Наноструктуры, превосходящие сегнетоэлектрики

Металлические наноостровковые структуры, полученные в ФИАН, обладают колоссальной диэлектрической проницаемостью и могут изменять проводимость под действием предельно слабых электрических полей.

Неожиданные и уникальные свойства новых искусственных материалов обнаружили сотрудники ФИАН. Металлические наноостровковые структуры на диэлектрических подложках – предмет исследований доктора физ.-мат. наук Федора Пудонина и кандидата физ.-мат.наук Анатолия Болтаева. Подложкой может служить стекло, керамика и даже обычная бумага или лавсановая пленка. Главное, чтобы поверхность имела определенную шероховатость. На таких подложках выращены разупорядоченные системы из металлических наноостровков толщиной от 5 до 15 ангстрем и диаметром от 50 до 300 – 400 ангстрем (напомним, 1 ангстрем – 10^-10 м или 0,1 нм). Как оказалось, проводимость этих наноструктур при азотных и комнатных температурах с ростом температуры увеличивается (носит диэлектрический характер).

Согласно теории прыжковой проводимости Шкловского – Эфроса, общепринятой для объяснения механизма переноса носителей заряда в легированных полупроводниках при гелевых температурах, способность переноса зарядов в этих полупроводниковых системах зависит от того, на каком расстоянии центры легирования находятся друг от друга. Иначе говоря, важно, чтобы электрон имел возможность туннелировать — «перепрыгнуть» — с одного центра на другой, при этом не обязательно на ближайший.

В ходе экспериментов выяснилось, что для случая металлических наноостровковых структур теория Эфроса – Шкловского не работает. Ученые предположили, что металлические островки находятся не просто в нейтральном состоянии (никак не заряжены), а в зависимости от температуры некоторая часть из них заряжена положительно, а другая – отрицательно. «В сумме получается ноль, но сам факт заряда части островков оказывается очень важным, поскольку в наших структурах проводимость связана с туннелированием носителей заряда от заряженных островков на нейтральные островки», — объясняет Федор Пудонин.

Результатом наблюдения стала модель, уже подтвержденная экспериментально, согласно которой заряд островков играет главную роль в формировании физических свойств новых материалов. При этом не так уж важно, из какого металла выполнены металлические островки — физические свойства системы от этого не меняются (это могут быть ферромагнетики — железо или кобальт; железо-никелевый сплав — пермаллой; вольфрам, титан или другие материалы). По всей видимости, здесь играет определенную роль геометрический фактор — размеры островков и расстояние между ними.

Первым из обнаруженных необычных свойств островковых систем стала фотопроводимость, не наблюдавшаяся раньше в металлах. Проводимость новых материалов изменялась в зависимости от длины волны света, которым их облучали.

Как известно, у каждого металла — своя удельная проводимость — величина постоянная, которая не зависит ни от внешних сильных воздействий, ни от поля. Проводимость островковых систем константой не является, а зависит от приложенного электрического поля — может меняться от нескольких процентов до 2 – 3 раз (нелинейно возрастает). Более того, в таких структурах проводимость начинает изменятся в предельно слабых электрических полях (40 – 50 В/см).

«Эти свойства открывают большие прикладные возможности — мы имеем систему, проводимостью которой можно управлять», — считает Федор Пудонин. Явление изменения проводимости структуры можно использовать, например, в системах кодирования или защиты ценных бумаг, произведений искусства, техники.

Еще одно интересное свойство систем из металлических наноостровков на диэлектрической подложке — это гигантская диэлектрическая проницаемость. Обычно в металлах на низких частотах диэлектрическая проницаемость — величина отрицательная. В островковых структурах совершенно неожиданно была обнаружена большая положительная низкочастотная диэлектрическая проницаемость. На сегодняшний день наибольшей диэлектрической проницаемостью обладают сегнетоэлектрики, но в исследуемых структурах она получилась на три порядка больше (до 10⁷ – 10⁸ против 10⁴ – 10⁵ у сегнетоэлектриков)!

По мнению ученых, наноостровковые и гранулированные системы — это новый класс искусственных материалов (метаматериалов) с уникальными электрофизическими, магнитными, оптическими, фотоэлектрическими свойствами. И в будущем они должны найти широкое применение.