Ограничение, действие ограничения материалов в пределах границы, может изменить свойства материала и движение молекул через него.
«Исследования в этом уникальном масштабе длины позволили нам увидеть действительно интересные конструктивные интерференционные явления, указывающие на квантовую интерференцию, и в то же время получить новую информацию о том, как взаимодействуют электроны и ионы», - говорит исследователь Фрэнк Барроуз.
В случае диоксида титана он заставлял электроны взаимодействовать друг с другом по уникальной схеме, что увеличивало проводимость оксида или степень, в которой он проводил электричество. Все это произошло на мезоуровне, в масштабе, где ученые могут видеть как квантовые эффекты, так и движение электронов и молекул.
В целом, эта работа предлагает ученым больше понимания того, как атомы, электроны и другие частицы ведут себя на квантовом уровне. Такая информация может помочь в разработке новых материалов, которые могут обрабатывать информацию и быть полезными в других электронных приложениях.
«Что действительно отличало эту работу, так это размер исследуемого нами масштаба, - говорит Барроуз, - исследования в этом уникальном масштабе длины позволили нам увидеть действительно интересные явления, которые указывают на интерференцию, происходящую на квантовом уровне, и в то же время получить новую информацию о взаимодействии электронов и ионов ».
«Обычно, когда электрический ток подается на оксид диоксида титана, электроны проходят через материал в простой форме волны. В то же время ионы - или заряженные частицы - также перемещаются. Эти процессы приводят к появлению у материала электронных транспортных свойств, таких как проводимость и сопротивление, которые используются при разработке электроники следующего поколения.
В нашем исследовании мы попытались понять, как мы можем изменить свойства материала, ограничивая геометрию или форму пленки », - говорит исследователь Чарудатта Пхатак.
Для начала исследователи создали пленки из диоксида титана, а затем создали на них узор. В узоре были дыры, которые были просто 10 в 20нанометры друг от друга. Добавление геометрического узора изменило движение электронов так же, как бросание камней в водоем изменяет волны, которые колеблются в нем. В случае диоксида титана узор заставлял электронные волны интерферировать друг с другом, что приводило к тому, что оксид проводил больше электричества.
Интерференционная картина в основном удерживает кислород или ионы, которые обычно перемещаются в таких материалах, как диоксид титана. И мы обнаружили, что удержание их на месте было важным или необходимым для конструктивного вмешательства этих волн », - сказал Фатак.
Исследователи исследовали проводимость и другие свойства с помощью двух методов: электронной голографии и спектроскопии потерь энергии электронов. С этой целью они привлекли ресурсы Аргоннского центра наноразмерных материалов (УНМ) Из DOE Office of Science User Facility, чтобы изготовить образцы и провести некоторые измерения.
Мы не смогли бы увидеть этот уникальный образец интерференции, если бы не смогли создать достаточное количество этих отверстий в шаблоне, что очень сложно сделать », - сказал Барроуз. Опыт и ресурсы в УНМ и Отделение материаловедения Аргонна сыграло решающую роль в наблюдении за этим возникающим поведением ».
В будущем, если исследователи смогут лучше понять, что привело к увеличению проводимости, они потенциально смогут найти способы управления электрическими или оптическими свойствами и использовать эту информацию для обработки квантовой информации. Понимание также может быть использовано для расширения нашего понимания материалов, которые могут переключать сопротивление. Сопротивление измеряет, насколько материал сопротивляется потоку электронов в электрическом токе.
Материалы, переключающие сопротивление, представляют интерес, потому что они могут быть носителями информации - одно состояние сопротивления может быть 0 а другой может быть 1», - сказал Фатак. То, что мы сделали, может дать нам немного больше информации о том, как мы можем управлять этими свойствами, используя геометрические ограничения ».
Их статья под названием Эффекты мезомасштабного ограничения и возникающая квантовая интерференция в тонких пленках антиточек диоксида титана" опубликовано в ASCНано.