Катализ квантованными вихрями коагуляции примесей в производства нанопроволок

АННОТАЦИЯ
Катализ квантованными вихрями коагуляции примесей в
сверхтекучем гелии - основа универсального метода
производства нанопроволок
Е.Б. Гордон
Институт проблем химической физики РАН, Черноголовка
Доклад основан на следующих статьях:
1. Е.Б. Гордон, А.В. Карабулин, В.И. Матюшенко, В.Д. Сизов, И.И. Ходос. Электрические свойства
металлических нанопроволок, полученных в квантованных вихрях сверхтекучего гелия. ФНТ, 36 (7) 740747, (2010).
2. P. Moroshkin, V. Lebedev, B. Grobety, C. Neururer, E.B. Gordon and A. Weis. Nanowire formation by gold nanofragment coalescence on quantized vortices in He II: EPL, 90(3), AN 34002, (2010).
3. Гордон Е.Б., Карабулин А.В., Матюшенко В.И., Сизов В.Д., Ходос И.И. Строение металлических
нанопроволок и нанокластеров, образующихся в сверхтекучем гелии. ЖЭТФ, 139 (6) 1209-1220, (2011).
4. V. Lebedev, P. Moroshkin, B. Groberty, E. Gordon, A. Weis. Formation of Metallic Nanowires by Laser Ablation
in Liquid Helium. J.Low Temp.Phys. 165(3-4), 166-176, (2011).
5. E. B. Gordon, A.V. Karabulin, V.I. Matyushenko, V.D. Sizov, I.I. Khodos. The role of vortices in the process of
impurity nanoparticles coalescence in liquid helium. Chem. Phys. Lett., 519–520, 64–68, (2012).
6. E. B. Gordon, A. V. Karabulin, V. I. Matyushenko, V. D. Sizov, I. I. Khodos. The electrical conductivity of bundles
of superconducting nanowires produced by laser ablation of metals in superfluid helium. Appl. Phys. Lett. 101(5),
052605 (2012).
7. Е.Б. Гордон. Влияние сверхтекучести на конденсацию примесей в жидком гелии. ФНТ, 38, с.1320-1328
(2012).
8. E. B. Gordon, A.V. Karabulin, V.I. Matyushenko, V.D. Sizov, I.I. Khodos. The Nanostructures Produced by Laser
Ablation of Metals in Superfluid Helium, J. Low Temp. Phys. DOI 10.1007/s10909-012-0849-3 (2013)
Доклад посвящен: 1) развитию основ нового эффекта в химии и физике низких
температур, 2) его использованию для создания универсального метода выращивания
металлических нанопроволок, 3) исследования полученных наноструктур для выяснения
физики квазиодномерных проводников электрического тока.
Практически любое возмущение HeII ведет к образованию квантованных вихрей, длина
которых составляет многие см, а толщина меньше размера атома. Линейная плотность
вихрей – от 100 в покое до 108 см-2 в возмущенном HeII. Любая частица в HeII стремится
оказаться внутри вихря, но энергия связи атома или малой молекулы с вихрем составляет
всего несколько К. Поскольку 1) частота соударений частиц внутри вихря выше так как
они движутся навстречу друг другу, а не стохастически как в объеме; 2) кластеры растут
вдоль оси и энергия их связи с вихрем возрастает пропорционально длине; 3) при этом
возрастает их время жизни внутри вихря и 4) увеличивается их концентрация и частота
соударений – реализуется неизвестный ранее каталитический механизм конденсации
примесей, а не обычный диффузионно-контролируемый процесс. Результатом
катализируемой квантованными вихрями конденсации должны быть нанонити и этот
процесс может быть основой для создания метода их выращивания. Это принципиально
важно, поскольку в отличие от наночастиц и нанопленок, не существовало
универсального метода создания нанопроволок – одного из самых важных объектов
нанотехнологии.
Реализованным нами методом, основанным на лазерной абляции металлов в
сверхтекучий гелий, выращены и исследованы нанопроволоки из 8 металлов. Они
оказались гораздо длиннее, а их строение и форма совершеннее, чем для проволок,
полученных другими методами. Поперечные размеры для большинства металлов
оказались равными около 8 нм и лишь для платины диаметр был менее 4 нм, таким
образом, наши проволоки являются самыми тонкими из известных.
Сверхтеплопроводность, обусловленная противопотоками нормальной и сверхтекучей
компонент, не может справиться с большими перегревами, возникающими при
конденсации металла. Именно самоплавлением при конденсации объясняется
кристалличность структуры и металлических проволок, и шаров, присутствующих среди
продуктов при больших энергиях лазерного импульса.
Вместе с родительскими вихрями пучки нанопроволок присоединяются к игольчатым
электродам, введенным в зону конденации. Это дает возможность производить
электрические измерения непосредственно в криостате. Изучен переход в
сверхпроводящее состояние для 8-нм нанопроволок из родственных металлов – олова,
индия и свинца. Показано, что переход к нанотолщинам приводит значительному
уширению перехода. При сильном уменьшении поперечных размеров проводника переход
всегда уширяется, onsetTc в нанопроволоках может быть как ниже Тс (сверхпроводимость
ухудшается), так и выше нее (сверхпроводимость улучшается), но
температура, при которой происходит потеря сопротивления (то, что нужно для
приложений) всегда падает. В широком температурном диапазоне (2 – 300 К) измерена
электропроводность нанопроволок, изготовленных из различных металлов, выявлена роль
рассеяния электронов проводимости на поверхности проволок на температурную
зависимость сопротивления.