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纳米材料

纳米材料

纳米管和超级动态

06 Aug 1999

在过去几十年中发生的电子设备小型化的奇妙进展在很大程度上是通过完善称为光刻的世纪历史的技术实现。设备由图层构建层,每个层上的模式由光刻定义“mask”. In this “top-down”方法我们从一个大,均匀的半导体材料块开始,并用一个设备的装置饰面,该装置可以具有测量跨越微米的一部分的特征。四十年前Richard Feynman提出了另一种选择,“bottom-up”电子设备将自身组装的方法从单个原子和分子组装。虽然这样“self-assembly”听起来像科幻小说,它可以在实践中工作。所有植物和自然世界的动物都是自我组装的结果!

然而,尽管有多年的研究和巨大的科学和商业潜力,但仍然没有完整的自组装电子设备的单一示例,直接从原子或分子制成。尽管如此,研究人员仍然乐观,通过发现可以充当电线的新碳分子。现在,来自法国,俄罗斯和德国的物理学家团队表明,这些所谓的碳纳米管也可以在连接到超导体(A Yu Kasumov时,在1 k以下的温度下表现出零电流。 . 1999 科学 284 1508).

碳纳米管是20世纪80年代在富勒烯发现的副产物。在右侧条件下,碳原子可以从电弧放电等离子体自发组装,形成封闭网格,形状像足球和雪茄。碳-60等分子的美丽–这具有与足球中发现的五角形和六边形模式相同–与原子混沌鲜明对比,它们具有令人惊讶的高产量。

1991年,日本筑波的NEC实验室的Sumio Ijima发现了类似的管状碳结构,只测量跨越几纳米但几微米长。这些纳米管可以描述为卷起的二维石墨片。原子布置在六边形中,并且纳米管的特征在于它们的直径及其螺旋,其与卷起片材的方向有关。除了非常强大,柔韧,碳纳米管还具有异常的电子性质。特定的纳米管可以是金属或半导体,取决于其直径和螺旋(参见 物理世界 January 1998)。

但是什么是“metallic”在分子水平的平均值?金属线可以广泛地定义为许多电子系统,如果保持在播放电子储存器的角色的两个金属触点之间,则在触点的费米水平上具有截开的轨道。 (在金属中,费米水平是分开占用和未占用的电子状态的能量。所有材料的电气行为主要由FERMI水平附近的电子的行为决定。)如果施加偏置电压,则更确切地说,从而分裂其费米水平,至少应该是分子轨道“window”在从一个接触到另一个触点延伸的两个费米水平之间。

大多数分子不满足该标准。如果它们在移动电子中足够常规和丰富,则它们可以扩展轨道。然而,当分子超过几十个原子时,几乎总是发生不稳定性。一些债券缩短,其他债券得更久了“gap”在分子的费米能量的能谱中打开。在该间隙内部没有可用于电子可用于电子的能量状态,因此分子成为绝缘体或半导体。半导体分子可以是“doped”通过引入向系统添加电子的原子。虽然掺杂可以将费米能量移动到能量隙外,但是所得到的疾病可以定位电子,这意味着它们不再自由移动。

碳纳米管是我们所知道的唯一分子,这不会发生这种情况。纳米管的对称性使其具有独特的特性:每单位长度它们在费米能量和许多粘合电子中具有很少的移动电子。纳米管子因此有更多“bones” than “flesh”,这种电子刚性可防止上述不稳定性。

1997年,在实验中验证了某些纳米管的金属特征。这些结果立即提出了另一个问题。如果铅和铝等金属在低温下成为超导体,则纳米管也可以携带电流而没有任何损失?

早期的实验无法回答这个问题。当电流通过纳米管时,电压降由纳米管和供应电流供应电流的探针之间的接触电阻。这种接触电阻太大而无法区分超导状态,其中电子形式对和正常的金属状态,其中它们是独立的。此外,Paul Mceuen的测量’在加利福尼亚大学伯克利和Cees Dekker的S集团’荷兰代表院技术大学的S集团表示,纳米管中的电子彼此强烈击退,这对超导性不利。

H的寻找超导行为更复杂的方式已经开发出来élè大学的Ne Bouchiaté巴黎在奥斯泰,俄罗斯科学院俄罗斯科学院俄罗斯科学院,法国蒙彼利埃大学和斯图加特的最大普朗克研究所的俄罗斯科学院的俄罗斯科学院的同事。 Bouchiat和同事利用所谓的邻近效应–当放置在两个超导体之间时,普通金属可以携带超常电流的异乎寻常的效果。然而,这种类型的超导性最多可以诱导几微米的范围。

纳米管会显示此邻近效果吗?阳性答案至少将证明电子沿着纳米管的行进时,电子不会失去量子相干性。量子相干意味着电子留在良好的量子状态–或叠加量子态–当他们沿着纳米管道旅行时。虽然量子相干性与超导直接相关,但可能在将来的设备应用中利用。

法国 - 俄罗斯 - 德国团队首先解决了通过用激光束熔化的黄金中的纳米管来解决接触电阻的问题,这是由Chernogolovka的Alik Kazumov开创的技术。黄金似乎为纳米管制造出优异的焊料,并且接触电阻很小(与金属纳米管的电阻约为相同)。虽然金不是超导体,但是由钽或铼制成的电极和冷却至约1k,可用于使由于接近效果引起的金超导。

因此,现在的问题是:近距离效果也在纳米管上工作吗?答案是肯定的。当设备低于触点的超导转变温度时,该团队在单个纳米管中和纳米管束中观察到的超速率。对于纳米管捆绑的实验,最大的超级电流与理论预测一致。

然而,在单个纳米管上进行的测量令人惊讶的结果:最大超速电流比预期的40倍。这种效果可能是由于钽或由金熔化引起的钽或铼层中的超导性。纳米管和联系人之间的其他微妙和未探测的相互作用也可能是负责任的。单碳纳米管也有一个遥控器材确实是真正的超导体,而不是由于邻近效应而只能携带超级电流的材料,但目前认为这不太可能。

无论解释如何,Bouchiat和同事的工作都沿着纳米管沿着纳米管的电子传播的相干性能。此外,实验证实,碳纳米管真的是理想的分子线,直到最近,只有在物理学家的梦想中。

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