Forskere måler kvanteegenskaber af nanorør, afgørende for næste generations elektronik

Hvordan lærer du et materiale at kende, som du ikke kan se?

Det er et spørgsmål, som forskere studerer nanomaterialer-objekter med funktioner på submikrometerskalaerne, såsom kvantepunkter, nanopartikler og nanorør - søger at svare.

Selvom nylige opdagelser-herunder en superopløselig mikroskopi, der vandt Nobelprisen i 2014-har forbedret forskernes evne til at bruge lys til at lære om disse små objekter, bølgelængden af ​​den inspicerende stråling er altid meget større end omfanget af de nano-objekter, der undersøges. For eksempel, nanorør og nanotråde-byggestenene i næste generations elektroniske enheder-har diametre, der er hundredvis af gange mindre end lyset kunne løse. Forskere skal finde måder at omgå denne fysiske begrænsning for at opnå rumlig opløsning under bølgelængde og undersøge arten af ​​disse materialer til fremtidige computere.

I dag, en gruppe forskere - John A. Rogers, Eric Seabron, Scott MacLaren og Xu Xie fra University of Illinois i Urbana-Champaign; Slava V. Rotkin fra Lehigh University; og, William L. Wilson fra Harvard University - rapporterer om opdagelsen af ​​en vigtig metode til måling af nanorørmaterialers egenskaber ved hjælp af en mikrobølgesonde. Deres resultater er blevet offentliggjort i ACS Nano i en artikel kaldet:"Scanning Probe Microwave Reflectivity of Aligned Single-Walled Carbon Nanotubes:Imaging of Electronic Structure and Quantum Behavior at Nanoscale."

Forskerne studerede enkeltvæggede carbon nanorør. Disse er 1-dimensionelle, trådlignende nanomaterialer, der har elektroniske egenskaber, der gør dem til fremragende kandidater til næste generations elektroniske teknologier. Faktisk, den første prototype af en nanorørcomputer er allerede blevet bygget af forskere ved Stanford University. IBM T.J. Watson Research Center udvikler i øjeblikket nanorørstransistorer til kommerciel brug.

Til denne undersøgelse, forskere voksede en række parallelle nanorørlinjer, ligner den måde, nanorør bruges på i computerchips. Hver nanorør var omkring 1 nanometer bred - ti gange mindre end forventet til brug i den næste generation af elektronik. For at undersøge materialets egenskaber, de brugte derefter mikrobølgeimpedansmikroskopi (MIM) til at billede individuelle nanorør.

"Selvom mikrobølge nærfeltbilleddannelse tilbyder et ekstremt alsidigt 'ikke-destruktivt' værktøj til karakterisering af materialer, det er ikke et umiddelbart oplagt valg, "forklarede Rotkin, en professor med en dobbeltansættelse i Lehighs Institut for Fysik og Institut for Materialevidenskab og Teknik. "Ja, bølgelængden for den stråling, der blev brugt i forsøget, var endnu længere end det, der typisk bruges i optisk mikroskopi-cirka 12 tommer, hvilket er cirka 100, 000, 000 gange større end de nanorør, vi målte. "

Han tilføjede:"Nanorøret, I dette tilfælde, er som en meget lys nål i en meget stor høstak. "

Den billeddannelsesmetode, de udviklede, viser præcis, hvor nanorørene er på siliciumchippen. Vigtigere, oplysningerne fra mikrobølgesignalet fra individuelle nanorør afslørede hvilke nanorør der var og ikke var i stand til at lede elektrisk strøm. Uventet, de var endelig i stand til at måle nanorørets kvantekapacitans-en meget unik egenskab ved et objekt fra nano-verdenen-under disse eksperimentelle forhold.

"Vi begyndte vores samarbejde for at forstå de billeder, der er taget af mikrobølgemikroskopien, og sluttede med at afsløre nanorørets kvanteadfærd, som nu kan måles med atomistisk opløsning, "sagde Rotkin.

Som inspektionsværktøj eller metrologi teknik, denne tilgang kan have en enorm indvirkning på fremtidens teknologier, muliggør optimering af behandlingsstrategier, herunder skalerbar beriget nanorørvækst, rensning efter vækst, og fremstilling af bedre enhedskontakter. Man kan nu skelne, i et enkelt trin, mellem halvleder -nanorør, der er nyttige til elektronik og metalliske, der kan forårsage fejl i en computer. Desuden belyser dette sæt billedbehandlingstilstande kvanteegenskaberne for disse 1D -strukturer.