CC BY
0
УДК 538.9
ЭФФЕКТЫ ДИССИПАТИВНОГО ТУННЕЛИРОВАНИЯ В СТРУКТУРАХ С ЗОЛОТЫМИ НАНОЧАСТИЦАМИ
В. Д. Кревчик1, М. Б. Семёнов2, П. В. Кревчик3
1 2 3Пензенский государственный университет, Пенза, Россия
1 2, [email protected]
Аннотация. Рассмотрена модель 2D-диссипативного туннелирования в пределе слабой диссипации для планарной структуры с золотыми наночастицами под иглой кантилевера совмещенного атомного силового и сканирующего туннельного микроскопа, когда коэффициент взаимодействия туннелирующих электронов по параллельным координатам реакции может сменить знак. Показано, что в этом случае наблюдается теоретически и подтверждается экспериментально эффект двойных 2D-бифуркаций и квантовых биений.
Ключевые слова: диссипативное туннелирование, металлические наночастицы, эффект бифуркаций, квантовые биения
Для цитирования: Кревчик В. Д., Семёнов М. Б., Кревчик П. В. Эффекты диссипативного туннелирования в структурах с золотыми наночастицами // Вестник Пензенского государственного университета. 2024. № 4. С. 160-166.
В последние годы заметно возросло количество приборных приложений в области современной наноэлектроники с управляемыми характеристиками на основе туннельного эффекта. В частности, речь может идти о создании туннельных диодов [1], сенсоров [2], преобразователей терагерцового в ИК-излучение [3] и других устройств туннельной наноэлектроники на основе золотых наночастиц. Так, например, в работе «Преобразователи терагерцового излучения в инфракрасное для визуализации рака кожи человека: проблемы и возможности» коллектива авторов [3] рассматриваются преобразователи терагерцового в инфракрасное (ТГц - ИК) излучение, которые могут визуализировать рак кожи человека, преобразуя его специфические контрастные паттерны, распознаваемые в диапазоне ТГц-излучения, в ИК-паттерны, обнаруживаемые стандартной ИК-камерой. В основе предлагаемых преобразователей ТГц - ИК лежат плоские матрицы, прозрачные как в визуализируемом ТГц-диапазоне, так и в рабочем диапазоне ИК-камеры; эти матрицы содержат внедренные металлические (золотые) наночастицы (рис. 1), которые при облучении ТГц-лучами преобразуют энергию ТГц-фотонов в тепло и становятся наноисточниками ИК-излучения, обнаруживаемыми ИК-камерой.
При этом для обеспечения синтеза наиболее эффективного размера внедренных золотых наночастиц может оказаться востребованным метод их контролируемого роста в системе совмещенного атомного силового и сканирующего туннельного микроскопа с использованием эффектов диссипативного туннелирования [4].
Золотые наночастицы в настоящее время используются в различных устройствах наноэлек-троники и нанофотоники с управляемыми характеристиками.
© Кревчик В. Д., Семёнов М. Б., Кревчик П. В., 2024
160
Рис. 1. «Рабочий элемент» преобразователя ТГц - ИК: матрица с внедренными металлическими (золотыми) наночастицами [3]
Так, например, в работе «Усиление взаимодействия света и материи в двумерных материалах с помощью оптических микро/наноархитектур для высокопроизводительных оптоэлектрон-ных устройств» [5] показано, что двумерные материалы с использованием Аи-наночастиц являются многообещающим решением для электронных и оптоэлектронных устройств следующего поколения благодаря своим уникальным свойствам (рис. 2).
Рис. 2. Двумерные материал-плазмонные гибридные фотодетекторы [5]: А - измерения фототока фотодетектора «сэндвича» графен - антенна, полученного вдоль направления строчной развертки с различной геометрией Аи-антенны. Данные с устройства управления без Аи-антенны также представлены. На вставке - схема устройства с указанием нулевой точки. В - схема инфракрасного фотодетектора из графена/кремния, связанного с Аи-КР. С - фотоответ устройства графен/кремний при различной мощности освещения (1550 нм) с НЧ-Аи и без них. Б - схема фотодетектора Мо82 с несколькими слоями, соединенного с периодической Аи-наноматрицей. Е - зависимость фототока от напряжения на стоке устройства с несколькими слоями Мо82 с Аи-наноматрицами и без них. Б - схема фотодиода WS2 /Мо82, связанного с Аи-КР, и процессы поглощения для видимого и ближнего инфракрасного света, а также для переключения фотооткликов устройства с плазмонной связью и без нее на длине волны 1030 нм освещения [5]
Из-за атомной толщины 2Э-материалов длина взаимодействия света с веществом в 2Э-материалах намного меньше, чем в объемных материалах, что ограничивает возможности оптоэлектронных устройств, состоящих из 2Э-материалов. Для улучшения взаимодействия света и материи были введены оптические микро/наноархитектуры в двумерные опто-электронные устройства.
Авторы [5] обсуждают различные стратегии улучшения взаимодействия света и вещества в двумерных материалах, а именно: плазмонного эффекта, волновода, оптического резонатора и архитектуры отражения. Также описаны текущие достижения в области высокопроизводительных оптоэлектронных устройств из 2Э-материалов (например, фотодетекторов, электрооптических модуляторов, светоизлучающих диодов и молекулярных сенсоров), которым помогают эти стратегии усовершенствования. В заключительной части статьи авторы обсудили будущие проблемы и возможности проектирования микро/нанофотонных структур в устройствах из 2Э-ма-териалов.
Эффекты 2Э-туннельных бифуркаций в рамках науки о квантовом туннелировании с диссипацией впервые были предсказаны в работе Б. И. Ивлева и Ю. Н. Овчинникова (ИТФ им. Л. Д. Ландау) для планарных структур взаимодействующих контактов Джозефсона в виде характерных изломов на соответствующих туннельных ВАХ [6]. Предсказанные теоретически изломы до настоящего момента не удалось выявить экспериментально из-за наличия существенных шумов в окрестности точки бифуркации. В рамках рассматриваемой нами теоретической модели 2Э-диссипативного туннелирования в 2Э-осцилляторном потенциале в одноин-стантонном квазиклассическом приближении в пределе слабой диссипации при конечной температуре в условиях внешнего электрического поля в системе совмещенного атомного силового и сканирующего туннельного микроскопа для планарной структуры с отдельными золотыми наночастицами в случае обычной диэлектрической матрицы удалось теоретически выявить единичный излом (точку бифуркации) на полевой зависимости вероятности 2Э-диссипативного туннелирования. Аналогичный излом (точку бифуркации) экспериментально выявили для исследуемых структур на отдельных туннельных ВАХ в лаборатории зондовой микроскопии ННГУ им. Н. И. Лобачевского [6]. Оказалось, что на отдельных туннельных ВАХ, когда туннельный ток протекал по параллельным каналам через соседние золотые наночастицы, а не через одну отдельную наночастицу, удалось экспериментально наблюдать не один, а два характерных излома, т.е. двойные 2Э-туннельные бифуркации. Кроме того, упорядоченные планарные структуры с золотыми туннельно-связанными наночастицами в диэлектрической матрице при определенных условиях могут обладать свойствами метаматериала, т.е. эффективной отрицательной относительной диэлектрической проницаемостью. Следовательно, актуальной целью стало теоретическое исследование двойных 2Э-туннельных бифуркаций и квантовых биений в системе «игла кантилевера совмещенного АСМ/СТМ - КТ(КМ)», моделируемой двухъямным осцилляторным потенциалом при наличии внешнего электрического поля при конечной температуре, в случае матрицы, обладающей свойствами метамате-риала.
Результаты проведенных экспериментов свидетельствуют о возможности экспериментального наблюдения устойчивых 2Э-туннельных бифуркаций с диссипацией.
В случае позиционирования острия АСМ зонда между двумя близко расположенными НЧ Au (рис. 3) появляется возможность параллельного туннелирования электронов между АСМ зондом и подложкой одновременно через две НЧ Au (квазидвумерный случай). При этом на туннельных ВАХ наблюдалась пара изломов, соответствующих двойному эффекту бифуркаций 2Э-туннелирования (рис. 4). Помимо двойных изломов, на ВАХ наблюдались квантовые биения в окрестности точек двумерных бифуркаций.
— А U
n+4-Si 4"
Рис. 3. Схема параллельного туннелирования электронов между АСМ зондом и проводящей подложкой через две НЧ Au при исследовании диссипативного туннелирования электронов через НЧ Au в туннельно-прозрачной пленке SiO2/«+-Si методом туннельной АСМ
а)
б)
Рис. 4. Примеры ВАХ контакта АСМ зонда к структуре SiO2(1,5 нм)/ВЮ2,6 нм)/SiO2(1,8 нм)/и+^(001), измененных при позиционировании АСМ зонда между двумя НЧ Au: а - со «сглаженными» двойными изломами (без квантовыми биений); б - с квантовыми биениями
Теоретический расчет 2D-бифуркационных мод проводился в модельном потенциале 2D-осциллятора при конечной температуре во внешнем электрическом поле в пределе слабой диссипации, т.е. считалось, что взаимодействие электронов, туннелирующих между НЧ, с матрицей-термостатом, обеспечивающее реальный переход в состояния, локализованные в соседней НЧ, достаточно мало, но достаточно для обеспечения затухания потенциала осциллятора двойной ямы, используемого в предлагаемой модели [7].
В случае позиционирования острия АСМ зонда между двумя близкорасположенными Au (квазидвумерная система), как отмечено выше, на полевой зависимости вероятности 2D-дис-сипативного туннелирования имеется не один, а два характерных излома. Результаты сравнения расчетных полевых зависимостей вероятности 2D-туннелирования с экспериментальным ВАХ квазидвумерных систем (рис. 5) также показывают удовлетворительное качественное соответствие результатов расчетов и экспериментов. При этом кривые на рис. 5,а соответствуют двумер-
ным бифуркациям без квантовых биений. На рис. 5,б в окрестности точек двумерных бифуркаций также наблюдались квантовые биения.
50 40 30 20 10
I 0 - -10
-20
-30
-40
-50
-5-4-3-2-10 1 2 3 4
Уд (V)
а)
50 40 30 20 10
I 0
-20 -30 -40 -50
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
V (V)
б)
Рис. 5. Сравнение экспериментальных туннельных ВАХ для случая позиционирования АСМ зонда между двумя близкорасположенными НЧ Аи (чёрная кривая) с расчетными полевыми зависимостями вероятности 2Б-диссипативного туннелирования (зелёная кривая), рассчитанными в пределе слабой диссипации
С использованием метода самоформирования НЧ Аи в процессе окисления в кислородной плазме тлеющего разряда тонких пленок аморфной смеси Аи-81 (1 : 7), осажденных на подложки и+-81(001) методом импульсного лазерного осаждения (ИЛО), сформированы 2Э-массивы НЧ Аи
с латеральными размерами 2-5 нм и толщиной 1,0-1,5 нм, встроенные в туннельно-прозрачные (толщиной порядка 5 нм) пленки 8Ю2/и+^(001).
Методом туннельной АСМ изучен поперечный туннельный транспорт электронов в пленках 8Ю2:пс-Аи/и+-8^001). На токовых изображениях пленок обнаружены участки локального увеличения силы тока через АСМ зонд размером порядка 10 нм, связанные с туннелированием электронов между АСМ зондом с Р покрытием и подложкой через индивидуальные НЧ Аи.
С целью изучения процессов диссипативного туннелирования электронов через НЧ Аи, внедренные в пленку 8Ю2, измерены ВАХ контакта АСМ зонда к пленке 8Ю2:пс-Аи/я+^(001) при различных положениях острия АСМ зонда относительно НЧ Аи. В случае позиционирования острия АСМ зонда строго над индивидуальной НЧ Аи (квазиодномерный случай) на туннельной ВАХ наблюдается единичный излом, связанный с бифуркацией 2D-диссипативного туннелирования электронов между АСМ зондом с двумя выступами на острие и подложкой через НЧ Аи. В случае позиционирования АСМ зонда между двумя близко расположенными НЧ Аи (квазидвумерный случай) на ВАХ обнаружены двойные изломы, связанные с двойным эффектом бифуркаций при диссипативном 2D-туннелировании электронов между АСМ зондом и подложкой параллельно через две близко расположенные НЧ Аи.
В туннельных ВАХ контакта АСМ зонда к пленкам 8Ю2:пс-Аи/я+^(001) обнаружены особенности вблизи точек 2D-туннельных бифуркаций, связанные с предсказанными ранее теоретически квантовыми осцилляциями при диссипативном 2D-туннелировании.
Проведен теоретический расчет вероятности 2D-диссипативного туннелирования в модельном потенциале 2D-осциллятора при конечной температуре во внешнем электрическом поле в пределе слабой диссипации с учетом 2D-мод бифуркаций для квазиодномерного и квазидвумерного случаев. Проведено сравнение результатов расчетов и экспериментальных туннельных ВАХ контакта АСМ зонда к поверхности пленки 8Ю2:пс-Аи/я+^(001). В первом случае получено качественное согласие экспериментальных ВАХ и расчетных полевых зависимостей в модельном потенциале 2D-осциллятора для случая параллельного 2D-диссипативного туннелирования. Во втором случае качественное согласие между экспериментальными ВАХ и теоретической полевой зависимостью для вероятности 2D-диссипативного туннелирования получено в предположении отрицательной эффективной относительной диэлектрической проницаемости матрицы-термостата.
В результате:
- получена аналитическая формула вероятности 2D-диссипативного туннелирования в модельном 2D-осцилляторном потенциале в одноинстантонном квазиклассическом приближении в пределе слабой диссипации при конечной температуре в условиях внешнего электрического поля в системе совмещенного атомного силового и сканирующего туннельного микроскопа для планарной структуры с золотыми наночастицами в матрице, обладающей свойствами метаматериала;
- теоретически найдены эффекты двойных 2D-туннельных бифуркаций и квантовых биений на полевой зависимости вероятности 2D-диссипативного туннелирования в рассматриваемой модели для планарной структуры с золотыми наночастицами в матрице, обладающей свойствами метаматериала;
- получено качественное совпадение полученных теоретических зависимостей полевой зависимости вероятности 2D-диссипативного туннелирования с экспериментальными туннельными ВАХ для исследуемых структур, содержащими двойные изломы, интерпретируемые как двойные бифуркации, и квантовые биения в окрестности точек бифуркации.
Таким образом, исследования туннельных эффектов для систем с золотыми наночастицами являются актуальным направлением исследований современных устройств наноэлектроники и нанофотоники.
Список литературы
1. Hao-Tse Hsiao, I-Cheng Yao, I-Chih Ni, Shien-Der Tzeng [et al.]. Gold-Nanoparticle-Coated Ge MIS Photodiodes // Journal of the Electron Devices Society. 2018. Vol. 6. P. 95-99.
2. Guomei Zhang. Functional gold nanoparticles for sensing applications // Nanotechnol. Rev. 2013. № 2 (3). P. 269-288. doi: 10.1515/ntrev-2012-0088
3. Moldosanov K., Bykov A., Kairyev N., Khodzitsky M. [et al.]. Terahertz-to-infrared converters for imaging the human skin cancer: challenges and feasibility // Journal of Medical Imaging. 2023. № 10 (02). P. 23-501. doi: 10.1117/1.JMI.10.2.023501
4. Пат. на изобретение RU 2533533 С1 от 19.09.2014. Способ контролируемого роста квантовых точек из коллоидного золота / Кревчик В. Д., Семёнов М. Б., Артёмов И. И., Горшков О. Н.; опубл. 20.11.2014.
5. Li Tao, Zefeng Chen, Zhiyong Li, Jiaqi Wang. Enhancing light-matter interaction in 2D materials by optical micro/nano architectures for high-performance optoelectronic devices // InfoMat. 2020. № 3 (4). URL: https:// doi.org/10. 1002/inf2.12148
6. Bendersky V. A., Leggett A. J., OvchinnikovYu. N., Krevchik V. D. [et al.]. Controlleddissipativetunnel-ing. Tunnel transport in low-dimensional systems : monograph. M., 2011-2012. 496 p.
7. Dahnovsky Yu., Leggett A. J., Semenov M. B., Krevchik V. D. [et al.]. Transfer processes in low-dimensional systems. Tokyo : UT Research Institute Press, 2005. 690 p.
Информация об авторах
Кревчик Владимир Дмитриевич, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой «Физика», декан факультета «Информационные технологии и электроника», Пензенский государственный университет.
Семёнов Михаил Борисович, доктор физико-математических наук, профессор, профессор-консультант кафедры «Физика», Пензенский государственный университет.
Кревчик Павел Владимирович, магистрант, Пензенский государственный университет.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
