Hvordan man skaber nanotråde kun tre atomer brede med en elektronstråle

(Phys.org) —Junhao Lin, en Vanderbilt University Ph.D. studerende og gæsteforsker ved Oak Ridge National Laboratory (ORNL), har fundet en måde at bruge en fint fokuseret stråle af elektroner til at skabe nogle af de mindste ledninger, der nogensinde er lavet. De fleksible metalliske ledninger er kun tre atomer brede:En tusindedel af bredden af ​​de mikroskopiske ledninger, der bruges til at forbinde transistorerne i nutidens integrerede kredsløb.

Lins præstation er beskrevet i en artikel offentliggjort online den 28. april af tidsskriftet Natur nanoteknologi . Ifølge hans rådgiver Sokrates Pantelides, University Distinguished Professor of Physics and Engineering ved Vanderbilt University, og hans samarbejdspartnere på ORNL, Teknikken repræsenterer en spændende ny måde at manipulere stof på nanoskala og bør give et boost til bestræbelserne på at skabe elektroniske kredsløb ud af atomare monolag, den tyndest mulige formfaktor for faste genstande.

"Junhao tog dette projekt og løb virkelig med det, sagde Pantelides.

Lin lavede de små ledninger af en speciel familie af halvledende materialer, der naturligt danner monolag. Disse materialer, kaldet transition-metal dichalcogenides (TMDC'er), fremstilles ved at kombinere metallerne molybdæn eller wolfram med enten svovl eller selen. Det mest kendte medlem af familien er molybdændisulfid, et almindeligt mineral, der bruges som et fast smøremiddel.

Atomiske monolag er genstand for betydelig videnskabelig interesse i disse dage, fordi de har en tendens til at have en række bemærkelsesværdige kvaliteter, såsom enestående styrke og fleksibilitet, gennemsigtighed og høj elektronmobilitet. Denne interesse blev vakt i 2004 af opdagelsen af ​​en nem måde at skabe grafen på, et honeycomb-gitter i atom-skala af kulstofatomer, der har udvist en række rekordbrydende egenskaber, inklusive styrke, el- og varmeledning. På trods af grafens superlative egenskaber, eksperter har haft problemer med at konvertere dem til nyttige enheder, en proces, som materialeforskere kalder funktionalisering. Så forskere har henvendt sig til andre enkeltlagsmaterialer som TMDC'erne.

Andre forskergrupper har allerede skabt fungerende transistorer og flashhukommelsesporte ud af TMDC-materialer. Så opdagelsen af, hvordan man laver ledninger, giver midlerne til at forbinde disse grundlæggende elementer. Ved siden af ​​transistorerne, ledninger er en af ​​de vigtigste dele af et integreret kredsløb. Selvom nutidens integrerede kredsløb (chips) er på størrelse med et miniaturebillede, de indeholder mere end 20 miles af kobberledninger.

"Dette vil sandsynligvis stimulere en enorm forskningsinteresse i monolagskredsløbsdesign, " sagde Lin. "Fordi denne teknik bruger elektronbestråling, det kan i princippet være anvendeligt til enhver form for elektronbaseret instrument, såsom elektronstrålelitografi."

En af de spændende egenskaber ved monolagskredsløb er dets sejhed og fleksibilitet. Det er for tidligt at forudsige, hvilke slags applikationer det vil producere, men "Hvis du lader din fantasi slippe, du kan forestille dig tablets og tv-skærme, der er så tynde som et ark papir, som du kan rulle sammen og putte i din lomme eller pung, " kommenterede Pantelides.

Ud over, Lin forestiller sig, at den nye teknik kunne gøre det muligt at skabe tredimensionelle kredsløb ved at stable monolag "som legoklodser" og bruge elektronstråler til at fremstille de ledninger, der forbinder de stablede lag.

Nanotrådsfremstillingen blev udført på ORNL i mikroskopigruppen, som indtil for nylig blev ledet af Stephen J. Pennycook, som en del af et igangværende Vanderbilt-ORNL-samarbejde, der kombinerer mikroskopi og teori for at studere komplekse materialesystemer. Junhao er en kandidatstuderende, der forfølger både teori og elektronmikroskopi i sin doktorgradsforskning. Hans primære mikroskopi-mentor har været ORNL Wigner Fellow Wu Zhou.

"Junhao brugte et scanning transmission elektronmikroskop (STEM), der er i stand til at fokusere en stråle af elektroner ned til en bredde på en halv ångstrøm (ca. halvdelen af ​​størrelsen af ​​et atom) og sigter denne stråle med udsøgt præcision, " sagde Zhou.