Fysikere observerer længe søgt fænomen i nanoskala

At forberede den perfekte sandwich i nanoskala fra iltbaserede ingredienser var ingen picnic.

Men med hjælp fra to Nebraska-fysikere, et internationalt hold af forskere har endelig formået det - afsluttende en næsten 15-årig søgen efter at observere et fænomen, der kunne hjælpe med at drive og miniaturisere en fremtidig generation af elektronik.

I 2004 forskere observerede en gas af elektroner, der strømmede todimensionelt gennem en nano-sandwich lavet af oxider:kemiske forbindelser indeholdende oxygenatomer. Denne demonstration af en 2-D elektrongas signalerede løftet om at begrænse elektrisk strøm til mindre rum og, på tur, krympning af elektroniske komponenter til mindre skalaer.

Alligevel har den negativt ladede elektron et modstykke - et positivt ladet "hul", som den efterlader, når den udstødes fra sin bane omkring et atom. Så fysikere satte sig for at skabe og observere en 2-D-hulsgas, der ligeledes fungerer som en kilde til elektrisk strøm.

Som beskrevet i journalen Naturmaterialer , forskere fra University of Wisconsin-Madison og University of Nebraska-Lincoln førte an i at opnå den længe søgte bedrift. Det krævede flere års perfektion af både ingredienserne og tilberedningen. Nebraskas Evgeny Tsymbal og Tula Paudel informerede sidstnævnte ved at køre teoribaserede beregninger og modellering gennem universitetets Holland Computing Center.

Selve opskriften virkede simpel nok. For at producere en 2-D elektrongas, forskere havde tidligere stablet et positivt ladet oxidlag på en neutral base, fandt, at negativt ladede elektroner flokkedes nedad til det nanoskopiske mellemrum mellem de to. Ved at tilføje et negativt ladet lag oven på den positive skive, derefter dække nano-sandwichen med et andet neutralt lag, forskere havde håbet at se positivt ladede huller efterligne denne adfærd ved at migrere opad for at danne deres egen 2-D gas.

De gjorde modstand. Hvorfor? Iltatomer forlod deres poster, og deres positivt ladede tomrum - ubrugelige til at producere en elektrisk strøm - forhindrede hullerne i at bevæge sig opad.

"Vi kiggede på de forskellige koncentrationer af de ledige iltsteder, de forskellige positioner af disse defekter, og hvordan adfærden ændrer sig (som følge heraf), " sagde Tsymbal, George Holmes University professor i fysik og astronomi.

Holdet fandt ud af, at det kunne slippe af sted med nogle få fraværende iltatomer, så længe dem, der var midt i aktionen, formåede at holde fast.

"Positionering er vigtig, sagde Paudel, en forskningsadjunkt, der udførte de fleste beregninger. "Du vil ikke have ilt ledige pladser i nærheden af ​​den region, hvor du skal have en todimensionel hulgas."

Disse indsigter, kombineret med præcise specifikationer for tykkelsen af ​​hver skive i nano-sandwichen, guidede eksperimenter, der finder sted i Wisconsin. Ved at bygge disse skiver atom for atom - nemmere med oxider end mange andre klasser af materialer - og fremstille materialet i et tryk iltrigt miljø, der minimerer ledige stillinger, lykkedes det Wisconsin-forskerne at producere og karakterisere 2-D-hulgassen.

I årtier, ingeniører har fremstillet størstedelen af ​​elektroniske komponenter af halvledende materialer såsom silicium, branchens arbejdshest.

"Problemet er, at vi nærmer os grundlæggende grænser, sagde Tsymbal, direktør for Nebraskas Materials Research Science and Engineering Center. "På et tidspunkt (snart), vi nærmer os visse grænser, ud over hvilke vi ikke kan fortsætte (følge) halvlederkøreplanen på den måde, vi gjorde før. Så vi er nødt til konceptuelt at ændre den måde, vores enheder fungerer på."

En af disse begrænsninger er plads. Løbet om at få mere funktionalitet - hukommelse, for eksempel - i mere og mere små enheder har ladet ingeniører se mod oxider og andre materialer, der, når de kombineres, kan presse ledningsevnen ind i de strammeste rammer. Den nye undersøgelse udnyttede et oxid kaldet strontiumtitanat - hvad Tsymbal beskrev som "oxidelektronikkens silicium" - for at opnå dette.

"Fordelen her er, at indeslutningen-tykkelsen af ​​denne todimensionale elektron eller hulgas-er meget mindre i forhold til, hvad du har i halvledere, " sagde Tsymbal. "I stedet for, for eksempel, snesevis af nanometer, vi kan begrænse det til en nanometer. Så, i princippet, vi kan gøre enhederne meget mindre sammenlignet med dem i halvlederelektronik."

Selvom strontiumtitanat og dets oxidbrødre generelt ikke udviser magnetisme alene, det gør de nogle gange, når de kombineres. De viser endda potentialet for superledelse - elektrisk strøm, der strømmer uden modstand - og andre egenskaber, der appellerer til elektriske og computeringeniører.

Som teoretikere, Tsymbal og Paudel er interesserede i de fænomener, der kunne opstå fra 2-D elektron- og hulgasser, der strømmer parallelt gennem det samme materiale. Blandt dem:parringen af ​​elektroner og huller til partikellignende excitoner, der opfører sig anderledes som et stort kollektiv, end de gør alene.

"Oxider med disse komplementære 2D-gasser kan nu begynde at tjene som nanoskopiske laboratorier, hvor man kan skabe og studere ny fysik, " sagde Paudel.

Hvordan disse fænomener i sidste ende kan anvendes, er stadig et åbent spørgsmål, Tsymbal sagde, men en der er værd at udforske.

"Da forskere begyndte at arbejde med halvledere for mere end 60 år siden, ingen vidste, at de ville blive centrale for moderne teknologi, "Sagde Tsymbal." På dette tidspunkt, oxidelektronik er på niveau med grundforskning, så det er svært at forudsige, hvor de vil tage hen.

"Men du kan kontrollere oxidgrænseflader med ekstrem præcision. Når du først har det, du kan gøre noget, der ligner det, halvledere opnår - men måske også noget andet."