U bent hier: Home / In de kijker / Goed geleidende goudfilms bevatten elektrisch geïsoleerde kwantumstippen

Goed geleidende goudfilms bevatten elektrisch geïsoleerde kwantumstippen

De wet van Ohm leert ons dat het potentiaalverschil tussen de uiteinden van een elektrische weerstand gelijk is aan de weerstandswaarde maal de elektrische stroom die door de weerstand vloeit. Vermits de waarde van de weerstand lineair toeneemt met de lengte van de weerstand, impliceert dit dat ook het potentiaalverschil lineair toeneemt met de lengte van de weerstand. Experimenten bevestigen dat voor een kristallijne metaalfilm met macroscopische afmetingen dit lineair gedrag inderdaad optreedt. Anderzijds weten we uit onze basiscursus fysica dat binnen in een perfecte geleider het elektrisch veld nul is (een uitwendig elektrisch veld wordt perfect afgeschermd), wat impliceert dat de potentiaal binnenin de geleider constant moet zijn. Deze ogenschijnlijke contradictie kan begrepen worden door het feit dat op een microscopische schaal perfect kristallijne gebieden met constante potentiaal afwisselen met imperfecte gebieden waar de potentiaal verandert en er dus een lokaal elektrisch veld aanwezig is binnen in het metaal. Bij deze imperfecte gebieden die optreden op atomaire schaal, onderscheiden we in het bijzonder de korrelgrenzen die perfect kristallijne gebieden van mekaar scheiden. Elektrische lading kan lokaal ophopen rond een korrelgrens over een afstand vergelijkbaar met de inter-atomaire afstand, wat resulteert in de aanwezigheid van een lokaal elektrisch veld.

 

De transmissie van elektrische stroom doorheen een korrelgrens kan aanzienlijk gehinderd worden door de aanwezigheid van de korrelgrens. In een recente publicatie in Nature Communications rapporteren Koen Schouteden, Zhe Li, Dmitry Muzychenko (bezoeker van de M.V. Lomonosov Moscow State University) en Chris Van Haesendonck van de Afdeling Vaste-stofysica en Magnetisme over hun merkwaardige vaststelling dat nanometer-grote kristallijne gebieden in een dunne goudfilm zelfs bijna volledig elektrisch geïsoleerd kunnen worden van de rest van de goudfilm door de aanwezigheid van korrelgrenzen. Dit is het geval voor zogenaamde stapelfout-tetraheders (SFT’s), waarbij de defecte grensvlakken van de tetraheders resulteren in het feit dat hun binnenkant elektrisch geïsoleerd wordt van hun buitenkant. De aanwezigheid en de atomaire structuur van de SFT’s beneden het oppervlak van de goudfilms werd verder gekarakteriseerd met hoge-resolutie transmissie-elektronenmicroscopie door Prof. Dominique Schryvers en zijn medewerker Behnam Amin-Ahmadi van de Universiteit Antwerpen.

 

Door het feit dat ze elektrisch geïsoleerd zijn van hun omgeving gedragen de SFT’s zich zoals kwantumstippen waarbij de kwantumopsluiting van de elektronen resulteert in uitgesproken kwantisatie van de energieniveaus van de elektronen. Koen Schouteden en zijn medewerkers zijn in staat om deze gekwantiseerde niveaus af te tasten door de naald van een tunnelmicroscoop (STM) te positioneren boven het blootgestelde zijvlak van een individuele SFT. De STM laat bovendien toe om de staande-golfpatronen die gevormd worden aan het blootgestelde zijvlak, in beeld te brengen. De gerelateerde kwantumeffecten die een gevolg zijn van de eindige afmetingen, correleren mooi met de afmetingen van het blootgestelde zijvlak van de SFT en kunnen kwantitatief beschreven worden met behulp van het twee-dimensionale “particle-in-a-box” model dat de specifieke oppervlaktegeometrie in rekening brengt. De in Nature Communications gerapporteerde resultaten tonen aan dat het gecontroleerd introduceren van stapelfouten in metaalfilms een alternatieve manier biedt om goed geïsoleerde kwantumstippen van hoge kwaliteit te bekomen zonder dat dunne elektrisch isolerende laagjes moeten vervaardigd worden, wat de preparatie van kwantumstippen vaak aanzienlijk compliceert. Het is duidelijk dat de gouden kwantumstippen een ideaal speelterrein vormen voor diepgaande studies van kwantum-mechanische opsluitingseffecten.