באמצעות שימוש בטכניקות דיוק להכנת מוליך סרטים דקים שכבת ידי שכבתיים, פיזיקאים על משרד החוץ האמריקני של האנרגיה (DOE) המעבדה הלאומית ברוקהייבן זיהו שכבה יחידה אחראית על היכולת אחד גשמי כזה כדי להפוך מוליך, כלומר לשאת זרם חשמלי עם אנרגיה לא הפסד. הטכניקה, המתואר 30 אוקטובר 2009, בנושא המדע, יכול לשמש כדי מהנדס סרטים Ultrathin עם מוליכות "מתכונן" על יעילות גבוהה יותר מכשירים אלקטרוניים.
גרפי זה מציג את החלק הפנימי של תא epitaxy קרן מולקולרית היכן סרטים דקים בנויים שכבה אחר שכבה, המציגה אמנים בצוע של תהליך הסינתזה הסרט.
"רצינו לענות על שאלה בסיסית על סרטים כאלה," אמר הפיסיקאי ברוקהייבן ואת איוון מנהיג הקבוצה Bozovic. "כלומר: כיצד רזה הסרט יכול להיות, ועדיין לשמור על מוליכות בטמפרטורה גבוהה?"
מדלל את החומר (ואת גבוה שלה המעבר הטמפרטורה ל מוליך), הפוטנציאל שלה גדול יותר עבור יישומים בהם מוליכות יכול להיות נשלט על ידי שדה חשמלי חיצוני. "זה סוג של שליטה קשה להשיג עם סרטים עבה, כי שדה חשמלי אינו לחדור מתכות יותר ננומטר או כך," הסביר Bozovic.
כדי לחקור את הגבולות של רזון, קבוצה של Bozovic מסונתז סדרת הסרטים המבוססת על בטמפרטורה גבוהה cuprates מוליך (נחושת תחמוצות) - חומרים לשאת זרם ללא איבוד אנרגיה כאשר התקררו מתחת לטמפרטורה מסוימת המעבר (TC). מאז אבץ ידוע לדכא את מוליכות בחומרים אלה, המדענים החליפו באופן שיטתי כמויות קטנות של אבץ לתוך כל אחד הנחושת תחמוצת שכבות. שכבה שם כל נוכחות של אבץ היתה השפעה מדכאת יהיה מזוהה בבירור חיוני כדי מוליכות בסרט.
"המדידות שלנו הראו כי אבץ סימום היה למעשה אין כל השפעה, למעט כאשר הניח שכבה יחידה מוגדרת היטב,. כאשר האבץ היה בשכבה זו, מוליכות דוכא באופן דרמטי", אמר Bozovic.
החומר למד על ידי צוות של Bozovic היה יוצא דופן בכך שהוא מורכב משכבות של שני חומרים, אחד מתכתי ואחד בידוד, שאינם מוליכי על שלהם, אלא תערוכה מוליכות בממשק שבין אותם [ראו http://www.bnl .gov / bnlweb / pubaf / יח"צ / PR_display.asp? prID = 822].
שכבת מזוהה חיוני כדי מוליכות על ידי ניסוי אבץ החלפה מייצג את השכבה השנייה תחמוצת נחושת מן הממשק. החוקרים מצאו כי נוכחות של אבץ לא השפיעה על המעבר הטמפרטורה שבה מוליכות סטים, כ - 32 מעלות קלווין (-241 מעלות צלזיוס), למעט כאשר הניח שכבה מסוימת. במקרה האחרון, המדענים צפו ירידה דרמטית המעבר הטמפרטורה עד 18 מעלות קלווין (-255 מעלות צלזיוס). ירידת טמפרטורת המעבר מספק אינדיקציה ברורה כי כי שכבה מסוימת הוא זה "חם" אחראית על הטמפרטורה הגבוהה יחסית שבה מוליכות בדרך כלל ערכות עבור חומר זה.
"עכשיו יש לנו הוכחה ניסויית נקי כי מוליכות בטמפרטורה גבוהה יכולה להתקיים, פחת, בשכבת תחמוצת נחושת בודד", אמר Bozovic. "זו פיסת מידע נותן קלט חשוב ההבנה התיאורטית שלנו של תופעה זו."
Bozovic הסביר כי, בחומר שהוא למד, האלקטרונים הדרושים מוליכות באה דווקא מן החומר המתכתי מתחת לממשק. הם לדלוף לתוך בידוד החומר הנ"ל ממשק ולהשיג את רמת קריטי כי שכבת תחמוצת נחושת השנייה.
אבל עקרונית, הוא אומר, יש דרכים אחרות להשיג את אותו ריכוז של אלקטרונים שכבה אחת, למשל, על ידי סימום מושגת על ידי הפעלת שדות חשמליים. זה יגרום מוליכות בטמפרטורה גבוהה בשכבת תחמוצת נחושת יחיד מדידה רק 0.66 ננומטרים.
מבחינה מעשית, תגלית זו פותחת נתיב לכיוון ייצור של מכשירים אלקטרוניים עם מווסתת, או מתכונן, מוליכי תכונות אשר יכול להיות נשלט על ידי שדות חשמליים או מגנטיים.