Электрические свойства металлических нанопроволок, полученных в квантованных вихрях сверхтекучего гелия
Методом лазерной абляции металлов в сверхтекучем гелии получены пучки нанопроволок из никеля, индия и свинца. Проволоки диаметром 5–8 нм демонстрируют металлическую проводимость и связаны между собой точечными контактами. Показано, что пучки проволок прикрепляются к введенным в область конденсации о...
Saved in:
| Published in: | Физика низких температур |
|---|---|
| Date: | 2010 |
| Main Authors: | , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
2010
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/117362 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Электрические свойства металлических нанопроволок, полученных в квантованных вихрях сверхтекучего гелия / Е.Б. Гордон, А.В. Карабулин, В.И. Матюшенко, В.Д. Сизов, И.И. Ходос // Физика низких температур. — 2010. — Т. 36, № 7. — С. 740–747. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-117362 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Гордон, Е.Б. Карабулин, А.В. Матюшенко, В.И. Сизов, В.Д. Ходос, И.И. 2017-05-22T15:40:34Z 2017-05-22T15:40:34Z 2010 Электрические свойства металлических нанопроволок, полученных в квантованных вихрях сверхтекучего гелия / Е.Б. Гордон, А.В. Карабулин, В.И. Матюшенко, В.Д. Сизов, И.И. Ходос // Физика низких температур. — 2010. — Т. 36, № 7. — С. 740–747. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 0132-6414 PACS: 73.63.Nm, 74.78.–w https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/117362 Методом лазерной абляции металлов в сверхтекучем гелии получены пучки нанопроволок из никеля, индия и свинца. Проволоки диаметром 5–8 нм демонстрируют металлическую проводимость и связаны между собой точечными контактами. Показано, что пучки проволок прикрепляются к введенным в область конденсации остриям и имеют длину до 1 см. Высокая интенсивность полевой эмиссии электронов и ее низкий порог объясняются малостью радиуса индивидуальных проволок и большой длиной пучка. Температура перехода в сверхпроводящее состояние в свинцовых нанопроволоках сдвинута вниз на 2,9 К, а в индиевых — вверх более чем на 1 К. Методом лазерної абляції металів у надплинному гелії отримані пучки нанодротів з нікелю, індію й свинцю. Дроти діаметром 5–8 нм демонструють металеву провідність і зв'язані між собою точковими контактами. Показано, що пучки дротів прикріплюються до вістер, що введені в область конденсації, і мають довжину до 1 см. Висока інтенсивність польової емісії електронів і її низький поріг пояснюються малістю радіуса індивідуальних дротів і великою довжиною пучка. Температура переходу в надпровідний стан у свинцевих нанодротах зрушена вниз на 2,9 К, а в індієвих — вверх більш ніж на 1 К. The bundles of nanowires made of nickel, indium and lead have been grown by using the laser ablation of metal targets submersed into superfluid helium. The nanowires of diameter 5–8 nm demonstrate the electrical conductivity of metallic type and are interconnected by point contacts. The bundles of nanowires are shown to pin to the tips intentionally introduced into the condensation area and to have the length of about 1 cm. The high intensity of fieldinduced electron emission and its low threshold are the consequences of small individual wire radius and long bundle length. The temperatures of transition to the superconductive state are found to be shifted downward by 2.9 K for Pb nanowires and upward by more than 1 K for In nanowires. Авторы благодарны проф. Б. Гальперину и проф. И. Сильвера (оба Гарвардский университет) за полезные замечания. Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 07-03-00393. ru Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України Физика низких температур Квантовые жидкости и квантовые кpисталлы Электрические свойства металлических нанопроволок, полученных в квантованных вихрях сверхтекучего гелия Electrical properties of metallic nanowires grown in quantized vortices of superfluid helium Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Электрические свойства металлических нанопроволок, полученных в квантованных вихрях сверхтекучего гелия |
| spellingShingle |
Электрические свойства металлических нанопроволок, полученных в квантованных вихрях сверхтекучего гелия Гордон, Е.Б. Карабулин, А.В. Матюшенко, В.И. Сизов, В.Д. Ходос, И.И. Квантовые жидкости и квантовые кpисталлы |
| title_short |
Электрические свойства металлических нанопроволок, полученных в квантованных вихрях сверхтекучего гелия |
| title_full |
Электрические свойства металлических нанопроволок, полученных в квантованных вихрях сверхтекучего гелия |
| title_fullStr |
Электрические свойства металлических нанопроволок, полученных в квантованных вихрях сверхтекучего гелия |
| title_full_unstemmed |
Электрические свойства металлических нанопроволок, полученных в квантованных вихрях сверхтекучего гелия |
| title_sort |
электрические свойства металлических нанопроволок, полученных в квантованных вихрях сверхтекучего гелия |
| author |
Гордон, Е.Б. Карабулин, А.В. Матюшенко, В.И. Сизов, В.Д. Ходос, И.И. |
| author_facet |
Гордон, Е.Б. Карабулин, А.В. Матюшенко, В.И. Сизов, В.Д. Ходос, И.И. |
| topic |
Квантовые жидкости и квантовые кpисталлы |
| topic_facet |
Квантовые жидкости и квантовые кpисталлы |
| publishDate |
2010 |
| language |
Russian |
| container_title |
Физика низких температур |
| publisher |
Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Electrical properties of metallic nanowires grown in quantized vortices of superfluid helium |
| description |
Методом лазерной абляции металлов в сверхтекучем гелии получены пучки нанопроволок из никеля, индия и свинца. Проволоки диаметром 5–8 нм демонстрируют металлическую проводимость и связаны между собой точечными контактами. Показано, что пучки проволок прикрепляются к введенным в область конденсации остриям и имеют длину до 1 см. Высокая интенсивность полевой эмиссии электронов и ее низкий порог объясняются малостью радиуса индивидуальных проволок и большой длиной пучка. Температура перехода в сверхпроводящее состояние в свинцовых нанопроволоках сдвинута вниз на 2,9 К, а в индиевых — вверх более чем на 1 К.
