Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Ожидаемое заполнение дискретных энергетических уровней короткой нанотрубки электронами
(стрелки указывают направления электронных спинов).
Одномерный вигнеровский кристалл в углеродной нанотрубке
(все электроны поляризованы по спину).
Схема устройства для рисования проводящих проводов.
Геометрия эксперимента: электрическое напряжение прикладывается между заостренным электродом 1 и контактом на подложке 2 (в слое граната показана микромагнитная конфигурация: два домена разделены доменной границей);
Притяжение доменной границы к положительно заряженному электроду (магнитооптическое изображение пленки граната в проходящем свете: темные линии – границы между доменами) 1- электрод, 2 - доменная граница [1].
Действие электрического поля на магнитные домены в композитном материале [2]: поперечный разрез структуры – слой пьезоэлектрика (цирконат-титанат свинца (PZT)), зажатый между двумя платиновыми электродами, расположен на пластинке кремния (Si wafer), на верхний платиновый электрод осаждена 100-нанометровая пленка никеля;
Изменение микромагнитной структуры пленки Ni под действием электрического напряжения 10 В, приложенного между электродами (изображение получено с помощью магнитного силового микроскопа, темные и светлые области – домены различной полярности).
Поперечный разрез структуры: электрическое поле в феррите висмута BiFeO3 создается между электродами из SrRuO3, на кристалле BiFeO3 располагается слой ферромагнетика CoFe и защитный слой (capping layer);
Магнитооптические изображения в рентгеновских лучах начального состояния и микромагнитной конфигурации после воздействия электрического поля: намагниченность в плоскости пленки CoFe поворачивается на 90 градусов [3].

Перст - дайджест

Ключевые слова:  Перст

Опубликовал(а):  Гудилин Евгений Алексеевич

27 мая 2008

Вигнеровский кристалл в углеродной нанотрубке

Даже при близкой к абсолютному нулю температуре большинство электронов в твердом теле имеют очень большую кинетическую энергию. Это связано с тем, что электроны, будучи фермионами, подчиняются статистике Ферми-Дирака и поэтому не конденсируются на одном уровне с минимальной энергией, а в соответствии с принципом Паули попарно (“спин вверх”, “спин вниз”) занимают много энергетических уровней вплоть до уровня Ферми EF ~ 1 эВ. При большой концентрации электронов их средняя кинетическая энергия значительно превышает среднюю энергию межэлектронного взаимодействия, и именно она определяет электронное строение твердых тел. Однако при низкой концентрации электронов основную роль начинает играть кулоновское отталкивание между ними. В 1934г. Вигнер показал [1], что электроны при этом образуют упорядоченное состояние – так называемый вигнеровский кристалл, в котором каждый электрон локализован в окрестности определенной точки пространства. Этот “электронный кристалл” формируется спонтанно, и его структура не зависит от расположения положительных ионов в “атомном кристалле”. Для образования вигнеровского кристалла требуется исключительно чистая, с минимальным количеством дефектов система. До настоящего времени экспериментально он наблюдался только на поверхности жидкого гелия [2] (двумерный вигнеровский кристалл).

Недавно в Калифорнийском технологическом институте в ходе работ по исследованию бездефектных углеродных нанотрубок был обнаружен удивительный эффект [3]: при добавлении в нанотрубку нескольких (в пределах 10) электронов все они имели одинаковое направление спина, вопреки ожидаемой картине заполнения энергетических уровней электронами с противоположно направленными спинами. Выполненный авторами [3] анализ показал, что причиной этого является формирование в нанотрубке одномерного вигнеровского кристалла, причем не обычного, а спин-поляризованного. Расстояние между электронами в таком кристалле составляет около 100 нм – достаточно много, чтобы попытаться организовать операции со спинами отдельных электронов путем воздействия на них внешними управляющими сигналами. Пока не ясно, выживет ли вигнеровский кристалл в результате такого воздействия. Если да, то его можно будет использовать в качестве регистра для хранения спиновых кубитов и операций с ними.

Л.Опенов

  1. J.B.Gosk et al., Supercond. Sci. Technol. 21, 065019 (2008).
  2. C.Grimes, G.Adams, Phys. Rev. Lett. 42, 795 (1979).
  3. V.Deshpande, M.Bockrath, Nature Phys. 4, 314 (2008).

