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固体里那或多或少的缺陷,和奈米元件——《物理双月刊》

在所有的固体里,都存在着或多或少的缺陷。

有些缺陷来自于晶格空穴,这些空穴与邻近原子之间可能形成「二能级系统(two-level systems, TLSs)」,使得一颗/一团原子在空间紧邻、能量又相近的二个位置∕晶格组态之间来回跃动,构成一种「动态结构缺陷(dynamical structural defects)」,简称「动态缺陷(dynamic defects)」,如下图(A)所示。

原子二能级系统与晶粒二能级系统示意图。图/作者提供

二能级系统的概念早在1972 年就由PW Anderson(1977 年诺贝尔物理学奖得主)与WA Phillips 等人分别提出,用于解释非晶态材料的低温比热与热传导的奇特行为。这种动态缺陷的自发性反覆来回跃动(fluctuations 或repeated switches),对奈米尺度元件的效能会造成恶性影响。例如,造成超导量子位元的量子纠缠态破坏,降低量子同调时间;造成奈米机电(NEMS)元件能量耗散,降低其品质因子(quality factor),进而影响量子极限量测的能力;和造成低频杂讯(1/f noise),影响奈米电子元件的性能等。

几十年来的研究证实,动态缺陷大多源于单颗原子在空间中的跃动,称为「原子二能级系统(atomic TLSs)」。至于材料中的奈米尺度晶粒(nanocrystalline grain)——包含上千、甚至上万颗原子——是否也能如原子二能级系统般,在二个晶格组态之间来回跃动,则是科学文献中的一个长久未解之谜。上图(B)表示我们称之为「晶粒二能级系统(granular TLSs)」的理论模型,二个介稳晶格组态被位能障  分隔,晶粒可以藉由热激发(高温时)或是量子穿隧(低温时)在二个位能阱之间不断反覆变换位置。

从缺陷到奈米元件

就基础研究层面而言,如某些特殊磁性材料中,电子自旋会形成晶格般的有序排列结构(skyrmions),此结构的边界,最近被发现乃是由材料中原子晶格的晶粒边界所衍生。因此,材料中的晶粒如果产生跃动行为,将导致这类自旋排列边界的扰动,从而影响skyrmion 的动力学性质。就技术应用层面而言,工业上对量产与大面积材料的强烈需求,使得市面元件大多呈多晶体(polycrystalline)结构。如大面积化学气相沉积的石墨烯,薄膜矽奈米线生物感测器等都是。倘使奈米尺度晶粒产生跃动,将严重影响这类元件的精密效能。因此,晶粒二能级系统具有重大和即时的产学研发意义。

最近,我们在室温下观测到二氧化钌(RuO 2)金属奈米线中奈米晶粒的自发性整体来回跃动行为。高解析穿透式电子显微镜的影像显示,二氧化钌奈米线内部含有许多奈米尺度晶粒,如下图中(A) G到G 黄框所标示。二氧化钌中的氧缺陷(空穴),则会形成原子二能级系统,很可能大量处于晶粒边界,因此造成晶粒之间的键结减弱,从而产生晶粒转/滑动现象。

RuO 2奈米线的高解析穿透式电子显微镜影像,和电性量测装置图。图/作者提供

上图中(B)显示由电子束微影技术制作的奈米线元件。我们使用调变–解调方法,将前置放大器的输入杂讯降到最低。下图显示奈米线电阻随着时间在几个固定值(由ρ 到ρ 四条红色虚线标示)之间来回变动。这些跳动值远大于电子的热杂讯,也远大于由原子二能级系统造成的电阻变化。详细计算和分析显示,这些电阻跳动来自于晶粒二能级系统的整体跃动(collective motion)行为,跃动晶粒的大小与电子显微镜的观测结果一致。进一步的分析可以算出奈米晶粒的迟豫时间(relaxation time),和晶粒边界的键结强度(B)——这些微观参数无法从其他实验方法获得。晶粒边界的键结强度是决定奈米元件机械强度的一个重要因素。

RuO 2奈米线电阻率随时间扰动的数据。图/作者提供

半导体工业对微小化的迫切需求,使得元件间导线的宽度不断缩减,电流密度从而增大,造成原子因电流撞击而移动,即「电致迁移(electromigration)」现象。电致迁移最终会导致元件之间断路,使得积体电路的「可靠性(reliability)」成为一个严峻课题。我们的高精度电性测量方法能用于研究电致迁移现象,有助于次10 奈米元件连接线材料的开发。

  • 这项研究由交通大学物理所叶胜玄博士后研究员、张文耀硕士生(已毕业)和林志忠教授合作完成,发表于2017年6月23日《Science Advances》期刊。
  • 本文感谢叶胜玄博士、林志忠教授(交通大学物理研究所)撰稿。林志忠老师网页

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