ИОННЫЙ И ТУННЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМЫ ПРОВОДИМОСТИ ДЛЯ РАСТУЩИХ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК ИЗ КОЛЛОИДНОГО ЗОЛОТА

Кревчик Владимир Дмитриевич, доктор физико-математических наук, профессор, декан факультета приборостроения, информационных технологий и электроники, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40), physics@pnzgu.ru
Семенов Михаил Борисович, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой физики, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40), physics@pnzgu.ru
Филатов Дмитрий Олегович, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией зондовой микроскопии Научно-исследовательского физико-технического института, Нижегородский государственный университет имени Н. И. Лобачевского (Россия, г. Нижний Новгород, проспект Гагарина, 23, корпус 3), dmitry_filatov@inbox.ru
Кревчик Павел Владимирович, аспирант, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40), physics@pnzgu.ru
Егоров Илья Андреевич, аспирант, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40), physics@pnzgu.ru
Султанов Максим Андреевич, студент, Пензенский государственныйуниверситет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40), beyondbirthday3757@gmail.com
Скоросова Ирина Константиновна, студент, Пензенский государственныйуниверситет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40), rinochka93@yandex.ru

539.23; 539.216.1; 537.311.322

Актуальность и цели. Для экспериментальных исследований фундаментальных физических эффектов в системах сверхмалых наночастиц в диэлектрических матрицах, а также для их приборных приложений, необходима разработка технологий контролируемого формирования сверхмалых наночастиц заданных размеров в толще сверхтонких диэлектрических пленок, что актуально как для прецизионной наноэлектроники с управляемыми характеристиками, так и для современной наномедицины. Целью настоящей работы является ис-следование особенностей туннельных вольт-амперных характеристик (ВАХ), полученных для растущих квантовых точек из коллоидного золота в системе совмещенного атомно-силового и сканирующего туннельного микроскопов (АСМ/СТМ), а также исследование условий возможного вклада 2D-диссипативного туннелирования в туннельные ВАХ.
Материалы и методы. Проведенный эксперимент частично отвечает мето-дике авторов из университета Кобе (Япония). Образование частиц золота в пленках Au(III) – SiO2/TiO2 осуществляется с использованием атомного силового микроскопа. Теоретические работы выполнены в рамках теории дисси-пативного туннелирования методом инстантонов.
Результаты. В работе получены туннельные ВАХ для растущих квантовых точек из коллоидного золота в системе совмещенного АСМ/СТМ. Проведено качественное сравнение туннельных ВАХ с рассчитанной теоретической кривой полевой зависимости вероятности 2D-диссипативного туннелирования с учетом влияния двух локальных фононных мод широкозонной матрицы. Установлено качественное соответствие экспериментальной и теоретической кривых, что свидетельствует о возможном вкладе механизма диссипативного туннелирования в туннельный ток через растущую квантовую точку под иглой кантилевера, который может быть усилен в кластерах размером от 1 до 5 нм в более тонких пленках.
Выводы. Приведенное качественное сравнение туннельной ВАХ для растущих кластеров из коллоидного золота в системе совмещенного АСМ/СТМ и теоретической кривой для полевой зависимости вероятности 2D-диссипативного туннелирования с учетом влияния двух локальных фононных мод широкозонной матрицы показывает наличие возможного вклада диссипативного туннелирования в туннельный ток через растущую квантовую точку на начальной стадии роста. Установлено, что ионный механизм проводимости будет преобладать над туннельным, когда величина напряженности наведенного электрического поля положительных ионов золота превысит величину напряженности внешнего электрического поля.

формирование малых наночастиц, диссипативное туннелирование.

