Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Установка молекулярно-лучевой эпитаксии ЭП-1201

Гетероструктуры на веревочке

Ключевые слова:  Нанообъекты, Перспективные материалы, Тепловые свойства, Физика

Опубликовал(а):  Доронин Федор Александрович

11 июля 2015

Российские физики придумали, как измерять тепловые свойства нанообъектов, исследовать которые затруднительно из-за их размеров. Это поможет в будущем при создании перспективных материалов с заданными свойствами.

Как учат в школе, теплоемкостью предмета называют тепло, необходимое для нагрева его на единицу температуры. Если для измерения теплоемкости макроскопических предметов используется прибор калориметр, то измерить способность к нагреву микро- или наноскопических объектов куда сложнее: ни один калориметр не сможет зафиксировать мельчайшие количества поглощенной или выделяемой ими теплоты.

Между тем задача измерить теплоемкость так называемых двумерных плоских систем, толщина которых составляет нанометры, крайне важна. Такие системы встречаются в полупроводниковых и оксидных гетероструктурах. Так называют «слоистые» структуры, состоящие из нескольких различных по составу полупроводников, за разработку которых российский физик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию.

Хороший пример двумерных систем — графен, за открытие которого другая Нобелевская премия была присуждена выходцам из России Андрею Гейму и Константину Новоселову.

Физики, работающие под руководством Владимира Пудалова из Физического института РАН, догадались, как определить теплоемкость таких систем, измерив связанную с ней величину — энтропию, меру неупорядоченности. Соответствующая публикация вышла в журнале Nature Communications (импакт-фактор 11,47). Среди авторов работы также ученые из Московского физико-технического института (МФТИ) и Института теоретической физики имени Л.Д. Ландау.

«Энтропию мы измерили способом, который никто раньше никогда не применял — измеряя ток перезарядки нашей двумерной структуры», — рассказал участник проекта Александр Кунцевич.

В ходе эксперимента в криостат, находящийся при температуре жидкого гелия (несколько Кельвинов), помещалась ячейка с исследуемым объектом — полевым транзистором на основе полупроводниковой гетероструктуры, в которой на границе полупроводников образуется двумерная электронная система. Образец был выполнен в виде конденсатора, одной из обкладок которого является двумерная система, а второй — металлический электрод. При изменении температуры ячейки с одной обкладки конденсатора на другую начинает течь ток порядка 10–15 А, который пропорционален искомой энтропии системы. «Эта работа полностью российская, хотя исследованиями термодинамических свойств двумерных систем занимаются десятки групп в мире», — говорит Кунцевич. Измерения показали, что теплоемкость изученного образца площадью 4 кв. мм при температуре 2,5°К совпала с предсказаниями теории и оказалась равна 4*10–14 Дж/К.

Иначе говоря, для нагревания двумерной системы нанометровой толщины на 1°К требуется ничтожная энергия — 4*10–14 Дж. Чтобы представить себе эту величину, ее удобно сравнить с теплоемкостью каких-нибудь микроскопических объектов.

«Теплоемкость одного эритроцита диаметром 8 мкм составляет 1,7*10–12 Дж/K (если считать, что эритроцит состоит из воды). Теплоемкость исследованной нами системы в 50 раз меньше, а разрешающая способность метода еще в 20 раз выше, то есть имеется возможность измерять теплоемкости электронных систем в 1 тыс. раз меньшие, чем теплоемкость эритроцита, — подсчитал Кунцевич. — Инфузория-туфелька размером в 15 раз больше эритроцита имеет теплоемкость соответственно в 3 тыс. раз больше.

А значит, наш метод может различить одну трехмиллионную от теплоемкости инфузории».

Знание теплоемкости, а еще лучше, знание методов ее определения для конкретных двумерных систем — не просто забава физиков. Многие современные функциональные материалы, как, например, высокотемпературные сверхпроводники или узлы элементной базы обычной полупроводниковой или графеновой электроники, содержат двумерную систему как строительный блок. «Чтобы хорошо управлять свойствами материалов, необходимо эти свойства уметь точно измерять», — пояснил ученый.

