Spændingsstigninger på op til 25% observeret i tætpakkede nanotråde

(PhysOrg.com) -- Uventede spændingsstigninger på op til 25 procent i to knap adskilte nanotråde er blevet observeret på Sandia National Laboratories.

Designere af næste generations enheder, der bruger nanotråde til at levere elektriske strømme - inklusive telefoner, håndholdte computere, batterier og visse solcellepaneler - skal muligvis tage højde for sådanne overraskelsesboost.

"Folk har arbejdet på nanotråde i 20 år, ” siger Sandias lederforsker Mike Lilly. "I første omgang du studerer sådanne ledninger hver for sig eller alle sammen, men til sidst vil du have en systematisk måde at studere integrationen af ​​nanotråde i nanokredsløb. Det er det, der sker nu. Det er vigtigt at vide, hvordan nanotråde interagerer med hinanden i stedet for med almindelige ledninger."

Selvom gallium-arsenid nanotrådstrukturerne, der bruges af Lillys team, er skrøbelige, nanotråde har generelt meget praktiske egenskaber - de kan revne mindre end deres større fætre, de er billigere at producere, og de tilbyder bedre elektronisk kontrol.

Årevis, den bedst tilgængelige testmetode krævede, at forskere placerede et ladet stykke materiale kaldet en port mellem to nanotråde på en enkelt hylde. Porten, oversvømmet med elektroner, fungerede som en barriere:Det bevarede integriteten, træde i kræft, af ledningerne på hver side af den ved at afvise alle elektroner, der forsøger at undslippe den. Men den mindste ledningsadskillelse tilladt af porten var 80 nanometer. Nanotråde i fremtidige enheder vil blive pakket meget tættere sammen, så et meget mindre hul var nødvendigt for at teste.

Det nuværende testdesign har brillansen af ​​enkelhed. Hvad Lilly og kolleger ved McGill University i Montreal forestillede sig, var at sætte nanotrådene over hinanden, snarere end side om side, ved at adskille dem med nogle få atomlag af ekstremt rene, hjemmedyrket krystal. Dette gjorde det muligt for dem at teste nanotråde adskilt lodret med kun 15 nanometer - omtrent den afstand, næste generations enheder forventes at kræve. Og fordi hver ledning sidder på sin egen uafhængige platform, hver kan uafhængigt fodres og styres af elektriske input, varieret af forskerne.

Mens applikationer til tekniske enheder interesserer Lilly, det er egenskaberne ved nanotråde som et problem i en-dimensionel (1-D) grundvidenskab, der fascinerer ham.

En 1-D ledning er ikke din almindelige tyktaljet, 3-D husholdningsledning, som tillader strømmen at bevæge sig vandret, lodret, og fremad; det er heller ikke din mindre, fladtrykte 2-D-ledninger i mikronstørrelse i typiske elektroniske enheder, der tillader elektroner at bevæge sig fremad og på tværs, men ikke op og ned. I 1-D ledninger, elektronerne kan kun bevæge sig i én retning:fremad, som fanger, der kommer til frokost, den ene bag den anden.

"I det lange løb, vores testenhed giver os mulighed for at undersøge, hvordan 1-D-ledere er forskellige fra 2-D- og 3-D-ledere, sagde Lilly. "De forventes at være meget forskellige, men der er relativt få eksperimentelle teknikker, der er blevet brugt til at studere 1-D grundtilstanden."

En grund til forskellen er Coulomb-styrken, ansvarlig for det, der kaldes Coulomb "træk"-effekten, uanset om kraften fremskynder eller forsinker strømme. Betjening mellem ledninger, kraften er omvendt proportional med kvadratet af afstanden; det er, i almindelig mikroelektronik, kraften er praktisk talt umærkelig, men på nanoafstande, kraften er stor nok til, at elektroner i en ledning kan "mærke" de enkelte elektroner bevæge sig i en anden placeret i nærheden.

Trækket betyder, at den første ledning har brug for mere energi, fordi Coulomb-kraften skaber, træde i kræft, øget modstand. "Beløbet er meget lille, sagde Lilly, "og vi kan ikke måle det. Det, vi kan måle, er spændingen af ​​den anden ledning."

Der er ingen ligetil svar på, hvorfor Coulomb-kraften skaber negativ eller positiv modstand, men det gør det. Det blev opkaldt efter 1700-tallets videnskabsmand Charles August Coulomb.

Hvad man ved er, at "nok elektroner bliver banket sammen til at de giver positiv kilde i den ene ledningsende, negativ til den anden, sagde Lilly. En spænding opbygges i den modsatte retning for at holde elektronerne på plads, ” og dermed øge luftmodstanden.

Det såkaldte Fermi-hav - et 3-D-koncept, der bruges til at forudsige den gennemsnitlige energi af elektroner i metal - skulle helt nedbrydes i 1-D-ledninger, som i stedet skulle danne en Luttinger væske, sagde Lilly. En Luttinger-væske er en teoretisk model, der beskriver interaktioner mellem elektroner i en 1-D-leder. For bedre at forstå Luttinger-væsken er Lillys underliggende motiv for eksperimentet. (Enrico Fermi var en førende teoretisk fysiker i det 20. århundrede, som spillede en vigtig rolle i udviklingen af ​​atombomben. Joaquin Luttinger var en fysiker fra det 20. århundrede kendt for sine teorier om, hvordan elektroner interagerer i endimensionelle metaller.)

At have en interesse på mange niveauer viste sig nyttigt, fordi det tog os meget lang tid at lave testenheden, " sagde han. "Det er ikke umuligt at gøre i andre laboratorier, men Sandia har krystal-voksende evner, en mikrofabrikationsfacilitet og støtte til grundforskning fra DOE's [Department of Energy's] Office of Basic Energy Sciences (BES). BES-kerneprogrammet er interesseret i ny videnskab og nye opdagelser, ligesom det arbejde, vi udfører i forsøget på at forstå, hvad der foregår, når du arbejder med meget små systemer."

Enhedsfremstilling blev udført under et brugerprojekt på Center for Integrated Nanotechnologies, en DOE Office of Science national brugerfacilitet, der drives i fællesskab af Sandia og Los Alamos nationale laboratorier. Enhedens design og måling blev afsluttet under DOE Office of Science BES/Division of Materials Science and Engineering forskningsprogram.

Arbejdet krævede den krystalvoksende ekspertise fra Sandia-forskeren John Reno, McGill ph.d.-studerende Dominique Laroche's fremstillings- og målefærdigheder og elementer fra tidligere arbejde af Sandia-forsker Jerry Simmons.