MCBJ

Önszerveződő nanoszerkezetek

• A felületek gyakran átrendeződnek jól definiált struktúrájú alakzatokba (surface reconstruction)
• Molekulákból önszerveződő rétegeket képezhetünk. Pl. arany felületre a tiol csoport (SH) szeret kötődni, így egyik végükön tiol csoporttal rendelkező molekulák egy arany felületen önszerveződő monoréteget (self-assambled monolayer, SAM) alkothatnak
• Grafén nanoszalagok létrehozása oxidációval. SiO₂ hordozón elhelyezett grafén réteget először oxigén légkörben oxidálunk (~500 °C), aminek hatására kör alakú lyukak jönnek létre. Ezeket 700 °C-os argon atmoszférában hőkezeljük, miközben jól definiált irányú hatszögek jönnek létre. (Reakció: SiO₂+C -> SiO + CO) Forrás: Magda Gábor, Dr. Bíró László Péter (MFA)
• Bizonyos anyagok szakítás során szeretnek atomi láncokat képezni

Néhány atomból álló kontaktusok vizsgálata:

22/a. ábra. Atomi láncképződés.

22/a. ábra. Atomi láncképződés.

Az atomi kontaktusok vizsgálatára alkalmas mérőberendezések egyike az úgynevezett MCBJ technika (Mechanically Controllable Break Junction technique), melynek felépítése a 3/a. ábrán látható. Egy középen elvékonyított fémszálat két ragasztópötty rögzít egy rugalmas lapkára, amit egy piezo mozgatóval meghajlítunk, így a vezeték két rögzített pontja távolodik egymástól. Már magát a piezo mozgatását is nm alatti pontossággal végezhetjük, a berendezés geometriájából eredő mechanikai áttételnek köszönhetően a szétszakítandó vezeték végeinek elmozdulása a piezo mozgásánál körülbelül két nagyságrenddel kisebb. Így a közvetlenül a szakadás előtt kialakuló atomi kontaktusok vizsgálatára kiemelkedő mechnaikai stabilitás mellett nyílik lehetőség. Miután a minta teljesen elszakadt, újra közelíteni kezdjük a vezetékek végeit, a kontaktus újra felépül. Így egy mintával akár több ezer szakítási görbe is felvehető.

20/a. ábra. MCBJ elrendezés vázlata, forrás: Halbritter András PhD dolgozat, 2003.	20/b. ábra. Arany vezeték szakítása közben mért vezetőképesség görbék.

A szakítás közben, amikor a vezeték legkisebb keresztmetszetében már csak néhány atom található, a kontaktus vezetőképessége lépcsőzetesen változik (3/b. ábra). Ez a viselkedés elsősorban az anyag atomi felépítésével magyarázható, de az elektronok kvantummechanikai viselkedése is fontos szerepet játszik [hivatkozás a nanovezetékek fejezetre]. A széthúzás közben egy adott atomi konfigurációt először rugalmasan deformálunk, ilyenkor a vezetőképesség nem változik jelentősen. A vezetéket tovább nyújtva egy hirtelen atomi átrendeződést figyelhetünk meg, ami a vezetőképesség ugrásszerű változását eredményezi. A teljes szétszakadás előtti utolsó plató a legtöbb esetben egy olyan kontaktushoz tartozik, melyben a két elektródát egyetlen atom köti össze. Bizonyos anyagok esetén (például: Au, Cu, Ag) az utolsó platóhoz tartozó vezetőképesség jól reprodukálóan az úgynevezett vezetőképesség kvantummal - egy univerzális állandóval - egyezik meg: $\setbox0\hbox{$1 G_0 = \frac{2 e^2}{h}\approx 1/12900\Omega$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$-nak megfelelő értéket vesz fel.

A szakításkor bekövetkező atomi átrendeződések véletlenszerűek, ezért a mért vezetőképesség görbék különbözőek lehetnek, ennek ellenére megfigyelhetőek bizonyos hasonlóságok. Az egyes konfigurációkhoz tartozó platók mindig közel azonos vezetőképességnél találhatóak, azonban ez csak sok - akár több ezer - görbe összehasonlításakor lesz látható. Erre a célra az egyik alapvető kiértékelési mód a mért vezetőképesség görbék hisztogramjának számítása: a hisztogramban csúcsok jelennek azoknál a vezetőképesség értékeknél, ahol a mért vezetőképesség görbékben platók figyelhetőek meg. A hisztogram csúcsai mindig ugyanazokon – a minta anyagára jellemző – vezetőképesség értéknél jelennek meg.

21/a. ábra. Vezetőképesség hisztogram készítése az egyedi mért vezetőképesség görbékből.	21/b. ábra. A kontaktusba molekula épül be - a hisztogramban új csúcs jelenik meg.

Az MCBJ mérés felhasználható arra is, hogy egyedi molekulák vezetőképességét vizsgáljuk. Ehhez a vezeték folyamatos széthúzása majd összenyomása közben molekulákat juttatunk a kontaktushoz, melyek képesek beépülni a két elektróda közé. A beépült molekula következtében megváltozik a kontaktus vezetőképessége, a mért görbék hisztogramjában egy új csúcs jelenik meg (21/b. ábra). A csúcs helye a beépült molekula vezetőképességét jellemzi.

Bizonyos anyagokkal, speciális körülmények között mérve (például arany minta alacsony hőmérsékleten) érdekes jelenség figyelhető meg: az egyedi görbéken megfigyelhető, hogy széthúzáskor az utolsó plató sokszor lényegesen hosszabb a többi platónál. Ez azzal magyarázható, hogy az egyatomos kontaktust széthúzva az nem feltétlenül szakad el egyből, helyette egy több atomból álló atomlánc „húzódik” a két elektróda között. Az atomi láncképződést az utoló plató hosszának statisztikai vizsgálatával lehet kimutatni, a lánc hosszúsága a vezetőképességben mért plató hosszúságával jellemezhető.

22/a. ábra. Atomi láncképződés.	22/b. ábra. Platóhosszúság hisztogram.

Ha felrajzoljuk, hogy különböző platóhosszúságok milyen gyakorisággal fordulnak elő, akkor az így készített plató hosszúság hisztogramban csúcsok jelennek meg egyenlő távolságokra egymástól. A különböző csúcsok különböző számú atomból álló láncnak felelnek meg, a csúcsok közötti távolság – megfelelő kalibráció után – két szomszédos atom távolságát adja meg a láncban.