Диета за слабеење на метални оксиди - својствата на тенки слоеви на материјал зависат од бројот на
Карактеристиките на слоевите тенки материјали зависат од бројот на атомски слоеви наредени едни врз други
Во потрагата по материјали за електронски компоненти, на пример, физичарите во иднина ќе можат да следат нова трага: За прв пат, меѓународен тим истражувачи прецизно забележале како се менуваат физичките својства на една материја - поточно метал оксидот лантан никел оксид - кога се наоѓа во дводимензионална наместо во тродимензионална форма се обработува.
Всушност, слојот направен од два слоја материјал покажува сосема различни електронски и магнетни ефекти од слојот направен од четири слоја кога се лади на многу ниски температури. Фактот дека физичките карактеристики сега можат да се контролираат и преку димензијата отвора нови можности за идентификување на супстанции од кои би можеле да се направат чипови за иднината, според истражувачите во „Наука“.
Индустријата за полупроводници ги достигнува своите граници
Индустријата за полупроводници постепено ги достигнува своите граници. Додека продолжува да ги намалува електронските компоненти, трагите на проводниците и транзисторите најверојатно наскоро ќе се намалат до атомска големина. Ваквите ситни структури тешко можат да се произведат на контролиран начин со вообичаени методи. Кога се во употреба, нивниот електричен отпор значи дека генерираат толку многу топлина што треба брзо да ја изгубат формата. Ерата на полупроводничката електроника може да се заврши во догледна иднина.
Тогаш металните оксиди можат да бидат алтернатива. Бидејќи меѓу нив не постојат само материјали што се препорачуваат како материјали за складирање поради нивните магнетни својства - металните оксиди вклучуваат и суперпроводници кои пренесуваат електрична енергија без никаков отпор.
Прилагодени својства на метални оксиди
Меѓународен тим предводен од Александар Борис и Бернхард Кимер на Институтот за истражување на цврста состојба Макс Планк во Штутгарт сега покажува нов начин на прилагодување на својствата на металните оксиди. Истражувачите, вклучително и научници од Институтот за истражување на метали Макс Планк, Институтот Пол Шерер во Вилиген, Швајцарија и Универзитетот во Фрибург, исто така во Швајцарија, за прв пат разработија точно како просторна димензија на материјалот е неговото физичко однесување под влијание.
„Со тоа ја претвораме насочената променлива за манипулација што физичарите можеа само непрецизно да ја контролираат досега“, вели Кимер. Ниту, пак, успеаја да откријат каков ефект има димензијата меѓу сите други фактори вклучени во електронското и магнетното однесување. И ефектот е огромен, како што сега откриле истражувачите.
Проучуван оксид на никел во лантан
Научниците испитуваа метален оксид лактаниум никел оксид LaNiO3, кој содржи никел покрај електронски неактивните атоми на лантан и кислород. Овој состав е избран не само затоа што никелот со себе носи посебен вид на електрони кои со своите магнетни моменти секогаш се добри за физички изненадувања. Сепак, многу од ова не се забележува во цврсто парче, и тука спаѓаат сите примероци кои се подебели од четири слоја на материјал, т.е. мерат само неколку нанометри: Во оваа форма, лактаминот на никел е еден од металните спроводници, а магнетните моменти на електроните се мешаат како магнети за паѓање. Остана така кога физичарите изладија примерок од четири слоја на материјалот на скоро апсолутна нула на минус 273 степени Целзиусови.
2D слој станува изолатор и станува антиферомагнетски
„Тоа се менува целосно во примерок направен од два слоја материјал“, вели Кимер: Кога ќе се олади, материјалот ја изгубил електричната спроводливост на околу минус 100 степени. Тенкиот слој ги става електроните во неволја: Тие се одбиваат едни од други, но повеќе не можат да се извлечат од патот. Затоа, тие повеќе или помалку застануваат на еден атом, а протокот на електрична енергија престанува.
