Ученые продемонстрировали, как металл превращается в диэлектрик
Исследователи из Высшей школы экономики и Наноцентра Ювяскуля (Финляндия) в первый раз экспериментально показали квантовый размерный эффект в железном нанопроводе, благодаря которому металл получает свойства диэлектрика. Результаты изучения размещены в издании Nature.
В изучении, совершённом под управлением доктора наук департамента электронной инженерии МИЭМ ВШЭ Константина Арутюнова, продемонстрировано, как электрическое сопротивление железного нанопровода из висмута в ходе уменьшения его диаметра немонотонно изменяется и после этого быстро возрастает, переводя объект в диэлектрическое (изолирующее) состояние. Найденный эффект универсален и обязан приниматься во внимание при проектировании наноэлектронных совокупностей сверхмалых размеров.
Согласно мнению ученых, квантово-размерные эффекты связаны с фундаментальным явлением – квантованием энергетического спектра электронов. И замечать его возможно лишь в объектах только малых размеров.
«Носителем заряда есть, в большинстве случаев, электрон и четкое его положение выяснить нереально, но мы знаем возможность его нахождения в определенной области. Эта возможность описывается квантовомеханической волновой функцией, а у каждой волны имеется собственный характерный масштаб — протяженность волны, — поясняет один из соавторов изучения, студент второго года магистратуры ВШЭ Егор Седов. — Так вот, в случае если мы изготовим проводник, размеры которого будут сравнимы с длиной данной волны, случится качественное изменение особенностей совокупности.
При таких условиях говорят о квантовании энергетических уровней, другими словами расщеплении постоянного спектра на четко определённые уровни. Также, имеется так называемый, уровень Ферми, что отделяет заполненные энергетические состояния от незаполненных.
Так вот, при уменьшении размеров проводника энергетические уровни начинают сдвигаться довольно этого порогового значения, и в момент, в то время, когда последний заполненный уровень пересекает уровень Ферми, пример переходит из железного в диэлектрическое состояние. Это и имеется сущность квантового размерного результата в нашем случае».
В качестве «испытуемых» были выбраны нанопровода, поскольку провод есть базой любой электрической цепи. Кроме этого для примера исследовалась узкая пленка. Имеется пара способов изучения квантовых размерных эффектов (КРЭ).
В первом – последовательно значительно уменьшается размер одного и того же образеца; во втором – применяют пара образцов различного размера.
Исследователи выбрали первый, поскольку, согласно их точке зрения, он соответствовал более «чистому» опыту.Исследователи выбрали висмут, поскольку квантовый размерный эффект проявляется в нем на бо?льших масштабах, нежели в других металлах. Но как подчеркивают ученые, обрисованный в статье эффект проявляется не только в висмуте, но и в произвольных вторых металлах, он есть универсальным и с ним нужно будет принимать во внимание в устройствах нового поколения сверхмалых размеров.