Неожиданные и уникальные свойства наноостровковых металлических структур обнаружили сотрудники ФИАН. Среди этих свойств нелинейный характер проводимости и возможность изменять проводимость под действием предельно слабых электрических полей. А также колоссальная диэлектрическая проницаемость, превышающая проницаемость сегнетоэлектриков.

Одна из актуальных задач современной физики полупроводников связана с определением механизма переноса носителей заряда в легированных полупроводниках при гелиевых температурах. Общепринятая теорий проводимости таких систем – это теория прыжковой проводимости Шкловского и Эфроса.

Согласно этим двум ученым, на способность переносить заряды в легированном полупроводнике при низких температурах влияет то, на каком расстоянии центры легирования находятся друг от друга, другими словами, важно, чтобы электрон имел возможность «перепрыгнуть» (протуннелировать) с одного центра на другой (при этом не обязательно на ближайший). Сотрудники ФИАН Анатолий Болтаев и Федор Пудонин занимаются структурами из металлических островов на диэлектрических подложках, которыми могут быть стекло, какая-то керамика или даже обычная бумага или лавсановая пленка.

Главное, чтобы поверхность была диэлектрическая и не идеально ровная, то есть имела определенную шероховатость. Как оказалось, проводимость выращенных на таких подложках разупорядоченных систем из металлических наноостровов (толщиной от 5 до 15 ангстрем и диаметром от 50 до 300–400 ангстрем) при азотных и комнатных температурах, также как и в легированных полупроводниках с ростом температуры увеличивается (это означает, что проводимость носит диэлектрический характер).

«Мы начали смотреть электрические свойства наших структур и увидели, что теория Эфроса-Шкловского тут не работает. Тогда мы стали разбираться, что же там происходит. Итогом стали некоторые предположения, главное из которых – это то, что металлические островки находятся не просто в нейтральном состоянии, то есть никак не заряжены, а в зависимости от температуры какая-то часть островков заряжена положительно, а какая-то – отрицательно. В сумме получается ноль, но, тем не менее, какая-то часть островов заряжена, и это оказывается очень важным, поскольку проводимость связана с туннелированием носителей заряда от заряженных островков на нейтральные островки», – объясняет ведущий научный сотрудник ФИАН, доктор физико-математических наук Федор Пудонин.

Результатом наблюдения стала модель, уже подтвержденная экспериментально, согласно которой заряд островов играет главную роль в формировании физических свойств наноостровковых металлических структур. При этом то, из какого металла выполнены металлические острова – не так уж важно, физические свойства системы от этого не меняются (это могут быть ферромагнетики, например, железо или кобальт, железо-никель – пермаллой, вольфрам, титан или другие материалы). По всей видимости, здесь играет роль геометрический фактор – то есть размеры островов, и то, на каком расстоянии они находятся друг от друга.

Первым обнаруженным свойством исследуемых систем, обусловленным зарядом островов, была фотопроводимость. Вообще говоря, фотопроводимость в металлах до этого не наблюдалась. Здесь же проводимость изменялась в зависимости от длины волны света, которым облучали систему.

«В справочниках каждому металлу присуща своя удельная проводимость. Это константа, которая не зависит ни от внешних сильных воздействий, ни от поля. У наших систем проводимость константой не является, она изменяется с возрастанием поля. Например, если приложить к системе электрическое поле, то проводимость начинает нелинейно возрастать и может меняться от нескольких процентов до 2–3 раз. Этот факт открывает большой прикладной аспект – мы имеем систему, проводимостью которой можно управлять», – говорит Федор Пудонин.

Явление изменения проводимости структуры можно использовать, например, в системах кодирования или защиты ценных бумаг, произведений искусства, техники. Скажем, если взять две структуры – обычную металлическую и островковую – с одинаковым электрическим сопротивлением, то в электрическом поле эти структуры будут вести себя по-разному: проводимость обычной структуры – константа, а проводимость системы из металлических наноостровов будет зависеть от электрического поля.

Еще одно интересное свойство систем из металлических наноостровов на диэлектрической подложке – это гигантская диэлектрическая проницаемость. Неожиданно в этих структурах была обнаружена большая положительная низкочастотная диэлектрическая проницаемость (в металлах на низких частотах диэлектрическая проницаемость является отрицательной величиной).

На сегодняшний день наибольшей диэлектрической проницаемостью обладают сегнетоэлектрики – по величине это 10⁴-10⁵, а в исследуемых структурах она получилась на три порядка больше – до 10⁷-10⁸.

«Наноостровковые и гранулированные системы, – констатирует другой участник работы, старший научный сотрудник ФИАН, кандидат физ.-мат.наук Анатолий Болтаев, – это новый класс искусственных материалов (метаматериалов), которые обладают рядом уникальных свойств – электрофизическими, магнитными, оптическими, фотоэлектрическими. У систем из металлических наноостровов проводимость начинает изменятся в предельно слабых электрических полях (40 – 50 В/см). У таких систем, безусловно, интересное практическое будущее».