Ограничивая перенос электронов и ионов в узорчатой ​​тонкой пленке, ученые находят способ потенциально улучшить свойства материалов для разработки электроники следующего поколения

Подобно ряби в пруду, электроны движутся подобно волнам через материалы, и когда они сталкиваются и взаимодействуют, они могут порождать новые и интересные модели.

Ученые Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США наблюдали появление нового типа волнового рисунка в тонкой пленке оксида металла, известной как диоксид титана, когда ее форма ограничена. Ограничение, действие ограничения материалов в пределах границ, может изменить свойства материала и движение молекул через него.

Исследования в этом уникальном масштабе длины позволили нам увидеть действительно интересные конструктивные интерференционные явления, указывающие на квантовую интерференцию, и в то же время получить новую информацию о том, как взаимодействуют электроны и ионы.

Ведущий автор Фрэнк Берроуз

В случае диоксида титана он заставлял электроны взаимодействовать друг с другом по уникальной схеме, что увеличивало проводимость оксида или степень, в которой он проводил электричество. Все это происходило на мезоуровне, в масштабе, где ученые могут видеть как квантовые эффекты, так и движение электронов и молекул.

В целом, эта работа предлагает ученым больше понимания того, как атомы, электроны и другие частицы ведут себя на квантовом уровне. Такая информация может помочь в разработке новых материалов, которые могут обрабатывать информацию и быть полезными в других электронных приложениях.

«Что действительно отличало эту работу, так это размер шкалы, которую мы исследовали», – сказал ведущий автор Фрэнк Барроуз, аспирант Северо-Западного университета в Отделении материаловедения Аргонна (MSD). «Исследования в этом уникальном масштабе длины позволили нам увидеть действительно интересные явления, указывающие на интерференцию на квантовом уровне, и в то же время получить новую информацию о том, как взаимодействуют электроны и ионы».

Изменение геометрии для изменения свойств материала

Обычно, когда электрический ток подается на оксид диоксида титана, электроны проходят через материал в виде простой волны. В то же время ионы – или заряженные частицы – также перемещаются. Эти процессы приводят к появлению у материала электронных транспортных свойств, таких как проводимость и сопротивление, которые используются при разработке электроники следующего поколения.

«В нашем исследовании мы попытались понять, как мы можем изменить свойства материала, ограничивая геометрию или форму пленки», – сказал соавтор Чарудатта Фатак, материаловед и руководитель группы. в MSD Аргонна.

Для начала исследователи создали пленки из диоксида титана, а затем создали на них узор. В шаблоне были отверстия, расстояние между которыми составляло всего 10-20 нанометров. Добавление геометрического узора изменило движение электронов так же, как бросание камней в водоем изменяет волны, которые колеблются в нем. В случае диоксида титана узор заставлял электронные волны интерферировать друг с другом, что приводило к тому, что оксид проводил больше электричества.

«Интерференционная картина в основном удерживает на месте кислород или ионы, которые обычно перемещаются в таких материалах, как диоксид титана. И мы обнаружили, что удержание их на месте было важным или необходимым для получения конструктивной интерференции этих волн» Сказал Фатак.

Исследователи исследовали проводимость и другие свойства с помощью двух методов: электронной голографии и спектроскопии потерь энергии электронов. С этой целью они привлекли ресурсы Аргоннского центра наноразмерных материалов (CNM), исследовательского центра Министерства энергетики США, для изготовления своих образцов и проведения некоторых измерений.

«Мы не смогли бы увидеть этот уникальный образец интерференции, если бы мы не смогли создать достаточно этих отверстий в образце, что очень сложно сделать», – сказал Барроуз. . «Опыт и ресурсы CNM и Argonne's Materials Science Division оказались критически важными, чтобы помочь нам наблюдать это возникающее поведение»

Будущие приложения

В будущем, если исследователи смогут лучше понять, что привело к увеличению проводимости, они потенциально могли бы найти способы управления электрическими или оптическими свойствами и использовать эту информацию для обработки квантовой информации. Понимание также может быть использовано для расширения нашего понимания материалов, которые могут переключать сопротивление. Сопротивление измеряет, насколько материал сопротивляется потоку электронов в электрическом токе.

«Материалы, переключающие сопротивление, представляют интерес, потому что они могут быть носителями информации – одно состояние сопротивления может быть 0, а другое – 1», сказал Фатак . «То, что мы сделали, может дать нам немного больше информации о том, как мы можем управлять этими свойствами, используя геометрические ограничения».

Их статья, озаглавленная «Эффекты мезомасштабного удержания и возникающая квантовая интерференция в тонких пленках антиточек диоксида титана» опубликована в ASC Nano.

Это исследование финансировалось программой фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США.

Источник: https://www.anl.gov/[19459007visible