وابستگی ظهور خواص نیمه‌فلزی به اندازه، در مقیاس‌نانو

یک خوشه از اتم‌های فلزی قبل از آنکه شروع به تشکیل ساختارهای هادی، چکش‌خوار و رسانا کند، چقدر می‌تواند بزرگ باشد ؟ ظهور خواص فلزی، که معمولاً به آن گذار به فلز بودن گفته می‌شود، در بین زوایای ‌پیچیده خواص وابسته به‌اندازه خوشه‌های اتمی است که در حالت توده‌ای مانند فلز رفتار می‌کنند. محققانی از آرگان و سایر مراکز تحقیقاتی دنبال جواب این سؤال که باعث ایجاد محدودیت‌هایی در مینیاتوری کردن افزاره‌های نانوالکترونیکی شده‌است، هستند.

یک خوشه از اتم‌های فلزی قبل از آنکه شروع
به تشکیل ساختارهای هادی، چکش‌خوار و رسانا کند، چقدر می‌تواند بزرگ باشد ؟
ظهور خواص فلزی، که معمولاً به آن گذار به فلز بودن گفته می‌شود، در بین
زوایای ‌پیچیده خواص وابسته به‌اندازه خوشه‌های اتمی است که در حالت توده‌ای
مانند فلز رفتار می‌کنند. محققانی از آرگان و سایر مراکز تحقیقاتی دنبال
جواب این سؤال که باعث ایجاد محدودیت‌هایی در مینیاتوری کردن افزاره‌های
نانوالکترونیکی شده‌است، هستند.

سؤال پیچیده‌تر این است که آیا محققان می‌توانند نمونه نانومقیاس حالت نیمه‌فلزی
توده‌ای را‌شناسایی کنند و گذار وابسته به‌اندازه را برای آن حالت تفسیر
نمایند. مطالعات اخیر نظریه پردازان آرگان جواب بله را برای این سؤال
پیشنهاد می‌کند. کار آنها اولین پیش‌بینی از نمونه نانومقیاس حالت نیمه‌فلزی
توده‌ای را ارائه می‌کند.

در مقایسه با فلزات معمولی که در آنها الکترون‌هایی با اسپین آلفا و بتا
جریان الکتریکی را حمل می‌کنند نیمه‌فلزات، عناصر و ترکیباتی با رسانایی
حاصل از اسپین قطبیده‌شده‌می‌باشند. جریان الکتریکی در نیمه‌فلزات تبدیل به
انتقال اسپینی می‌گردد که در قطب فناوری اسپینترونیک قرار دارد. دانشمندانی
که در زمینه اسپینترونیک کار می‌کنند مشغول مطالعه چگونگی استفاده از «اسپین»
و خواص مغناطیسی ذرات، مانند الکترون‌ها، برای گسترش حسگرهای بهتر، افزاره‌های
ضبط‌کننده، سوئیچ‌ها و رایانه‌های کوانتومی می‌باشند. جولیوس جلینک از بخش
مهندسی و علم شیمی آرگان می‌گوید که حتی حالت فلزی معمولی در مقیاس نانو به
یک حالت پیچیده تبدیل می‌گردد.

او گفت: «خوشه‌های کوچک و متوسط عناصر فلزی می‌توانند تمام خواص مربوط به
حالت فلزی توده‌‌ای را از دست بدهند. این خواص هرچه خوشه بزرگ‌ترشود بهتر
بروز می‌کنند. همین امر برای حالت نیمه‌فلزی نیز صادق است و نتایج آزمایش‌های
ما آن را نشان می‌دهد» .

نظریه پردازان آرگان با یک گروه آزمایشگاهی از دانشگاه جان هاپکینز به
رهبری کیت باون آغاز به همکاری کردند.

آزمایش‌ها نشان دادند که همین که یک خوشه منگنزی با بار منفی شروع به بزرگ‌‌شدن
می‌کند گاف انرژی بین انرژی‌های دو الکترون بیرونی آن کمتر می‌شود و هنگامی
که این خوشه به شش اتم می‌رسد کاملاً بسته می‌شوند. محاسبات و تحلیل‌های
آنها که به توسط جلینک و همکارانش انجام شد نشان‌دهنده آن بود که بسته‌‌شدن
گاف انرژی الکترون‌ها در منیفولد یک اسپین اتفاق می‌افتد نه هر دو. این
طبیعت اسپین قطبیده‌شده‌در بسته‌‌شدن گاف انرژی همان چیزی است که نمونه
نانومقیاسی حالت نیمه‌فلزی توده‌‌ای را می‌سازد. فهم دقیق وابستگی به‌اندازه
در نیمه‌فلزهای توده‌‌ای در زمینه‌های گوناگونی از علم نانو مانند
اسپینترونیک بسیار مهم است.

جلینک گفت: «نمونه‌اندازه – محدود برای نیمه‌فلز می‌تواند قابل حصول‌تراز
حالت نیمه‌فلز توده‌‌ای باشد. خاصیت نیمه‌فلزی نانومقیاسی می‌تواند به
عنوان یک حالت‌گذاری در خواص وابسته به‌اندازه در سیستم‌هایی که شاید در
حالت توده‌‌ای هم نیمه‌فلز نباشند ظاهر شود» .

نتایج این کار در مجله Physical Review B به چاپ رسیده است.