ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК
ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Print ISSN: 1727-2769    Online ISSN: 2658-3747
English | Русский

Последний выпуск
№3(40) июль-сентябрь 2018

КВАНТОВЫЕ РАЗМЕРНЫЕ ЭФФЕКТЫ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОСТРУКТУРАХ

Выпуск № 3 (28) июль-сентябрь 2015
Авторы:

Арутюнов Константин Юрьевич
DOI: http://dx.doi.org/10.17212/1727-2769-2015-3-7-16
Аннотация
При достижении геометрических размеров некоего объекта определенных характерных масштабов начинают проявляться явления, связанные с пониженной размерностью системы. Современные нанотехнологические методы позволяют воспроизводимо изготовлять твердотельные структуры суб-100 нм размеров, где уже могут давать ощутимый вклад различные квантовые размерные эффекты. В данной работе использовался метод взрывной электроннолучевой литографии и направленного вакуумного напыления для изготовления металлических нанопроводов из висмута (полуметалл) и титана (сверхпроводник). Далее физическим травлением в направленной плазме аргона сечение нанопроводов последовательно уменьшалось. Между актами травления измерялись электрические свойства структур при низких температурах, позволяющие проследить развитие соответствующих квантовых размерных эффектов. В висмутовых наноструктурах с уменьшением их поперечных размеров были обнаружены осцилляции сопротивления и резкое его увеличение при достижении суб-70 нм масштабов. Эффект может быть интерпретирован как квантовый размерный эффект, связанный с квантованием энергетического спектра электронов проводимости. В сверхпроводящих системах с уменьшением сечения нанопровода заметно увеличивалась ширина сверхпроводящего перехода. В самых тонких образцах конечное сопротивление наблюдалось при температурах, существенно меньших, чем критическая температура материала. Феномен может быть также объяснен некоей разновидностью квантового размерного эффекта для квазиодномерного сверхпроводника – эффектом квантового проскальзывания фазы. Оба явления находятся в хорошем согласии с существующими модельными представлениями. Наличие квантовых размерных эффектов накладывает фундаментальные ограничения на использование наноэлектронных элементов сверхмалых размеров.
Ключевые слова: квазиодномерные металлические каналы, размерное квантование, неравновесная сверхпроводимость, нанотехнология.

