Дієта для схуднення для оксидів металів - властивості тонких шарів матеріалу залежать від кількості
Властивості тонких шарів матеріалу залежать від кількості атомних шарів, складених один на одного
Наприклад, у пошуках матеріалів для електронних компонентів фізики зможуть піти новим шляхом в майбутньому: вперше міжнародна група дослідників точно спостерігала, як змінюються фізичні властивості речовини - точніше оксиду металу - оксиду нікелю лантану - коли вона перебуває у двовимірній, а не в тривимірній формі обробляється.
Насправді шар, виготовлений з двох шарів матеріалу, виявляє абсолютно різні електронні та магнітні ефекти, ніж шар, виготовлений із чотирьох шарів, коли він охолоджується до дуже низьких температур. Той факт, що фізичні характеристики тепер також можна контролювати за допомогою розміру, відкриває нові можливості для ідентифікації речовин, з яких можна було б зробити чіпси майбутнього, на думку дослідників "Science".
Напівпровідникова промисловість досягає своїх меж
Напівпровідникова промисловість поступово досягає своїх меж. Поки він продовжує зменшувати електронні компоненти, провідникові доріжки та транзистори найімовірніше скоро скоротяться до атомних розмірів. Такі крихітні конструкції навряд чи можна виготовити керованим способом звичайними методами. Коли вони використовуються, їх електричний опір означає, що вони виробляють стільки тепла, що вони повинні швидко втратити форму. Тому ера напівпровідникової електроніки може закінчитися в осяжному майбутньому.
Тоді оксиди металів можуть бути альтернативою. Оскільки серед них є не тільки матеріали, які рекомендуються в якості матеріалів для зберігання через їх магнітні властивості - оксиди металів також включають надпровідники, які проводять електрику без будь-якого опору.
Пристосовані властивості оксидів металів
Міжнародна команда під керівництвом Олександра Бориса та Бернхарда Каймера з Інституту досліджень твердого тіла Макса Планка в Штутгарті зараз демонструє новий спосіб адаптування властивостей оксидів металів. Дослідники, включаючи вчених з Інституту досліджень металів Макса Планка, Інституту Поля Шеррера у Віллігені, Швейцарія, та Університету Фрібурга, також Швейцарії, вперше розробили, як просторовий вимір матеріалу є його фізичною поведінкою під впливом.
"Таким чином, ми перетворюємо цільову змінну маніпуляцію, яку фізики дотепер могли лише точно контролювати", - говорить Кеймер. Також їм не вдалося розгадати, який ефект має вимір серед усіх інших факторів, що беруть участь в електронній та магнітній поведінці. І ефект, як виявили дослідники, величезний.
Досліджували оксид нікелю лантану
Вчені дослідили оксид металу лантану, оксид нікелю LaNiO3, який містить нікель, крім електронно неактивних атомів лантану та кисню. Цей склад був обраний не в останню чергу, оскільки нікель приносить із собою особливий тип електронів, які завдяки своїм магнітним моментам завжди корисні для фізичних сюрпризів. Однак у твердому шматку помітно не все з цього, і це включає всі зразки товщі чотирьох шарів матеріалу, тобто також лише кілька нанометрів: У цій формі оксид нікелю лантану є одним із металевих провідників, і магнітні моменти електронів кружляють навколо як валяються магніти. Так і залишилося, коли фізики охолодили зразок із чотирьох шарів матеріалу до майже абсолютного нуля при мінус 273 градусах Цельсія.
Двовимірний шар стає ізолятором і стає антиферомагнітним
"Це повністю змінюється у зразку, виготовленому з двох шарів матеріалу", - каже Кімер: Коли матеріал охолоджується приблизно до мінус 100 градусів, він втрачає свою електропровідність. Тонкий шар ставить електрони в скрутне становище: вони відштовхують один одного, але більше не можуть зійти з шляху. Тому кожен з них більш-менш зупиняється на одному атомі, і потік електрики припиняється.
