Переход металл диэлектрик металл

Обновлено: 08.12.2022

Предел минимализма

Процессоры с каждым годом становятся все меньше и меньше, но вместе с тем, производительнее. Однако всё больше специалистов, занимающихся разработкой и производством электронных компонентов, а также представителей ученого сообщества, склоняются к тому что, в промежутке с 2018 по 2022 годы будет достигнут потолок в миниатюризации этих самых компонентов.

Параллельно ведётся очень много исследований и разработок, которые стараются не обойти эти возникшие ограничения, а наоборот, использовать их во благо науки. В частности, ученые уже давно понимали, что в объектах сверхмалых размеров должны проявляться качественно новые физические явления. Такое изменение привычных свойств вещества называют квантово-размерным эффектом. Изменяться могут различные характеристики, такие как электрическое сопротивление, теплопроводность, оптические свойства и т. д.

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.

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 чёткое его положение определить невозможно, однако мы знаем вероятность его нахождения в определённой области. Эта вероятность описывается квантовомеханической волновой функцией, а у каждой волны есть свой характерный масштаб — длина волны, — поясняет Егор Седов. — Так вот, если мы изготовим проводник, размеры которого будут сравнимы с длиной этой волны, произойдёт 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. 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 данном случае.

Испытание для нанопровода

В качестве «испытуемых» были выбраны нанопровода, так как провод является основой любой электрической цепи. Также для примера исследовалась тонкая плёнка. 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. Основной проблемой при этом стала задача уменьшить структуру так, чтобы не повредить ее. Уменьшались размеры наноструктур травлением направленным пучком ионов инертного газа (аргона), тем самым «стачивая» поверхность. Эту задачу решал Кари-Пека Риконен. Был найден оптимальный режим обработки, при котором шероховатость поверхности составляла примерно 1 нанометр (около двух атомных слоев). При этом самый маленький диаметр провода составлял около 40 нм, а стартовый диаметр — порядка 300 нм. Сами образцы изготавливались при использовании достаточно стандартного процесса электроннолучевой литографии и направленного вакуумного напыления. После изготовления образцов и тщательной их проверки, лучшие отбирались для измерений. Затем многократно повторялся цикл ионного травления и измерений до того момента, когда структура утончалась до такого предела, что просто выходила из строя (т.е. рвалась).


Висмут был выбран исследователями, 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.


Схематичное представление энергетического спектра висмута. Сплошные линии соответствуют массивному объекту, пунктирные линии отражают дискретность энергетического спектра с учетом квантового размерного эффекта.

«Главным результатом работы стало доказательство того, что этот заветный переход металл-диэлектрик существует не только в расчетах теоретиков, но и может экспериментально наблюдаться», — говорит Константин Арутюнов.

В более ранних работах такой результат был достигнут на тонких плёнках, также были попытки сделать это и в нанопроводах, но не слишком успешные. Так что можно сказать, что данная работа — одна из первых, в которой экспериментально продемонстрирован квантовый размерный эффект в металлическом проводнике. Квантовый размерный эффект — универсальное явление, которое должно присутсвовать абсолютно в любых системах достаточно малых размеров. «Таким образом, наши исследования позволяют определить фундаментальные ограничения на миниатюризацию элементов (нано)электронных цепей», — отметил Арутюнов.

Константин Арутюнов , профессор департамента электронной инженерии МИЭМ НИУ ВШЭ .

Егор Седов, магистрант МИЭМ НИУ ВШЭ.

Кари-Пека Риконен , сотрудник Наноцентра факультета физики Университета Ювяскуля (Финляндия) .

