Differential conductance of Pd-ZrO2 thin granular films prepared by RF magnetron sputtering

Abstract

En este trabajo se estudia el mecanismo de conducción eléctrica en películas delgadas de los metales granulares de Pd-ZrO2 formados por nanopartículas de Pd embebidas en una matriz dieléctrica de ZrO2, preparados por pulverización catódica de radiofrecuencia. Los estudios se focalizaron en el régimen dieléctrico, con una concentración en volumen de partículas aproximadamente de 0.28. Se observó una distribución bimodal de tamaño de partículas de Pd, con un pico centrado en tamaños alrededor de 2 nm y otro pico menos definido, alrededor de 5 nm. La distancia media de separación entre las partículas más pequeñas fue evaluada mediante microscopia electrónica de transmisión HRTEM y se obtuvo un valor de aproximadamente un nanómetro, lo cual nos permite afirmar que existe una barrera de efecto túnel suficientemente pequeña para que puedan establecerse corrientes túnel significativas entre ellas. Esta distancia de separación se considera adecuada para observar conducción túnel de electrones entre las partículas pequeñas. En contraste, las partículas más grandes resultaron estar más separadas (distancias mayores de 3 nm), lo cual produce una alta barrera túnel, y por lo tanto, podemos esperar que estas partículas de mayor tamaño no contribuyan al mecanismo de conducción a través de los canales de efecto túnel. Es importante remarcar que ha sido posible la observación de los efectos de carga de un solo electrón en el mecanismo de conducción en las películas delgadas de Pd-ZrO2 mediante medidas en corriente continua (DC) usando dispositivos de contacto de tamaño microscópico (electrodos con una separación de 2µm). A través de estas medidas se obtuvieron curvas características de corriente-voltaje (I-V) que indicaron claramente la existencia de una respuesta no-óhmica asociada a la conducción túnel entre las partículas. De esta forma, se observó con éxito un mecanismo de bloqueo de la corriente túnel a bajas temperaturas y alrededor de voltaje cero, que fue asignado al efecto de bloqueo de Coulomb en las partículas. A continuación, se midió la conductancia diferencial de efecto túnel de Pd-ZrO2, y se encontró que la dependencia con la temperatura a voltaje cero revelaba la presencia de túnel activado térmicamente, que podía describirse mediante el modelo propuesto por Abeles en los años 70. Además, a temperatura ambiente, la dependencia de la conductancia diferencial con el voltaje aplicado mostró un fondo parabólico que revelaba la presencia de túnel elástico. Sin embargo, a bajas temperaturas (por debajo de T = 234 K), se observó una inversión superpuesta al fondo parabólico, de lo cual se dedujo que el aumento en la conductancia diferencial a bajo voltaje estaba causado por el bloqueo de Coulomb. Este comportamiento se describió mediante una ley de escala empírica. Es importante destacar que esta ley de escala universal, aún no se entiende bien desde un punto de vista teórico.