Особенности туннельных вольт-амперных характеристик в диэлектрических пленках с наночастицами Ni, Fe и Co, исследованные методом проводящей атомной силовой микроскопии (АСМ) и в рамках теории 1D - диссипативного туннелирования

В настоящей работе экспериментально исследованы особенности туннельных вольт - амперных характеристик (ВАХ) при 1D-диссипативном туннелировании в пределе слабой диссипации для различных как синтезированных (так и в процессе синтеза) металлических наночастиц (НЧ) Ni, Co и Fe в системе совмещенного атомного силового и сканирующего туннельного микроскопа (АСМ/СТМ) во внешнем электрическом поле. Показано, что для отдельных туннельных ВАХ наблюдается единичный пик при одной из полярностей. В процессе синтеза металлических наночастиц с изменением полярности вместо нанокластеров можно синтезировать тороидальные структуры (показано на примере «растущих» Ni-НЧ). Исследование эффектов 1D-диссипативного туннелирования позволило разработать авторский метод управляемого роста наночастиц в системе совмещенного атомного силового и сканирующего туннельного микроскопа (АСМ/СТМ). Получено качественное совпадение экспериментальных и теоретических результатов, что позволяет предположить возможность экспериментального наблюдения макроскопических диссипативных туннельных эффектов и тем самым подтвердить гипотезу, высказанную в «пионерских» работах Нобелевского лауреата Э.Дж. Леггета, академика РАН А.И. Ларкина, профессора Ю.Н. Овчинникова (ИТФ РАН им. Л.Д. Ландау) и других авторов.

metal nanoparticles, dissipative tunneling, conductive AFM

1. Bendersky V.A., Leggett A.J., Ovchinnikov Yu.N., Krevchik V.D., Semenov M.B., Dahnovsky Yu.I, Gorshkov O.N., Filatov D.O., et al. Controlled dissipative tunneling. Tunnel transport in low-dimensional systems. Ed. A.J. Leggett. Fizmatlit, Moscow, 2011-2012, 496 pp.

2. Kusmartsev F.V, Krevchik V.D, Semenov M.B, Filatov D.O, Shorokhov A.V., Krevchik P.V., et al. Phonon assisted resonant tunnelling and its phonons control. JETP Letters, 2016, 104, P. 392-397.

3. Semenov M.B., Krevchik V.D., Filatov D.O., Shorokhov A.V., Shkurinov A.P., Ozheredov I.A., Krevchik P.V., Wang Y.H., Lie T.R., Malik A.K., Marychev M.O., Baidus N.V., and Semenov I.M. Dissipative tunneling of electrons in vertically coupled double asymmetric InAs/GaAs(001) quantum dots. Tech. Phys., 2022, 67, P. 115-125.

4. Caldeira A.O., Leggett A.J. Quantum tunnelling in a dissipative system. Ann. of Phys., 1983, 149 (2), P. 374-456.

5. Benderskii V.A., Vetoshkin E.V., Kats E.I., Trommsdorff H.P.Competing tunneling trajectories in a two-dimensional potential with variable topology as a model for quantum bifurcations, Phys. Rev. E, 2003, 67, 026102.

6. Larkin A.I., Ovchinnikov Yu.N. Decay of supercurrent in tunnel junctions. Phys. Rev. B, 1983, 28, P. 6281-6285.

7. Ivlev B.I., Ovchinnikov Yu.N. Decay of metastable states in a situation with close-lying tunneling trajectories. Sov. Phys. JETP, 1987, 66 (2), P. 378-383.

8. Dakhnovsky Yu.I., Ovchinnikov A.A., Semenov M.B. Low-temperature chemical reactions considered as dissipative tunnel systems. Sov. Phys. JETP, 1987, 65 (3), P. 541-547.

9. Aringazin A.K., Dahnovsky Yuri, Krevchik V.D., Semenov M.B., Ovchinnikov A.A., Yamamoto K. Two-dimensional tunnel correlations with dissipation. Phys. Rev. B, 2003, 68, 155426.

