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".