Transformação de metal em dielétrico. Notícias gratuitas da biblioteca técnica

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A transformação de um metal em dielétrico

03.05.2017

Pesquisadores da Escola Superior de Economia e do Jyväskul Nanocenter (Finlândia) demonstraram experimentalmente pela primeira vez o efeito do tamanho quântico em um nanofio metálico. O efeito descoberto é universal e deve ser levado em consideração ao projetar sistemas nanoeletrônicos ultrapequenos.

O estudo mostra como a resistência elétrica de um nanofio de metal feito de bismuto muda de forma não monotônica no processo de diminuição de seu diâmetro e depois aumenta acentuadamente, transferindo o objeto para um estado dielétrico (isolante). Segundo os cientistas, os efeitos de tamanho quântico estão associados a um fenômeno fundamental - a quantização do espectro de energia dos elétrons. E pode ser observado apenas em objetos de tamanhos extremamente pequenos.

"O portador de carga geralmente é um elétron e é impossível determinar sua posição precisa, mas sabemos a probabilidade de estar em uma determinada área. Essa probabilidade é descrita por uma função de onda mecânica quântica, e cada onda tem sua própria escala característica - o comprimento de onda", explica um dos coautores da pesquisa. - Então, se fizermos um condutor cujas dimensões sejam comparáveis ao comprimento de onda dessa onda, haverá uma mudança qualitativa nas propriedades do sistema. Neste caso, falamos de quantização de níveis de energia, ou seja, a divisão do espectro contínuo em níveis bem definidos. Além disso, existe o chamado nível de Fermi, que separa os estados de energia preenchidos dos não preenchidos. do condutor diminui, os níveis de energia começam a se deslocar em relação a esse valor limite e, no momento em que o último nível preenchido cruza o nível de Fermi, a amostra passa do estado metálico para o isolante. e essa é a essência do efeito do tamanho quântico no nosso caso."

Os nanofios foram escolhidos como "cobaias de teste", pois o fio é a base de qualquer circuito elétrico, e um filme fino também foi estudado como exemplo. Existem vários métodos para estudar efeitos de tamanho quântico (QSE). Na primeira, o tamanho da mesma amostra é reduzido de forma consistente; na segunda, são utilizadas várias amostras de diferentes tamanhos.

Os pesquisadores escolheram o primeiro porque acharam que combinava com o experimento "mais limpo". O principal problema neste caso foi a tarefa de reduzir a estrutura para não danificá-la. Os tamanhos das nanoestruturas foram reduzidos por ataque com um feixe direcionado de íons de um gás inerte (argônio), assim "triturando" a superfície. Foi encontrado o modo de processamento ideal, no qual a rugosidade da superfície era de aproximadamente 1 nanômetro (cerca de duas camadas atômicas). Neste caso, o menor diâmetro do fio foi de cerca de 40 nm e o diâmetro inicial foi de cerca de 300 nm. As próprias amostras foram fabricadas usando um processo bastante padrão de litografia por feixe de elétrons e deposição a vácuo direcional. Depois de fazer as amostras e verificá-las cuidadosamente, as melhores foram selecionadas para as medições. Em seguida, o ciclo de ataque de íons e medições foi repetido muitas vezes até o momento em que a estrutura foi afinada a tal limite que simplesmente falhou (ou seja, rasgada).

“O principal resultado do trabalho foi que essa acarinhada transição metal-isolante existe não apenas nos cálculos dos teóricos, mas também pode ser observada experimentalmente. em nanofios, mas sem muito sucesso. Assim, podemos dizer que nosso trabalho é um dos primeiros a demonstrar experimentalmente o efeito de tamanho quântico em um condutor metálico. O efeito de tamanho quântico é um fenômeno universal que deveria estar presente em absolutamente qualquer sistema de Assim, nossa pesquisa permite determinar as limitações fundamentais na miniaturização de elementos de circuitos (nano)eletrônicos", observam os cientistas.

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