(PhysOrg.com) -- In Sandia National Laboratories zijn onverwachte spanningsverhogingen tot 25 procent waargenomen in twee nauwelijks gescheiden nanodraden.

Ontwerpers van apparaten van de volgende generatie die nanodraden gebruiken om elektrische stroom te leveren - inclusief telefoons, Zak computers, batterijen en bepaalde zonnepanelen - moet mogelijk rekening houden met dergelijke verrassingsboosts.

“Al 20 jaar werken mensen aan nanodraden, ', zegt Sandia-hoofdonderzoeker Mike Lilly. “In het begin, je bestudeert dergelijke draden afzonderlijk of allemaal samen, maar uiteindelijk wil je een systematische manier om de integratie van nanodraden in nanocircuits te bestuderen. Dat is wat er nu gebeurt. Het is belangrijk om te weten hoe nanodraden met elkaar omgaan in plaats van met gewone draden.”

Hoewel de gallium-arsenide nanodraadstructuren die door het team van Lilly worden gebruikt, kwetsbaar zijn, nanodraden hebben over het algemeen zeer praktische kenmerken - ze kunnen minder barsten dan hun grotere neven, ze zijn goedkoper om te produceren en ze bieden een betere elektronische controle.

Voor jaren, voor de best beschikbare testmethode moesten onderzoekers een geladen stuk materiaal, een poort genaamd, tussen twee nanodraden op een enkele plank plaatsen. De poort, overspoeld met elektronen, fungeerde als een barrière:het handhaafde de integriteit, in werkelijkheid, van de draden aan weerszijden ervan door alle elektronen af ​​te weren die erover proberen te ontsnappen. Maar de kleinste draadscheiding die door de poort werd toegestaan, was 80 nanometer. Nanodraden in toekomstige apparaten zullen veel nauwer worden samengepakt, dus een veel kleinere opening was nodig om te testen.

Het huidige testontwerp heeft de glans van eenvoud. Wat Lilly en collega's van de McGill University in Montreal voor ogen hadden, was om de nanodraden boven elkaar te plaatsen, in plaats van naast elkaar, door ze te scheiden met een paar atomaire lagen van extreem zuivere, kristal van eigen bodem. Hierdoor konden ze nanodraden testen die verticaal slechts 15 nanometer van elkaar verwijderd waren - ongeveer de afstand die apparaten van de volgende generatie naar verwachting nodig hebben. En omdat elke draad op zijn eigen onafhankelijke platform zit, elk kan onafhankelijk worden gevoed en bestuurd door elektrische ingangen die door de onderzoekers worden gevarieerd.

Terwijl toepassingen voor technische apparaten Lilly interesseren, het zijn de kenmerken van nanodraden als probleem in eendimensionale (1-D) basiswetenschap die hem fascineren.

Een 1-D draad is niet gebruikelijk, dikke taille, 3D huishouddraad, waardoor de stroom horizontaal kan bewegen, verticaal, en vooruit; noch is het jouw kleinere, afgeplatte 2D-draden ter grootte van een micron in typische elektronische apparaten waarmee elektronen voorwaarts en overdwars kunnen bewegen, maar niet op en neer. In 1-D draden, de elektronen kunnen maar in één richting bewegen:vooruit, zoals gevangenen die komen lunchen, de een achter de ander.

“Op de lange termijn ons testapparaat stelt ons in staat om te onderzoeken hoe 1-D-geleiders verschillen van 2D- en 3D-geleiders, ' zei Lilly. “Er wordt van ze verwacht dat ze heel anders zijn, maar er zijn relatief weinig experimentele technieken die zijn gebruikt om de 1-D grondtoestand te bestuderen.”

Een reden voor het verschil is de Coulomb-kracht, verantwoordelijk voor wat het Coulomb "drag" -effect wordt genoemd, ongeacht of de kracht de stroming versnelt of vertraagt. Werkend tussen draden, de kracht is omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand; dat is, in gewone micro-elektronica, de kracht is praktisch onmerkbaar, maar op nanoafstanden, de kracht is groot genoeg dat elektronen in de ene draad de individuele elektronen kunnen "voelen" die in een andere in de buurt bewegen.

De weerstand betekent dat de eerste draad meer energie nodig heeft omdat de Coulomb-kracht creëert, in werkelijkheid, verhoogde weerstand. “Het bedrag is heel klein, ' zei Lilly, “en we kunnen het niet meten. Wat we wel kunnen meten is de spanning van de andere draad.”

Er zijn geen duidelijke antwoorden op de vraag waarom de Coulomb-kracht negatieve of positieve weerstand creëert, maar het doet. Het is genoemd naar de 18e-eeuwse wetenschapper Charles August Coulomb.

Wat bekend is, is dat "genoeg elektronen worden meegesleurd dat ze een positieve bron leveren aan één draaduiteinde, negatief aan de andere, ' zei Lilly. Een spanning wordt opgebouwd in de tegenovergestelde richting om elektronen op hun plaats te houden, ” waardoor de weerstand toeneemt.

De zogenaamde Fermi-zee - een 3D-concept dat wordt gebruikt om de gemiddelde energie van elektronen in metaal te voorspellen - zou volledig moeten afbreken in 1D-draden, die in plaats daarvan een Luttinger-vloeistof zou moeten vormen, zei Lilly. Een Luttinger-vloeistof is een theoretisch model dat de interacties van elektronen in een 1-D-geleider beschrijft. Om de Luttinger-vloeistof beter te begrijpen, is Lilly's onderliggende motief voor het experiment. (Enrico Fermi was een vooraanstaand theoretisch fysicus van de 20e eeuw die een belangrijke rol speelde bij de ontwikkeling van de atoombom. Joaquin Luttinger was een 20e-eeuwse natuurkundige die bekend stond om zijn theorieën over hoe elektronen interageren in eendimensionale metalen.)

Interesse hebben op vele niveaus bleek nuttig omdat het maken van het testapparaat "ons erg lang kostte, ' zei hij. “Het is niet onmogelijk om in andere laboratoria te doen, maar Sandia heeft kristalgroeimogelijkheden, een microfabricagefaciliteit en ondersteuning voor fundamenteel onderzoek van DOE's [het Department of Energy's] Office of Basic Energy Sciences (BES). Het BES-kernprogramma is geïnteresseerd in nieuwe wetenschap en nieuwe ontdekkingen, zoals het werk dat we doen om te begrijpen wat er aan de hand is als je met hele kleine systemen werkt.”

De fabricage van apparaten werd uitgevoerd in het kader van een gebruikersproject bij het Center for Integrated Nanotechnologies, een nationale gebruikersfaciliteit van het DOE Office of Science die gezamenlijk wordt beheerd door de nationale laboratoria van Sandia en Los Alamos. Het ontwerp en de meting van het apparaat werden voltooid onder het DOE Office of Science BES / Division of Materials Science and Engineering onderzoeksprogramma.

Het werk vereiste de kristalgroeiende expertise van Sandia-onderzoeker John Reno, de fabricage- en meetvaardigheden van McGill-promovendus Dominique Laroche en elementen van eerder werk van Sandia-onderzoeker Jerry Simmons.