Методом лазерної абляції металів у надплинному гелії отримані пучки нанодротів з нікелю, індію й свинцю. Дроти діаметром 5–8 нм демонструють металеву провідність і зв'язані між собою точковими контактами. Показано, що пучки дротів прикріплюються до вістер, що введені в область конденсації, і мають довжину до 1 см. Висока інтенсивність польової емісії електронів і її низький поріг пояснюються малістю радіуса індивідуальних дротів і великою довжиною пучка. Температура переходу в надпровідний стан у свинцевих нанодротах зрушена вниз на 2,9 К, а в індієвих — вверх більш ніж на 1 К.
The bundles of nanowires made of nickel, indium and lead have been grown by using the laser ablation of metal targets submersed into superfluid helium. The nanowires of diameter 5–8 nm demonstrate the electrical conductivity of metallic type and are interconnected by point contacts. The bundles of nanowires are shown to pin to the tips intentionally introduced into the condensation area and to have the length of about 1 cm. The high intensity of fieldinduced electron emission and its low threshold are the consequences of small individual wire radius and long bundle length. The temperatures of transition to the superconductive state are found to be shifted downward by 2.9 K for Pb nanowires and upward by more than 1 K for In nanowires.
|
| issn |
0132-6414 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/117362 |
| citation_txt |
Электрические свойства металлических нанопроволок, полученных в квантованных вихрях сверхтекучего гелия / Е.Б. Гордон, А.В. Карабулин, В.И. Матюшенко, В.Д. Сизов, И.И. Ходос // Физика низких температур. — 2010. — Т. 36, № 7. — С. 740–747. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT gordoneb élektričeskiesvoistvametalličeskihnanoprovolokpolučennyhvkvantovannyhvihrâhsverhtekučegogeliâ AT karabulinav élektričeskiesvoistvametalličeskihnanoprovolokpolučennyhvkvantovannyhvihrâhsverhtekučegogeliâ AT matûšenkovi élektričeskiesvoistvametalličeskihnanoprovolokpolučennyhvkvantovannyhvihrâhsverhtekučegogeliâ AT sizovvd élektričeskiesvoistvametalličeskihnanoprovolokpolučennyhvkvantovannyhvihrâhsverhtekučegogeliâ AT hodosii élektričeskiesvoistvametalličeskihnanoprovolokpolučennyhvkvantovannyhvihrâhsverhtekučegogeliâ AT gordoneb electricalpropertiesofmetallicnanowiresgrowninquantizedvorticesofsuperfluidhelium AT karabulinav electricalpropertiesofmetallicnanowiresgrowninquantizedvorticesofsuperfluidhelium AT matûšenkovi electricalpropertiesofmetallicnanowiresgrowninquantizedvorticesofsuperfluidhelium AT sizovvd electricalpropertiesofmetallicnanowiresgrowninquantizedvorticesofsuperfluidhelium AT hodosii electricalpropertiesofmetallicnanowiresgrowninquantizedvorticesofsuperfluidhelium |
| first_indexed |
2025-11-26T00:18:14Z |
| last_indexed |
2025-11-26T00:18:14Z |
| _version_ |
1850599740493791232 |
| fulltext |
© Е.Б. Гордон, А.В. Карабулин, В.И. Матюшенко, В.Д. Сизов, И.И. Ходос, 2010
Физика низких температур, 2010, т. 36, № 7, c. 740–747
Электрические свойства металлических нанопроволок,
полученных в квантованных вихрях сверхтекучего
гелия
Е.Б. Гордон
Институт проблем химической физики РАН, Черноголовка, Московская область, 142432, Россия
E-mail: gordon@ficp.ac.ru
А.В. Карабулин
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», г. Москва, 115409, Россия
В.И. Матюшенко, В.Д. Сизов
Филиал Института энергетических проблем химической физики РАН
Черноголовка, Московская область, 142432, Россия
И.И. Ходос
Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН
Черноголовка, Московская область, 142432, Россия
Статья поступила в редакцию 5 марта 2010 г.
Методом лазерной абляции металлов в сверхтекучем гелии получены пучки нанопроволок из никеля,
индия и свинца. Проволоки диаметром 5–8 нм демонстрируют металлическую проводимость и связаны
между собой точечными контактами. Показано, что пучки проволок прикрепляются к введенным в об-
ласть конденсации остриям и имеют длину до 1 см. Высокая интенсивность полевой эмиссии электронов
и ее низкий порог объясняются малостью радиуса индивидуальных проволок и большой длиной пучка.
