Mike Lilly observa dois nanofios alimentados individualmente, embutido um no outro, em algumas camadas atômicas de cristal crescido em Sandia. O dispositivo de teste exclusivo já rendeu novas informações sobre os fluxos elétricos do nanomundo. (foto de Randy Montoya)
(PhysOrg.com) - Aumentos de voltagem inesperados de até 25 por cento em dois nanofios mal separados foram observados no Sandia National Laboratories.
Projetistas de dispositivos de próxima geração usando nanofios para fornecer correntes elétricas - incluindo telefones, Computadores portáteis, baterias e alguns painéis solares - pode precisar fazer concessões para tais aumentos surpresa.
“As pessoas trabalham em nanofios há 20 anos, ”Diz o pesquisador-chefe da Sandia, Mike Lilly. “No início, você estuda esses fios individualmente ou todos juntos, mas, eventualmente, você deseja uma maneira sistemática de estudar a integração de nanofios em nanocircuito. Isso é o que está acontecendo agora. É importante saber como os nanofios interagem entre si, e não com os fios normais. ”
Embora as estruturas de nanofio de arseneto de gálio usadas pela equipe de Lilly sejam frágeis, os nanofios em geral têm características muito práticas - eles podem rachar menos do que seus primos maiores, eles são mais baratos de produzir e oferecem melhor controle eletrônico.
Por anos, o melhor método de teste disponível exigia que os pesquisadores colocassem um pedaço de material carregado chamado de portão entre dois nanofios em uma única prateleira. O portão, inundado com elétrons, agiu como uma barreira:manteve a integridade, na verdade, dos fios de cada lado repelindo quaisquer elétrons que tentem escapar por ele. Mas a menor separação de fio permitida pelo portão era de 80 nanômetros. Os nanofios em dispositivos futuros serão agrupados de forma muito mais próxima, portanto, uma lacuna muito menor foi necessária para o teste.
O projeto de teste atual tem o brilho da simplicidade. O que Lilly e colegas de trabalho da Universidade McGill em Montreal imaginaram era colocar os nanofios um acima do outro, ao invés de lado a lado, separando-os com algumas camadas atômicas de extrema pureza, cristal cultivado em casa. Isso permitiu que eles testassem nanofios separados verticalmente por apenas 15 nanômetros - aproximadamente a distância que os dispositivos de próxima geração devem exigir. E porque cada fio fica em sua própria plataforma independente, cada um pode ser alimentado e controlado de forma independente por entradas elétricas variadas pelos pesquisadores.
Embora os aplicativos para dispositivos técnicos interessem à Lilly, são as características dos nanofios como um problema na ciência básica unidimensional (1-D) que o fascina.
Um fio 1-D não é comum, cintura grossa, Fio doméstico 3-D, que permite que a corrente se mova horizontalmente, verticalmente, e para a frente; nem é seu menor, fios 2-D achatados de tamanho mícron em dispositivos eletrônicos típicos que permitem que os elétrons se movam para frente e para trás, mas não para cima e para baixo. Em fios 1-D, os elétrons só podem se mover em uma direção:para frente, como prisioneiros vindo para o almoço, um atrás do outro.
A alça em forma de mala são os dois nanofios, um acima do outro. As áreas mais escuras são o cristal de arsenieto de gálio. As duas áreas mais claras na forma dos sinais “mais” são portas douradas na parte superior e inferior do dispositivo. (Imagem do microscópio eletrônico de varredura Sandia)
“No longo prazo, nosso dispositivo de teste nos permitirá sondar como os condutores 1-D são diferentes dos condutores 2-D e 3-D, ”Disse Lilly. “Espera-se que sejam muito diferentes, mas existem relativamente poucas técnicas experimentais que foram usadas para estudar o estado fundamental 1-D. ”
Uma razão para a diferença é a força de Coulomb, responsável pelo que é denominado efeito de “arrasto” de Coulomb, independentemente se a força acelera ou retarda as correntes. Operando entre fios, a força é inversamente proporcional ao quadrado da distância; isso é, na microeletrônica comum, a força é praticamente imperceptível, mas em nanodistâncias, a força é grande o suficiente para que os elétrons em um fio possam “sentir” os elétrons individuais movendo-se em outro colocado próximo.
O arrasto significa que o primeiro fio precisa de mais energia porque a força de Coulomb cria, na verdade, aumento da resistência. “O valor é muito pequeno, ”Disse Lilly, “E não podemos medir isso. O que podemos medir é a tensão do outro fio. ”
Não há respostas diretas sobre por que a força de Coulomb cria resistência negativa ou positiva, mas é assim. Foi nomeado em homenagem ao cientista do século 18 Charles August Coulomb.
O que se sabe é que "elétrons suficientes são empurrados para fornecer uma fonte positiva em uma extremidade do fio, negativo no outro, ”Disse Lilly. Uma tensão se acumula na direção oposta para manter os elétrons no lugar, ”Aumentando assim o arrasto.
O chamado mar de Fermi - um conceito 3-D usado para prever a energia média dos elétrons no metal - deve se decompor totalmente em fios 1-D, que em vez disso, deve formar um líquido Luttinger, Lilly disse. Um líquido Luttinger é um modelo teórico que descreve as interações de elétrons em um condutor 1-D. Para entender melhor o líquido Luttinger é o motivo subjacente de Lilly para o experimento. (Enrico Fermi foi um importante físico teórico do século 20 que desempenhou um papel importante no desenvolvimento da bomba atômica. Joaquin Luttinger foi um físico do século 20 conhecido por suas teorias sobre como os elétrons interagem em metais unidimensionais.)
Ter interesse em muitos níveis provou ser útil porque fazer o dispositivo de teste “nos levou muito tempo, Disse ele. “Não é impossível fazer em outros laboratórios, mas Sandia tem recursos de crescimento de cristal, uma instalação de microfabricação e suporte para pesquisa fundamental do Office of Basic Energy Sciences (BES) do DOE [Departamento de Energia]. O programa básico do BES está interessado em novas ciências e novas descobertas, como o trabalho que estamos fazendo para tentar entender o que está acontecendo quando você está trabalhando com sistemas muito pequenos. ”
A fabricação do dispositivo foi conduzida sob um projeto de usuário no Centro de Nanotecnologias Integradas, uma instalação de usuário nacional do DOE Office of Science administrada em conjunto pelos laboratórios nacionais Sandia e Los Alamos. O projeto e a medição do dispositivo foram concluídos sob o programa de pesquisa DOE Office of Science BES / Divisão de Ciência de Materiais e Engenharia.
O trabalho exigiu a experiência crescente do pesquisador Sandia John Reno, as habilidades de fabricação e medição do aluno de doutorado da McGill, Dominique Laroche, e elementos do trabalho anterior do pesquisador Sandia Jerry Simmons.
