Электрические свойства наноструктур

Электропроводимость трехмерных, двумерных и одномерных наноструктур.

Переход «сверху вниз» от массивного материала к наноматериалу происходит с разделением электронных зон на подзоны и отдельные электронные уровни. Переход «снизу вверх» от отдельной молекулы к наноматериалу сопровождается расширением отдельных уровней до зон. Появление дискретных электронных уровней связано с ограничением длины свободного пробега электронов и характеризует эффекты квантового ограничения в нанокластерах. Уменьшение размера кластера приводит к уменьшению электропроводности. Появляется кулоновский барьер для одноэлектронного перехода между уровнями. Он определяется электростатической энергией (где С-взаимная емкость системы кластер-игла туннельного микроскопа). Емкость пропорциональна размеру кластера.

Вольтамперные характеристики проводимости для нанокластеров обладают ступенчатыми зависимостями. Количество ступеней и величина возрастают с уменьшением размера кластера и температуры. Уменьшение размера кластера сопровождается переходом от металлического состояния к непроводящему молекулярному состоянию. Рассеяние электронов проводимости на поверхности кластера увеличивается при уменьшении размеров кластера.

Эффективным способом создания трехмерной проводящей наноструктуры служит кристаллизация стабилизированных лигандами халькогенидных кластеров, обладающих проводящими свойствами. Ряд кластеров отделенных лигандными оболочками представляются в виде ряда потенциальных ям, содержащих электронные уровни основного и возбужденного состояний. В основном состоянии валентные электроны локализованы. В возбужденном состоянии возможно туннелирование за счет изменения расстояния между нанокластерами. Проводимость молекулярных кластерных кристаллов на основе золота уменьшается, (кулоновский барьер увеличивается) при увеличении длины молекул соединяющих кластеры.

Рассмотрим пример. Множество наночастиц образует проводящую среду, если имеет электрический контакт друг с другом. Если соединить наночастицы золота длинными молекулами, то образуется объемный наноструктурированный материал, обладающий электрической проводимостью. Такая сеть образуется при взаимодействии аэрозоля частиц золота с аэрозолем тонко распыленного тиола , например додекантиола, в котором это . Такие алкиловые тиолы содержат группу ,которая может присоединятся к метилу , и парафиновую цепочку длиной 8-12 элементов. Эта цепочка обеспечивает стерическое отталкивание между цепочками. Цепные молекулы располагаются по радиусам вокруг каждой наночастицы. Инкапсулированные частицы золота стабильны в алифатических растворах, типа гексан. Добавление к раствору небольшого количества дитиола вызывает формирование трехмерных кластерных сетей, которые выпадают в осадок.

 

Двумерные наноструктуры могут быть созданы нанесением на подложку слабо взаимодействующих нанокластеров. Так получают высокоорганизованные слои кластеров, стабилизированные лигандами, например, кластеров золота имеющих алкилтиоловые лиганды. Чем больше мобильность кластеров, тем выше упорядоченность двумерной наноструктуры. Для изменения электропроводности в пленки, полученные методом Ленгмюра-Блоджет, вводят нанокластеры стабилизированные лигандами, и разделенными соответствующими дополнительными молекулами (называемые спейсерами), риссуз511.

Рис Трехмерное изображение организации кластеров в кластерный кристалл с помощью спейсеров (цепочечных соединительных органических молекул).

На рис изображено полученное литографическим путем устройство позволяющее проводить электрические измерения на двумерных массивах наночастицзолота связанных органическими молекулами

.Данные на рис пул135 показывают, что связывание золотых наночастиц существенно увеличивает проводимость.. Температурная зависимость низковольтной проводимости имеет вид

,

где Е –активационная энергия.

Механизмом проводимости выступает электронное туннелирование с одного кластера на другой через длинные соединительные молекулы.

На рис показаны вольтамперные характеристики двумерного связанного кластера

На рис. вверху. Вольтамперные характеристики двумерного связанного кластера

наночастиц при комнатной температуре а) без связей б) с молекулами С в качестве связей между кластерами.

Рис Внизу Измеренные вольтамперные характеристики двумерного связанного кластера наночастиц при температурах 85, 140, 180 К.

 

На рис показана модель электропроводности идеального гексагонального массива монокристаллических кластеров золота с одинаковыми соединяющими кластеры резисторами (соединительными цепочечными молекулами).

 

. Одномерные кластерные структуры выполняют роль квантовых проволок. Перспективна методика создания квантовых проволок на основе нанопористого анодированного оксида алюминия.

Пропитка пор кластерами дает плотность нанопроволок на см2, разделенных непроводящей матрицей оксида алюминия . На рис показано изображение пористой мембраны полученное с помощью атомного силового микроскопа. На рис 512су з показана схема идеально заполненной нанокластерами мембраны. Основная проблема нанопроволок из кластеров, это разрыв проволок в процессе роста. Она решается электрофорезом. Одна из сторон мембраны находится в контакте с металлом золотом или алюминием и используется в виде катода к которому движутся кластеры в процессе электрофореза.

Рис. Вверху Атомносиловой микроскопа (АСМ) –изображение поверхности мембраны из пористого оксида алюминия.

Рис внизу. Модельное изображение идеально заполненной нанокластерами мембраны оксида алюминия.