Измеряем намагниченность отдельных атомов

Ожидается, что магнитные наноструктуры, состоящие из нескольких магнитных атомов на немагнитной подложке (адатомов), позволят существенно уменьшить размеры устройств хранения информации, а также найдут применение в спинтронике и квантовых вычислениях. Кроме того, они представляют интерес с точки зрения фундаментальных исследований магнитных взаимодействий на атомном масштабе. Для определения характеристик таких наноструктур требуется разработка соответствующих экспериментальных методик. В работе [1] представлены результаты измерения намагниченности MA отдельных адатомов Co на поверхности Pt(111). Для этой цели был использован сканирующий туннельный микроскоп со спинполяризованной иглой. Дифференциальная проводимость контакта игла-адатом зависит от MA, что в конечном итоге и позволило авторам [1] найти зависимость MA от индукции магнитного поля B.

1. F.Meier et al., Science 320, 82 (2008).

Электронная структура туннельно-связанных квантовых точек

В отличие от “естественных атомов”, не существует двух абсолютно идентичных “искусственных атомов” – квантовых точек. Поэтому после их изготовления необходимо детально исследовать как свойства каждой из них по отдельности, так и коллективные электронные характеристики всей системы туннельно-связанных квантовых точек (например, так называемых “квантово-точечных молекул”). Для этого сотрудники Naval Research Laboratory (США) разработали методику, названную ими “спектроскопия антипересечения уровней” (“level anti-crossing spectroscopy”, LACS) [1]. Она основана на изменении оптического спектра экситона при наличии вблизи квантовой точки еще одной, расположенной в направлении поляризации электрического поля. Авторы [1] использовали эту методику для определения электронной структуры “молекулы” из двух вертикальных квантовых точек InAs/GaAs. В сочетании с микроскопией атомарного разрешения и теоретическими расчетами она позволит получать важную информацию об электронных характеристиках различных наноструктур.

1. M. Scheibner et al., Nature Phys. 4, 291 (2008).

Атомный карандаш. Он же ластик

Оксиды со структурой перовскита демонстрируют самые разнообразные свойства, включая сегнетоэлектричество, колоссальное магнитосопротивление, высокотемпературную сверхпроводимость и пр. Граница раздела между двумя такими оксидами может быть как проводящей, так и диэлектрической – в зависимости от типа формирующих ее атомных слоев [1]. В работе [2] ученые из США (University of Pittsburgh; Naval Research Laboratory) и Германии (University of Augsburg) показали, что на такой границе можно “рисовать” проводящие участки, а затем при необходимости “стирать” их, как ластиком. В качестве “бумаги” они использовали границу раздела между диэлектриками SrTiO3 и LaAlO3, тогда как функцию “карандаша” выполняла игла атомного силового микроскопа (AFM). При этом подложка SrTiO3 заканчивалась слоем TiO2, а толщина пленки LaAlO3 составляла ровно три периода элементарной ячейки c (вставка к рисунку).

Схема устройства для рисования проводящих проводов показана на рисунке [2]. Стрелка показывает направление движения иглы AFM. На вставке изображена последовательность чередования атомных слоев вблизи границы раздела SrTiO3/LaAlO3. Такая граница практически не проводит электрический ток. Но при подаче положительного напряжения на иглу AFM и движении этой иглы вдоль поверхности пленки от одного электрода к другому (см. рисунок) между этими электродами начинает протекать ток, что говорит о формировании проводящей дорожки. Если теперь подать на иглу отрицательное напряжение и пересечь ею дорожку в перпендикулярном направлении, то проводимость вновь исчезает – дорожка оказывается “разрезанной”. Это происходит при перемещении иглы всего на ~ 3 нм, что дает оценку характерной ширины проводящей дорожки. Причиной обнаруженного в [2] эффекта является, по-видимому, инжекция электронов из иглы и/или смещение электрического заряда при ее воздействии. Возможно, определенную роль играет и адсорбция кислорода или других анионов. Интересно, что эксперименты с пленками LaAlO3 толщиной в две и четыре элементарные ячейки дали отрицательный результат. Развитая методика очень пригодится при разработке новых наноэлектронных устройств.