1. Лифшиц, И. М. О кинетике диффузионного распада пересыщенных твердых растворов / И. М. Лифшиц, В. В. Слез // Журнал экспериментальной и теоретиче-ской физики. – 1958. – Т. 35, № 2/8. – С. 479–492.
2. Gold nanoparticles ion implanted in glass with enhanced nonlinear optical properties / K. Fukami, A. Chayahara, K. Kadono, T. Sakaguchi, Y. Horino, M. Miya, K. Fujii, J. Hayakawa and M. Satou // J. Appl. Phys. – 1994. – Vol. 75, № 6. – P. 3075–3080.
3. Detection of an endocrine disrupter biomarker, vitellogenin, in large-mouth bass serum using AlGaN/GaN high electron mobility transitions / B. H. Chu, C. Y. Chang, K. Kroll, N. Denslow, Y. L. Wang, S. J. Pearton, A. M. Dabiran, A. M. Wowchak, B. Cui, P. P. Chow, F. Ren // Appl. Phys. A. – 2009. – Vol. 96, № 4. – P. 317–325.
4. Особенности формирования нанокристаллов золота в стабилизированном диокси-де циркония методом ионной имплантации / О. Н. Горшков, Д. А. Павлов, В. Н. Трушин, И. Н. Антонов, М. Е. Шенина, А. И. Бобров, А. С. Маркелов, А. Ю. Дудин, А. П. Касаткин // Письма в журнал технической физики. – 2012. – Т. 38, № 4. –С. 60–65.
5. Weihua Guan. Nonvolatile resistive switching memory utilizing gold nanocrystals embedded in zirconium oxide / Weihua Guan, Shibing Long, Rui Jia, and Ming Liu//Appl.Phys.Lett.–2007.–Vol.91,№6.–P.0621111–3.
6. Sargentis, Ch. Electrical characterization of MOS memory devices containing metallic nanoparticles and a high-k control oxide layer / Ch. Sargentis, K. Giannakopoulos, A. Travlos, D. Tsamakis // Surf. Sci. – 2007. – Vol. 601, № 11. – P. 2859–2853.
7. Scherban, T. Fracture of Low‐k Dielectric Films and Interfaces / T. Scherban, G. Xu, C. Merrill, C. Litteken and B. Sun // Appl. Phys. A. – 2009. – Vol. 94, № 6. – P. 525–530.
8. Ряснянский, А. И. Нелинейные оптические свойства наночастиц золота, дис-пергированных в различных оптически прозрачных матрицах / А. И. Ряснянский, B. Palpant, S. Debrus, U. Pal, А. Л. Степанов // Физика твердого тела. – 2009. – Т. 51, № 1. – С. 52–56.
9. Kantam, M. Lakshmi. Cyclopropanation of Olefins Using a Silica Gel Anchored Palladium Prosphine Complex / M. Lakshmi Kantam, Y. Haritha, N. Mahender Reddy, B. M. Choudary, F. Figueras // Appl. Phys. A. – 2009. – Vol. 97, № 1. – P. 11–18.
10. Mangold, M. A. Surface Plasmon Enhanced Photoconductance of Gold Nanoparti-cle Arrays with Incorporated Alkane Linkers / M. A. Mangold, C. Weiss, M. Calame and A. W. Holleitner // Appl. Phys. Lett. – 2009. – Vol. 94, № 16. – Р. 161104 1–3.
11. Yang, W. Food storage material silver nanoparticles interfere with DNA replication fidelity and bind with DNA / W. Yang, C. Shen, Q. Ji, H. An, J. Wang, Q. Liu // Nano-technology. – 2009. – Vol.20,№10.–P.105605 1–8.
12. Yanag, H. Nanofabrication of Gold particles in Glass films by AFM – Assisted Local Reduction / H. Yanag, T. Ohno // Langmuir. – 1999. – Vol. 15, № 21. – P. 4773–4776.
13. Антонов, Д. А. Исследование электрофизических свойств и электрополевая модификация наноразмерных оксидных слоев методом комбинированной сканирующей туннельной/атомно-силовой микроскопии / Д. А. Антонов, Д. О. Филатов, А. В. Зенкевич Ю. Ю. Лебединский // Известия РАН. Серия физическая. – 2007. – Т. 71, № 61.
14. Лапшина, М. А. Формирование токового изображения при исследовании металлических нанокластеров в диэлектрических пленках методом комбинирован-ной СТМ/АСМ / М. А. Лапшина, Д. О. Филатов, Д. А. Антонов // Поверхность: рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. – 2008. – № 8. – С. 616.
