納米電阻器：控制材料氧原子含量調(diào)節(jié)阻值

　　《應(yīng)用物理雜志》的一篇新研究表明，新型氧化鉻薄層電阻的電子特性可以通過控制材料氧原子的成分含量來調(diào)節(jié)。

　　2014年12月9日華盛頓 倫敦納米技術(shù)中心的研究者們?yōu)榱孔与娐分谱鞒隽艘环N新型小巧的高阻電阻器。這種電阻器推動了量子器材在計算和基礎(chǔ)物理研究領(lǐng)域方面的應(yīng)用。研究者們在美國物理聯(lián)合會出版的《應(yīng)用物理雜志》的一篇文章中描述了這種薄膜電阻器。

　　這種電阻器的應(yīng)用之一就是可使用于量子相位滑移電路(QPS)中。這種電路是由極窄細(xì)的超導(dǎo)材料絲制成，這種超導(dǎo)絲可以利用一種基本的，反直覺的量子特性叫做量子隧穿效應(yīng)，使磁通量在超導(dǎo)絲中來回移動并突破勢壘——這一點(diǎn)是在我們常規(guī)的經(jīng)典力學(xué)的世界中不可企及的。

　　在2006年，荷蘭Kavli納米科技研究所的科學(xué)家們提出了量子相位滑移電路能夠用來重新定義“安培”——即電流的度量單位--通過將QPS和宇宙的基本特性聯(lián)系到一起(而不是與在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室里的物理體系聯(lián)系在一起)。其他的研究組也提出可將QPS器件作為量子位而應(yīng)用于量子計算機(jī)中——量子位是這類計算機(jī)里基本的量子信息單位。

　　倫敦納米技術(shù)中心研究納米元件電子特性的實(shí)驗(yàn)科學(xué)家Paul Warburton說，電阻器需要將QPS器件中脆弱不穩(wěn)定的量子態(tài)與充滿噪音的外部世界隔離開。“在作為電流標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用中，電阻器也起到使量子器件能夠穩(wěn)定工作的作用。”他補(bǔ)充說。

　　但制作集成電路中電阻的常規(guī)材料通常不能在很小的形態(tài)下為QPS電路提供所需的足夠的阻值。

　　Warburton和他的合作者轉(zhuǎn)而使用氧化鉻的復(fù)合物制作出具有高阻值的，小巧緊湊的納米電阻器。他們使用一種叫做霧化噴射沉積的技術(shù)制作氧化鉻薄層電阻。通過控制薄層中氧原子的成分濃度，研究人員能夠調(diào)節(jié)氧化鉻薄層的電阻：氧原子的成分越多，電阻阻值就越高。

　　“用氧原子取代鉻原子既會影響承載電流的電子數(shù)量，也會影響電子在材料中跳躍的途徑?！盬arburton解釋說。

　　研究者將電阻器在4.2開爾文溫度下冷卻并對具有不同氧原子和鉻原子質(zhì)量比的材料測量其電阻率。導(dǎo)電性差的材料，比如研究者們所測試的氧化鉻薄層材料，在低溫時一般都有較高的阻值，而QPS電路所要求的電阻器是在低溫下能夠正常工作的電阻，因?yàn)橹挥挟?dāng)溫度足夠低的時候，量子效應(yīng)才會超越經(jīng)典效應(yīng)成為主導(dǎo)。對于氧原子成分含量較高的電阻器，研究者們也測量到了能夠兼容絕大多數(shù)QPS電路需求的高電阻值。

　　該研究組也描述了氧化鉻薄層在鈮硅材料交界面的接觸電阻特性。用鈮硅納米絲制作QPS電路是為安培測量新的量子標(biāo)準(zhǔn)的一種方法。研究人員發(fā)現(xiàn)在氧化鉻和鈮硅材料之間加入一層金的中間層可以降低接觸阻值——這是一項(xiàng)有利的結(jié)果。研究人員的下一步計劃是將他們的新型電阻器合并入QPS器件中。