Канадские физики создали систему, в которой на одиночных атомах наблюдается эффект отрицательного дифференциального сопротивления. Это означает, что с ростом электрического напряжения ток в системе падает (в отличие от закона Ома). Подобные устройства могут найти применение в микроэлектронике. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает Physics.
Элементы, в которых наблюдается отрицательное дифференциальное сопротивление, иначе называются «негатронами». Впервые этот эффект был обнаружен почти 60 лет назад в туннельных диодах. В них толщина переходной зоны между полупроводниками p-типа и n-типа оказывается настолько малой, (до сотни ангстрем) что через нее возможно туннелирование. При малых напряжениях вероятность туннелирования растет и ток растет вместе с напряжением. Затем, при определенном напряжении, напротив туннелирующих электронов оказываются запрещенные зоны и ток начинает падать вплоть до нулевых значений, несмотря на рост приложенной разности потенциалов — наблюдается отрицательное дифференциальное сопротивление. После этого туннельный диод ведет себя как обычный диод и ток снова начинает расти. Подробнее об этом можно прочесть здесь.
Туннельные диоды позволяют вводить новые, более сложные отклики в различные схемы. Однако, как показала практика, их трудно интегрировать в микроэлектронные устройства. Попытки создания наноразмерных негатронов приводили к приборам, которые либо плохо поддавались контролю, либо были ненадежными. Автором новой работы удалось решить эти проблемы, получив эффект отрицательного дифференциального сопротивления на туннельном токе от одного атома.
Физики использовали в основе прибора монокристалл кремния, предварительно очищенный от оксидного слоя. Кремний поместили в разреженную среду горячего атомарного водорода, позволив частицам газа осесть на поверхность полупроводника и связаться с ним. Часть поверхностных атомов кремния при этом оказалась без атомов водорода — их электронные свойства заметно отличались от остальных атомов кремния. В частности, на них может находиться два электрона на разных энергетических уровнях.
В эксперименте по измерению электронных свойств этих атомов, ученые с помощью сканирующего туннельного микроскопа создавали между поверхностью и иглой прибора разность потенциалов. Игла фиксировалась на определенной высоте (доли нанометра) над «безводородным» атомом кремния в образце, после чего измерялась зависимость тока от напряжения.
При небольших напряжениях от подложки к игле туннелировал электрон с более высокой энергией. Вероятность его переноса на иглу росла с ростом напряжения. Однако, начиная с некоторого порогового напряжения, возникала вероятность туннелирования второго, низкоэнергетичного электрона. Если «верхний» электрон быстро заменялся новым из зоны проводимости кремния, то на замену «нижнего» электрона требовалось гораздо больше времени. Как подтвердило компьютерное моделирование, это и является источником отрицательного сопротивления.
Ученые замечают, что внедрение в полупроводниковые приборы таких несвязанных поверхностных атомов совместимо с современными промышленными технологиями.
Туннельный эффект — одно из проявлений законов квантовой механики. Благодаря ему некий объект (например, частица) может изменить свое состояние на другое, даже не имея достаточной энергии, чтобы «перепрыгнуть» барьер между ними. Частица словно бы проходит по туннелю под барьером.
Интересно, что этот эффект может оказаться паразитным для полупроводниковых устройств. К примеру, при достаточно малых размерах транзисторов, туннельный эффект может привести к тому, что они больше не смогут закрываться. Электроны будут проходить от истока к стоку вне зависимости от напряжения на затворе. В октябре 2016 года американские физики показали транзистор с рекордно малым размером затвора — всего один нанометр. Туннельный ток в нем подавляется благодаря оптимальному подбору материалов.
Владимир Королёв