Mike Lilly osserva due nanofili alimentati individualmente, incastonati l'uno sull'altro, in alcuni strati atomici di cristallo coltivato a Sandia. L'esclusivo dispositivo di test ha già fornito nuove informazioni sui flussi elettrici del nanomondo. (foto di Randy Montoya)
(PhysOrg.com) -- Nei Sandia National Laboratories sono stati osservati aumenti di tensione fino al 25% in due nanocavi appena separati.
Progettisti di dispositivi di nuova generazione che utilizzano nanofili per fornire correnti elettriche, inclusi telefoni, computer palmari, batterie e alcuni pannelli solari - potrebbe essere necessario tenere conto di tali aumenti a sorpresa.
“Le persone lavorano sui nanofili da 20 anni, ", afferma Mike Lilly, capo ricercatore di Sandia. “In un primo momento, studi questi fili singolarmente o tutti insieme, ma alla fine si vuole un modo sistematico di studiare l'integrazione dei nanofili nei nanocircuiti. Questo è ciò che sta accadendo ora. È importante sapere come i nanofili interagiscono tra loro piuttosto che con i normali cavi".
Sebbene le strutture di nanofili di arseniuro di gallio utilizzate dal team di Lilly siano fragili, i nanofili in generale hanno caratteristiche molto pratiche:possono rompersi meno dei loro cugini più grandi, sono più economici da produrre e offrono un migliore controllo elettronico.
Per anni, il miglior metodo di test disponibile richiedeva ai ricercatori di mettere un pezzo di materiale carico chiamato gate tra due nanofili su un singolo ripiano. Il cancello, inondato di elettroni, ha agito da barriera:ha mantenuto l'integrità, in effetti, dei fili su entrambi i lati respingendo eventuali elettroni che tentano di sfuggire attraverso di esso. Ma la più piccola separazione dei fili consentita dal gate era di 80 nanometri. I nanofili nei dispositivi futuri saranno imballati insieme molto più da vicino, quindi era necessario un divario molto più piccolo per i test.
L'attuale design del test ha la brillantezza della semplicità. Quello che Lilly e i colleghi della McGill University di Montreal avevano immaginato era di mettere i nanofili uno sopra l'altro, piuttosto che fianco a fianco, separandoli con pochi strati atomici di estrema purezza, cristallo di produzione propria. Ciò ha permesso loro di testare nanofili separati verticalmente da soli 15 nanometri, circa la distanza che dovrebbero richiedere i dispositivi di nuova generazione. E poiché ogni cavo si trova sulla propria piattaforma indipendente, ciascuno può essere alimentato e controllato in modo indipendente da ingressi elettrici variati dai ricercatori.
Mentre le applicazioni per i dispositivi tecnici interessano Lilly, sono le caratteristiche dei nanofili come problema nella scienza di base unidimensionale (1-D) che lo affascina.
Un filo 1-D non è il tuo comune, vita spessa, cavo domestico 3-D, che consente alla corrente di muoversi orizzontalmente, verticalmente, e avanti; né è il tuo più piccolo, fili 2-D appiattiti di dimensioni micron nei tipici dispositivi elettronici che consentono agli elettroni di spostarsi in avanti e attraverso ma non su e giù. Nei fili 1-D, gli elettroni possono muoversi solo in una direzione:avanti, come prigionieri che vengono a pranzo, uno dietro l'altro.
La maniglia a forma di valigia sono i due nanofili, uno sopra l'altro. Le aree più scure sono cristalli di arseniuro di gallio. Le due aree più chiare nella forma dei segni "più" sono i cancelli dorati nella parte superiore e inferiore del dispositivo. (Immagine al microscopio elettronico a scansione Sandia)
“A lungo andare, il nostro dispositivo di prova ci permetterà di sondare come i conduttori 1-D sono diversi dai conduttori 2-D e 3-D, "disse Lilly. “Ci si aspetta che siano molto diversi, ma ci sono relativamente poche tecniche sperimentali che sono state usate per studiare lo stato fondamentale 1-D”.
Una ragione per la differenza è la forza di Coulomb, responsabile di quello che viene chiamato effetto “drag” di Coulomb, indipendentemente dal fatto che la forza acceleri o ritardi le correnti. Operando tra i fili, la forza è inversamente proporzionale al quadrato della distanza; questo è, nella microelettronica ordinaria, la forza è praticamente impercettibile, ma a nanodistanze, la forza è abbastanza grande che gli elettroni in un filo possono "sentire" i singoli elettroni che si muovono in un altro posto vicino.
La resistenza significa che il primo filo ha bisogno di più energia perché la forza di Coulomb crea, in effetti, maggiore resistenza. “L'importo è molto piccolo, "disse Lilly, “e non possiamo misurarlo. Quello che possiamo misurare è la tensione dell'altro filo.”
Non ci sono risposte dirette sul motivo per cui la forza di Coulomb crea una resistenza negativa o positiva, ma lo fa. Prende il nome dallo scienziato del XVIII secolo Charles August Coulomb.
Ciò che è noto è che "un numero sufficiente di elettroni viene spinto lungo da fornire una sorgente positiva a un'estremità del filo, negativo dall'altro, "disse Lilly. Una tensione si accumula nella direzione opposta per mantenere gli elettroni in posizione, ” aumentando così la resistenza.
Il cosiddetto mare di Fermi - un concetto 3-D utilizzato per prevedere l'energia media degli elettroni nel metallo - dovrebbe rompersi completamente in fili 1-D, che invece dovrebbe formare un liquido Luttinger, ha detto Lilly. Un liquido Luttinger è un modello teorico che descrive le interazioni degli elettroni in un conduttore 1-D. Per comprendere meglio il liquido Luttinger è il motivo alla base dell'esperimento di Lilly. (Enrico Fermi è stato uno dei principali fisici teorici del XX secolo che ha svolto un ruolo importante nello sviluppo della bomba atomica. Joaquin Luttinger era un fisico del XX secolo noto per le sue teorie su come gli elettroni interagiscono nei metalli unidimensionali.)
Avere un interesse su più livelli si è rivelato utile perché realizzare il dispositivo di prova “ci ha richiesto molto tempo, ” ha detto. “Non è impossibile farlo in altri laboratori, ma Sandia ha capacità di crescita dei cristalli, una struttura di microfabbricazione e supporto per la ricerca fondamentale dell'Ufficio delle scienze energetiche di base (BES) del DOE [il Dipartimento dell'Energia]. Il programma principale BES è interessato a nuove scienze e nuove scoperte, come il lavoro che stiamo facendo per cercare di capire cosa sta succedendo quando lavori con sistemi molto piccoli".
La fabbricazione del dispositivo è stata condotta nell'ambito di un progetto utente presso il Centro per le nanotecnologie integrate, una struttura nazionale per gli utenti dell'Ufficio delle scienze del DOE, gestita congiuntamente dai laboratori nazionali Sandia e Los Alamos. La progettazione e la misurazione del dispositivo sono state completate nell'ambito del programma di ricerca DOE Office of Science BES/Division of Materials Science and Engineering.
Il lavoro ha richiesto l'esperienza nella coltivazione dei cristalli del ricercatore Sandia John Reno, le capacità di fabbricazione e misurazione dello studente di dottorato McGill Dominique Laroche ed elementi del lavoro precedente del ricercatore di Sandia Jerry Simmons.