15. Исследование локальной плотности состояний в самоформирующихся островках GeSi/Si(001) методом комбинированной сканирующей туннельной/атомно-силовой микроскопии / П. А. Бородин, А. А. Бухараев, Д. О. Филатов, М. А. Иса-ков, В. Г. Шенгуров, В. Ю. Чалков, С. А. Денисов // Физика и техника полупро-водников. – 2011. – Т. 45. – С. 414.
16. Управляемое диссипативное туннелирование. Туннельный транспорт в низкораз-мерных системах / под ред. А. К. Арынгазина, В. А. Бендерского, Ю. И. Дахнов-ского, Х. Деккера, В. Ч. Жуковского, В. Д. Кревчика, Ю. Н. Овчинникова, М. Б. Семенова, А. И. Тернова, К. Ямамото. – М., 2012.
17. Визуализация локальной плотности состояний в квантовых точках InAs/GaAs ме-тодом комбинированной СТМ/АСМ / П. А. Бородин, А. А. Бухараев, Д. О. Филатов, Д. А. Воронцов, М. А. Лапшина // Поверхность. Рентгеновские, синхротрон-ные и нейтронные исследования. – 2009. – № 9. – С. 71.
18. Влияние диэлектрической матрицы на туннельные вольт-амперные характеристики в квантовых точках в условиях внешнего электрического поля / В. Д. Кревчик, М. Б. Семенов, Р. В. Зайцев, С. Е. Козенко, М. А. Манухина // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. – 2012. – № 2 (22). – С. 119.
19. Дахновский, Ю. И. Low-temperature chemical reactions considered as dissipative tunnel systems / Ю. И. Дахновский, А. А. Овчинников, М. Б. Семенов // Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 1987. – Т. 92, № 3. – С. 955.
20. Dissipation due to tunneling two-level systems in gold nanomechanical resonators / A. Venkatesan, K. J. Lulla, M. J. Patton, A. D. Armour, C. J. Mellor, and J. R. Owers-Bradley // arXiv:0912.1281v1 [cond-mat.mes-hall].
21. Resonant Tunneling in a Dissipative Environment / Yu. Bomze, H. Mebrahtu, I. Bor-zenets, A. Makarovski, G. Finkelstein // arXiv:1010.1527v1 [cond-mat.mes-hall].
22. Nanostructures – URL: http://www.cambridge.org/9780521877480.
23. Silva, da L. G. Phonon – assisted tunneling and two-channel Kondo physics in mo-lecular junctions / L. G. da Silva, G. V. Dias, D. Elbio // Phys. Rev. B. – 2009. – Vol. 79. – Р. 155302.
24. Grodecka, A. Phonon – assisted tunneling between singlet states in two-electron quantum dot molecules / A. Grodecka, P. Machnikowski, J. Forstner // arXiv:0803.1734v2 [cond-mat.mes-hall] (27 Apr. 2009).
25. Наблюдаемые двумерные туннельные бифуркации во внешнем электрическом по-ле / В. Ч. Жуковский, Ю. И. Дахновский, О. Н. Горшков, В. Д. Кревчик, М. Б. Семенов, Ю. Г. Смирнов, Е. В. Чупрунов, В. А. Рудин, Н. Ю. Скибицкая, П. В. Кревчик, Д. О. Филатов, Д. А. Антонов, М. А. Лапшина, К. Ямамото, М. Е. Шенина // Вестник Московского университета. Сер. 3. Физика Астрономия. – 2009. – № 5. – С. 3
26. Изучение управляемости туннелирования в структурах типа «квантовая точка – квантовая яма» или «квантовая молекула» / В. Ч. Жуковский, Ю. И. Дахновский, В. Д. Кревчик, М. Б. Семенов, В. Г. Майоров, Е. И. Кудряшов, К. Ямамото // Вестник Московского университета. Сер. 3. Физика Астрономия. – 2006. – № 3. – С. 24.
27. Управляемое диссипативное туннелирование во внешнем электрическом поле / В. Ч. Жуковский, О. Н. Горшков, В. Д. Кревчик, М. Б. Семенов, Е. В. Грозная, Д. О. Филатов, Д. А. Антонов // Вестник Московского университета. Сер. 3. Физи-ка Астрономия. – 2009. – № 1. – С. 27.
28. Изучение управляемости диссипативного туннелирования в системах взаимодей-ствующих квантовых молекул / В. Ч. Жуковский, Ю. И. Дахновский, В. Д. Кревчик, М. Б. Семенов, В. Г. Майоров, Е. И. Кудряшов, Е. В. Щербакова, К. Ямамото // Вестник Московского университета. Сер. 3. Физика Астрономия. – 2007. – № 2. – С. 10.
29. Two-dimensional tunnel correlations with dissipation / V. D. Krevchik, A. A. Ovchinnikov, M. B. Semenov, A. K. Aringazin, Yu. I. Dahnovsky, K. Yamamoto // Phys. Rev. B. – 2003. – Vol. 68 – P. 155426 (1–12).