Atomafbrydere ved plasmonisk opvarmning af metalliske kontaktpunkter

Forskere har for nylig udviklet en lysstyret nano-switch til at lægge grunden til udvikling af atomare enheder inden for nanoteknologi. De konstruerede switchene på nanoskala i et første skridt mod fuldt integreret elektronisk enhedsminiaturisering. Den tværfaglige forskning blev udført af Weiqiang Zhang og kolleger, og et internationalt team af samarbejdspartnere. Resultaterne af undersøgelsen er nu offentliggjort i Lys:Videnskab og applikationer .

I metoden udviklet af Zhang et al. lys kan bruges til at kontrollere elektrisk ledningsevne ved krydset mellem guld nano-elektroder ved at opvarme elektroner på elektrodeoverfladen, i en teknik kendt som 'plasmonisk opvarmning'. De validerede de eksperimentelle mekanismer ved hjælp af simuleringer. Forskerholdet udvidede elektroder via plasmonisk opvarmning for at lukke hullet og tænde kontakten, baner vejen for at bygge enkeltmolekyle transistorer og nanopore-baserede biosensorer på nanoskala.

Molekylærforbindelser blev tidligere undersøgt som en tilgang til at bygge nanoswitches ved at anvende fotokromiske (lysfølsomme) molekyler, der skiftede mellem to forskellige isoformer. Det nuværende arbejde af Zhang et al. kontrasterende demonstreret konduktans switchadfærd kun med en blottet metallisk kontakt, under lys belysning, uden nogen molekyler. De demonstrerede konduktansen af ​​nøgne metalliske kvantekontakter som reversible switches på tværs af otte størrelsesordener for væsentligt at overstige ydeevnen af ​​de tidligere molekylære switches. Forskerne var i stand til at justere mellemrummet mellem de to elektroder efter omskiftningsprocessen med sub-angstrøm nøjagtighed, ved at styre lysintensiteten eller polariseringen.

Konstruktion af elektroniske enheder ved hjælp af funktionelle byggeklodser på atomær skala er en væsentlig drivkraft inden for nanoteknologi til at danne nøgleelementer i elektroniske kredsløb, som tidligere blev miniaturiseret ved hjælp af mekanisk tunneling, bias spænding/strøm drift og elektrokemi. Tidligere undersøgelser gjorde ikke, imidlertid, behandle konceptet med atomafbrydere styret af plasmonisk opvarmning. Overfladeplasmoner er sammenhængende delokaliserede elektronoscillationer i grænsefladen mellem to materialer, der danner metalliske nanostrukturer, som kan koncentreres i underbølgelængdemellemrummene mellem materialerne. I princippet, når resonansfrekvensen af ​​overfladeplasmoner matcher frekvensen af ​​det indfaldende lys, plasmonresonansen ophidses til at producere stærk lysabsorption og væsentlig plasmonisk opvarmning.

I nærværende undersøgelse, Zhang et al. brugte dette princip til at vise, hvordan en metallisk, atomisk skalakontakt kunne betjenes pålideligt som en konduktansafbryder gennem kontrolleret belysning af lys. For at konstruere den metalliske kontakt i atomskala strakte de præcist en metal nanotråd ved hjælp af den mekanisk kontrollerbare brudforbindelse. Når de reducerede metaltrådens tværsnit til nogle få nanometer eller nogle få atomer, diameteren blev sammenlignelig med Fermi-bølgelængden af ​​elektronerne, lader kvantemekaniske effekter stærkt påvirke egenskaberne ved elektrontransport. Ved at bruge disse principper, Zhang et al. viste, hvordan konduktansen af ​​en atomisk guldkontakt kunne skiftes fra nogle få konduktanskvanter til hundredvis af kvanter, og omvendt med lysbelysning. Forskerne var i stand til reversibelt at skifte de metalliske kvantekontakter mellem åben og lukket tilstand ved at kontrollere lysintensiteten. De skabte et nanogab mellem kvantekontakterne, inden for hvilken sammenhængende tunnelering styrede elektrontransport.

Mens generering af en nanogap var afgørende for at fremstille enkeltmolekyle-baserede enheder, konstruktion af et justerbart atomskalagab har været en betydelig udfordring. Selvom faste spaltestørrelser ikke kunne justeres efter fabrikation, gap-størrelsen kunne let og kontinuerligt justeres gennem plasmonisk opvarmning ved sub-angstrøm opløsning, som vist af Zhang og forskerholdet.