ПЕРЕХОД МЕТАЛЛ - ДИЭЛЕКТРИК

- фазовыйпереход, сопровождающийся изменением величины и характера электропроводностипри изменении темп-ры Т, давления р, магн. поля Н илисостава вещества. П. м. - д. наблюдаются в ряде твёрдых тел, иногда в жидкостяхи газах (плотных парах металлов). Проводимость 2O3,в 10 10 раз в нестехиометричном ЕuО). П. м. - д. легко идентифицируется,

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Полезное

Смотреть что такое "ПЕРЕХОД МЕТАЛЛ - ДИЭЛЕКТРИК" в других словарях:

Переход металл-диэлектрик — Переходы металл диэлектрик относятся к изменению транспортных свойств данного материала. Грубо говоря, материалы могут быть классифицированы как металлы, материалы с хорошей проводимостью, и как диэлектрики, где проводимость зарядов подавлена. В… … Википедия

ЭЛЕКТРОННЫЙ ТОПОЛОГИЧЕСКИЙ ПЕРЕХОД — (фазовый переход 21/2. рода, переход И. M. Лифшица) изменение топологии (связности) фермы поверхности металла в результате внеш. воздействия. Явления, обусловленные Э. т. п., наблюдаются в металлах при низкой темп ре. Нек рые изоэнергетич.… … Физическая энциклопедия

Переход Андерсона — Локализация электронных состояний В твёрдом теле при сильном легировании вместо отдельных энергетических уровней электронов обычно возникает примесная зона конечной ширины. Но при слабом легировании эта зона не обладает самым важным свойством… … Википедия

ПАЙЕРЛСА ПЕРЕХОД — структурный фазовыйпереход металл диэлектрик в квазиодномерных соединениях, при к ромформируются периодич. в пространстве смещения ионов из их положения равновесияв металлич. фазе. Смещения сопровождаются перераспределением электроннойплотности… … Физическая энциклопедия

ФАЗОВЫЙ ПЕРЕХОД ДИЭЛЕКТРИК — МЕТАЛЛ — наблюдается в ряде тв., жидких и газообразных тел при изменении темп ры, давления или состава; проявляется в изменении электропроводности s и её температурной зависимости, оптич. и др. свойств. При Ф. п. д. м. s может изменяться как непрерывно,… … Физическая энциклопедия

ЭКСИТОННЫЙ ДИЭЛЕКТРИК — полупроводниковое состояние, обусловленное существованием когерентного спаривания электрон дырка (см. Экситон). Существует критич. темп pa, выше к рой это когерентное состояние исчезает посредством фазового перехода. При этом исходная система… … Физическая энциклопедия

МОТТОВСКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ — (диэлектрики Мот та Хаббарда) кристаллы с диэлектрич. свойствами, происхождение к рых связано не с влиянием пе риодич. поля кристаллич. решётки (как в обычных диэлектриках или полупроводниках типа Ge и Si), а с сильным межэлектронным… … Физическая энциклопедия

ПОЛУМЕТАЛЛЫ — вещества, занимающие по электрич. свойствам промежуточное положение между металлами и полупроводниками. Для П. характерно слабое перекрытие валентной зоны и зоны проводимости (см. ЗОННАЯ ТЕОРИЯ), что приводит, с одной стороны, к тому, что П.… … Физическая энциклопедия

ХАББАРДА МОДЕЛЬ — одна из фундам. моделей для описания систем сильно взаимодействующих электронов в кристалле. Модель была предложена в 1963 65 Дж. Хаббардом [1 ] и получила широкое развитие в последующие годы. X. м. является осн. моделью для описания зонного… … Физическая энциклопедия

ПОЛУПРОВОДНИКИ — широкий класс в в, характеризующийся значениями уд. электропроводности s, промежуточными между уд. электропроводностью металлов s=106 104 Ом 1 см 1 и хороших диэлектриков s=10 10 10 12 Ом 1см 1 (электропроводность указана при комнатной темп ре).… … Физическая энциклопедия

Переход металл-диэлектрик

Переходы металл-диэлектрик относятся к изменению транспортных свойств данного материала. Грубо говоря, материалы могут быть классифицированы как металлы, материалы с хорошей проводимостью, и как диэлектрики, где проводимость зарядов подавлена. В некоторых материалах, особенно полупроводниках, изменяя окружающие условия, например, давление или затворное напряжение можно изменить транспортные свойства от металлического до диэлектрического или наоборот.