Группа работает по гранту Российского научного фонда, который выделен на изучение особого класса веществ, называемых топологическими изоляторами (ТИ), и создание полевого транзистора на их основе. От большинства соединений ТИ отличаются тем, что в их толще нет свободных электронов, и потому внутри себя они ток не проводят, но токи (т.н. топологические) текут по поверхности вещества. Топологические свойства некоторых полупроводников (халькогенидов висмута, ртути, сурьмы) были впервые предсказаны теоретически еще в 80-е годы советскими физиками Борисом Волковым и Олегом Панкратовым (ФИАН). Сегодня пленки и кристаллы ТИ выращиваются в сотнях лабораторий мира, в том числе в ФИАНе. Главной проблемой в их выращивании остаются примеси, из-за которых часть тока все-таки течет внутри образца.

Необычные свойства таких соединений, например способность превращать спиновые токи в электрические, обещают найти широкое применение в разных областях техники, в первую очередь в разнообразных детекторах. Кроме того, если будет создан хороший топологический изолятор, токи в нем будут сохранять спин и не должны рассеиваться. Это даст в будущем возможность создавать процессоры с огромной частотой, которая не будет ограничена потерями тепла из-за электрического сопротивления.

Другое возможное применение топологических изоляторов — элементная база для другого компьютера будущего — квантового.

В ФИАНе в рамках гранта РНФ новые пленки топологических изоляторов выращивают на установке молекулярно-лучевой эпитаксии, закупленной еще в 1989 году и с тех пор полностью переделанной. Ранее установка использовалась для выращивания лазерных гетероструктур инфракрасного диапазона на основе халькогенидов свинца — для биомедицинских применений. Сейчас, с появлением квантово-каскадных лазеров, это направление стало неактуальным.

«Конечно, перед нами остро стоит проблема материальной базы. Но советские и российские физики всегда отличались тем, что могли что-то сделать, не посадив, как китайцы, 100 человек за 10 новых установок. Мы всегда старались придумать что-то при помощи палочки и веревочки. Наша ростовая установка довольно проста, самое ценное в ней — люди, которые на ней работают, и процессы, отлаженные на ней. И у нас есть идеи, как на простой установке получить хорошие пленки», — пояснил Кунцевич, отметив, что цена новой установки эпитаксии составляет миллионы долларов.


Источник: Газета.ру




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

 

Опал наизнанку
Опал наизнанку

Наносистемы: физика, химия, математика (2024, Т. 15, № 1)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume15/15-1
Там же можно скачать номер журнала целиком.

Наносистемы: физика, химия, математика (2023, Т. 14, № 5)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume14/14-5
Там же можно скачать номер журнала целиком.

Наносистемы: физика, химия, математика (2023, Т. 14, № 4)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume14/14-4
Там же можно скачать номер журнала целиком.

Материалы к защитам магистерских квалификационных работ на ФНМ МГУ в 2023 году
коллектив авторов
30 мая - 01 июня пройдут защиты магистерских квалификационных работ выпускниками Факультета наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова.

Материалы к защитам выпускных квалификационных работ бакалавров ФНМ МГУ 2022
Коллектив авторов
Материалы к защитам выпускных квалификационных работ бакалавров ФНМ МГУ 2022 содержат следующую информацию:
• Подготовка бакалавров на факультете наук о материалах МГУ
• Состав Государственной Экзаменационной Комиссии
• Расписание защит выпускных квалификационных работ бакалавров
• Аннотации квалификационных работ бакалавров

Эра технопредпринимательства

В эпоху коронавируса и борьбы с ним в существенной степени меняется парадигма выполнения творческих работ и ведения бизнеса, в той или иной мере касаясь привлечения новых типов дистанционного взаимодействия, использования виртуальной реальности и элементов искусственного интеллекта, продвинутого сетевого маркетинга, использования современных информационных технологий и инновационных подходов. В этих условиях важным является, насколько само общество готово к использованию этих новых технологий и как оно их воспринимает. Данной проблеме и посвящен этот небольшой опрос, мы будет рады, если Вы уделите ему пару минут и ответите на наши вопросы.

Технопредпринимательство в эпоху COVID-19

Небольшой опрос о том, как изменились подходы современного предпринимательства в контексте новых и возникающих форм ведения бизнеса, онлайн образования, дистанционных форм взаимодействия и коворкинга в эпоху пандемии COVID - 19.

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.



 
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.