Але це був не єдиний ефект дієти для схуднення для оксиду металу. Коли фізики ще більше охолодили тонкий зразок, приблизно до мінус 220 градусів Цельсія, матеріал прийняв магнітний порядок, точніше антиферомагнітний: магнітні моменти електронів розташовані антипаралельно, подібно до магнітних прутків, які чергуються з їх північчю - і південь Польщі поруч.
Дослідники працюють з лазерною випаровуванням
"Ми можемо цілеспрямовано змінити електронні та магнітні властивості матеріалу, додавши два шари матеріалу", - говорить Кеймер. Першим викликом, з яким стикалися фізики під час розслідування, був саме контроль товщини зразка.
"За звичайними хімічними процесами ви насправді не знаєте, що потім вийде", - каже Борис. Тому дослідники вдалися до фізичного методу: випаровування лазерним променем або імпульсного лазерного осадження (PLD). У вакуумній камері вони використовують лазерні імпульси для випаровування оксиду нікелю лантану в ретельно дозованих кількостях. Оксид металу наноситься на майже ідеально рівну і чисту поверхню матеріалу-носія і при правильній температурі утворює повністю впорядкований, рівний шар потрібної товщини.
Ще більше експериментальних завдань
Дослідники ще не засвоїли експериментальних завдань. Оскільки в зразках товщиною лише в кілька атомних шарів електронні та магнітні характеристики можна визначити лише за допомогою декількох хитрощів. Наприклад, щоб виміряти провідність зразка, це навряд чи допомагає фізикам підключити кабелі до двох сторін зразка і виміряти струм потоку.
"Як би точно не виростали тонкі шари, матеріал-носій завжди має десь атомний рівень, який потім також можна знайти в шарі, що осідає парою", - пояснює Борис. Звичайне вимірювання провідності не вдасться на такому етапі, оскільки воно перериває потік струму. Отже, дослідники спрямовували на зразок інтенсивний інфрачервоний промінь світла, поданий синхротроном ANKA в Карлсруе. Світлові хвилі від цього джерела вібрують лише в одному напрямку. Як цей напрямок коливань змінюється, коли промінь відбивається від зразка, відкриває дослідникам щось про рухливість електронів у матеріалі і, отже, про провідність.
Повільні мюони виявляють магнітний порядок
Визначення антиферромагнітного порядку в шарі, який складається лише з двох шарів, є принаймні таким же складним. Оскільки магнітні моменти точно відміняють один одного, це не стає помітним при зовнішньому намагніченні. Тому вчені покладаються на мюони, нестабільні елементарні частинки, що утворюються в прискорювачах частинок. Вони схожі на електрони, але мають набагато слабший магнітний момент.
"Отже, мюони підходять як чутливі зонди для магнітного порядку", - говорить Томас Прокша, дослідник з Інституту Поля Шеррера у Віллігені, Швейцарія, де є прискорювач частинок, який доставляє мюони.
Космічна проблема з мікрочіпами вирішена незабаром?
Тільки в Інституті Пола Шеррера дослідники можуть також регулювати швидкість, з якою мюони потрапляють у зразок. Це необхідно для того, щоб мати можливість точно заглянути в шари двох-чотирьох шарів матеріалу з ними. В іншому випадку частинки мчать через оксид нікелю лантану і лише застряють десь у матеріалі-носії. Разом зі своїми колегами з Університету Фрібурга вчені з Інституту Поля Шеррера досліджували магнітний порядок у шарах оксиду нікелю лантану. Мюони, якими вони націлені на зразки, розпадаються в шарі оксиду металу. Однак траєкторія руху їх фрагментів говорить фізикам про орієнтацію магнітних моментів у матеріалі.
"Подібним чином ми зараз хочемо дослідити, як розмір зразка впливає на електронні властивості оксидів металів, які стають надпровідними нижче певної температури", - говорить Кеймер. Таким чином, вони можуть надати оксидам металів властивості, які також можуть вирішити зростаючу космічну проблему на мікросхемах. (Science, 2011; doi: 10.1126/science.1202647)