Температура перехода в сверхпроводящее состояние в свинцовых нанопроволоках сдвинута вниз на
2,9 К, а в индиевых — вверх более чем на 1 К.
Методом лазерної абляції металів у надплинному гелії отримані пучки нанодротів з нікелю, індію й
свинцю. Дроти діаметром 5–8 нм демонструють металеву провідність і зв'язані між собою точковими
контактами. Показано, що пучки дротів прикріплюються до вістер, що введені в область конденсації, і
мають довжину до 1 см. Висока інтенсивність польової емісії електронів і її низький поріг пояснюються
малістю радіуса індивідуальних дротів і великою довжиною пучка. Температура переходу в над-
провідний стан у свинцевих нанодротах зрушена вниз на 2,9 К, а в індієвих — вверх більш ніж на 1 К.
PACS: 73.63.Nm Квантовые проволоки;
74.78.–w Сверхпроводящие пленки и низкоразмерные структуры.
Ключевые слова: нанопроволоки, сверхтекучий гелий, сверхпроводимость, полевая эмиссия электронов.
Введение
В работе [1] обнаружено, что при впрыскивании
газообразного молекулярного водорода в сверхтекучий
гелий образуются длинные нити, ведущие себя подоб-
но квантованным вихрям, в то время как в нормальном
жидком гелии формируются исключительно сферичес-
кие крупинки твердого водорода. Это наблюдение
объяснено [1,2] самоускорением процесса конденсации
примесей внутри вихрей за счет концентрирования в
них примесных частиц и сделан вывод, что из-за чрез-
вычайно малых поперечных размеров вихря [3] пер-
Электрические свойства металлических нанопроволок
Физика низких температур, 2010, т. 36, № 7 741
вичным продуктом коалесценции любых примесей в
He II должны являться нанопроволоки. Весьма привле-
кательным было экспериментально подтвердить это
общее утверждение на примере металлов, поскольку
металлические нанопроволоки представляют наиболь-
ший научный и практический интерес. Для металлов,
особенно стойких к окислению, можно, кроме того,
сохранить продукты конденсации при переходе к нор-
мальным условиям, чтобы затем исследовать их мето-
дами электронной микроскопии. Но не менее инте-
ресна в случае металлов и уникальная возможность
проведения электрических измерений непосредственно
в жидком гелии. В недавно проведенной в Швейцарии
совместной работе [4] было показано, что продукты
конденсации атомов и малых кластеров золота и меди,
полученных методом лазерной абляции погруженной в
сверхтекучий гелий металлической мишени, представ-
ляют собой пучки длинных нанопроволок диаметром
1,5–4 нм. Также обнаружено, что эти проволоки про-
водят электрический ток, т.е. сразу после образования
в них имеется металлическая связь.
В данной работе изучена электропроводность нано-
проволок из индия, свинца и никеля, полученных, как
и в [4], методом лазерной абляции с поверхности ме-
таллической мишени, погруженной в He II.
Экспериментальная методика
Рост нанопроволок и их исследование осуществ-
лялись внутри откачного оптического криостата произ-
водства ИФТТ РАН с окнами из сапфира диаметром
30 мм и диаметром внутренней шахты 60 мм. Мишени,
представлявшие собой фольгу толщиной 0,2–0,3 мм,
размещались внутри жидкого гелия вблизи оси шахты.
Для образования нанопроволок достаточно очень не-
больших количеств материала, поэтому использован
маломощный импульсный волоконный иттербиевый
лазер (длина волны 1,06 мкм, длительность импульса
25 нс, энергия в импульсе около 0,1 мДж, частота сле-
дования импульсов до 2 кГц). Облучение произво-
дилось через окно, лазерный луч фокусировался лин-
зой на поверхности мишени, настройка на фокус про-
изводилась визуально по яркому голубоватому свече-
нию поверхности мишени под действием инфра-
красного лазерного света. Авторы [2] предположили,
что нанопроволока может быть выращена на метал-
лическом острие, погруженном в Не II. Данное пред-
положение основано на том, что квантованный вихрь
предпочитает прикрепляться ко всякого рода неодно-
родностям [3], а растущая внутри вихря проволочка
может свободно перемещаться вдоль его оси вплоть до
места его крепления. Это бы сильно облегчало иссле-
дования и решало бы важную прикладную задачу ма-
нипулирования нанообъектом. Для проверки этого
предположения вблизи мишени были размещены две
вертикальные линейки металлических электродов: 10
золоченых игл и две стальные иголки, намагниченные
противоположно; межэлектродные расстояния во всех
случаях 3 мм (см. рис. 1).
Откачка паров гелия форвакуумным насосом АВЗ-
20Д понижала давление гелия до 6 торр и температуру
жидкости соответственно до 1,55 К. Облучение мише-
ни лазером обычно проводили при этой температуре.
