Ingeniører skaber atomisk tynde supergittermaterialer med præcision

Kontrol er en konstant udfordring for materialeforskere, som altid søger det perfekte materiale - og den perfekte måde at behandle det på - for at fremkalde præcis den rigtige elektroniske eller optiske aktivitet, der kræves til en given applikation.

En vigtig udfordring ved at modulere aktivitet i en halvleder er at kontrollere dens båndgab. Når et materiale ophidses med energi, sige, en let puls, jo større er dets båndgab, jo kortere er bølgelængden af ​​det lys, den udsender. Jo mindre båndgabet er, jo længere bølgelængde.

Som elektronik og de enheder, der inkorporerer dem – smartphones, bærbare computere og lignende – er blevet mindre og mindre, halvledertransistorerne, der driver dem, er skrumpet til det punkt, at de ikke er meget større end et atom. De kan ikke blive meget mindre. For at overvinde denne begrænsning, forskere søger måder at udnytte de unikke egenskaber ved atomare cluster-arrays i nanoskala - kendt som kvanteprikker-supergitter - til at bygge næste generations elektronik såsom kvanteinformationssystemer i stor skala. I kvanteriget, præcision er endnu vigtigere.

Ny forskning udført af UC Santa Barbara's Department of Electrical and Computer Engineering afslører et stort fremskridt inden for præcisions supergittermaterialer. Resultaterne af professor Kaustav Banerjee, hans ph.d. studerende Xuejun Xie, Jiahao Kang og Wei Cao, postdoc Jae Hwan Chu og samarbejdspartnere ved Rice University optræder i tidsskriftet Naturvidenskabelige rapporter .

Deres teams forskning bruger en fokuseret elektronstråle til at fremstille et kvanteprik-supergitter i stor skala, hvor hver kvanteprik har en specifik forudbestemt størrelse placeret på et præcist sted på et atomisk tyndt ark af todimensionelt (2-D) halvledermolybdæn disulfid (MoS2). Når den fokuserede elektronstråle interagerer med MoS2 monolaget, det forvandler det område - som er i størrelsesordenen en nanometer i diameter - fra halvledende til metallisk. Kvanteprikkerne kan placeres mindre end fire nanometer fra hinanden, så de bliver til en kunstig krystal - i det væsentlige et nyt 2D-materiale, hvor båndgabet kan specificeres på bestilling, fra 1,8 til 1,4 elektronvolt (eV).

Dette er første gang, at forskere har skabt et 2-D supergitter med stort område - atomklynger i nanoskala i et ordnet gitter - på et atomisk tyndt materiale, hvor både størrelsen og placeringen af ​​kvanteprikker er præcist kontrolleret. Processen skaber ikke kun flere kvanteprikker, men kan også anvendes direkte til storskala fremstilling af 2-D quantum dot supergitter. "Vi kan, derfor, ændre de overordnede egenskaber af 2-D-krystallen, " sagde Banerjee.

Hver kvanteprik fungerer som en kvantebrønd, hvor elektron-hul aktivitet forekommer, og alle prikkerne i gitteret er tæt nok på hinanden til at sikre interaktioner. Forskerne kan variere mellemrum og størrelse på prikkerne for at variere båndgabet, som bestemmer bølgelængden af ​​lys, den udsender.

"Ved at bruge denne teknik, vi kan konstruere båndgabet, så det matcher applikationen, " sagde Banerjee. Quantum dot supergitter er blevet bredt undersøgt for at skabe materialer med afstembare båndgab, men alle blev lavet ved hjælp af "bottom-up" metoder, hvor atomer naturligt og spontant kombineres for at danne et makroobjekt. Men disse metoder gør det i sagens natur vanskeligt at designe gitterstrukturen som ønsket og, dermed, for at opnå optimal ydeevne.

Som et eksempel, afhængig af forhold, at kombinere carbonatomer giver kun to resultater i bulk (eller 3-D) form:grafit eller diamant. Disse kan ikke 'tunes' og kan derfor ikke lave noget imellem. Men når atomer kan placeres præcist, materialet kan designes med ønskede egenskaber.

"Vores tilgang overvinder problemerne med tilfældighed og nærhed, muliggør kontrol over båndgabet og alle de andre egenskaber, du måske ønsker, at materialet skal have - med et højt niveau af præcision, " sagde Xie. "Dette er en ny måde at lave materialer på, og det vil have mange anvendelsesmuligheder, især inden for kvantecomputere og kommunikationsapplikationer. Prikkerne på supergitteret er så tæt på hinanden, at elektronerne er koblet, et vigtigt krav til kvanteberegning."

Kvanteprikken er teoretisk set et kunstigt "atom". Den udviklede teknik gør et sådant design og "tuning" muligt ved at muliggøre top-down kontrol af størrelsen og positionen af ​​de kunstige atomer i stor skala.

For at demonstrere niveauet af opnået kontrol, forfatterne producerede et billede af "UCSB" udformet i et gitter af kvanteprikker. Ved at bruge forskellige doser fra elektronstrålen, de var i stand til at få forskellige områder af universitetets initialer til at lyse op ved forskellige bølgelængder.

"Når du ændrer dosis af elektronstrålen, du kan ændre størrelsen på kvanteprikken i den lokale region, og når du gør det, du kan kontrollere båndgabet i 2-D-materialet, " Forklarede Banerjee. "Hvis du siger, at du vil have et båndgab på 1,6 eV, Jeg kan give dig den. Hvis du vil have 1,5 eV, Jeg kan gøre det, også, begyndende med det samme materiale."

Denne demonstration af justerbart direkte båndgab kunne indlede en ny generation af lysemitterende enheder til fotonikapplikationer.