Structural effects on quantization of metallic nanowires conductance

Orientador: Daniel Mario UgarteDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb WataghinResumo: O estudo de fios metálicos de tamanho atômico (NF's) tem atraído grande interesse devido aos novos efeitos químicos e físicos neles observados. Entre esses novos fenômenos podemos destacar a quantização da condutância, efeito que deve ser fundamental no desenho dos novos nanodispositivos eletrônicos. NF's são usualmente gerados através de um procedimento simples de deformação mecânica: duas superfícies metálicas são colocadas em contato e depois afastadas. Nos últimos estágios do estiramento antes da ruptura, um fio de alguns átomos de diâmetro é gerado enquanto a condutância é medida. Os NF's têm sido estudados por diferentes grupos e, em diversas condições de temperatura (4 - 300 K) e pressão (de ambiente a UHV). Os resultados apresentam importantes variações e, têm gerado interpretações muito controversas. Devemos enfatizar que muitas interpretações têm sido feitas sem considerar que a deformação estrutural dos NF's deve depender fortemente da temperatura. Nesta tese estudamos as propriedades estruturais e eletrônicas NF's e, em particular analisamos a influência de efeitos térmicos no arranjo atômico, e sua manifestação na condutância. A estrutura dos NF's foi estudada por microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução resolvidas no tempo. A condutância foi medida utilizando um sistema de quebra controlada de junções operado em ultra-alto-vácuo. Os experimentos foram realizados a ~150 e 300 K. Nossos resultados mostraram que, à temperatura ambiente os NF's são sempre cristalinos e livre de defeitos nas regiões mais finas; e deformam unicamente ao longo dos eixos cristalográficos [111], [100] e [110]. A baixa temperatura duas importantes diferenças foram observadas: (i) NF's de ouro apresentam defeitos, principalmente falhas de empilhamento e maclas. (ii) NF's alongados na direção [110] evoluem em cadeias atômicas, de comportamento mecânico muito diferente da temperatura ambiente, onde quebram abruptamente. Segundo as imagens de microscopia eletrônica, discordâncias parciais (Shockley) geram falhas de empilhamento; e cadeias de átomos suspensos são observados a ~150 e 300 K. Histogramas globais de condutância adquiridos a baixa temperatura revelaram: (i) aumento da intensidade do pico ~1 Go; (ii) leve diminuição da condutância devido ao aumento de defeitos; e (iii) a existência de uma sub-estrutura no pico ~2 Go, indicando a formação de dois arranjos atômicos estáveis. Resumidamente, nossos resultados mostram que a formação de defeitos é um evento freqüente a ~150 K. Provavelmente, mais defeitos na estrutura devem acontecer para temperaturas menores (4 - 10 K). Portanto, uma importante mudança na evolução da condutância durante a elongação de NF's deve ser esperado a baixa temperatura. Assim, a comparação direta de medidas de transporte de NF's realizadas a diferentes temperaturas pode levar a sérias discrepâncias. Esperamos ter contribuído a melhorar a compreensão e interpretação de experimentos de transporte realizados em diferentes condições, de modo tal, a gerar um modelo único e coerente que explique as propriedades físicas de NF's metálicosAbstract: The study of atomic-size metal nanowires (NW's) is attracting a great interest due to occurrence a novel physical and chemical phenomena. Among these new phenomena, we can mention conductance quantization that will certainly influence the design of nanodevices. NW's are usually generated by means of a simple procedure: two metallic surfaces are put into contact and, then retracted. Just before rupture atomic-size NW's are formed, and the conductance is measured during the wire elongation. The interpretation of the results is troublesome, because conductance is measured during the modification of the atomic structure. This kind of experimental study has been performed by many research groups and, a quite wide range of temperatures (4 - 300 K) and vacuum condition have been used (from ambient to UHV). In fact, the results display significant variation, what has generated several controversial interpretations. It must be emphasized that many models have been derived without taking into account that the NW structural deformation should be significantly dependent on temperature. In this Thesis research work, we have studied the structural and electronic properties of gold NW's, in particular addressing how thermal effects influence the atomistic aspects of the NW deformation and how this influences the quantum conductance behavior. The structure of NW's has been studied by means of time-resolved high resolution transmission electron microscopy; the NWs transport measurements were based on a mechanically controlled break junction operated in ultra-high-vacuum. The experiments were performed at ~150 and 300 K. Our results have shown that at room temperature the atomic-size NW's. are always crystalline and free of defects, and the atomic structure is spontaneously deformed such that one of the [111]/[100]/[110] crystallographic axis becomes approximately parallel to the stretching direction. Low temperature observations revealed two important differences: i) Au NWs show extended defects, mainly stacking faults and, twinning; ii) NWs elongated along the [110] axis evolve to suspended atomic chains, while at room temperature they break abruptly. Partial Schockley dislocations generate the staking faults; suspended atoms chains are both observed at ~150 and 300 K. The global histograms of conductance at ~150 K showed that: i) a increase of the 1 Go peak intensity; ii) slight reduction of the NWs conductance due to scattering at defects and; iii) the peak at ~2 Go shows a sub structure, what is due to the occurrence of two different atomic arrangements with similar conductance. Briefly, our results revealed that the formation of defects is very frequent in NWs generated at ~150 K; the occurrence of more defects should be expected when NWs are studied at cryogenic temperatures. Then, a significant modification of the NW conductance behavior should be expected at low temperature. In these terms, the direct comparison of conductance measurements realized at different temperature regimes can lead to serious discrepancies. We hope that this work contribute to improve the interpretation and understanding of NW transport studies in order to develop a coherent and complete model that explain the physical properties of atomic-size metal NWsMestradoFísica da Matéria CondensadaMestre em Físic