La trasformazione di un metallo in un dielettrico 03.05.2017

I ricercatori della Higher School of Economics e del Jyväskul Nanocenter (Finlandia) hanno dimostrato sperimentalmente per la prima volta l'effetto della dimensione quantistica in un nanofilo metallico. L'effetto scoperto è universale e dovrebbe essere preso in considerazione quando si progettano sistemi nanoelettronici ultra piccoli.

Lo studio mostra come la resistenza elettrica di un nanofilo metallico fatto di bismuto cambia in modo non monotono nel processo di diminuzione del suo diametro e poi aumenta bruscamente, trasferendo l'oggetto in uno stato dielettrico (isolante). Secondo gli scienziati, gli effetti di dimensione quantistica sono associati a un fenomeno fondamentale: la quantizzazione dello spettro energetico degli elettroni. E può essere osservato solo in oggetti di dimensioni estremamente ridotte.

"Il portatore di carica è solitamente un elettrone ed è impossibile determinarne la posizione precisa, ma conosciamo la probabilità che si trovi in ​​una determinata area. Questa probabilità è descritta da una funzione d'onda quantomeccanica e ogni onda ha la sua scala caratteristica - la lunghezza d'onda", spiega uno dei coautori della ricerca. - Quindi, se realizziamo un conduttore le cui dimensioni sono confrontabili con la lunghezza d'onda di questa onda, ci sarà un cambiamento qualitativo nelle proprietà del sistema. In in questo caso si parla di quantizzazione dei livelli di energia, cioè di suddivisione dello spettro continuo in livelli ben definiti, inoltre c'è detto livello di Fermi, che separa gli stati energetici pieni da quelli non riempiti. del conduttore diminuisce, i livelli di energia iniziano a spostarsi rispetto a questo valore di soglia, e nel momento in cui l'ultimo livello riempito supera il livello di Fermi, il campione passa dallo stato metallico a quello isolante. e questa è l'essenza dell'effetto della dimensione quantistica nel nostro caso".

I nanofili sono stati scelti come "soggetti di prova", poiché il filo è alla base di qualsiasi circuito elettrico, ed è stato studiato anche un film sottile come esempio. Esistono diversi metodi per studiare gli effetti di dimensione quantistica (QSE). Nella prima, la dimensione dello stesso campione è costantemente ridotta; nel secondo vengono utilizzati diversi campioni di diverse dimensioni.

I ricercatori hanno scelto il primo perché pensavano che corrispondesse all'esperimento "più pulito". Il problema principale in questo caso era il compito di ridurre la struttura per non danneggiarla. Le dimensioni delle nanostrutture sono state ridotte mediante attacco con un fascio diretto di ioni di un gas inerte (argon), "macinando" così la superficie. È stata trovata la modalità di elaborazione ottimale, in cui la rugosità superficiale era di circa 1 nanometro (circa due strati atomici). In questo caso, il diametro del filo più piccolo era di circa 40 nm e il diametro iniziale era di circa 300 nm. I campioni stessi sono stati fabbricati utilizzando un processo abbastanza standard di litografia a fascio di elettroni e deposizione direzionale sotto vuoto. Dopo aver realizzato i campioni e averli accuratamente controllati, sono stati selezionati i migliori per le misurazioni. Quindi, il ciclo di incisione ionica e misurazioni è stato ripetuto molte volte fino al momento in cui la struttura si è assottigliata a un tale limite da semplicemente fallire (cioè strapparsi).

"Il risultato principale del lavoro è stato che questa amata transizione metallo-isolante esiste non solo nei calcoli dei teorici, ma può anche essere osservata sperimentalmente. Nei lavori precedenti, questo risultato è stato ottenuto su film sottili, ci sono stati anche tentativi per farlo in nanofili, ma non troppo riuscito.Quindi possiamo dire che il nostro lavoro è uno dei primi a dimostrare sperimentalmente l'effetto dimensione quantistica in un conduttore metallico.L'effetto dimensione quantistica è un fenomeno universale che dovrebbe essere presente assolutamente in qualsiasi sistema di sufficientemente piccole dimensioni Pertanto, la nostra ricerca consente di determinare i limiti fondamentali sulla miniaturizzazione di elementi di circuiti (nano)elettronici", osservano gli scienziati.