Для регистрации зависимостей проводимости от тем-
пературы прекращалась откачка паров, температура
жидкости при этом определялась по давлению насы-
щенного пара гелия, измеряемого образцовым вакуум-
метром класса 0,25. Медленным отогревом удавалось
избежать образования пузырьков пара у электродов
при температурах выше 2,2 К, т.е. в нормальном жид-
ком гелии. Абляция всех исследованных металлов —
никеля, индия и свинца — не требовала высоких мощ-
ностей лазерного импульса. Никель был выбран из-за
своего ферромагнетизма, позволяющего, в принципе,
управлять проволочкой с помощью магнита. Исследо-
вание сверхпроводников — индия (температура пере-
хода массивного образца в сверхпроводящее состояние
Тс = 3,4 К) и свинца (Тс = 7,2 К) — представляло
особый интерес в связи с эффектом сдвига темпе-
ратуры сверхпроводящего перехода в нанопроволоках.
Рис. 1. Устройство низкотемпературной ячейки: 1 — метал-
лические мишени из фольги (видны кратеры в местах фоку-
сировки лазера), 2 — вертикальный ряд золоченых элект-
родов, 3 — разноименно намагниченные стальные швейные
иглы.
2
1
3
Е.Б. Гордон, А.В. Карабулин, В.И. Матюшенко, В.Д. Сизов, И.И. Ходос
742 Физика низких температур, 2010, т. 36, № 7
При этом, как известно, для свинца Тс в нанопроволоках
существенно меньше, чем в массивном образце, в то
время как в индии — намного больше, но этот эффект
проявляется лишь в очень тонких (2–3 нм) проволоках
[5,6]. Помимо прочего, величины размерных эффектов
дают возможность оценки диаметра нанопроволок непо-
средственно в жидком гелии, вне зависимости от того,
являются ли образцы индивидуальными проволоками
или сложно переплетенным пучком.
Результаты экспериментов и их обсуждение
До начала абляции электрическое сопротивление
между любыми электродами было выше верхнего пре-
дела измерений, который в нашем случае составлял
100 МОм. При наложении между парами соседних
электродов постоянного электрического напряжения
U = 50 В утечка отсутствовала. Однако уже через не-
сколько минут облучения мишени лазером скачком
возникал заметный электрический ток между какими-
нибудь двумя электродами. Само существование утеч-
ки под влиянием небольшой разности потенциалов
внутри жидкого гелия являлось прямым свиде-
тельством образования на электродах металлических
объектов малого радиуса [2], поскольку электрическое
поле, достаточно большое для возникновения полевой
эмиссии электронов, может существовать лишь вблизи
нанообъектов. Наблюдалось два различных типа вольт-
амперных характеристик: нелинейная, имеющая ти-
пичный для автоэлектронной эмиссии с тонкой иглы
характер, и строго омическая, возникающая после бо-
лее длительной абляции. Во всех случаях ток возникал
либо между соседними электродами, либо через один
или даже через два (что соответствовало длине пучка
нанопроволок около 3, 6 или 9 мм соответственно).
Омическая проводимость, безусловно, отвечала за-
мыканию электрической цепи вертикально висящим
образцом, который являлся пучком переплетенных на-
нопроволок. На рис. 2 представлена фотография фраг-
мента пучка нанопроволок из свинца, полученная при
комнатной температуре в просвечивающем электрон-
ном микроскопе JEM-2100 при ускоряющем напря-
жении 200 кВ. Образец представляет собой сетку из
нанопроволок диаметром около 7 нм, соединенных
между собой точечными контактами. Эти контакты и
электрическое соединение образца с электродами были
стабильными, в том числе к переходу жидким гелием
λ-точки и в ряде случаев к испарению жидкого гелия.
Тем не менее мы производили температурные изме-
рения исключительно в закрытом криостате внутри
жидкости — до 4,4 К. Верхняя температура отвечала
давлению насыщенного пара над жидким гелием, рав-
ному 1,2 бар; более высокие давления могли повредить
уплотнения окон. Поскольку образец прочно висел на
верхнем электроде, его контакт с ним не мог быть
точечным. В наших условиях (см. рис. 1) невозможно
использовать четырехпроводный метод измерений.
Однако сопротивление цепи при замкнутых накоротко
электродах составляло не более 10 Ом, а сопротив-
ление нанопроволок всегда превышало 30 кОм, так что
измеряемое сопротивление с хорошей точностью яв-
лялось суммой сопротивлений точечных контактов при
замкнутых образцом электродах и сопротивления са-
мих нанопроволок.
Известные из литературы способы выращивания, как
правило, не позволяют иметь достаточно тонкие про-
волоки длиной более 1–2 мкм. Выращенные нами пучки
нанопроволок более чем на 3 порядка длиннее, поэтому
и относительный вклад сопротивления контактов между
Рис. 2. Фрагмент пучка нанопроволок свинца, перенесенный на подложку (слева), и его детали при большем увеличении,
демонстрирующие участки, похожие на точечные контакты, — отмечены звездочками (справа). Электронный микроскоп JEM-2100.
50 íì 10 íì
Электрические свойства металлических нанопроволок
Физика низких температур, 2010, т. 36, № 7 743
образцом и электродами в полное сопротивление был
намного меньше, чем в других работах.
Сопротивление измеряли мультиметром при токе
10 мкА, напряжение между электродами составляло
при этом не более 0,2 В, что намного ниже работы вы-
хода из металла в жидкий гелий. Сохранение омичес-
кого характера проводимости при таких напряжениях
означает, что вся электрическая цепь состоит из метал-
ла, но не исключает присутствия в цепи точечных
контактов, каждый из которых вносит вклад, равный
кванту сопротивления 0 2 /qR h e= = 25,8 кОм.
