МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2012, том 41, № 1, с. 5-8
= МИКРО- И НАНОСТРУКТУРЫ
УДК 621.382
ВЛИЯНИЕ КВАНТОВЫХ ЭФФЕКТОВ НА ЭЛЕКТРОННЫЙ ТРАНСПОРТ
В МОЛИБДЕНОВЫХ НАНОКОНТАКТАХ
© 2012 г. Л. Федичкин1, 2, 3, *, А. Борисов, А. Конин, Р. Петрухненко, М. Чернышев, В. Рубаев1
1НИКС
2Московский физико-технический институт 3Физико-технологический институт Российской АН *Е-таИ: leonidf@gmail.com Поступила в редакцию 24.12.2010 г.
Изучалась проводимость металлических контактов при комнатной температуре и нормальных условиях, пьезомеханически управляя молибденовыми проводниками и контролируя проводимость между ними. Несмотря на шум, нам удалось наблюдать ступенчатое возрастание сопротивления контакта. Полученные гистограммы проводимости демонстрируют пик, соответствующий одному кванту проводимости. Экспериментальные результаты доказывают возможность квантового баллистического характера зарядового транспорта в молибденовых наноконтактах.
ВВЕДЕНИЕ
Контакты металл/металл играют важную роль во многих современных микроэлектронных устройствах. В то же время изучение фундаментальных свойств зарядового транспорта в металлических наноструктурах в настоящее время также привлекает активное внимание исследователей. Особенности электронной динамики в твердотельных устройствах раскрывают фундаментальные особенности квантовых процессов в веществе, а также представляют возможность создания новых быстрых, высокочувствительных и миниатюрных приборов и устройств обработки информации.
Одним из нескольких экспериментов, связанных с измерением электронного транспорта в металлах и дающих, в частности, возможность напрямую определить фундаментальную константу — квант проводимости, является измерение электрического сопротивления металлических нанокон-тактов, возникающих при разрыве соединения.
В 1988 г. квантование проводимости при низкой (гелиевой) температуре было открыто в полупроводниковых квантовых точечных контактах, сформированных в слое двумерного электронного газа находящегося в треугольной квантовой яме у гетерограницы между слоями ОаА и АЮаАз, зажатого еще в одном измерении отталкивающим электрическим полем, созданного при помощи нанесенного сверху на гетероструктуру металлического расщепленного затвора [1, 2].
Квантование электрической проводимости таких микроструктур возможно налюдать, когда контакт хороший, но настолько невелик, что его поперечник становится по порядку величины сравнимым с характерной фермиевской длиной волны
носителей заряда, так что эффект размерного квантования ограничивает количество подзон поперечного квантования, участвующих в электрическом транспорте. В отличие от экспериментов по квантовому эффекту Холла, для наблюдения квантования не требуется наличие магнитного поля.
Естественным продолжением экспериментов с полупроводниковыми наноконтактами явилось изучение подобного рода эффектов в металлах, где, вследствие более высоких энергий Ферми (порядка нескольких электронвольт), можно было надеяться на наблюдение эффекта квантования проводимости при более высоких температурах и даже при комнатной температуре. Начиная с пионерской работы Шарвина [3] изучение проводимости точечных металлических контактов представляет собой важный метод изучения поведения электронов в металлах.
В настоящее время успехи в технологии микроэлектроники позволили достичь успешного массового изготовления полупроводниковых элементов с использованием металлических соединений с поперечным размером порядка десятков нанометров, и ожидается, что этот параметр будет и дальше уменьшаться, приближаясь к атомному пределу. Поэтому изучение квантования проводимости точечных наноконтаков из разных материалов представляет несомненный интерес.
Высокая проводимость металлов препятствует формированию квантовых точечных контактов с помощью вытесняющего носители заряда управляющего потенциала на внешних затворах, как в экспериментах с полупроводниковыми гетерострукту-рами [1, 2], поэтому для создания квантовых контактов неизбежно приходится прибегать к другим методам. В частности, оказалось, что проводимость
6
ФЕДИЧКИН и др.
металлических проводников в условиях почти полного механического разрыва соединения также может иметь ступенчатую зависимость от раздвижения проводников. Плато подобной эволюции проводимости О для 8-металлов могут принимать целые значения так называемых квантов проводимости О0
2
О = NО0 = И—, пй
где е — заряд электрона, Н — постоянная Планка, N — целое число.
Вместе с тем, величина проводимости во многом зависит от состояния поверхности конкретного металла и специфики взаимного расположения отдельных атомов, образующих мостик между одной и другой контактными площадками. В некоторых работах наноконтакты формировались путем контролируемого химического травления металлической полоски в растворе электролита [4].
Как только сопротивление наноконтакта превышало пороговый уровень, электрохимическими методами травление приостанавливалось или даже обращалось в обратное осаждение металла и рост контакта. Более распространен метод управляемого разрыва тонкого металлического соединения [5—7].
