Mérőkártya programozás, atomi méretű kontaktusok
A mérés célja a Tektronix TDS320 digitális oszcilloszkóp használatának és programozásának megismerése, ill. atomi méretű kontaktusok vezetési tulajdonságainak vizsgálata digitális oszcilloszkóp segítségével.
Ennek érdekében nanokontaktusok vezetőképesség görbéit rögzítjük a szétszakadás előtti pillanatokban, mikor csak pár atom köti össze a két oldalt. A számítógéppel beolvasott vezetőképesség görbéket statisztikailag vizsgáljuk vezetőképesség hisztogram segítségével.
Bevezetés: atomi méretű kontaktusok
Napjainkban a fizikai kutatások egyre jelentősebb és rohamosan növekvő területe a különböző nanoszerkezetek vizsgálata, melyek tipikus szélessége pár száz - vagy mint látni fogjuk akár egyetlen - atom. A nanométeres skálájú eszközökben számos meghökkentő kvantumfizikai folyamatot tapasztalunk, hiszen a rendszer mérete összemérhetővé válik az elektronok szabad úthosszával, vagy akár az elektron hullámhosszal is, az egészen kicsi, atomi mérető rendszereknél pedig az anyag atomi kvantáltságát is figyelembe kell venni. A nanoszerkezetek az alapkutatás számára érdekes kvantumfizikai jelenségek vizsgálatán túl az elektronikai eszközök miniatürizálásában és fejlesztésében is rohamosan növekvő szerepet kapnak. A legtöbb nanostruktúra előállítása komoly, elektron-sugár litográfiára épülő technikai hátteret igényel, és számos kvantumfizikai folyamat csak extrém alacsony hőmérsékleteken (4K-10mK) tanulmányozható. A mérési gyakorlaton egy olyan nanofizikai jelenséget vizsgálunk, mely szobahőmérsékleten, viszonylag egyszerű mérőrendszerrel is megfigyelhető, bár a vizsgált struktúra talán az egyik legkisebb nanoszerkezet, egy olyan kontaktus, melyben két elektródát egyetlen atom köt össze.
Egy egyatomos kontaktus meglepően egyszerűen létrehozható, hiszen egy fémszál szétszakításának utolsó pillanatában egyetlen atom köti össze a két oldalt. Komoly kihívás viszont a kontaktus stabilizálása, hiszen egy nanokontaktus tanulmányozásának elengedhetetlen feltétele, hogy a mérőberendezés mechanikai stabilitása jelentősen jobb legyen egy tipikus atom-atom távolságnál (~300 pm). Ilyen körülmények elérhetőek egy nagystabilitású alacsony hőmérsékleti alagútmikroszkóppal, de rendelkezésre áll egy másik eszköz is, az ún. MCBJ technika (Mechanically Controllable Break Junction technique). Ennek a módszernek a működését szemlélteti az 1. ábra. A kontaktust egy egyszerű fémszálból hozzuk létre, melyet két ragasztópöttyel egy laprugóra rögzítünk. A laprugó hajlításával a rögzítési pontok távolodnak egymástól, így a fémszál elszakítható. A műszer mechanikai elrendezéséből következik, hogy ha a laprugót középen egy finoman mozgatható tengely segítségével hajlítjuk, az elektródák relatív elmozdulása csak 1/100-ad része a tengely elmozdulásának. Ha a méréseket extrém alacsony hőmérsékleten, folyékony hélium környezetben végezzük, és a rugó hajlításához finoman hangolható piezo mozgatót használunk, a pásztázó alagútmikroszkópnál nagyságrendekkel jobb, akár pár pm-es mechanikai stabilitás érhető el.
A rendszer stabilitását a kvantummechanikai alagúteffektus segítségével vizsgálhatjuk. Ha a fémszál szétszakítása után az elektródákat finoman közelítjük egymáshoz, a közvetlen kontaktus létrejötte előtt alagútáram folyik a két oldal között, melynek nagysága az elektródák távolságának exponenciális függvénye. Kiszámolható, hogy az alagútáram mintegy tízszeresére növekszik, ha az elektródákat 100 pm-rel közelítjük egymáshoz. A kísérletekben az exponenciális távolságfüggés mintegy hat nagyságrenden keresztül kimutatható (2. ábra), azaz a vezetőképesség mintegy egymilliószorosára nő, miközben az elektródákat csak 600 pm-rel (egy tipikus atom-atom távolság kétszeresével) közelítjük egymáshoz. Ez a jelenség az elektródák közötti távolság változásának nagyon érzékeny detektálását teszi lehetővé. A 2. ábra betétje mutatja, hogy rögzített piezo feszültségnél az elektródák távolsága tíz perc alatt csak 2 pm-rel változik, amely mintegy egyszázad része a tipikus atom-atom távolságnak.