Легко показать, что сопротивление пучка металли-
ческих нанопроволок, соединенных точечными кон-
тактами, с хорошей точностью может быть представ-
лено как
0 ( )q rR m R T
R
n
+
≅ , (1)
где n — число параллельных проводов, m — среднее
число точечных контактов в одном проводе, Rr(T) —
омическое сопротивление провода
0
2
4
( , )r
l
R d T
d
= ρ
π
, (2)
где ρ — удельное сопротивление проволоки, l0 —
расстояние между электродами (длина пучка прово-
лок), d — диаметр индивидуальной проволоки.
В случае никеля не было замечено никаких преи-
муществ для образования нанопроволок на магнитных
иглах — они с той же вероятностью образовывались и
на золоченых электродах. Это говорит о том, что про-
волоки сразу вырастают на электродах, а не выса-
живаются на них из объема жидкости; в последнем
случае магнитные иглы эффективно собирали бы на
себе уже сформированные ферромагнитные никелевые
проволоки из объема жидкости.
Приготовление образца для измерения сопротивления
осуществляли следующим образом. После обнаружения
тока утечки между какими-либо электродами напря-
жение на них уменьшали с 50 до 0,2 В и продолжали
процесс лазерной абляции до появления заметного
падения напряжения на резисторе 1 МОм, включенном
последовательно с электродным промежутком. После
этого лазер выключали, проверяли пропорциональность
тока через образец приложенному напряжению вплоть
до U = 50 В, а затем начинали нагрев жидкого гелия
выключением его откачки.
Результаты измерений сопротивления пучков нано-
проволок из свинца, индия и никеля суммированы на
рис. 3, 4 и 5 соответственно. Величина сопротивления
при низких температурах Т = 1,6–2,1 К для всех образ-
цов не зависела от температуры, но вблизи Тλ = 2,2 К
иногда имели место небольшие, невоспроизводимые и
частично необратимые изменения его величины. Мы
связывали их с трансформацией структуры пучка нано-
проволок под действием интенсивных потоков жид-
кости, развивающихся при переходе жидкого гелия из
сверхтекучего в нормальное состояние, и не прини-
мали их во внимание. Для простоты на рисунках все
зависимости показаны начиная с Т = 2,2 К.
В сверхпроводящем состоянии конечное сопротив-
ление собственно проволок, которое, в принципе, мо-
жет иметь место в тонких проводниках, вряд ли превы-
шает несколько Ом [6], поэтому вторым членом в (1)
можно пренебречь и наблюдаемое для свинца и индия
при низких температурах сопротивление может быть
уверенно приписано точечным контактам:
Рис. 3. Температурная зависимость электрического сопро-
тивления пучков свинцовых нанопроволок, замыкающих
электроды. За суммарное сопротивление точечных контактов
Rс принято значение сопротивления пучка при Т = 2,2 К,
равное 42,9 кОм.
R
,
ê
Î
ì
200
100
0
2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5
Ò, Ê
Ò, Ê
ln
[(
R
–
R
),
]
c
Î
ì
12
10
8
6
4
2
3,4 3,6 3,8 4,0 4,2
Рис. 4. Температурная зависимость электрического сопро-
тивления пучков индиевых нанопроволок, замыкающих элект-
роды. За суммарное сопротивление точечных контактов Rс
принято значение сопротивления пучка при Т = 2,2 К, равное
58,6 кОм. Штриховая линия на врезке отвечает зависимости
R(T) ~ exp (T/T0), T0 = 2,7 К.
R
,
ê
Î
ì
2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5
Ò, Ê
300
200
100
Ò, Ê
ln
[(
R
–
R
),
]
Î
ì
c
3,4 3,6 3,8 4,0 4,2
6
4
2
3,0 3,2 4,4
Е.Б. Гордон, А.В. Карабулин, В.И. Матюшенко, В.Д. Сизов, И.И. Ходос
744 Физика низких температур, 2010, т. 36, № 7
0
q
mR R
n
≅ . (3)
Из данных рис. 3 и 4 следует, что и для индия, и для
свинца m ≈ 1,5 n. К сожалению, сопротивление свин-
цового пучка после его перехода в нормальное состояние
выше верхнего предела наших измерений, к тому же в
литературе нет надежных данных об удельном сопро-
тивлении проволок диаметром около 7 нм (эти данные
необходимы, поскольку удельное сопротивление тонких
нанопроволок на многие порядки больше, чем для
массивного образца [7]). Для индиевых проволок
удельное сопротивление пучка в нормальном состоянии
также не было измерено, поскольку переход из сверх-
проводящего состояния завершался при температурах,
гораздо более высоких, чем Т = 4,4 К. Поэтому для
определения структуры пучка мы воспользовались дру-
гим приемом. Близкие значения сопротивлений сверх-
проводящих пучков свинца и индия свидетельствуют о
близости их структур и позволяют надеяться на то, что
подобную же структуру имеют приготовленные таким
же способом пучки из никеля. Обоснованием для такого
утверждения являются, с одной стороны, нечувстви-
тельность каталитического процесса коагуляции в
квантованных вихрях сверхтекучего гелия к природе
примесных частиц, а с другой — данные электронной
спектроскопии, подтверждающие близость структуры
для пучков различных металлов. При похожей структуре
и близких временах лазерной экспозиции сопротивление
пучка никелевых проволок, как видно на рис. 5, прак-