Эффекта квантования можно также достичь механическим раздвижением двух металлических контактов [8]. В этом методе положение одного или обоих контактов механически управляется, обычно посредством шагового двигателя или чаще пьезоэлемента, при этом контролируется сопротивление. При приближении к моменту разрыва иногда удается зафиксировать взаимное расположение проводников такое, что между ними образуется наноконтакт, демонстрирующий квантование проводимости.
В статье представлены эксперименты с механически контролируемыми молибденовыми контактами. Нашей целью было изучение перехода от состояния хорошего электрического контакта к разрыву соединения, а также установление возможности влияния на процесс перехода специфических химических и электрофизических свойств молибдена. Показано, что, даже находясь в воздушной атмосфере, при нормальных давлении и температуре, электронный транспорт через наносужение в молибдене, проявляет признаки баллистического и квантового движения. Многократно повторяя с помощью пьезоэлементов процесс размыкания, мы получили гистограмму предпочтительных значений проводимости, ясно показывающую пик, соответствующий одному кванту проводимости, и минимум, соответствующий полутора квантам, в согласии с теоретическими ожиданиями.
Электронные свойства молибденовых наноструктур изучались в ряде работ. Авторами [9] отмечено успешное применение массива молибде-
новых нанопроволок в качестве датчика для обнаружения водорода в атмосфере, сравнимое по основным параметрам с показателями коммерческих датчиков. В работе [10] изучалась гистограмма проводимости разрываемого молибденового провода, где было отмечено отсутствие целочисленных (в квантах проводимости) пиков на гистограмме, полученной на основе 20000 разрывов, а также на возможность добиться слабого намека на пик вблизи 1, если специальным образом отфильтровать 90% измерений и использовать для построения гистограммы оставшиеся 10%. Численно в [11] было проведено моделирование электронных состояний молибденовых нанопро-волок, внедренных во внутренне пространство углеродных нанотрубок и была показана существенная гибридизация орбиталей молибдена с электронными состояниями нанотрубки.
СХЕМА УСТАНОВКИ
В качестве проводников мы использовали молибденовые контакты, извлеченные из герконов МКА-50202 Рязанского завода металлокерамиче-ских приборов. Для уменьшения контактной площади плоские контакты ставились так, чтобы при замыкании происходило их касание друг друга тонкими боковыми сторонами, как показано на рис. 1. Затем один из контактов крепился к стальной опоре, а другой — к пьезоприводу, также прикрепленному к данной стальной опоре.
Для уменьшения площади касания контакты устанавливались крест накрест друг к другу.
Мы исследовали переход от хорошего контакта к туннельному режиму проводимости осуществляя измерение сопротивления во время медленного плавного удаления электродов друг от друга. Поскольку процесс измерения, как обычно в таких экспериментах, проводится в присутствии значительного уровня шума, то при очередном разрыве контакта возможно наблюдать как ступеньки квантования проводимости правильной формы, так (при последующих размыканиях) возможно также измерить переходные кривые весьма разнообразного вида, прямо не связанные с эффектом квантования.
Управление пьезоэлементом в автоматическом режиме велось с помощью компьютера посредством цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). На пьезоэлемент с ЦАП подавалось линейно растущее напряжение, приводящее к смещению нижнего контакта вниз, т.е. в направлении от области касания. По достижении величины сопротивления, соответствующей туннельному характеру протекания тока, срабатывала обратная связь, компьютер начинал подавать через ЦАП на пьезоэлемент линейно падающее напряжение, электроды плавно совмещались. При до-
ВЛИЯНИЕ КВАНТОВЫХ ЭФФЕКТОВ НА ЭЛЕКТРОННЫЙ ТРАНСПОРТ
7
Рис. 1. Схема устройства контроля положения контактов: в центре рисунка показаны молибденовые контакты; 1а и 1Ь — винты, предназначенные для грубой регулировки зазора между контактами; 2 — пьезоэлемент, служащий для точной регулировки зазора, размещенный под нижним контактом; 3 — стальной нижний опорный диск; 4 — подвижный стальной верхний диск; 5а и 5Ь — стальные направляющие, по которым в процессе грубой регулировки может перемещаться верхний диск 4: 6а — нижний контакт; 6Ь — верхний контакт; 7а и 7Ь — провода, по которым осуществляется управление пьезокерамическим элементом; 8а и 8Ь — провода, с помощью которых подается напряжение и измеряется сопротивление между контактами 6а и 6Ь; 9 — область соприкосновения контактов.
стижении хорошего контакта также срабатывала обратная связь, компьютер начинал подавать через ЦАП на пьезоэлемент линейно растущее напряжение, и процесс размыкания возобновлялся в новом цикле. В силу чрезвычайно малых размеров области касания металлов, интересующей нас, ее геометрическая форма была, естественно, уникальной при каждом новом ка
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.