Российские ученые показали, что туннельный контакт можно использовать для спектроскопии электронных состояний углеродных нанотрубок. Предложенная технология изготовления туннельного контакта и метод спектроскопии помогут точно определять ширину запрещенной зоны нанотрубок — ключевую характеристику, необходимую для разработки любых электронных устройств на их основе. Статья опубликована в журнале Applied Physics Letters.
Углеродные нанотрубки — это уникальные по своей физической природе и свойствам объекты, которые за последние 30 лет нашли применение в различных областях науки и техники: в материаловедении, физике, электронике и многих других. Углеродная нанотрубка представляет собой свернутый в трубку лист графена. От того, как именно этот лист был свернут в трубку, зависит ширина запрещенной зоны, которая определяет полупроводниковые свойства нанотрубки.
Ширина запрещенной зоны обусловливает возможности применения полупроводников. Пока ученые еще не изобрели способ выращивания нанотрубок с заранее известной шириной запрещенной зоны. В процессе синтеза могут вырастать углеродные нанотрубки с различной шириной запрещенной зоны и даже вообще без нее. Чтобы определять ширину запрещенной зоны и конкретный вид распределения электронов по энергии, для каждой отдельной трубки традиционно использовалась туннельная спектроскопия при помощи туннельного микроскопа. Этот метод имеет ряд недостатков: он неточный, дорогой и нетехнологичный.
Теперь российские ученые предложили технологичный и масштабируемый метод для определения спектра электронов одиночной углеродной нанотрубки. Для этого исследователи изготовили туннельный контакт. Это контакт с очень высоким электрическим сопротивлением. Металл контакта связан с трубкой не напрямую, а через тонкий слой диэлектрика.
«Диэлектрик создает туннельный барьер — энергетическую стену, которая препятствует переносу носителей заряда. “Классическая” частица не может преодолеть такой барьер, но квантовая механика “позволяет” электрону проводимости или дырке пройти сквозь такой барьер, то есть протуннелировать. Важно, что вероятность туннелирования пропорциональна плотности состояний в исследуемом объекте. Благодаря этому свойству туннельный контакт позволяет сканировать распределение электронов по энергии в трубке», — комментирует один из авторов исследования Яков Матюшкин.
Исследователи изготовили серию образцов, каждый из которых представлял собой одиночную углеродную нанотрубку с двумя парами омических и двумя парами туннельных контактов. Сначала они вырастили на кремниевой подложке трубку, а затем присоединили к ней контакты. В ходе эксперимента при температуре жидкого гелия между туннельным и омическим контактом прикладывали напряжение и измеряли электрический ток, который протекал через систему. Зависимость тока от напряжения позволила получить спектр электронов в углеродной нанотрубке и узнать ширину запрещенной зоны. Метод позволил не только получить информацию о зонной структуре углеродной нанотрубки, но и выяснить, как она меняется под влиянием внешних воздействий.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
