть не только в висмуте, но и в любых других металлах.
Продемонстрированный эффект универсален, и с ним придется считаться в электронных устройствах нового поколения, которые достигнут уже сверхмалых размеров. Другими словами, полученные результаты позволяют определить фундаментальные ограничения на миниатюризацию элементов электронных цепей.
28 апреля 2017
Статьи по теме:
