Νανοτεχνολογία: Τρανζίστορ σπάζει τον νόμο της θερμικής αγωγιμότητας

Τρανζίστορ μονού ηλεκτρονίου (SET) μεταφέρει περισσότερη θερμότητα από αυτή που προβλέπεται από τον νόμο Wiedemann-Franz, που συνδέει τη θερμική αγωγιμότητα και τη ηλεκτρική αγωγιμότητα. Καλοί αγωγοί της θερμότητας είναι συνήθως επίσης καλοί αγωγοί του ηλεκτρισμού.

[Στα μέταλλα, η ομοιότητα στους μηχανισμούς διάδοσης του ηλεκτρικού φορτίου και της θερμότητας βρίσκει την έκφρασή της στον πειραματικά διαπιστωμένο, αρχικά, νόμο των Wiedemann-Franz (1853). Σύμφωνα με αυτόν, σε θερμοκρασία δωματίου (σωστότερα, σε θερμοκρασίες όχι πολύ χαμηλές, άνω της θερμοκρασίας Debye), στα μέταλλα, η θερμική αγωγιμότητά (λ) είναι ανάλογη προς την αντίστοιχη ηλεκτρική (σ). Δηλαδή, λ = cσ ή ο λόγος (λ/σ) = c (σταθερός αριθμός). Βέβαια παρατηρήθηκε ότι ο λόγος (λ/σ) εξαρτάται από τη θερμοκρασία και η εξάρτηση αυτή είναι της μορφής: (λ/σ) = LT, όπου Τ (T > T Debye) είναι η απόλυτη θερμοκρασία του μετάλλου και L είναι ένας σταθερός αριθμός, ίδιος για όλα τα μέταλλα και ονομάζεται σταθερά του Lorentz].

Όμως, ερευνητές έχουν βρει ότι ο νόμος δεν ισχύει σε ορισμένα υλικά, όπως το μεταλλικό διοξείδιο του βαναδίου. Ο Bivas Dutta από το Πανεπιστήμιο Grenoble Alpes στη Γαλλία, ο Joonas Peltonen από το Πανεπιστήμιο Aalto στη Φιλανδία και συνάδελφοί τους τώρα δείχνουν ότι ένα SET επίσης παραβιάζει τον νόμο. Αυτά τα τρανζίστορ διαμορφώνουν τη βάση ενός ηλεκτρονικού κυκλώματος στην περιοχή της νανοκλίμακας, έτσι το εύρημα μπορεί να είναι χρήσιμο για την διαχείριση και τη συλλογή θερμότητας που παράγεται σε τέτοια κυκλώματα.

Ένα τρανζίστορ μονού ηλεκτρονίου (SET) (σχηματικά στη μικρή εικόνα του κειμένου) αποτελείται από μια «νησίδα», σε επίπεδο νανοκλίμακας, αγώγιμου υλικού που συνδέεται με δυο ηλεκτρόδια (πηγή και απαγωγός) μέσω εμποδίων σήραγγας και με ένα τρίτο ηλεκτρόδιο (πύλη) μέσω ενός πυκνωτή. [Το βασικό στοιχείο των SET είναι μία επαφή φαινομένου σήραγγας και ως εκ τούτου η διέλευση των ηλεκτρονίων, λόγω του φαινομένου σήραγγας, διαμέσου ενός φράγματος δυναμικού ελέγχει την αγωγιμότητα ρεύματος στο SET. Η πιο βασική αρχιτεκτονική της διάταξης μονού ηλεκτρονίου μπορεί να κατασκευαστεί τοποθετώντας δύο τέτοιες επαφές φαινομένου σήραγγας σε σειρά. Το μέρος του αγωγού που περικλείεται από τις δύο επαφές σήραγγας, είναι γνωστό ως νησίδα. Αυτή η διάταξη λέγεται SED, διότι μόνο ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να ταξιδέψει από το ένα τερματικό σημείο (μεταλλικό ηλεκτρόδιο) στο άλλο κάθε φορά κάτω από συγκεκριμένες προϋποθέσεις. Επομένως, στα SED, η μεταφορά φορτίου έχει διακριτή φύση. Τώρα, εάν φανταστούμε ένα ηλεκτρόδιο πύλης, το οποίο είναι ενωμένο με μία νησίδα μέσω ενός λεπτού μη διαπερατού διηλεκτρικού, αυτή η αρχιτεκτονική των τριών τερματικών σημείων θα λειτουργήσει σαν SET.]

Η ομάδα μέτρησε τις αγωγιμότητες φορτίου και θερμότητας της συσκευής ως συνάρτηση του μέσου όρου των ηλεκτρονίων n(g) που επάγονται στη νησίδα από το δυναμικό που εφαρμόζεται στην πύλη. Βρήκε ότι ο λόγος των αγωγιμοτήτων υπάκουε στο νόμο Wiedemann-Franz μόνο στις καταστάσεις του τρανζίστορ που ανταποκρίνονταν σε ημίσειες-ακέραιες τιμές του μέσου όρου n(g). Σε άλλες καταστάσεις, περιλαμβανομένων καταστάσεων με ακεραία τιμή του n(g), ο λόγος ήταν πάνω από 4 φορές υψηλότερος από αυτόν που προέβλεπε ο νόμος. Τα αποτελέσματα είναι σε συμφωνία με προηγούμενη μελέτη που προέβλεπε παραβίαση του νόμου για μη-ημίσειου-ακεραίου καταστάσεις αυτού του τύπου του τρανζίστορ και το συνέδεε με μα αυξανόμενη αποτελεσματικότητα του φράγματος Coulomp (Coulomb blockade) – ένα φαινόμενο στο οποίο η ηλεκτρική αγωγιμότητα μειώνεται εξαιτίας της άπωσης Coulomb μεταξύ των ηλεκτρονίων.