Л.Опенов

  1. A.Ohtomo, H.Y.Hwang, Nature 427, 423 (2006).
  2. C.Cen et al., Nature Mater. 7, 298 (2008).

“Электрошок” для магнитных доменов:управление доменной структурой с помощью электрического поля

Хорошо известно, что в магнитных материалах возникает доменная структура, и этой структурой можно управлять с помощью магнитного поля – на данном принципе основаны все виды магнитной записи информации. Однако в последнее время стали появляться сообщения [1-3], что доменами можно управлять и электрическим полем. В настоящее время для магнитной записи информации используются магнитные поля, создаваемые электрическими токами в катушках магнитных головок жестких дисков или в проводящих шинах магнитной памяти произвольного доступа MRAM. С одной стороны, повышение плотности записи информации требует уменьшения размеров доменов, но чем меньше размер доменов, тем более они подвержены тепловым флуктуациям, и чтобы избежать случайного перемагничивания, необходимо использовать материалы с большими пороговыми магнитными полями переключения, а значит, нужны большие токи в проводниках. С другой стороны, при миниатюризации устройств необходимо уменьшать и поперечные размеры проводников. Оба этих фактора, взятые вместе, приводят к недопустимому увеличению плотности электрического тока в материале проводника, и, как следствие, перегреву и деградации устройства. Всех этих проблем можно избежать в схемах, не привлекающих электрические токи, используя непосредственное действие электрического поля на магнитные свойства материала, как это происходит в магнитоэлектриках. Препятствием на пути практического использования магнитоэлектриков являются низкие температуры, при которых проявляются магнитоэлектрические свойства, поэтому приведенные ниже сообщения примечательны еще и тем, что все эффекты наблюдаются при комнатных температурах.

На рисунке показано действие на магнитную структуру электрического поля, создаваемого электродом (заостренной медной проволокой), касающимся диэлектрической поверхности эпитаксиальных пленок ферритов со структурой граната (далее гранат) [1]. Положительный относительно подложки пленки потенциал на игле электрода вызывает притяжение доменной стенки к электроду, отрицательный – отталкивание. При снятии напряжения доменная граница, подобно оттянутой струне, возвращается в исходное положение равновесия. Впрочем, далеко не всегда изменения, вызываемые таким «электрическим иглоукалыванием» обратимы – в некоторых случаях доменные границы застывают в новых положениях, подтверждая возможность записи информации с помощью электрического поля. Хотя явление наблюдается при высоких напряжениях (~1.5 кВ), эффект заметен уже при сотне вольт. Также ожидается, что при уменьшении радиуса кривизны электрода до нанометровых размеров управляющие напряжения уменьшатся до величин порядка одного вольта.

Меньших управляющих напряжений (~10 В) удалось достичь в композитных материалах, представляющих собой «сэндвичи» из множества слоев, включающих кремниевую подложку, платиновые электроды, пластинку пьезоэлектрика и магнитную пленку поверх всей структуры. При подаче напряжения 10 В между электродами пластинка пьезоэлектрика деформировалась, и в магнитной пленке возникали механические напряжения, которые вследствие явления магнитострикции приводили к перестройке микромагнитной структуры образца. При снятии напряжения доменный узор возвращался к исходной конфигурации.

В отличие от первого случая, в котором магнитными и электрическими свойствами обладал один и тот же кристалл, в случае композитного материала электрическая и магнитная подсистемы пространственно разделены, а их взаимодействие определяется качеством поверхностей раздела слоев. Шероховатая поверхность приводит к довольно сложной конфигурации магнитных полей рассеяния. Этим и объясняется замысловатый характер доменных структур в магнитной пленке композита, а также тот факт, что в различных областях образца магнитная структура изменяется по-разному. Поэтому было сложно предсказать заранее, как именно она себя поведет.

Значительно лучших результатов в плане контроля поверхностей удалось достичь при изготовлении гетероструктур на основе магнитоэлектрика феррита висмута BiFeO3 (BFO) и ферромагнитного сплава Co0.9Fe0.1 (CoFe) [3]. В них удается управлять намагниченностью CoFe с помощью электрического поля, приложенного к BFO. К этому результату исследователи шли не один год (см. ПерсТ 13, вып.10, 2006), поскольку феррит висмута давно известен как материал, обладающий сегнетоэлектрическим и антиферромагнитным упорядочением при комнатных температурах. Проблема состоит в том, что магнитные моменты антиферромагнитных подрешеток практически полностью компенсируют друг друга и суммарная намагниченность BFO невелика (~5Гс). Усилить ее можно путем напыления поверх кристалла феррита висмута слоя ферромагнетика CoFe, обменно-связанного с ним: переключая электрическим полем электрическую поляризацию феррита висмута и меняя, тем самым, оси анизотропии, можно поворачивать спины антиферромагнитных подрешеток, а значит, посредством обменной связи слоев управлять большой намагниченностью (1500Гс) в слое CoFe. На рисунке показано действие электрического поля на микромагнитную структуру CoFe: после воздействия электрического поля преобладающий контраст меняется с темного на светлый, что означает поворот в плоскости пленки средней намагниченности на 90 градусов. Можно видеть, что полного контроля не удается добиться и здесь: слой ферромагнетика разбит на мелкие домены неправильной формы, и можно говорить лишь о переключении средней намагниченности. Кроме того, поля переключения достаточно велики (порядка 100кВ/см).

