Диета за отслабване за метални оксиди - свойствата на тънките слоеве материал зависят от броя на
Свойствата на тънките слоеве материал зависят от броя на атомните слоеве, подредени един върху друг
В търсенето на материали за електронни компоненти, например, физиците ще могат да следват нов път в бъдеще: За първи път международен екип от изследователи точно е наблюдавал как физическите свойства на дадено вещество - по-точно металния оксид лантанов никелов оксид - се променят, когато е в двумерна, вместо в триизмерна форма се обработва.
Всъщност слой, направен от два слоя материал, показва напълно различни електронни и магнитни ефекти, отколкото слой, направен от четири слоя, когато се охлади до много ниски температури. Фактът, че физическите характеристики вече могат да се контролират и чрез измерението, отваря нови възможности за идентифициране на вещества, от които биха могли да бъдат направени чиповете на бъдещето, според изследователите в "Science".
Полупроводниковата индустрия достига своите граници
Полупроводниковата индустрия постепенно достига своите граници. Въпреки че продължава да свива електронните компоненти, проводниковите пътеки и транзисторите вероятно ще се свият до атомен размер скоро. Такива малки структури трудно могат да бъдат произведени по контролиран начин с обичайните методи. Когато се използват, тяхното електрическо съпротивление означава, че те генерират толкова много топлина, че трябва бързо да загубят формата си. Следователно ерата на полупроводниковата електроника може да приключи в обозримо бъдеще.
Тогава металните оксиди могат да бъдат алтернатива. Тъй като сред тях има не само материали, които се препоръчват като материали за съхранение поради техните магнитни свойства - металните оксиди включват и свръхпроводници, които провеждат електричество без никакво съпротивление.
Приспособени свойства на металните оксиди
Международен екип, ръководен от Александър Борис и Бернхард Каймер от Института за изследване на твърдо състояние на Макс Планк в Щутгарт, сега показва нов начин за приспособяване на свойствата на металните оксиди. Изследователите, включително учени от Института за изследване на метали „Макс Планк“, Института „Пол Шерер“ във Вилиген, Швейцария, и Университета във Фрибург, също в Швейцария, за първи път са разработили точно как пространственото измерение на материала е неговото физическо поведение повлиян.
"По този начин ние специално превръщаме манипулирана променлива, която физиците преди това са могли да контролират само неточно", казва Киймер. Нито са успели да разгадаят какъв ефект има измерението сред всички останали фактори, участващи в електронното и магнитното поведение. И ефектът е огромен, както сега откриха изследователите.
Изследван лантанов никелов оксид
Учените са изследвали металния оксид лантанов никелов оксид LaNiO3, който съдържа никел в допълнение към електронно неактивните атоми на лантан и кислород. Този състав е избран не на последно място, защото никелът носи със себе си специален тип електрони, които със своите магнитни моменти винаги са добри за физически изненади. Не се забелязва много от това в масивно парче и това включва всички проби, които са по-дебели от четири слоя материал, т.е. също само няколко нанометра: В тази форма лантановият никелов оксид е един от металните проводници и магнитните моменти на електроните се въртят наоколо като барабанни магнити. Остава така, когато физиците охлаждат проба от четири слоя материал до почти абсолютна нула при минус 273 градуса по Целзий.
2D слой се превръща в изолатор и става антиферомагнитен
„Това се променя напълно в проба, направена от два слоя материал“, казва Киймер: Когато се охлади, материалът е загубил своята електропроводимост при около минус 100 градуса. Тънкият слой поставя електроните в затруднено положение: те се отблъскват, но вече не могат да се измъкнат от пътя. Следователно, те повече или по-малко се спират на един атом и потокът от електричество спира.
Но това не беше единственият ефект от диетата за отслабване на металния оксид. Когато физиците охлаждат тънката проба още повече, до около минус 220 градуса по Целзий, материалът приема магнитен ред, по-точно анти-феромагнитен: магнитните моменти на електроните са подравнени антипаралелно, подобно на магнитни ленти, които се редуват със своя север - и южна Полша са една до друга.
Изследователите работят с лазерно изпаряване
„Можем да променим електронните и магнитните свойства на материала по целеви начин, като добавим два слоя от материала“, казва Киймер. Първото предизвикателство, пред което са изправени физиците по време на тяхното разследване, е именно контролирането на дебелината на пробата.
„С обичайните химически процеси всъщност не знаете какво ще излезе след това“, казва Борис. Следователно изследователите прибягват до физически метод: изпаряване с лазерен лъч или импулсно лазерно отлагане (PLD). Във вакуумна камера те използват лазерни импулси, за да изпарят лантановия никелов оксид в внимателно дозирани количества. Металният оксид се отлага върху почти идеално равна и чиста повърхност на носещия материал и при правилната температура образува напълно подреден, плосък слой с желаната дебелина.
Още по-експериментални предизвикателства
Изследователите все още не са овладели експерименталните предизвикателства. Тъй като в проби с дебелина само на няколко атомни слоя, електронните и магнитните характеристики могат да бъдат определени само с няколко трика. Например, за да се измери проводимостта на пробата, едва ли помага на физиците да свържат кабели от двете страни на пробата и да измерват текущия поток.
„Колкото и точно да са нараснали тънките слоеве, носещият материал винаги има някъде атомно ниво, което след това може да се намери и в наслоения с пара слой“, обяснява Борис. Нормалното измерване на проводимостта няма да успее на такъв етап, тъй като прекъсва потока на тока. Поради тази причина изследователите са насочили интензивен инфрачервен лъч светлина, доставен от синхротрона ANKA в Карлсруе върху пробата. Светлинните вълни от този източник вибрират само в една посока. Как тази посока на трептене се променя, когато лъчът се отразява от пробата, разкрива на изследователите нещо за подвижността на електроните в материала и по този начин за проводимостта.
Бавните мюони разкриват магнитния ред
Определянето на антиферомагнитен ред в слой от само два слоя е поне толкова сложно. Тъй като магнитните моменти се отменят точно, това не става забележимо при външно намагнитване. Следователно учените разчитат на мюони, нестабилни елементарни частици, които се генерират в ускорителите на частици. Те са подобни на електроните, но имат много по-слаб магнитен момент.
„Мюоните следователно са подходящи като чувствителни сонди за магнитен ред“, казва Томас Прокша, изследовател от Института на Пол Шерер във Вилиген, Швейцария, където има ускорител на частици, който доставя мюони.
Космически проблем с микрочипове решен скоро?
Само в Института на Пол Шерер изследователите могат да регулират скоростта, с която мюоните удрят пробата. Това е необходимо, за да може да се погледне точно в слоевете от два или четири слоя материал с тях. В противен случай частиците препускат през лантановия никелов оксид и се забиват някъде в носещия материал. Заедно с колегите си от университета във Фрибург, учените от института "Пол Шерер" изследват магнитния ред в слоевете лантанов никелов оксид. Мюоните, с които са насочени към пробите, се разпадат в слоя метален оксид. Траекторията на техните фрагменти обаче казва на физиците ориентацията на магнитните моменти в материала.
„По подобен начин сега искаме да проучим как размерът на пробата влияе върху електронните свойства на металните оксиди, които стават свръхпроводящи под определена температура“, казва Киймер. По този начин те могат да дадат свойства на металните оксиди, които също могат да решат нарастващия космически проблем на микрочиповете. (Наука, 2011; doi: 10.1126/science.1202647)