For det, de brugte en kommerciel lysemitterende diode (LED) lampe som lyskilde i eksperimenterne med en AC-adapter til kontinuerligt at kontrollere lysets intensitet. Den eksperimentelle opsætning krævede ikke speciel optisk hardware eller højeffekt laserkilder. De brugte en kommercielt tilgængelig guldtråd med en indsnævring i midten på et fjederstålsubstrat til at konstruere nanokontakterne. Brug derefter en 'mekanisk kontrollerbar break junction' (MCBJ), videnskabsmændene strakte forsnævringen ved at bøje underlaget, og observerede det med scanning elektronmikroskopi (SEM) billeder. Derefter, forskerne reducerede tværsnittet af indsnævringen til at danne to separate elektroder. Da de tændte lyset, konduktansen steg og faldt, når lyset blev slukket; den store ledningsevne som følge af lysbelysning genforbundne stærkt de to adskilte elektroder.

Forskerne analyserede fænomenet på niveau med atomarrangement, ved lysbelysning. De viste, at nanogaps havde stærk absorption af lys i de synlige og nær infrarøde områder på grund af lokaliseret overfladeplasmonresonans (LSPR). Når frekvensen af ​​LED-lyset matchede oscillationsfrekvensen af ​​de frie elektroner og det elektromagnetiske felt ved spidsen af ​​elektroderne, LSPR omkring hullet var begejstret. Det absorberede lys omdannes derefter til termisk energi, hvilket forårsager nanoelektrodeudvidelse og deres genforbindelse. Konduktansen nåede sin maksimale værdi, når systemet var i termisk ligevægt. Da lyset blev slukket, elektronerne skiltes endnu en gang.

For at forstå, hvordan ledningsevnen afhang af lysintensiteten, forskerne udførte eksperimenter, hvor den maksimale lysintensitet inden for hver oplyst cirkel gradvist steg. Zhang et al. viste, at den maksimale ledningsevne i hver cirkel steg omtrent lineært med lysets intensitet. De opnåede repeterbare data for strømmen som funktion af lysintensiteten og viste, hvordan konduktansen af ​​kvantekontakt, kan reguleres af lysets intensitet.

Zhang et al. observerede også, hvordan nanogap-størrelsen kunne moduleres præcist af lys ved at vise, at konduktansen kunne modificeres i tunnelområdet, mellem mellemrummet mellem de to elektroder, ved at styre LED-lyset. Når lysintensiteten var fastsat, de kunne holde tunnelstrømmen konstant i længere tid. Forskerne estimerede afstanden mellem de to elektroder ved hjælp af Simmons-ligningen; bruges til at beskrive forholdet mellem tunnelstrømmen og størrelsen af ​​tunnelgabet. De kunne derved præcist styre afstanden mellem de to adskilte elektroder med sub-angstrøm nøjagtighed ved hjælp af lysintensiteten.

For at bekræfte, at oprindelsen af ​​omskiftningsadfærd var plasmoninduceret opvarmning i de plasmoniske systemer på nanoskala, forskerne undersøgte spredningsspektret af MCBJ-prøverne for at afsløre hyppigheden af ​​plasmonisk resonans. Resultaterne indikerede, at konduktansændringen var relateret til udvidelsen af ​​elektroderne på grund af plasmonisk opvarmning. Zhang et al. udførte også finite element metode simuleringer for at estimere udvidelsen af ​​elektroderne og løste den elektriske feltfordeling, temperaturfordeling og termisk udvidelse på lysbelysning, ved hjælp af COMSOL Multiphysics-programpakken. Simuleringen beregnede den maksimale forskydning af elektroderne til at tilnærme 0,4 nm. Zhang et al. var i stand til yderligere at optimere koblingsfrekvensen ved at optimere de karakteristiske dimensioner for varmeoverførsel. På denne måde videnskabsmændene beviste eksperimentelt, at atomafbrydere hurtigt kunne betjenes via plasmonisk opvarmning.

Arbejdet demonstrerede atomgeometrien af ​​metalliske kvantekontakter, der kunne moduleres med lys og evnen til at vende omskifteren (tænd/sluk, omvendt) deres ledningsevne ved hjælp af plasmonisk opvarmning. Mens atom-for-atom-adskillelsen af ​​elektroder blev tydeligt observeret, de kunne også justere mellemrummets størrelse, mellem elektroderne ved sub-angstrøm opløsning ved at kontrollere lysets intensitet. Zhang et al. viste, at plasmonen potentielt kan gennembryde lysets diffraktionsgrænse for at realisere nanofokusering, at overføre den plasmonkontrollerede atomomskifter til at realisere højt integrerede nanoenheder; åbner en ny vej til at udvikle nanoelektroniske enheder.

© 2019 Science X Network