В этой заметке были приведены результаты первых опытов в области управления микромагнитной структурой с помощью электрического поля. Несомненно, за ними последуют и другие, в которых будут достигнуты меньшие управляющие напряжения в однофазных кристаллах или лучшая воспроизводимость результатов в композитах и гетероструктурах, и, возможно, в недалеком будущем сама концепция магнитной записи претерпит существенные изменения.

А. Пятаков

  1. А.С. Логгинов и др., Письма в ЖЭТФ 86, 124 (2007).
  2. Tien-Kan Chung et al, Appl. Phys. Lett., 92, 112509 (2008).
  3. Ying-Hao Chu et al, Nature Mater., Adv. Online Publication (27 April 2008).

Селективное обратимое окисление однослойных углеродных нанотрубок

Углеродная нанотрубка (УНТ) представляет собой сверхминиатюрное электронное устройство, которое может быть использовано в качестве элемента интегральной схемы. Параметры такого устройства (ширина запрещенной зоны, проводимость и другие) зависят от структурных характеристик нанотрубки, таких как диаметр и хиральность (угол между осью нанотрубки и гексагональной плоскостью, из которой эта нанотрубка составлена). Таким образом, некоторые из синтезируемых нанотрубок обладают металлической проводимостью, а другие характеризуется полупроводниковыми свойствами, причем ширина запрещенной зоны этих полупроводников изменяется в зависимости от диаметра и хиральности в довольно широких пределах. Поскольку при массовом синтезе нанотрубок их параметры характеризуются значительным разбросом, основная проблема, которая должна быть решена на пути практического использования УНТ в наноэлектронике, состоит в необходимости селективного отбора УНТ с заданными электронными характеристиками.

В настоящее время проблема разделения УНТ, обладающих различными электронными характеристиками, исследуется во многих лабораториях мира. Среди различных подходов, предлагаемых для решения этой проблемы, наиболее перспективным представляется метод, основанный на селективном проведении химических реакций. Возможности этого метода были, в частности, продемонстрированы недавно авторами работы, выполненной в одном из колледжей штата Массачусетс (США) [1]. В качестве окислителя использовали синглетный кислород, присоединение которого к однослойным УНТ проводили в суспензии тетрагидрофурана (ТГФ) под воздействием излучения вольфрамо-галогенной лампы. Для получения синглетного кислорода использовали реакцию молекулярного кислорода с тетрафенилпорфином, под воздействием УФ облучения. После завершения реакции окисления нанотрубки промывали этанолом, в течение 10 минут центрифугировали и четырежды профильтровывали для удаления тетрафенилпорфина. Факт окисления нанотрубок регистрировали по изменению спектров поглощения в видимой области, на которых в результате окисления исчезали известные особенности, связанные с сингулярностями Ван Хова. В результате отжига окисленных образцов УНТ в вакууме при температуре 200оС в течение 2 часов указанные особенности восстанавливались, что свидетельствовало об обратимом характере окисления.

Обработка спектральных данных показывает, что скорость реакции окисления для УНТ, обладающих металлической проводимостью, существенно превышает соответствующую величину для полупроводниковых нанотрубок. Так, окисление полупроводниковых нанотрубок было зарегистрировано только через 15 часов наблюдений, в то время как металлические нанотрубки окислялись уже на первом часу эксперимента. Тем самым можно заключить, что окисление УНТ синглетным кислородом имеет обратимый характер, причем реакция характеризуется селективностью по отношению к металлическим УНТ. Этот результат может быть положен в основу процесса отделения нанотрубок, обладающих полупроводниковыми свойствами, от металлических УНТ, что открывает перспективы использования УНТ в наноэлектронике.

А.В.Елецкий

  1. M.A.Hammon et al., Chem. Phys. Lett. 447, 1 (2007).

Сортировка однослойных углеродных нанотрубок с помощью УФ облучения

ПерсТ неоднократно освещал проблему разделения углеродных нанотрубок (УНТ) по их характеристикам. От успешного решения этой проблемы зависит возможность реализации перспектив использования УНТ в наноэлектронике. В частности, для работы полевого транзистора пригодны только нанотрубки, обладающие полупроводниковыми характеристиками, в то время как использование для этой цели нанотрубок с металлическими характеристиками приведет к короткому замыканию и разрушению цепи. В настоящее время разработано уже несколько подходов к селекции нанотрубок. Эти подходы основаны главным образом на проведении химических реакций, скорость которых зависит от электронных свойств нанотрубки.