тически не зависело от температуры и составляло
630 кОм. Это сопротивление в 16 раз выше, чем для
свинца в сверхпроводящем состоянии, в то время как
сопротивление точечных контактов должно быть при-
близительно таким же, как и для свинца, и составлять
около 40 кОм. Поэтому измеренное сопротивление
практически полностью должно быть отнесено к со-
противлению самих никелевых нанопроволок. Их удель-
ное сопротивление много выше, чем для массивного
образца из никеля, но начиная с диаметра d = 10 нм оно
уже слабо зависит от d и T и составляет ρ = 2·10-5 Ом·см
[7]. Отсюда, пренебрегая малым вкладом сопротивления
точечных контактов и пользуясь (1) и (2), можно вы-
числить эффективное число параллельных каналов в об-
разце. Для никелевого пучка из данных эксперимента
20.n ≈ Таким образом, в предположении одинакового
строения образцов для всех металлов, эффективное
число параллельных каналов в пучке нанопроволок
равно приблизительно 20, а среднее количество то-
чечных контактов в одном канале — около 30. Ва-
риациями энергии и длительности импульса лазера, а
также межэлектродного расстояния можно сильно
уменьшить число контактов и параллельных токопро-
водов, возможно, вплоть до достижения замыкания
электродов одной нанопроволокой.
Однако, как уже упоминалось, характеристики фа-
зового перехода из сверхпроводящего в нормальное
состояние не могут заметно зависеть от степени раз-
ветвленности образца, определяемые главным обра-
зом толщиной и формой индивидуальных проволок.
В то же время кристаллическое строение и наличие
дефектов в материале могут оказать сильное влияние
на особенности перехода из сверхпроводящего в нор-
мальное состояние металла. Именно поэтому в ка-
честве объектов мы выбрали наиболее характерные и
изученные сверхпроводники. Свинец в виде нанопро-
волок, судя по литературным данным, демонстрирует
сильный сдвиг перехода в область более низких тем-
ператур при сохранении узости переходной области.
К сожалению, нам не удалось детально исследовать
всю область перехода. И дело тут, главным образом,
не в том, что переход оказался расположенным вбли-
зи верхней границы доступного нам температурного
диапазона, а в том, что сопротивление пучка в нор-
мальном состоянии было намного выше верхнего
предела сопротивлений, измеряемых в нашей мето-
дике. Тем не менее в полулогарифмических коорди-
натах видно, что конечное сопротивление, как это ха-
рактерно для нанопроволок [6], возникает уже при
температурах гораздо ниже Тс и экспоненциально
зависит от температуры 0exp( / )R T T∝ , причем для
свинца Т0 = 2,7 К. Вблизи Тс, величина которой силь-
но сдвинута по сравнению с массивным образцом
(с 7,2 до 4,2 К), зависимость R(T) становится, в ка-
чественном согласии с теорией Асламазова–Ларкина
[8], гораздо более крутой.
Измеренный в [9] переход в сверхпроводящее со-
стояние для свинцовых нанопроволок также происхо-
дил в достаточно узкой области температур, но носил
несколько более плавный характер, а величина Тс для
проволок диаметром менее 10 нм, согласно их данным,
должна быть существенно ниже 4,2 К. Эти отличия
могут быть отнесены на счет эффекта формы — в [9]
исследовались, собственно, не нанопроволоки, а напы-
ленные на подложку полоски металла.
Как и для свинца, рост сопротивления в индиевых
нанопроволоках начинается уже при Т<<Tc, при этом
его рост подчиняется практически тому же закону, что
и для свинца, 0exp( / )R T T∝ , для индия Т0 = 2,6 К.
При приближении к Tc рост становится быстрее, но в
Рис. 5. Температурная зависимость электрического сопро-
тивления пучков никелевых нанопроволок, замыкающих
электроды.
800
600
400
R
,
ê
Î
ì
3,5
Ò, Ê
2 0, 2,5 3,0 4,0
Электрические свойства металлических нанопроволок
Физика низких температур, 2010, т. 36, № 7 745
общем, как и в [5], где исследовались индиевые нано-
проволоки диаметром 2–3 нм, фазовый переход в
сверхпроводящее состояние сильно уширен и сильно
сдвинут в область более высоких температур. Удель-
ное сопротивление индиевых нанопроволок в нормаль-
ном состоянии неизвестно, но можно ожидать, что со-
противление нашего пучка в нормальном состоянии
должно быть по крайней мере более 1 МОм, так что
величина Тс должна быть существенно выше Т = 4,4 К.
Конечно, мы не знаем, какую кристаллическую
структуру имели нанопроволоки сразу после их обра-
зования внутри сверхтекучего гелия, но, судя по тому,
что наблюдаемые нами размерные эффекты в пучках
сверхпроводящих нанопроволок из свинца и индия
близки к известным из литературы, эта структура не
сильно отличается от кристаллической. И по крайней
мере после нагрева до комнатной температуры нано-
проволоки состоят, как видно на рис. 6, из сочленен-
ных между собой монокристаллов регулярного строе-
ния. О кристалличности свидетельствуют как четко
наблюдаемые плоскости кристаллической структуры
(рис. 6,а), так и яркие точки на электронограмме пучка
(рис. 6,б).
