Виявлено унікальні властивості наноостровкових металевих структур

Загальноприйнята теорій провідності таких систем – це теорія прижкової провідності Шкловського і Ефроса. Згідно з нею, на здатність переносити заряди в легованому напівпровіднику при низьких температурах впливає те, на якій відстані центри легування знаходяться один від одного, іншими словами, важливо, щоб електрон мав можливість«перестрибнути» (протуннелювати) з одного центру на іншій (при цьому не обов'язково на найближчий). Співробітники ФІАН Анатолій Болтаєв і Федір Пудонін займаються структурами з металевих островів на діелектричних підкладках, якими можуть бути скло, якась кераміка або навіть звичайний папір або лавсанова плівка.

Головне, щоб поверхня була діелектрична і не ідеально рівна, тобто мала певну шорсткість. Як виявилось, провідність вирощених на таких підкладках невпорядкованих  систем з металевих наноострівів (завтовшки від 5 до 15 ангстрема і діаметром від 50 до 300–400 ангстрема) при азотних і кімнатних температурах, також як і в легованих напівпровідниках, із зростанням температури збільшується.

«Ми почали дивитися електричні властивості наших структур і побачили, що теорія Ефроса-Шкловського тут не працює. Тоді ми стали розбиратися, що ж там відбувається. Підсумком стали деякі припущення, головне з яких – це те, що металеві острівці знаходяться не просто в нейтральному стані, тобто ніяк не заряджені, а залежно від температури якась частина острівців заряджена позитивно, а якась – негативно. У сумі виходить нуль, проте, якась частина острівців все-таки заряджена, і це виявляється дуже важливим, оскільки провідність пов'язана з туннеліровання носіїв заряду від заряджених острівців на нейтральні острівці», – пояснює провідний науковий співробітник ФІАН, доктор фізико-математичних наук Федір Пудонін.

Результатом спостереження стала модель, вже підтверджена експериментально, згідно якої заряд острівців грає головну роль у формуванні фізичних властивостей наноострівкових металевих структур. При цьому те, з якого металу виконані металеві острівці – не так вже важливо, фізичні властивості системи від цього не міняються (це можуть бути феромагнетики, наприклад, залізо або кобальт, залізо-нікель – пермалой, вольфрам, титан або інші матеріали). Тут грає роль геометричний чинник – тобто розміри острівців, і те, на якій відстані вони знаходяться один від одного. Першою виявленою властивістю досліджуваних систем, обумовленим зарядом острівців, була фотопровідність. Взагалі кажучи, фотопровідність в металах до цього не спостерігалася. Тут же провідність змінювалася залежно від довжини хвилі світла, яким опромінювали систему.

«У довідниках кожному металу властива своя питома провідність. Це константа, яка не залежить ні від зовнішніх сильних дій, ні від поля. В наших систем провідність константою не є, вона змінюється із зростанням поля. Наприклад, якщо прикласти до системи електричне поле, то провідність починає нелінійно зростати і може мінятися від декількох відсотків до 2–3 разів. Цей факт відкриває великий прикладний аспект – ми маємо систему, провідністю якої можна управляти», –говорить Федір Пудонін.

Явище зміни провідності структури можна використовувати, наприклад, в системах кодування або захисту коштовних паперів, витворів мистецтва, техніки. Скажімо, якщо узяти дві структури – звичайну металеву і острівкову – з однаковим електричним опором, то в електричному полі ці структури поводитимуться по-різному: провідність звичайної структури – константа, а провідність системи з металевих наноострвців залежатиме від електричного поля.

Ще одна цікава властивість систем з металевих наноострівців на діелектричній підкладці – це гігантська діелектрична проникність. Несподівано в цих структурах була виявлена велика позитивна низькочастотна діелектрична проникність (у металах на низьких частотах діелектрична проникність є негативною величиною).

На сьогоднішній день найбільшою діелектричною проникністю володіють сегнетоелектрики – по величині це 104-105, а в досліджуваних структурах вона вийшла на три порядки більше – до 107-108.

«Наноострівкові та гранульовані системи, – констатує інший учасник роботи, старший науковий співробітник ФІАН, кандидат фіз.-мат.наук Анатолій Болтаєв, – це новий клас штучних матеріалів (метамате-  ріалів), які володіють рядом унікальних властивостей, – електрофізичними, магнітними, оптичними, фотоелектричними. В систем з металевих наноострівків провідність починає зміняться в гранично слабких електричних полях (40 – 50 В/см). У таких систем, безумовно, цікаве практичне майбутнє».