10. Ovchinnikov Yu.N. Conductivity of granular metallic film. JETP, 2007, 104, P. 254-257.

11. Dahnovsky Yu., Krevchik V.D., Krivnov V.Ya., Semenov M.B., Yamamoto K., Shorokhov A.V., et al. Transfer processes in low-dimensional systems. UT Research Institute Press, Tokyo: 2005, 690 pp.

12. Caldeira A.O., Leggett A.J. Influence of dissipation on quantum tunneling in macroscopic systems. Phys. Rev. Lett., 1981, 46 (4), P. 211-214.

13. Larkin A.I., Ovchinnikov Yu.N. Quantum tunneling with dissipation. JETP Letters, 1983, 37 (7), P. 382-385.

14. Dakhnovskii Yu.I., Horia M. Absolute negative resistance in double-barrier heterostructures in a strong laser field. Phys. Rev. B, 1995, 51, P. 4193-4199.

15. Zhukovsky V.Ch, Dakhnovskii Yu.I., Gorshkov O.N., Krevchik V.D, Semenov M.B., Smirnov Yu.G., Chuprunov E.V., Rudin V.A., Skibitskaya N.Yu., Krevchik P.V., Filatov D.O., Antonov D.A., Lapshina M.A., Yamamoto K., Shenina M.E. Observed two-dimensional tunnel bifurcations in an external electric field. Moscow University Physics Bulletin, 2009, 64, P. 475-480.

16. Zhukovsky V.Ch., Gorshkov O.N, Krevchik V.D, Semenov M.B, Groznaya E.V., Filatov D.O., Antonov D.A. Controllable dissipative tunneling in an external electric field. Moscow University Physics Bulletin, 2009, 64, P. 27-32.

17. Filatov D., Guseinov D., Antonov I., Kasatkin A., Gorshkov O. Imaging and spectroscopy of Au nanoclusters in yttria-stabilized zirconia films using ballistic electron/hole emission microscopy. RSC Adv., 2014, 4, P. 57337-57342.

18. Ledentsov N.N., Ustinov V.M., Shchukin V.A., Kop’ev P.S., Alferov Zh.I., Bimberg D. Quantum dot heterostructures: fabrication, properties, lasers (Review). Semiconductors, 1998, 32 (4), P. 343-455.

19. Stier O., Grundmann M., Bimberg D. Electronic and optical properties of strained quantum dots modeled by 8-band k·p theory. Phys. Rev. B, 1999, 59, P. 5688-5703.

20. Karpovich I.A., Zvonkov B.N., Baidus’ N.V., Tikhov S.V., Filatov D.O. Tuning the energy spectrum of the InAs/GaAs quantum dot structures by varying the thickness and composition of a thin double GaAs/InGaAs cladding layer. Trends in Nanotechnology Research, Ed. by Dirote E.V. Nova Science Publishers, New York, 2004. P. 173-208.

21. Louis A.A., Sethna J.P. Atomic tunneling from a scanning-tunneling or atomiforce microscope tip: Dissipative quantum effects from phonons. Phys. Rev. Lett., 1995, 74 (8), P. 1363-1366.

22. Ovchinnikov A.A., Dakhnovsky Yu.I., Krevchik V.D., Semenov M.B., Aringazin A.K. Principles of controlled modulation of low-dimensional structures. UNTsDO, Moscow, 2003, 510 pp. (in Russian)

23. Krevchik V.D., Razumov A.V., Semenov M.B., Uvaysov S.U., Kulagin V.P., Komada P., Smailova S., Mussabekova A. Influence of an external electric field and dissipative tunneling on recombination radiation in quantum dots. Sensors, 2022, 22, 1300.

24. Antonov D.A., Novikov A.S., Filatov D.O., Kruglov A.V., Antonov I.N., Zdoroveishchev A.V., Gorshkov O.N. Formation of nanosized Ni ferromagnetic filaments in ZrO2(Y) films. Tech. Phys. Lett., 2021, 47, P. 539-541.

25. Antonov D.A., Filatov D.O., Novikov A.S., Kruglov A.V., Antonov I.N., Zdoroveyshchev A.V., Gorshkov O.N. An atomic force microscopics study of resistive switching resonance activation in ZrO2(Y) films. Tech. Phys., 2020, 65, P. 1744-1747.