На рис. 7 представлена типичная вольт-амперная
характеристика для случая, когда на электродах уже
образовались нанопроволоки, но электрическое замы-
кание электродов проволочками еще отсутствует. В
этих экспериментах для того, чтобы иметь минималь-
ное число проволок в пучке, лазерную абляцию пре-
кращали сразу после регистрации конечной проводи-
мости на каком-либо промежутке. Ток эмиссии элект-
ронов с электрода, с которого существовала утечка, на
другой электрод измерялся по падению напряжения на
калиброванном сопротивлении, включенном последо-
вательно с этим электродным промежутком. Величина
этого сопротивления выбиралась таким образом, чтобы
падение напряжения на нем не превышало 1% от
напряжения батареи. Как видно на рис. 7, зависимость
тока I от напряжения U типична для так называемого
холодного катода: резкий рост тока I при малых напря-
жениях сменяется при больших U зависимостью
2~ .I U Не наблюдалось никакой разницы при абляции
различных металлов и никакой заметной зависимости
эмиссионного тока от температуры, в том числе и
тогда, когда должен был происходить переход из
сверхпроводящего состояния в нормальное.
Нетипичной была большая величина электронного
тока: для всех трех металлов этот ток, составляющий
десятки микроампер, на три порядка величины превы-
шал ток туннельного контакта «острие–плоскость»
[10] и токи катодов из нанотрубок [11], причем он
реализовался при напряжениях, гораздо меньших, чем
для катодов из металлических нанопроволок [12].
Такое поведение вполне объяснимо и связано с
большой длиной нанопроволочек в пучке. Малый радиус
индивидуальной проволочки r обеспечивает высокий ток
индуцированной полем эмиссии электронов I, который,
как следует из формулы Фаулера–Нордгейма
2 7 3/2
6
1/2
10,4 6,44 101,5 10 exp ,EI
E
− ⎛ ⎞⋅ ϕ
= ⋅ −⎜ ⎟⎜ ⎟ϕ ϕ⎝ ⎠
(4)
пропорционален 2r− [13]. Здесь r измеряется в см,
плотность тока I — в А·см–2, работа выхода ϕ — в В,
а E — напряженность электрического поля на по-
верхности, которая может быть представлена как
/ 5 ,E V r= где V — приложенное напряжение в В.
Однако и оценка тока по формуле (4), и измеренное
нами значение тока эмиссии недостаточны, чтобы при-
вести к падению напряжения вдоль пучка нано-
проволок. Действительно, характеристическое сопро-
тивление автоэмиссии 1( / )feR I V −= ∂ ∂ составляет, как
Рис. 6. Изображения прямого разрешения нанопроволок из свинца (a) и электронограмма пучка нанопроволок (б) —
электронный микроскоп JEM-2100.
a á5 íì
Е.Б. Гордон, А.В. Карабулин, В.И. Матюшенко, В.Д. Сизов, И.И. Ходос
746 Физика низких температур, 2010, т. 36, № 7
следует из зависимостей на рис. 7, около 108 Ом, и на
этом фоне сопротивление току в самой проволочке не
может быть заметным. Поэтому даже на сантимет-
ровых длинах проволоки потенциал постоянен вдоль
всей ее длины и электронный ток пропорционален пол-
ной длине. В результате холодный катод из проволочек
длиной 3–10 мм дает поток электронов гораздо более
высокий, чем катод из нанопроволок микронной дли-
ны. Как видно из приведенной на врезке к рис. 7 кри-
вой в координатах Фаулера–Нордгейма, вольт-ам-
перная характеристика электронной эмиссии только
при малых напряжениях хорошо описывается форму-
лой (4); при больших U она лучше описывается прос-
той зависимостью 2~ .I U Высокие значения тока при
низком электрическом напряжении наблюдаются лишь
при выборе в качестве противокатода только одного
определенного электрода, по-видимому, наиболее
близкого к концу пучка нанопроволок. При исполь-
зовании в качестве противокатода металлической
поверхности шахты криостата, отстоящей от электро-
дов на несколько сантиметров, вольт-амперная харак-
теристика имела тот же вид, но необходимые напря-
жения были примерно в 20 раз выше.
Заключение
Нами показано, что длинные металлические прово-
локи, вырастающие в сверхтекучем гелии, металличес-
ким образом прикрепляются к остриям, на которых
стабилизируются порождающие их квантованные вих-
ри. Полученные пучки нанопроволок, сохраняя метал-
лический тип проводимости, демонстрируют харак-
терные размерные эффекты: сильный рост удельного
сопротивления, а для сверхпроводников — трансфор-
мацию и температурный сдвиг фазового перехода в
нормальное состояние. Фиксация нанопроволок с од-
ной или двух сторон на концах металлических игл
может быть использована для электрических измере-
ний, а в дальнейшем и для манипуляций нанообъек-
тами, как при низкой температуре, так и после отог-
рева. В перспективе пучки нанопроволок являются
прообразом мощных холодных катодов.
