Введение к работе
Актуальность работы
Нанопроволоки, т.е. проводники электрического тока диаметром менее 100 нм, представляют значительный интерес, как с общенаучной, так и с прикладной точки зрения. По-видимому, наибольшее применение нанопроволоки могут найти в электронике и компьютерной технике будущего. Полупроводниковые нанопроволоки могут использоваться в качестве базы для создания наноразмерных электронных устройств, таких как диоды, транзисторы, логические элементы. Металлические нанопроволоки могут найти применение в качестве соединительных элементов в нанокомпьютерах (как квантовых, так и обычных).
Одной из главных проблем, с которыми сталкивается современная компьютерная техника, является проблема тепловыделения, и в частности нагрев проводов, соединяющих компактные логические элементы. При дальнейшей миниатюризации компьютеров эта проблема становится еще более критичной. Это связано как с эффектами сильного уменьшения удельной электропроводности при переходе к квазиодномерным системам, так и с тем тривиальным фактом, что сопротивление провода возрастает обратно пропорционально квадрату его поперечных размеров. Одним из способов решения этой проблемы является применение сверхпроводниковых контуров. Но вопрос существования сверхпроводимости в квазиодномерных структурах до сих пор остается открытым. Особенно это касается высокотемпературных сверхпроводников, применение которых диктуется необходимостью работы компьютеров при температурах, при которых еще дееспособны полупроводниковые логические элементы. В этом случае интерес прикладной физики пересекается с интересами физики фундаментальной.
На данный момент существует множество методов изготовления нанопроволок. Однако часто методы узко специфичны и подходят для получения нанопроволок или пучков нанопроволок из ограниченного числа материалов. Задача исследования свойств нанопроволок осложняется еще и тем, что образцы одного и того же состава и близких размеров, полученные разными методами, часто демонстрируют разные свойства. Кроме того, большинство существующих методов не позволяют получать пучки нанопроволок длиной более десяти микрон. Очевидные сложности при манипуляции нанообъектами также существенно затрудняют проведение исследований электрических и других свойств нанопроволок.
В работе [1] был предложен универсальный способ получения нанопроволок заданного состава использующий эффект катализа коалесценции атомов, молекул и малых кластеров квантованными вихрями в сверхтекучем гелии. Этот способ отличается универсальностью, т.к. подходит для практически любых материалов, а также удобством исследования электрических свойств пучков нанопроволок.
Настоящая работа посвящена реализации этого метода и исследованию морфологии, структуры и электрических свойств нанопроволок из различных металлов.
Цели работы
Создание экспериментальной установки, позволяющей проводить лазерную абляцию металлов внутри сверхтекучего гелия и сохранять продукты конденсации металлов для их дальнейшего исследования. Экспериментальное доказательство возможности образования металлических нанопроволок в квантованных вихрях в сверхтекучем гелии методами оптической и электронной микроскопии. Получение нанопроволок из широкого диапазона металлов. Исследование электрических, морфологических и структурных свойств металлических нанопроволок и нанокластеров.
Научная новизна результатов работы
Экспериментально реализован новый метод выращивания нанопроволок - в квантованных вихрях при лазерной абляции погруженной в сверхтекучий гелий металлической мишени. Впервые получены длинные (до 1 см) пучки тонких (диаметр 7-12 нм) нанопроволок из индия, олова, свинца, никеля и пермаллоя. Методами оптической и электронной микроскопии исследована структура пучков нанопроволок. Показано, что образование нанопроволок идет вдоль оси квантованного вихря через сплавление малых кластеров металлов, образующихся при абляции мишени внутри сверхтекучего гелия. Исследованы зависимости электропроводности пучков нанопроволок от температуры. За счет большой длины выращенных в сверхтекучем гелии пучков металлических нанопроволок достигнуты рекордно высокие значения туннельного эмиссионного тока электронов.
Практическая ценность
Метод выращивания нанопроволок в квантованных вихрях в сверхтекучем гелии позволяет создавать единообразным способом тонкие (<10 нм) нанопроволоки из различных материалов и исследовать электрические и структурные свойства.
Высокая стоимость нанопроволок и малое количество расходуемого на их образование материала делают экзотический метод, основанный на применении сверхтекучего гелия и лазерного излучения, конкурентно способным с другими методами и в технологическом плане.
Данный метод может быть использован для получения нанопроволок из высокотемпературных сверхпроводников.
Дальнейшее развитие метода выращивания нанопроволок в квантованных вихрях в сверхтекучем гелии может позволить получать нанопроволоки со сложной чередующейся или многослойной структурой.
Мощная автоэлектронная эмиссия длинных пучков нанопроволок позволяет рассматривать их как прообраз высокоэффективных холодных катодов.
Основные положения, выносимые на защиту
Создание экспериментальной методики выращивания нанопроволок из любых материалов в квантованных вихрях в сверхтекучем гелии
Доказательство образования в сверхтекучем гелии металлических нанопроволок из In, Sn, Pb, Ni и пермаллоя.
Результаты исследования морфологии и структуры металлических нанопроволок методом электронной микроскопии.
Результаты измерения электрических свойств пучков нанопроволок из In, Sn, Pb, Ni и пермаллоя.
Возможность получения в сверхтекучем гелии атомно-гладких металлических шаров субмикронного и нанометрового размеров.
Личный вклад автора
Личный вклад автора состоит в непосредственном участии в разработке и монтаже экспериментальной криогенной установки на базе откачного оптического криостата, подготовке и проведении низкотемпературных экспериментов по выращиванию и исследованию свойств нанопроволок, полученных в квантованных вихрях в сверхтекучем гелии, а также в обсуждении результатов и подготовке публикаций.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на конкурсе-конференции научных работ по различным разделам физики среди студентов и аспирантов учебных и научно-исследовательских институтов в возрасте до 26 лет. 2009, Научной сессии МИФИ 2010, 7-ом российском симпозиуме «Проблемы физики ультракоротких процессов в сильнонеравновесных средах», 2009, 81 Conference on Cryocrystals and Quantum Crystals CC-2010, XXII Всероссийском симпозиуме "Современная химическая физика" Туапсе, Россия, 2010, XXIII Всероссийском симпозиуме "Современная химическая физика" Туапсе, Россия, 2011.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 5 в журналах из перечня ведущих периодических изданий ВАК.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 105 листах машинописного текста, содержит 25 рисунков, 1 таблицу и 125 библиографических ссылок.