Недавно в результате исследований, выполненных в Пекинском университете (Китай) было установлено, что селекция может быть произведена благодаря различному характеру взаимодействия однослойных УНТ разного типа с ультрафиолетовым излучением. Нанотрубки со средним диаметром 1,2 нм были выращены на сапфировой подложке при температуре 850оС в присутствии катализатора на основе железа в результате пропускания смеси аргона с парами этанола и небольшим количеством (на уровне 3%) паров воды. Полученную таким образом матрицу из высокоупорядоченных однослойных УНТ облучали светом электродуговой ксеноновой лампы мощностью 500 Вт, имеющей широкополосный спектр и широко используемой в качестве симулятора солнечного излучения. Интенсивность облучения в спектральном диапазоне от 0,18 до 11 мкм составляла около 75 мВт/см2. Наблюдения, выполненные с помощью атомного силового микроскопа, показали, что облучение образцов привело к разрушению части УНТ. При этом оказалось, что в наибольшей степени подвержены разрушению нанотрубки меньшего диаметра (d < 1,3 нм). Эти выводы нашли свое подтверждение в спектрах КР образцов, измеренных до и после облучения. Кроме того, анализ спектров КР образцов облученных и необлученных нанотрубок позволил сделать вывод о преимущественном разрушении нанотрубок с металлической проводимостью в результате облучения образцов. Так, облучение в течение 30 мин. образца, содержащего 370 нанотрубок с металлической проводимостью и 327 нанотрубок с полупроводниковыми свойствами, привело к разрушению 221 металлической нанотрубки (59,7%) и лишь 17 (5,2%) полупроводниковых нанотрубок. Таким образом, скорость разрушения металлических нанотрубок в 13 раз превосходит этот параметр для полупроводниковых УНТ. Сформулированные выводы о преимущественном разрушении УНТ с металлическими характеристиками подтверждаются результатами сравнительных измерений транспортных характеристик образцов.

А.В.Елецкий

  1. Y.Zhang et al., J. Phys. Chem. 112, 3849 (2008).

Ответственный редактор "Перст" И.Чугуева irina@issp.ras.ru тел: (495) 930 33 89

Научные редакторы: К.Кугель kugel@orc.ru, Ю.Метлин

В подготовке выпуска принимали участие: А.В.Елецкий, Л.Опенов, А.Пятаков


Источник: Перст



Комментарии
Интересные статьи о нанотрубках
ОООООООООООООЧень интересные.

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Покормите меня
Покормите меня

Опубликован механизм знаменитой реакции Зелинского. Получение бензола из ацетилена с помощью автокаталитического каскада на углеродных наночастицах
Российские исследователи показали, что карбеновые центры на зигзагообразных краях графеновых структур могут представлять собой альтернативную платформу для создания эффективных каталитических систем. В частности впервые был представлен механизм реакции Зелинского: тримеризации ацетилена с образованием такого важного продукта как бензол.

Подводятся итоги творческого конкурса «ЮниКвант»
На конкурс «ЮниКвант» для участия в профильной смене по био- и нанотехнологиям в ВДЦ «Океан» поступило более 100 заявок.

Круги на нано-полях
Тысяча SEM-микрофотографий иллюстрируют эффект упорядочивания наночастиц палладия на углеродной подложке. В журнале Scientific Data опубликована новая статья Ananikovlab.ru, в которой визуализируется и обсуждается этот уникальный эффект упорядочения.

2019-nCoV: очередной коронованный убийца?
Анна Петренко
В статье рассказывается о коронавирусе 2019-nCoV — что мы знаем сегодня. А ведущие международные научные издательства предоставляют бесплатный доступ к новым статьям, посвященных изучению коронавируса

Дышать свободно: как воздухоочистители борются с вирусами
Ростех
В перечне помощников в борьбе с вирусом COVID-2019 – также воздухоочистители. Речь идет о системах очистки воздуха, которые работают на основе фотокатализа. Их фильтры способны справиться с 99% бактерий и вирусов, в том числе могут стать действенным способом борьбы со злополучным COVID-2019.

Зимняя научная конференция студентов 4 курса ФНМ МГУ 22-23 января 2020 г.
Сафронова Т.В.
Настоящий сборник содержит тезисы докладов зимней научной студенческой конференции студентов 4-го курса ФНМ

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.