Как металл превращается в диэлектрик

Исследователи из Высшей школы экономики и Наноцентра университета Ювяскуля (Финляндия) впервые экспериментально продемонстрировали квантовый размерный эффект в металлическом нанопроводе. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature: Quantum Materials в статье Quantum size phenomena in single-crystalline bismuth nanostructures. Обнаруженный эффект универсален и должен приниматься во внимание при проектировании наноэлектронных систем сверхмалых размеров.

Предел минимализма

Процессоры с каждым годом становятся все меньше и меньше, но вместе с тем, производительнее. Однако всё больше специалистов, занимающихся разработкой и производством электронных компонентов, а также представителей ученого сообщества, склоняются к тому что, в промежутке с 2018 по 2022 годы будет достигнут потолок в миниатюризации этих самых компонентов.

Параллельно ведётся очень много исследований и разработок, которые стараются не обойти эти возникшие ограничения, а наоборот, использовать их во благо науки. В частности, ученые уже давно понимали, что в объектах сверхмалых размеров должны проявляться качественно новые физические явления. Такое изменение привычных свойств вещества называют квантово-размерным эффектом. Изменяться могут различные характеристики, такие как электрическое сопротивление, теплопроводность, оптические свойства и т. д.

В исследовании, проведенном под руководством профессора департамента электронной инженерии МИЭМ ВШЭ Константина Арутюнова, показано, как электрическое сопротивление металлического нанопровода из висмута в процессе уменьшения его диаметра немонотонно меняется и затем резко возрастает, переводя объект в диэлектрическое (изолирующее) состояние.

По мнению ученых, квантово-размерные эффекты связаны с фундаментальным явлением — квантованием энергетического спектра электронов. И наблюдать его можно только в объектах исключительно малых размеров.

«Носителем заряда является, как правило, электрон, и чёткое его положение определить невозможно, однако мы знаем вероятность его нахождения в определённой области. Эта вероятность описывается квантовомеханической волновой функцией, а у каждой волны есть свой характерный масштаб — длина волны, — поясняет Егор Седов. — Так вот, если мы изготовим проводник, размеры которого будут сравнимы с длиной этой волны, произойдёт качественное изменение свойств системы».

В таком случае говорят о квантовании энергетических уровней, то есть расщеплении непрерывного спектра на четко определённые уровни. Кроме этого, есть так называемый, уровень Ферми, который отделяет заполненные энергетические состояния от незаполненных. При уменьшении размеров проводника энергетические уровни начинают сдвигаться относительно этого порогового значения, и в момент, когда последний заполненный уровень пересекает уровень Ферми, образец переходит из металлического в диэлектрическое состояние. Это и есть суть квантового размерного эффекта в данном случае.

Испытание для нанопровода

В качестве «испытуемых» были выбраны нанопровода, так как провод является основой любой электрической цепи. Также для примера исследовалась тонкая плёнка. Есть несколько методов изучения квантовых размерных эффектов (КРЭ). В первом — последовательно уменьшается размер одного и того же образеца; во втором — используют несколько образцов разного размера.

Исследователи выбрали первый, так как, по их мнению, он соответствовал более «чистому» эксперименту. Основной проблемой при этом стала задача уменьшить структуру так, чтобы не повредить ее. Уменьшались размеры наноструктур травлением направленным пучком ионов инертного газа (аргона), тем самым «стачивая» поверхность. Эту задачу решал Кари-Пека Риконен. Был найден оптимальный режим обработки, при котором шероховатость поверхности составляла примерно 1 нанометр (около двух атомных слоев). При этом самый маленький диаметр провода составлял около 40 нм, а стартовый диаметр — порядка 300 нм. Сами образцы изготавливались при использовании достаточно стандартного процесса электроннолучевой литографии и направленного вакуумного напыления. После изготовления образцов и тщательной их проверки, лучшие отбирались для измерений. Затем многократно повторялся цикл ионного травления и измерений до того момента, когда структура утончалась до такого предела, что просто выходила из строя (т.е. рвалась).

 

 

Висмут был выбран исследователями, так как квантовый размерный эффект  проявляется в нем на бо́льших масштабах, нежели в других металлах. Но как подчеркивают ученые, описанный в статье эффект проявляется не только в висмуте, но и в любых других металлах, он является универсальным и с ним необходимо будет считаться в устройствах нового поколения сверхмалых размеров.

 

Схематичное представление энергетического спектра висмута. Сплошные линии соответствуют массивному объекту, пунктирные линии отражают дискретность энергетического спектра с учетом квантового размерного эффекта.

«Главным результатом работы стало доказательство того, что этот заветный переход металл-диэлектрик существует не только в расчетах теоретиков, но и может экспериментально наблюдаться», — говорит Константин Арутюнов.

В более ранних работах такой результат был достигнут на тонких плёнках, также были попытки сделать это и в нанопроводах, но не слишком успешные. Так что можно сказать, что данная работа — одна из первых, в которой экспериментально продемонстрирован квантовый размерный эффект в металлическом проводнике. Квантовый размерный эффект — универсальное явление, которое должно присутсвовать абсолютно в любых системах достаточно малых размеров. «Таким образом, наши исследования позволяют определить фундаментальные ограничения на миниатюризацию элементов (нано)электронных цепей», — отметил Арутюнов.

АВТОРЫ ИССЛЕДОВАНИЯ:

Константин Арутюнов, профессор департамента электронной инженерии МИЭМ НИУ ВШЭ.

Егор Седов, магистрант МИЭМ НИУ ВШЭ.

Кари-Пека Риконен, сотрудник Наноцентра факультета физики Университета Ювяскуля (Финляндия).

 

  

Автор текста: Мезенцева Людмила Викторовна, 26 апреля, 2017 г.