کشف اثر محدودکنندگی دی‌الکتریک‌ها در مقیاس نانو

اثر محدودکنندگی دی‌الکتریک، پدیده‌ای کلیدی در وارد کردن ناخالصی و رسانش
نانوساختارها به شمار می‌رود. این پدیده که نخستین بار در سال ۱۹۷۹ به‌وسیله‌ی
ال وی کلدیش مطرح شد، در واقع محصول تأثیر بارهای تصویر منعکس در سطح ماده می‌باشد
و به‌ویژه با کوچک‌تر شدن مدارهای الکترونیکی نمود بیشتری یافته،آنها را در
برابر شرایط خارجی حساس‌تر می‌کند.

این اثر محدود‌کننده با تغییر انرژی اکتیواسیون ناخالصی‌های نیمه‌رسانا می‌تواند
بر رسانش نانوسیم‌ها تأثیر گذارد؛ لذا شناخت این پدیده وآگاهی از میزان تأثیرآن
در مقیاس نانو، می‌تواند تا حد زیادی به بهبود طراحی نانوسیم‌ها (که یکی از
اجزای اصلی در ساخت تجهیزات الکترونیکی از قبیل آشکارسازهای مواد گازی یا مایع
می باشند) بینجامد. به‌دلیل نقشی که این پدیده در تعریف خواص نوری
نانوساختارهایی از قبیل انرژی پیوندی اکسایتون‌ها (حالت‌های مقید الکترون حفره)
داشت، دانشمندان پیش از این اثرات محدودکنندگی دی‌الکتریک را به‌طور نظری مورد
بررسی قرار داده بودند. با این حال به‌دلیل تصور اشتباهی که در خصوص حاکم بودن
قوانین کلاسیکی در محدوده‌ی نانو داشتند، تأثیر آن بر مشخصه‌های الکتریکی
نانوسیم‌ها تاکنون کاملاً مورد غفلت قرار گرفته بود.

اخیراً ونکاتش نارایانامورتی و جان‌ای و الیزابت اس آرمسترانگ (محققان دانشکده‌ی
مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه هاروارد (SEAS) و مؤسسه‌ی پلی‌تکنیک ورسستر(WPI))
برای نخستین بار نشان دادند که انرژی اکتیواسیون ناخالصی‌های نانوسیم‌های نیمه‌رسانا
تحت تأثیر دی‌الکتریک پیرامونی خود قرار دارد و می‌توان آن را با انتخاب محیطی
که این نانوسیم در آن قرار می‌گیرد، اصلاح نمود.

در واقع سطح این نانوسیم‌ها همانند آینه‌های کوچکی عمل کرده، تصویر بارهای داخل
ماده را روی خود منعکس می‌کنند و این بار تصویر می‌تواند بر انرژی بار حقیقی
تأاثیر گذارد.

این محققان در آزمایش‌های خود برای اصلاح توان این آینه‌های سطحی، نانوسیم‌های
GaN را با اکسید سیلیسیوم روکش کردند. آنها با انجام بررسی‌های بیشتر دریافتند
که در این حالت انرژی اکتیواسیون ناخالصی‌ها از بستگی دمایی رسانش نانوسیم‌ها
به ‌دست می‌آید و ترم غالب مربوط به انرژی‌های اکتیواسیون با شعاع نانوسیم‌ها
نسبت عکس دارد. آنها همچنین توانستند تابع موج‌ها و انرژی‌های رسانش الکترون‌ها
را به روش المان متناهی حل کرده، آنها را به ازای بارهای القایی سطحی محاسبه
نمایند.

یافته‌ی کلیدی نارایانامورتی و همکارانش، عبارت بود از اینکه ابزارهای نانوسیمی
(از قبیل ترانزیستورهای اثرمیدانی نانوسیمی) به طراحی جدیدی از ماده، دی‌الکتریک
پیرامونی و ولتاژ بایاس عامل نیاز دارند که در تمامی آنها باید اثرات
محدودکنندگی دی‌الکتریک در نظر گرفته شود. به باور این محققان نتایج این
تحقیقات می‌تواند در نهایت به بهره‌گیری و بهینه‌سازی عملکرد الکترونیک
نانوسیمی و ابزارهای اپتوالکترونیکی منجر شود.

گفتنی است گزارشی از آن در شماره‌ی شش آوریل نشریه‌ی Applied Physics Letters
منتشر شده‌است.