Mike Lilly observe deux nanofils alimentés individuellement, imbriqués l'un dans l'autre, dans quelques couches atomiques de cristal de Sandia. Le dispositif de test unique a déjà fourni de nouvelles informations sur les flux électriques du nanomonde. (photo de Randy Montoya)
(PhysOrg.com) -- Des augmentations de tension inattendues allant jusqu'à 25 % dans deux nanofils à peine séparés ont été observées aux laboratoires nationaux Sandia.
Les concepteurs d'appareils de nouvelle génération utilisant des nanofils pour fournir des courants électriques - y compris des téléphones, Ordinateurs portables, batteries et certains panneaux solaires - il faudra peut-être tenir compte de ces augmentations surprises.
« Les gens travaillent sur les nanofils depuis 20 ans, », déclare Mike Lilly, chercheur principal de Sandia. « Au début, vous étudiez ces fils individuellement ou tous ensemble, mais finalement, vous voulez un moyen systématique d'étudier l'intégration des nanofils dans les nanocircuits. C'est ce qui se passe maintenant. Il est important de savoir comment les nanofils interagissent entre eux plutôt qu'avec des fils ordinaires.
Bien que les structures de nanofils d'arséniure de gallium utilisées par l'équipe de Lilly soient fragiles, les nanofils en général ont des caractéristiques très pratiques - ils peuvent se fissurer moins que leurs grands cousins, ils sont moins chers à produire et ils offrent un meilleur contrôle électronique.
Pendant des années, la meilleure méthode de test disponible exigeait des chercheurs qu'ils placent un morceau de matériau chargé appelé grille entre deux nanofils sur une seule étagère. La porte, inondé d'électrons, a agi comme une barrière :il a maintenu l'intégrité, en effet, des fils de chaque côté en repoussant tous les électrons qui tentent de s'échapper à travers elle. Mais la plus petite séparation de fil permise par la grille était de 80 nanomètres. Les nanofils des futurs appareils seront emballés beaucoup plus étroitement, donc un écart beaucoup plus petit était nécessaire pour les tests.
La conception de test actuelle a l'éclat de la simplicité. Ce que Lilly et ses collègues de l'Université McGill à Montréal envisageaient, c'était de placer les nanofils les uns au-dessus des autres, plutôt que côte à côte, en les séparant par quelques couches atomiques extrêmement pures, cristal de chez nous. Cela leur a permis de tester des nanofils séparés verticalement de seulement 15 nanomètres, soit à peu près la distance que les appareils de nouvelle génération devraient nécessiter. Et parce que chaque fil repose sur sa propre plate-forme indépendante, chacun peut être alimenté et contrôlé indépendamment par des entrées électriques variées par les chercheurs.
Alors que les applications de dispositifs techniques intéressent Lilly, ce sont les caractéristiques des nanofils en tant que problème de la science fondamentale unidimensionnelle (1-D) qui le fascinent.
Un fil 1-D n'est pas votre commun, taille épaisse, fil domestique 3-D, qui permet au courant de se déplacer horizontalement, verticalement, et vers l'avant ; ce n'est pas non plus ta plus petite, fils 2-D aplatis de la taille d'un micron dans les appareils électroniques typiques qui permettent aux électrons de se déplacer vers l'avant et à travers mais pas de haut en bas. En fils 1-D, les électrons ne peuvent se déplacer que dans un sens :vers l'avant, comme des prisonniers venant déjeuner, l'un derrière l'autre.
La poignée en forme de valise sont les deux nanofils, l'un au-dessus de l'autre. Les zones les plus sombres sont le cristal d'arséniure de gallium. Les deux zones plus claires dans la forme des signes "plus" sont des portes dorées en haut et en bas de l'appareil. (Image au microscope électronique à balayage de Sandia)
« À long terme, notre appareil de test nous permettra de sonder en quoi les conducteurs 1D sont différents des conducteurs 2D et 3D, », a déclaré Lilly. « On s'attend à ce qu'ils soient très différents, mais il y a relativement peu de techniques expérimentales qui ont été utilisées pour étudier l'état fondamental 1-D.
Une des raisons de la différence est la force de Coulomb, responsable de ce que l'on appelle l'effet « traînée » de Coulomb, indépendamment du fait que la force accélère ou retarde les courants. Fonctionnant entre les fils, la force est inversement proportionnelle au carré de la distance; C'est, en microélectronique ordinaire, la force est pratiquement imperceptible, mais à des nanodistances, la force est suffisamment grande pour que les électrons d'un fil puissent «sentir» les électrons individuels se déplacer dans un autre placé à proximité.
La traînée signifie que le premier fil a besoin de plus d'énergie car la force de Coulomb crée, en effet, résistance accrue. « Le montant est très faible, " dit Lilly, « Et nous ne pouvons pas le mesurer. Ce que nous pouvons mesurer, c'est la tension de l'autre fil.
Il n'y a pas de réponses simples quant à la raison pour laquelle la force de Coulomb crée une traînée négative ou positive, mais ça le fait. Il a été nommé en l'honneur du scientifique du XVIIIe siècle Charles August Coulomb.
Ce que l'on sait, c'est que "suffisamment d'électrons sont projetés pour fournir une source positive à une extrémité du fil, négatif à l'autre, », a déclaré Lilly. Une tension s'accumule dans la direction opposée pour maintenir les électrons en place, ” augmentant ainsi la traînée.
La mer de Fermi - un concept 3-D utilisé pour prédire l'énergie moyenne des électrons dans le métal - devrait totalement se décomposer en fils 1-D, qui à la place devrait former un liquide de Luttinger, dit Lily. Un liquide de Luttinger est un modèle théorique qui décrit les interactions des électrons dans un conducteur 1-D. Mieux comprendre le liquide de Luttinger est le motif sous-jacent de Lilly pour l'expérience. (Enrico Fermi était un physicien théoricien de premier plan du 20e siècle qui a joué un rôle important dans le développement de la bombe atomique. Joaquin Luttinger était un physicien du 20e siècle connu pour ses théories sur la façon dont les électrons interagissent dans les métaux unidimensionnels.)
S'intéresser à plusieurs niveaux s'est avéré utile car réaliser l'appareil de test « nous a pris beaucoup de temps, " a-t-il dit. "Ce n'est pas impossible à faire dans d'autres laboratoires, mais Sandia a des capacités de croissance cristalline, une installation de microfabrication et un soutien à la recherche fondamentale de l'Office of Basic Energy Sciences (BES) du DOE [le ministère de l'Énergie]. Le programme de base BES s'intéresse aux nouvelles sciences et aux nouvelles découvertes, comme le travail que nous faisons pour essayer de comprendre ce qui se passe lorsque vous travaillez avec de très petits systèmes.
La fabrication du dispositif a été réalisée dans le cadre d'un projet utilisateur au Centre de nanotechnologies intégrées, une installation nationale d'utilisateurs du DOE Office of Science gérée conjointement par les laboratoires nationaux Sandia et Los Alamos. La conception et la mesure de l'appareil ont été réalisées dans le cadre du programme de recherche DOE Office of Science BES/Division of Materials Science and Engineering.
Le travail a nécessité l'expertise cristalline du chercheur de Sandia John Reno, les compétences de fabrication et de mesure de l'étudiante au doctorat à McGill Dominique Laroche et des éléments des travaux antérieurs du chercheur de Sandia Jerry Simmons.