Az ábrán látható, hogy az elektródák közelítése közben egy adott ponton egy hirtelen ugrást tapasztalunk, melyet egy vezetőképesség plató követ. Ekkor egy közvetlen, fémes kontaktus jön létre, mely a legtöbb esetben egyetlen atomból áll. Most közelítsük meg az egyatomos kontaktus kialakulását a másik oldalról, és vizsgáljuk meg a vezetőképesség változását a fémszál szétszakítása közben. Ahogy a szál vékonyodik, először folytonosan csökkenő vezetőképességet tapasztalunk. Ha viszont a kontaktus átmérője már eléri a pár atomot, a vezetőképesség már nem tud folytonosan változni az atomi kvantáltság miatt. A 3. ábra bal oldali panelje nanokontaktusok szétszakítása közben felvett vezetőképesség görbéket mutat. A kontaktus két oldalának széthúzása közben először az atomok csak rugalmasan mozdulnak el egymáshoz képest, miközben a vezetőképesség csak mérsékelten változik (platók). Egy bizonyos feszítés után viszont az atomok ugrásszerűen átrendeződnek, és egy kevesebb atomot tartalmazó, kedvezőbb konfiguráció jön létre. Az atomi átrendeződéseket a vezetőképesség ugrásszerű változása tükrözi. Mikor a teljes szétszakadás előtti utolsó platót látjuk, a két oldalt már csak egyetlen atom köti össze. Természetszerűleg, minden egyes nanokontaktus szétszakításakor a vezetőképesség görbék máshogyan néznek ki, bár jellegre hasonlóak. Egy adott anyagból készült nanokontaktusok karakterisztikus jellemzőit statisztikai módszerrel térképezhetjük fel. Nagyszámú szétszakítás közben felvett vezetőképesség görbéből felrajzolhatunk egy hisztogramot, mely megmutatja hogy a szétszakítások közben egy adott vezetőképesség értéket milyen gyakorisággal láthattunk. A hisztogramban kirajzolódó csúcsok megmutatják a stabil, nagy gyakorisággal létrejövő atomi konfigurációk vezetőképességét. A hisztogram első csúcsa az egyatomos kontaktus vezetőképességét adja meg.
Az egyatomos kontaktus vezetési mechanizmusának megértéséhez kvantummechanikai megközelítésre van szükség, hiszen a kontaktus átmérője azonos méretskálájú az elektronok hullámhosszával. A vezetés kvantált vezetési csatornákon keresztül történik, melyek vezetőképessége nem haladhatja meg a kvantum vezetőképesség egységet, 
.
\setbox0\hbox{$\eps_n(k)=\hbar^2 k^2/2m+E_n$}%
\message{//depth:\the\dp0//}%
\box0%
alakú, ahol En a keresztirányú módus energiája. Az egyes keresztmódusokhoz tartozó diszperziókat vezetési csatornának nevezzük. Nyitott csatornáról beszélünk, ha a diszperziós reláció metszi a Fermi energiát, En>EF esetén viszont zárt a csatorna, azaz nem propagálnak benne elektronok. Számoljuk ki a kvantumvezeték vezetőképességét egyetlen vezetési csatorna esetén. Az elektródákra feszültséget kapcsolva a kémiai potenciálok eltolódnak L-R=eV-vel, így a balról jobbra propagáló állapotok eV-vel magasabb energiáig vannak betöltve, mint a jobbról balra menő állapotok. A betöltések eltolódása miatt a pozitív és negatív irányú áram nem egyenlő, így a vezetékben nettó áram folyik, ahol az elektronok sebessége, pedig az elektronsűrűség, ahol L a vezeték hossza, pedig az egydimenziós állapotsűrűség. Behelyettesítés után adódik, azaz az egy vezetési csatornának megfelelő vezetőképesség kvantum , amely 12906 ellenállásnak felel meg. Az eredményt általánosíthatjuk, ha több vezetési csatornát is figyelembe veszünk, és minden csatornában megengedünk egy véges reflexiós valószínűséget. Ez alapján egy tetszőleges nanokontaktus vezetőképességét az ún. Landauer formula segítségével adhatjuk meg:
