ナノコンタクトの量子伝導と非線形性の研究

纳米接触中的量子传导和非线性研究

• 批准号: 03J52361
• 负责人: 吉田 誠
• 金额: $ 1.66万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2003
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2003 至 2005
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-03J52361/
• 关键词: TEM-STM; 非線形性電流-電圧特性; 同時計測; 三次関数; 熱膨張; 電極間距離間距離変化; 熱伝導方程式; ナノコンタクト、ナノワイヤー; 電流-電圧特性; 非線形性; 超高真空透過型電子顕微鏡; 同時観察; コンタクト形状変化; 電極間距離変化; 電流依存; ナノコンタクト; 貴金属; コンダクタンス非線形性; ドルーデモデル

本研究は、走査型トンネル顕微鏡組込み式透過型電子顕微鏡(TEM-STM)を用い、金ナノコンタクト形状とコンダクタンスの同時観察を行った。これにより、量子化コンダクタンスを確かめ、金属ナノコンタクトが示す非線形性電流-電圧(I-V)特性の原因を解明した。昨年度の研究では、ナノコンタクトのくびれ部分が1nm程度と短いコンタクト(ポイントコンタクト)は、電圧、電流増加に伴いコンタクト幅が増加し、非線形性I-V特性が現れることを明らかにした。今年度の研究では、ナノコンタクト幅の変化を引き起こす原因解明について調べた。その結果、ナノコンタクトに印加する電圧が増加すると電力(=電圧×電流)に比例して電極間距離が近づく現象をTEM観察により明らかにした。この近づきにより、短いナノコンタクトではコンタクト部分の断面積が増加し、三次関数的な非線形性電流-電圧特性が現れることを明らかにした。さらに、この電極間距離変化は、電極の熱膨張により現れることを明らかにした。ナノコンタクト周辺の電極部で熱が発生し、電極が熱膨張するという仮定から、熱伝導方程式を解き電極間距離変化が電力量に比例する結果を理論的に説明した。また、熱膨張の検証実験では階段状に印加電圧を変化させることで、電圧変化に対する電流、電極間距離変化量の時間依存性をTEM観察した。その結果、電極間距離の近づく量は時間経過と共に指数関数的に減少し、ある一定値に飽和する結果を見出した。熱伝導方程式から得た式をこの実験結果にFittingすると、ナノコンタクト-電極の接触部周辺(〜0.1mm)で熱が発生し、温度が0.01[K]程度上昇することが明らかになった。このとき、熱は電極のマクロ領域(〜6mm)まで伝導し、電極の熱膨張を考慮することで、電極間距離が約0.5nm近づくと説明した。このように、本研究は電極の熱膨張効果による電極間距離の近づきが非線形性I-V特性の原因であることを明らかにした。本研究で明らかになった熱膨張効果は、近年注目を浴びている単分子伝導計測やナノ材料の電気計測に対する課題を提示したものであり、ナノ領域の研究における重要な研究結果である。

在本研究中，我们使用透射电子显微镜和扫描隧道显微镜（TEM-STM）同时观察金纳米触点的形状和电导。结果，我们确认了量子化电导，并阐明了金属纳米接触表现出非线性电流-电压（I-V）特性的原因。去年的研究表明，在约1 nm的短缩颈（点接触）的纳米接触中，接触宽度随着电压和电流的增加而增加，并出现非线性I-V特性。在今年的研究中，我们研究了纳米接触宽度变化的原因。结果，TEM观察表明，随着施加到纳米接触的电压增加，电极之间的距离与功率（=电压x电流）成比例地减小。通过这种方法，我们发现短纳米接触中接触的横截面积增加，导致出现三次非线性电流-电压特性。另外，可知该电极间距离的变化是由电极的热膨胀引起的。基于纳米接触周围的电极区域产生热量且电极热膨胀的假设，我们求解了热传导方程，并从理论上解释了电极之间距离的变化与电力量成正比的结果。另外，在热膨胀验证实验中，使施加电压阶段性地变化，使用TEM观察电流和电极间距离的变化量相对于电压变化的时间依赖性。结果，我们发现电极之间的距离随着时间的推移呈指数减小，并在某个值处饱和。通过将热传导方程得到的方程与该实验结果进行拟合，发现纳米接触电极接触区域（~0.1mm）周围产生热量，温度上升了约0.01[K]。他解释说，此时热量传导到电极的宏观区域（约6毫米），考虑到电极的热膨胀，电极之间的距离变得近了约0.5纳米。这样，本研究揭示了由于电极的热膨胀效应而导致的电极间距离的缩短是非线性I-V特性的原因。该研究揭示的热膨胀效应对近年来备受关注的纳米材料的单分子传导测量和电学测量提出了挑战，是纳米领域研究的重要研究成果。

项目成果

Non-linear Current-Voltages Curves of Noble Metal Quantum Point Contacts

贵金属量子点接触的非线性电流电压曲线

• 发表时间: 2005
• 期刊: Japanese Journal of Applied Physics 44
• 作者: Makoto Yoshida et al.