Список литературы
  1. Tringides M.C., Jatochowski M., Bauer E. Quantum size effects in metallic nanostructures // Physics Today. – 2007. – Vol. 60, iss. 4. – P. 50–54. – doi: http://dx.doi.org/ 10.1063/1.2731973.
  2. Arutyunov K.Yu., Auraneva H.-P., Vasenko A.S. Spatially resolved measurement of nonequilibrium quasiparticle relaxation in superconducting Al // Physical Review B. – 2011. – Vol. 83, iss. 10. – P. 104509-1–104509-7. – doi: 10.1103/PhysRevB.83.104509.
  3. Microrefrigeration by quasiparticle tunneling in NIS and SIS junctions / J.P. Pekola, A.J. Manninen, M.M. Leivo, K.Yu. Arutyunov, J.K. Suoknuuti, T.I. Suppula, B. Collaudin // Physica B: Condensed Matter. – 2000. – Vol. 280, iss. 1–4. – P. 485–490. – doi: 10.1016/S0921-4526(99)01842-6.
  4. Arutyunov K.Yu., Hongisto T.T. Normal-metal-insulator-superconductor interferometer // Physical Review B. – 2004. – Vol. 70, iss. 6. – P. 064514-1–064514-6. – doi: 10.1103/ PhysRevB.70.064514.
  5. Ion beam shaping and downsizing of nanostructures / M. Zgirski, K.-P. Riikonen, V. Tuboltsev, P. Jalkanen, T.T. Hongisto, K.Yu. Arutyunov // Nanotechnology. – 2008. – Vol. 19, N 5. – P. 055301-1–055301-6. – doi: 10.1088/0957-4484/19/05/055301.
  6. Evidence of quantum phase slip effect in titanium nanowires / J.S. Lehtinen, T. Sajavaara, K.Yu. Arutyunov, M.Yu. Presnjakov, A. Vasiliev // Physical Review B. – 2012. – Vol. 85, iss. 9. – P. 094508-1–094508-7. – doi: 10.1103/PhysRevB.85.094508.
  7. Rubio R., Agraït N., Vieira S. Atomic-sized metallic contacts: mechanical properties and electronic transport // Physical Review Letter. – 1996. – Vol. 76, iss. 13. – P. 2302–2305. – doi: 10.1103/PhysRevLett.76.2302.
  8. Ogrin Yu.V., Lutskii V.N., Elinson M.I. Observation of quantum size effects in thin bismuth films // JETP Letters. – 1966. – Vol. 3, iss. 3. – P. 71–73.
  9. Sandomirskii V.B. Quantum size effect in a semimetal film // Soviet Physics JETP. – 1967. – Vol. 25, N 1. – P. 101–106.
  10. Komnik Yu.F., Bukhshtab E.I. Observation of the quantum and classical size effects in polycrystalline thin bismuth films // Soviet Physics JETP. – 1968. – Vol. 27, N 1. – P. 34–37.
  11. Duggal V.P., Rup R. Thickness-dependent oscillatory behavior of resistivity and Hall coefficient in thin single-crystalline bismuth films // Journal of Applied Physics. – 1969. – Vol. 40, iss. 2. – P. 492–495. – doi: 10.1063/1.1657426.
  12. Lin Y.-M., Sun X., Dresselhaus M.S. Theoretical investigation of thermoelectric transport properties of cylindrical Bi nanowires // Physical Review B. – 2000. – Vol. 62, iss. 7. – P. 4610–4623. – doi: 10.1103/PhysRevB.62.4610.
  13. Farhangfar S. Quantum size effects in a one-dimensional semimetal // Physical Review B. – 2006. – Vol. 74, iss. 20. – P. 205318-1–205318-5. – doi: 10.1103/PhysRevB.74.205318.
  14. Farhangfar S. Quantum size effects in solitary wires of bismuth // Physical Review B. – 2007. – Vol. 76, iss. 20. – P. 205437-1–205437-5. – doi: 10.1103/PhysRevB.76.205437.
  15. Arutyunov K.Yu., Golubev D.S., Zaikin A.D. Superconductivity in one dimension // Phy­sics Reports. – 2008. – Vol. 464, iss.1–2. – P. 1–70. – doi: 10.1016/j.physrep.2008.04.009.
  16. Langer J.S., Ambegaokar V. Intrinsic resitive transition in narrow superconducting channels // Physical Review. – 1967. – Vol. 164, iss. 2. – P. 498–510. – doi: 10.1103/PhysRev.164.498.
  17. McCumber D.E., Halperin B.I. Time scale of intrinsic resitive fluctuations in thin superconducting wires // Physical Review B. – 1970. – Vol. 1, iss. 3. – P. 1054–1070. – doi: 10.1103/PhysRevB.1.1054.
  18. Quantum phase slips and transport in ultrathin superconducting wires / Zaikin A.D., Golubev D.S., A. van Otterlo, G.T. Zimányi // Physical Review Letters. – 1997. – Vol. 78, iss. 8. – P. 1552–1555. – doi: 10.1103/PhysRevLett.78.1552.
  19. Golubev D.S., Zaikin A.D. Quantum tunneling of the order parameter in superconducting nanowires // Physical Review B. – 2001. – Vol. 64, iss. 1. – P. 014504-1–014504-14. – doi: 10.1103/PhysRevB.64.014504.
  20. Golubev D.S., Zaikin A.D. Thermally activated phase slips in superconducting nanowires // Physical Review B. – 2008. – Vol. 78, iss. 14. – P. 144502-1–144502-8. – doi: 10.1103/PhysRevB.78.144502.
  21. Lukens J.E., Warburton R.J., Webb W.W. Onset of quantized thermal fluctuations in one-dimensional superconductors // Physical Review Letters. – 1970. – Vol. 25, iss. 17. – P. 1180–1183. – doi: 10.1103/PhysRevLett.25.1180.
  22. Newbower R.S., Beasley M.R., Tinkham M. Fluctuation effects on the superconducting transition of tin whisker crystals // Physical Review B. – 1972. – Vol. 5, iss. 3. – P. 864–867. – doi: 10.1103/PhysRevB.5.864.
  23. Quantum phase slip phenomenon in ultra-narrow superconducting nanorings / K.Yu. Arutyunov, T.T. Hongisto, J.S. Lehtinen, L.I. Leino, A.L. Vasiliev // Scientific Reports. – 2012. – Vol. 2. – P. 293-1–293-7. – doi: 10.1038/srep00293.
  24. Lehtinen J.S., Zakharov K., Arutyunov K. Coulomb blockade and Bloch oscillations in superconducting Ti nanowires // Physical Review Letters. – 2012. – Vol. 109, iss. 18. – P. 187001-1–187001-5. – doi: 10.1103/PhysRevLett.109.187001.
  25. Hongisto T.T., Zorin A.B. Single-charge transistor based on the charge-phase duality of a superconducting nanowire circuit // Physical Review Letters. – 2012. – Vol. 108, iss. 9. – P. 097001-1–097001-5. – doi: 10.1103/PhysRevLett.108.097001.


    Просмотров: 1510