Как утверждается в последнем обзоре по сверх-
проводимости «в одном измерении» [6], «после многих
лет интенсивных экспериментальных и теоретических
исследований происхождение размерного эффекта в Тс
не вполне понятно и во многих случаях он, возможно,
определяется совокупностью различных факторов».
Такое же положение имеет место в практически и
теоретически важном вопросе о ненулевом сопротив-
лении сверхпроводящих нанопроволок и их возмож-
ном превращении в диэлектрик при 0.Т → Боль-
шинство специалистов сходятся к мысли о необхо-
димости систематических измерений для многих мате-
риалов в рамках одного подхода и одного метода
производства нанопроволок. Универсальный метод,
предложенный в данной работе, мог бы быть основой
для выполнения этой задачи. Особый интерес пред-
ставляет принципиальная возможность выращивания
нанопроволок из высокотемпературных сверхпровод-
ников при лазерной абляции соответствующих кера-
мик в условиях, когда ее продуктами являются малые
(10–30 нм) кластеры. Размерные эффекты в ВТСП, с
одной стороны, помогут понять природу высоко-
температурной сверхпроводимости, а с другой, практи-
ческой — создать прообраз не выделяющей тепло
электропроводки, соединяющей логические элементы
в наноразмерных компьютерах будущего.
Авторы благодарны проф. Б. Гальперину и проф. И.
Сильвера (оба Гарвардский университет) за полезные
замечания. Работа выполнена при поддержке РФФИ,
грант № 07-03-00393.
1. E.B. Gordon, R. Nishida, R. Nomura, and Y. Okuda,
Письма в ЖЭТФ 85, 710 (2007).
2. E.B. Gordon and Y. Okuda, Fiz. Nizk. Temp. 35, 278 (2009)
[Low Temp. Phys. 35, 209 (2009)].
3. G.E. Volovik, The Universe in a Helium Droplet, Oxford
(2003).
4. P. Moroshkin, V. Lebedev, B. Groberty, G. Neururer, E.B.
Gordon, and A. Weis (послано в Europhys. Lett. 2010).
5. В.Н. Богомолов, Н.А. Клушин, Ю.А. Кумзеров, Письма в
ЖЭТФ 26, 79 (1977).
6. K.Yu. Arutyunov, D.S. Golubev, and A.D. Zaikin, Phys.
Rep. 464, 1 (2008).
7. M.V. Kamalakar and A.K. Rayuchaudhuri, Phys. Rev. B79,
205417 (2009).
8. L.G. Aslamazov and A.I. Larkin, Fiz. Nizk. Temp. 10, 1140
(1968) [J. Low Temp. Phys. 10, 875 (1968)].
Рис. 7. Вольт-амперная характеристика для свинца в случае
отсутствия замыкания, Т = 1,6 К. На врезке представлена
зависимость ln (I/U2) от 1/U. Видно сильное отклонение от
линейной зависимости, диктуемой формулой (4).
20
15
10
5
0
I,
ì
ê
À
ln
[(
l/
U
),
A
/
]
Â
2
2
1/U, 1/Â
–18
–20
0 0,1 0,2 0,3
10 20 30 40 50
U, Â
Электрические свойства металлических нанопроволок
Физика низких температур, 2010, т. 36, № 7 747
9. F. Sharifi, A.V. Herzog, and R.C. Dynes, Phys. Rev. Lett. 71,
428 (1993).
10. Э. Бурштейн, С. Лундквист, Туннельные явления в твердых
телах, Мир, Москва (1973) [Tunneling Phenomena in Solids,
E. Burstein and S. Lundqvist (eds.), N.Y., Plenum Press (1969)].
11. N.S. Xu and S.E. Huq, Mater. Sci. Eng. R48, 47 (2005)
12. L. Vila, P. Vincent, L. Dauginet-De Pra, G. Pirio, E. Minoux, L.
Gangloff, S. Demoustier-Champagne, N. Sarazin, E. Ferain, R.
Legras, L. Piraux, and P. Legagneux, Nano Lett. 4, 521 (2004).
13. M.M.J. Treacy, T.W. Ebbesen, and J.M. Gibson, Nature 381,
678 (1996).
Electrical properties of metallic nanowires grown in
quantized vortices of superfluid helium
E.B. Gordon, A.V. Karabulin, V.I. Matyushenko,
V.D. Sizov, and I.I. Khodos
The bundles of nanowires made of nickel, indium
and lead have been grown by using the laser ablation
of metal targets submersed into superfluid helium. The
nanowires of diameter 5–8 nm demonstrate the
electrical conductivity of metallic type and are
interconnected by point contacts. The bundles of
nanowires are shown to pin to the tips intentionally
introduced into the condensation area and to have the
length of about 1 cm. The high intensity of field-
induced electron emission and its low threshold are the
consequences of small individual wire radius and long
bundle length. The temperatures of transition to the
superconductive state are found to be shifted down-
ward by 2.9 K for Pb nanowires and upward by more
than 1 K for In nanowires.
PACS: 73.63.Nm Quantum wires;
74.78.–w Superconducting films and low-
dimensional structures.
Keywords: nanowires, superfluid helium, supercon-
ductivity, field-induced electron emission.
|