Влияние температуры на диссипативное туннелирование электронов через наночастицы Co в пленках HfO$_2$

Актуальность и цели. Цель работы - экспериментально и теоретически исследовать особенности туннельных вольт-амперных характеристик (ВАХ) для случая одномерного диссипативного туннелирования в пределе слабой диссипации во внешнем электрическом поле в системе «АСМ зонд - наночастица Co в пленке HfO${}$/Co». Еще одной целью является экспериментальное подтверждение теоретически предсказанной температурной зависимости амплитуды единичного пика упомянутой туннельной ВАХ в системе совмещенного АСМ/СТМ для единичной металлической наночастицы под иглой кантилевера. Анализ современного состояния теории квантового туннелирования с диссипацией и экспериментальных работ по наблюдению эффектов макроскопического диссипативного туннелирования для 1D- и 2D-систем с металлическими и полупроводниковыми наночастицами (НЧ) приводит к выводу, что решающим экспериментом, подтверждающим возможность экспериментального наблюдения эффектов диссипативного туннелирования, может быть исследование температурной зависимости туннельных ВАХ, указанных наносистем, отсюда следует актуальность проведенных исследований. Материалы и методы. Методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) с проводящим зондом экспериментально исследовано влияние температуры на процессы диссипативного туннелирования электронов через индивидуальные НЧ Co в пленке HfO$_2$ (толщиной 10 нм) на проводящей подложке с подслоем Co. НЧ Co формировались путем локального анодного окисления подслоя Co при помощи АСМ-зонда с последующим дрейфом ионов Co к АСМ-зонду, их восстановлением и ростом НЧ Co вблизи контакта острия АСМ-зонда к поверхности пленки HfO$_2$. В эксперименте измерялись туннельные ВАХ сформированных НЧ Co при подаче напряжения между АСМ-зондом и подслоем Co при разных температурах в диапазоне 20-105 $^{\circ}$С. Результаты. эксперимента интерпретировались на основе теории одномерного (1D)-диссипативного туннелирования. При этом использовалось одноинстантонное квазиклассическое приближение для модельного 1D-двухъямного осцилляторного потенциала при конечной температуре в условиях внешнего электрического поля с учетом линейного взаимодействия с локальными фононными модами окружающей матрицы. Результаты. Показано, что при одной из полярностей напряжения на АСМ-зонде наблюдались изломы ВАХ, сопровождающиеся осцилляциями тока через АСМ-зонд, что соответствует ситуации, когда исходно асимметричный двухъямный потенциал становится симметричным. Найдено, что амплитуда осцилляций тока слабо нелинейно падает с ростом температуры. Результаты. эксперимента сравнивались с результатами расчетов температурной зависимости максимальной амплитуды осцилляций на полевой зависимости вероятности 1D-диссипативного туннелирования. Полученное качественное согласие экспериментальной и теоретической температурных зависимостей свидетельствует, что наблюдаемые экспериментально особенности ВАХ связаны с эффектом макроскопического квантового туннелирования с диссипацией. Выводы. Полученные результаты свидетельствуют о возможности экспериментального наблюдения макроскопических диссипативных туннельных эффектов в искусственных наносистемах.