Ученые продемонстрировали, как металл превращается в диэлектрик

Исследователи из Высшей школы экономики и Наноцентра Ювяскуля (Финляндия) впервые экспериментально продемонстрировали квантовый размерный эффект в металлическом нанопроводе, благодаря которому металл приобретает свойства диэлектрика. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

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. Обнаруженный эффект универсален и должен приниматься во внимание при проектировании наноэлектронных систем сверхмалых размеров. 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 четкое его положение определить невозможно, однако мы знаем вероятность его нахождения в определенной области. Эта вероятность описывается квантовомеханической волновой функцией, а у каждой волны есть свой характерный масштаб — длина волны, — поясняет один из соавторов исследования, студент второго года магистратуры ВШЭ Егор Седов. — Так вот, если мы изготовим проводник, размеры которого будут сравнимы с длиной этой волны, произойдет 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. Так вот, 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 нашем случае».

В качестве «испытуемых» были выбраны нанопровода, так как провод является основой любой электрической цепи. Также для примера исследовалась тонкая пленка. 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. Исследователи выбрали висмут, 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.