Но, тоа не беше единствениот ефект на диетата за слабеење на металниот оксид. Кога физичарите уште повеќе го изладија тенкиот примерок, на околу минус 220 степени Целзиусови, материјалот претпоставуваше магнетно уредување, поточно анти-феромагнетно: магнетните моменти на електроните се порамнети антипаралелно, слично како бар-магнетите што се менуваат со нивниот север - и јужна Полска се една до друга.
Истражувачите работат со ласерско испарување
„Можеме да ги смениме електронските и магнетните својства на материјалот на насочен начин со додавање на два слоја на материјалот“, вели Кимер. Првиот предизвик со кој се соочија физичарите за време на нивната истрага беше прецизно контролирање на дебелината на примерокот.
„Со вообичаените хемиски процеси, навистина не знаете што ќе се појави потоа“, вели Борис. Истражувачите затоа прибегнаа кон физички метод: испарување на ласерски зрак или пулсно ласерско таложење (PLD). Тие користат ласерски импулси за испарување на оксидот на латан никел во внимателно дозирани количини во вакуумска комора. Металниот оксид се таложи на скоро совршено рамна и чиста површина на носачот, а на вистинската температура се формира целосно подреден, рамен слој со саканата дебелина.
Уште повеќе експериментални предизвици
Истражувачите сè уште не ги совладале експерименталните предизвици. Бидејќи кај примероците кои се дебели само неколку атомски слоеви, електронските и магнетните карактеристики можат да се одредат само со неколку трикови. Со цел да се измери спроводливоста на примерокот, на пример, тешко им помага на физичарите да ги поврзат каблите со двете страни на примерокот и да го измерат протокот на струја.
„Колку што прецизно пораснале тенки слоеви, носителот материјал секогаш има некаде атомско ниво, кое потоа може да се најде и во слојот депониран на пареа“, објаснува Борис. Нормалното мерење на спроводливоста би пропаднало во таква фаза, бидејќи го прекинува протокот на струја. Затоа, истражувачите имале за цел интензивен, инфрацрвен зрак светлина испорачан од синхотронот АНКА во Карлсруе на примерокот. Светлосните бранови од овој извор вибрираат само во една насока. Како се менува овој правец на осцилација кога зракот се рефлектира од примерокот, им открива на истражувачите нешто за подвижноста на електроните во материјалот, а со тоа и за спроводливоста.
Бавните муони го откриваат магнетниот редослед
Одредување на антиферомагнетски редослед во слој од само два слоја е барем толку незгодно. Бидејќи магнетните моменти точно се откажуваат, не станува забележливо при надворешно магнетизирање. Научниците затоа се потпираат на муони, нестабилни елементарни честички кои се генерираат во забрзувачи на честички. Тие се слични на електроните, но имаат многу послаб магнетски момент.
„Муоните се соодветни како чувствителни сонди за магнетен поредок“, вели Томас Проксха, истражувач од Институтот Пол Шерер во Вилиген, Швајцарија, каде што има забрзувач на честички што снабдува муони.
Проблемот со вселената на микрочиповите е решен наскоро?
Само во институтот Пол Шерер, истражувачите исто така можат да ја регулираат брзината со која муоните го погодуваат примерокот. Ова е потребно за да може прецизно да се погледнат слоевите на два или четири слоја материјал со нив. Инаку, честичките се тркаат низ лактаминот оксид на никел и заглавуваат само некаде во материјалот носач. Заедно со нивните колеги од Универзитетот во Фрибург, научниците од Институтот Пол Шерер го испитуваа магнетниот редослед во слоевите на оксид на никел лантан. Мионите со кои тие насочуваа кон примероците се распаѓаат во металниот оксиден слој. Траекторијата на нивните фрагменти, сепак, им кажува на физичарите ориентација на магнетните моменти во материјалот.
„На сличен начин, сега сакаме да испитаме како димензијата на примерокот влијае на електронските својства на металните оксиди кои стануваат суперспроводливи под одредена температура“, вели Кимер. На овој начин, тие можат да дадат својства на метални оксиди кои исто така можат да го решат проблемот со зголемениот простор на микрочиповите. (Наука, 2011; дои: 10.1126/наука. 1202647)