Переходы металл-диэлектрик могут происходить тремя способами. Легирование материала может к изменению электронной структуры, создавая или наоборот устраняя запрещенную зону. Электрон-электронное взаимодействие может также привести к появлению запрещённой зоны, так называемое щель Мотта — Хаббарда. Неоднородность в химическом составе может привести к сильной локализации, которая запрещает проводимость. Этот, вызванный беспорядком переход металл-диэлектрик возможен даже без запрещенной зоны.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Переход металл-диэлектрик" в других словарях:

ПЕРЕХОД МЕТАЛЛ - ДИЭЛЕКТРИК — фазовыйпереход, сопровождающийся изменением величины и характера электропроводностипри изменении темп ры Т, давления р, магн. поля Н илисостава вещества. П. м. д. наблюдаются в ряде твёрдых тел, иногда в жидкостяхи газах (плотных парах металлов) … Физическая энциклопедия

ПАЙЕРЛСА ПЕРЕХОД

- структурный фазовыйпереход металл - диэлектрик в квазиодномерных соединениях, при к-ромформируются периодич. в пространстве смещения ионов из их положения равновесияв металлич. фазе. Смещения сопровождаются перераспределением электроннойплотности (см. Волны зарядовой плотности[1, 3]). В квазиодномерныхкристаллах с цепочечной структурой атомов (или молекул) электроны проводимостисвободно двигаются вдоль цепочек из-за хорошего перекрытия волновых электронныхф-ций соседних атомов о цепочке, но движение электронов между цепочкамизатруднено [4].
Для одной цепочки "поверхность" Фермиэлектронов проводимости состоит из двух точек в пространстве одномерныхволновых векторов k = F(kF - фермнеи-ский импульс). Эти точки совмещаются другс другом при переносе на величину 2kF. Поэтому смещенияионов с одномерным волновым вектором 2kF (пайерлсовскиесмещения) создают диэлектрич. щель на поверхности Ферми (в точках F),к-рая приводит к понижению энергий электронов вблизи щели и к понижениюполной энергии электронной системы (рис. 1). Это понижение и является причинойП. п.
П. п. проявляется в подавлении проводимостии парамагн. восприимчивости электронов при охлаждении кристаллов ниже точкиперехода.

Рис. 1. Энергетический спектр электроновв пайерлсовском диэлектрике (сплошные линии) и в металлической фазе (пунктир).

Из-за движения электронов между цепочками,

Смотреть что такое "ПАЙЕРЛСА ПЕРЕХОД" в других словарях:

ОРГАНИЧЕСКИЕ ПРОВОДНИКИ — соединения … Физическая энциклопедия

ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ — (туннелирование), преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при Т. э. большей частью неизменной) меньше высоты барьера. Т. э. явление существенно квант. природы, невозможное в классич.… … Физическая энциклопедия

СТРУКТУРНЫЕ ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ — (конфигурационные фазовые переходы, полиморфные превращения) фазовые переходы в кристаллич. твёрдых телах, состоящие в перестройке структуры этих тел за счёт изменения взаим ногo расположения отдельных атомов, ионов или их групп и приводящие… … Физическая энциклопедия

МЕТАЛЛЫ — (от греч. metallon, первоначально шахта, руда, копи), простые в ва, обладающие в обычных условиях характерными св вами: высокими электропроводностью и теплопроводностью, отрицательным температурным коэфф. электропроводности, способностью хорошо… … Физическая энциклопедия

КВАЗИОДНОМЕРНЫЕ ПРОВОДНИКИ — кристаллич. вещества, у к рых электропроводность вдоль избранного направления ст.. значительно превышает электропроводность s^ в перпендикулярной плоскости : s? >s^. Такая анизотропия св в связана с особенностями крист. строения, из за к рых… … Физическая энциклопедия

СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ — кристаллич. диэлектрики, обладающие в определённом интервале темп р спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, к рая существенно изменяется под влиянием внеш. воздействий. Сегнетоэлектрич. св ва были впервые обнаружены у кристаллов сегнетовой… … Физическая энциклопедия

Белл, Джон Стюарт — Джон Стюарт Белл англ. John Stewart Bell … Википедия

ПОЛЯРОН — электрон проводимости, движущийся в кристалле внутри потенциальной ямы. возникающей вследствие поляризации и деформации крист. решётки им самим. П. составная квазичастица (электрон + связанные с ним фононы), к рая может перемещаться по кристаллу… … Физическая энциклопедия

Как металл превращается в диэлектрик

Читайте также: