CC BY
53102
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
НАНОСПЛАВЫ С ТЯЖЕЛЫМИ ФЕРМИОНАМИ КАК ДЕТЕКТОРЫ ТЕРАГЕРЦЕВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Молдосанов К. А.
Кыргызско-Российский Славянский университет, 720000 Бишкек, Кыргызская республика Поступила в редакцию 16.05.2011
Представлено действительным членом РАЕН В.В. Колесовым 23.05.2011
Показано, что наночастицы из соединений с тяжелыми фермионами (СТФ) — потенциальные поглотители электромагнитного излучения терагерцевого (ТГц) диапазона частот, и будучи введенными в соответствующую матрицу, они могут найти применение в качестве конвертеров ТГц излучения в теплоту в детекторах ТГц диапазона. Из простых оценок следует, что это возможно, если в наночастицах СТФ при комнатных температурах сохраняется высокая интенсивность рассеяния электронов вследствие сохранения f-зоны тяжелых электронов, что реализуемо, если энергетическая щель между верхним краем f-зоны и ближайшим незанятым электронным уровнем в зоне легких электронов превышает величину kT ~ 2.640-2 эВ.
Ключевые слова: наночастица, нанотрубка, тяжелый фермион, детектор терагерцевого диапазона УДК 621.382 (575.2) (04)__________________
СОДЕРЖАНИЕ
1. введение (102)
2. /зона в стф частицах при комнатной
температуре: размеры частиц и энергии
поглощаемых фотонов (102)
3. заключение (104) литература (104)
1. ВВЕДЕНИЕ
Последнее десятилетие отмечено настоящим бумом в терагерцовой электронике [1], осваивающей диапазон электромагнитного излучения на частотах ~ 0,1-10 ТГц (длины волн ~3 мм - 30 мкм), то есть диапазон, включающий в себя низковолновую часть миллиметрового диапазона, весь субмиллиметровый и дальний (длинноволновый) инфракрасный диапазоны шкалы электромагнитных волн. Электромагнитные волны этого диапазона привлекают внимание своими особыми свойствами, проявляющимися при их взаимодействии с различными веществами. Терагерцовое излучение сочетает высокую проникающую способность, свободно проходя через бумагу, дерево, некоторые строительные конструкции (кирпичные стены и пр.), пластики, керамику, а также через верхние слои кожи и одежду человека, с удобством фокусировки. При этом терагерцовые волны «экологически чисты», безопасны для организма. Кванты энергии в этом диапазоне соответствуют энергетическим переходам колебательных степеней
свободы биомакромолекул. Эти и другие свойства этого диапазона открывают широкие перспективы их разнообразнейших применений.
В качестве источников и сенсоров терагер-цового излучения используются широкий набор устройств и метаматериалов. В недавних обзорах о ТГц детекторах [2] и сенсорах [3] приведена обширная литература по принципам генерации и приема ТГц излучения. В настоящей работе предлагается способ регистрации и визуализации ТГц излучения, не имеющий аналогов в известной литературе.
2. /-ЗОНА В СТФ ЧАСТИЦАХ ПРИ КОМНАТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ:
РАЗМЕРЫ ЧАСТИЦ И ЭНЕРГИИ ПОГЛОЩАЕМЫХ ФОТОНОВ
Известно [4-6], что в объемных соединениях с тяжелыми фермионами (например, в соединениях CePd3, CeAl3, CeCu, и других), благодаря узкой и частично занятой /-зоне электронных состояний вблизи уровня Ферми EF, при низких температурах (—10-100 К) наблюдается очень интенсивное рассеяние электронов. При комнатных температурах это явление исчезает из-за размывания/зоны фононами. Однако, даже при комнатных температурах в СТФ частицах можно сохранить интенсивное рассеяние электронов и обусловливающую это рассеяние /зону. Для этого СТФ частица
1 НОМЕР | ТОМ 3 | 2011 | РЕНСИТ
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
электронов N(E) как функции энергии электронов E в частицах соединений с тяжелыми фермионами. Незанятые состояния в зоне легких электронов выше уровня Ферми Ер показаны вертикальными штриховыми линиями. Плотность состояний электронов в узкой f-зоне схематически показана для комнатной температуры.
должна иметь достаточно малые размеры, с энергетической щелью между верхним краему-зоны и ближайшим незанятым электронным состоянием в зоне легких электронов (рис. 1), превышающей энергию теплового размытия kT = 2.640-2 эВ (здесь k — постоянная Больцмана, T = 300 K). Именно сохранение у-зоны обеспечивает эффекты, представляющие практический интерес.
При комнатных температурах плотность энергетических состояний электронов N(E) в пределах у-зоны изменяется благодаря фононам, которые переносят электроны с состояний ниже Бр на уровни выше Бр. Поэтому плотность состояний N(E) в пределах у-зоны будет выглядеть так, как изображено на рис. 1. Следовательно, фотоны смогут возбуждать у-электроны, если их энергии кратны (Г/N), где N — число атомов в частице, то есть (Г/N), 2фГ/Щ 3фГ/Щ ..., ~ (Г/2).
Благодаря большому числу незанятых электронных состояний вблизи Бр в узкой у-зоне, в частице, находящейся в электромагнитном (ЭМ) поле, электроны, возбужденные фотонами, будут интенсивно рассеиваться (с интенсивностью на два порядка величины выше интенсивности рассеяния в простых металлах). ЭМ энергия будет интенсивно преобразовываться в теплоту, и частица станет нагреваться. Этот эффект можно использовать для разработки конвертеров ТГц излучения в инфракрасное (ИК) излучение. Средства
НАНОСПЛАВЫ С ТЯЖЕЛЫМИ ФЕРМИОНАМИ КАК 103 ДЕТЕКТОРЫ ТЕРАГЕРЦЕВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
визуализации ИК излучения уже существуют, поэтому конвертер ТГц излучения в теплоту, будучи соединенным с ИК системой отображения, стал бы прибором для визуального наблюдения ТГц излучения.
При уменьшении размера металлической частицы, то есть, с уменьшением числа N атомов в ней, энергетическое расстояние между электронными уровнями в зоне легких электронов увеличивается. Поскольку число атомов в изолированной металлической частице мало, расстояние между энергетическими уровнями обычно [7] оценивается по приближённой формуле:
AE ~ Бр /N. (1)
И в зоне тяжёлых электронов энергетическое расстояние между электронными уровнями также увеличивается:
AEf ~ Г/N, (2)
где Г - ширина у-зоны, Гр ~ 10-100 К , или в энергетических единицах: Гр ~ 8.740-4 — 8.7-10-3 эВ.
В соответствии с формулой (1) и рис. 1, число N атомов в частице, которое она должна содержать, чтобы -зона сохранилась, то есть чтобы сумма энергий [E + (Г/2)] превысила величину kT, определяется неравенством:
N < Ep/kT.
Для количественных оценок предположим, что Бр~ 10 эВ. Тогда N < 385. Далее, пусть частица представляет собой куб; тогда максимальное число атомов, которое должно содержаться в ребре, равно 3851/3 ~ 7 атомам, а максимальное число атомов в пространственной диагонали должно быть равно 7-31/2 ~ 12 атомам. Предположим для определенности, что размер атома равен 4 А, тогда оценочный «диаметр» частицы должен быть равен 12-4 А = 48 А ~ 5 нм. Таким образом, частицы с сохраненной у-зоной вблизи уровня Ферми должны иметь размеры нанометрического масштаба.
Определим теперь, какому диапазону ЭМ спектра принадлежат фотоны, если их энергии преобразуются в теплоту вследствие интенсивного рассеяния на тяжёлых электронах -зоны. В соответствии с формулой (2), величина AEp лежит в пределах:
AEf ~ Г/N ~ 2.3-10-6 — 2.3-10-5 эВ.
Таким образом, -электроны могут поглощать фотоны с энергиями: 2.3-10-6, 4.6 10 6, 6.9 10 6, ...,
РЕНСИТ | 2011 | ТОМ 3 | НОМЕР 1
104 МОЛДОСАНОВ К.А.
~ 4.310-4 эВ (оценки для нижнего значения Г). А для верхнего значения Гf можно получить следующие величины поглощаемых ЭМ энергий: 2.3А0-5, 4.6 10-5, 6.910-5, ..., ~ 4.310-3эВ.
Пересчёт этих величин в длины волн показывает, что поглощаемые фотоны принадлежат диапазону ЭМ спектра с длинами волн от ~ 0.29 мм до 54 см (соответственно, их частоты лежат в пределах от ~ 1 ТГц до 555 МГц). Этот диапазон содержит и ТГц поддиапазон.
3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом показано, что наноразмерный сплав соединений с тяжелыми фермионами может служить детектором терагерцевого диапазона. Приведенные оценки означают, что потенциальное применение наночастиц из СТФ — конвертеры ЭМ излучения в теплоту в ТГц детекторах. Кроме того, подобные приборы могли бы найти применение в медицине: в онкологии для раннего обнаружения опухолей и в ТГц томографии.
Чтобы сохранить необходимые свойства наночастиц СТФ на практике, требуется сохранить их размер ~ 5 нм и предотвратить агломерацию (образование кластеров, «комочков» из наночастиц СТФ). Для сохранения необходимых свойств наночастиц СТФ, их можно было бы диспергировать в матрице, прозрачной для ТГц излучения, например, в желатине, — используя технологии, разработанные в своё время при производстве фотоматериалов, где в желатине диспергировали наночастицы галоидного серебра. Возможно, что оборудование фабрик фотоматериалов применимо для данной задачи.
Другой, но более трудный для реализации, путь — введение наночастиц СТФ в изолирующую матрицу, состоящую из нанотрубок диаметром ~ 5 нм. В связи с этим привлекательна технология создания «ковра» из углеродных нанотрубок, состоящего из миллиардов пустых нанотрубок, выстроенных вертикально, «как упакованные спагетти» — её разработал профессор Аджаян (P.M. Ajayan) [8-12] из Университета Райса (Техас, США). «Ковёр» из нанотрубок с наночастицами СТФ внутри мог бы стать двумерным конвертером ТГц излучения в теплоту для инфракрасного отображающего детектора.
Оптические элементы (линзы) для ТГц диапазона частот в России уже производятся в промыш-
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
ленном масштабе [13], поэтому объективы для
конвертеров реализуемы.
ЛИТЕРАТУРА
1. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques (Special Issue on Terahertz Electronics) 2000, 48(4).
2. Sizov F, Rogalski A. THz detectors. Progress in Quantum Electronics, 2010, 34(5):278-347.
3. Sizov F. THz radiation sensors. Opto-Electronics Review, 2010, 18(1):10-36.
4. Хомский ДИ. Проблема промежуточной
валентности. УФН, 1979, 129(3):443-485.
5. Хомский ДИ. Редкоземельные соединения с промежуточной валентностью: спектроскопические исследования. В сб.: Спектроскопия кристаллов. Под ред. А.А. Каплянского. Л., Наука, 1985, pp. 118-149.
6. Stewart GR. Heavy-fermion systems. Rev. Mod. Phys, 1984, 56(4):755-787.
7. Гусев АИ, Ремпель АА. Нанокристаллические материалы. М., Физматлит, 2001, 224 c.
8. Yang Z-P, Ci L, Bur JA, Lin S-Y, Ajayan PM. Experimental observation of an extremely dark material made by a low-density nanotube array. Nano Letters, 2008, 8(2):446.
9. SuhrJ, Victor P, Ci L, Sreekala S, Zhang X, Nalamasu O, Ajayan PM. Fatigue resistance of aligned carbon nanotube arrays under cyclic compression. Nature Nanotechnology, 2007, 2(7):417-421.
10. Ajayan PM, Tour J. Nanotube Composites. Nature, 2007, 447:1066-1068.
11. Ge L, Sethi S, Ci L, Ajayan PM, Dhinojwala A. Carbon nanotube-based synthetic gecko-tapes. Proc. Nat. Acad, of Sa, 2007, 104:10792-10795.
12. Talapatra S, Kar S, Pal SK, Vajtai R, Ci L, Victor P, Shaijumon MM, Kaur S, Nalamasu O, Ajayan PM. Direct growth of aligned carbon nanotubes on bulk metals. Nature Nanotechnology, 2006, 1:112.
13. ТГц материалы. Http://www.tydex.ru/ru/products/ thz_optics/thz_materials/ (доступ 10.05.2011).
1 НОМЕР | ТОМ 3 | 2011 | РЕНСИТ
BRIEF REPORTS
105
Молдосанов Камиль Абдикеримович,
Кыргызско-Российский Славянский университет,
естественно-технический факультет,
ул. Киевская, 44, 720000 г. Бишкек, Кыргызская
республика,
тел. +996 312 57 0749, [email protected]
HEAVY-FERMION NANOALLOYS AS DETECTORS OF TERAHERTZ RADIATION
Moldosanov K. A.
Kyrgyz-Russian Slavic University,
Kievskaya str., 44, 720000 Bishkek, Kyrgyz Republic, [email protected]
Nanoparticles of alloys with heavy fermions are shown to be potential absorbers of the terahertz (THz) electromagnetic radiation. Being introduced into the proper matrix, they could be used in the THz detectors as the THz radiation to heat converters. Simple estimations show that this is possible if the nanoparticles with heavy fermions retain at room temperatures a high intensity electron scattering due to holding of the f-band of heavy fermions. The latter can be realized if the energy gap between the upper edge of the f-band and the nearest unoccupied electron level within the light electrons band exceeds a value of kT ~ 2.640-2 eV.
Keywords: nanoparticle, nanotube, heavy fermion, THz detector
UDC 621.382 (575.2) (04)
Bibliography — 13 references
RENSIT, 2011, 3(1):102-105______________________________
REFERENCES
1. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques (Special Issue on Terahertz Electronics)
2000, 48(4) .
2. Sizov F, Rogalski A. Progress in Quantum Electronics, 2010, 34(5):278-347.
3. Sizov F. Opto-ElectronicsReview, 2010, 18(1):10-36.
4. Khomsky DI. UFN, 1979, 129(3):443-485 (in Russ).
5. Khomsky DI. In: Spektroskopiya kristallov [Spectroscopy of Crystals]. A.A. Kaplyanskiy, ed. Leningrad, Nauka Publ., 1985, pp. 118-149.
6. Stewart GR. Rev. Mod. Phys, 1984, 56(4):755-787.
7. Gusev AI, Rempel’ AA. Nanokristalicheskie materialy [Nanocrystalline materials]. Moscow, Fizmatlit Publ.,
2001, 224 p.
Received 16.05.2011
8. Yang Z-P, Ci L, Bur JA, Lin S-Y, Ajayan PM. Nano Letters, 2008, 8(2):446-451.
9. Suhr J, Victor P, Ci L, Sreekala S, Zhang X, Nalamasu O, Ajayan PM. Nature Nanotechnology, 2007, 2(7):417-421.
10. Ajayan PM, Tour J. Nature, 2007, 447:1066-1068.
11. Ge L, Sethi S, Ci L, Ajayan PM, Dhinojwala A. Proc. Nat. Acad. of Sci., 2007, 104:10792-10795.
12. Talapatra S, Kar S, Pal SK, Vajtai R, Ci L, Victor P, Shaijumon MM, Kaur S, Nalamasu O, Ajayan PM. Nature Nanotechnology, 2006, 1:112-116.
13. TGts materialy [THz materials]. Available at: http:// www.tydex.ru/ ru/products/thz_optics/thz_ materials/ (accessed 10 Mai 2011).
РЕНСИТ | 2011 | ТОМ 3 | НОМЕР 1
