Graphene og atomkrystallerne, der kunne se det næste store gennembrud inden for teknologi

Hvad kunne vi gøre med lagdelte strukturer med de helt rigtige lag? Hvad ville materialernes egenskaber være, hvis vi virkelig kunne arrangere atomerne, som vi vil have dem?

Den nysgerrige amerikanske fysiker Richard Feynman stillede disse spørgsmål i sit skelsættende foredrag fra 1959, Der er masser af plads i bunden. Det fyldte med dybe ideer om "manipulering og kontrol af ting på atomskala", ved hjælp af kvantemekanik.

Langsøgt dengang, nu er manipulation af lag med atomer et stort forskningsområde. At realisere Feynmans vision, forskere ved IBM og Bell Labs i USA måtte udtænke en ny tilgang til konstruktion af materialer lag for lag:molekylær stråle -epitaxy eller MBE.

Dette kan sammenlignes med sprøjtemaling med atomer. Du starter med at fordampe ultrarene kildematerialer som gallium, aluminium eller indium, og kombiner dem med f.eks. arsen eller fosfor. De fordampede atomer flyver gennem et vakuumkammer mod et grundlag lavet af lignende materialer. Atomer holder sig til det og opbygger langsomt et krystal et atomlag ad gangen. Det ultrahøje vakuum sikrer, at urenheder er minimale.

Atomarkitekter

Selvom processen er relativt langsom - typisk kun få atomlag i minuttet - er præcisionen bemærkelsesværdig. Det giver teknikere mulighed for at stable forskellige halvledermaterialer oven på hinanden for at skabe krystaller kendt som heterostrukturer, som kan have yderst nyttige egenskaber. Ved skiftevis at stable lag af aluminiumarsenid og galliumarsenid, for eksempel, du kunne producere et materiale, der er ekstremt godt til at lagre elektricitet.

Når denne teknik var blevet perfektioneret i 1990'erne og 2000'erne, forskere var i stand til at kontrollere antallet af elektroner og deres energier i en bestemt krystal. Og da lys derefter interagerer med disse elektroner, at have mere kontrol over elektronadfærd betyder, at du også får mere kontrol over, hvordan de stimuleres af lys.

Heterostrukturer har ført til mange nye opdagelser, især vedrørende kvanteadfærd af partikler, såsom elektroner i dem. Nobelpriser i fysik er blevet tildelt fem separate gange (1973, 1985, 1998, 2000, og 2014), og de resulterende materialer har revolutioneret civilisationen.

Halvleder heterostrukturer muliggør solceller, Lysdioder, lasere og ultrahurtige transistorer. Selv internettet ville ellers være umuligt:​​Laserne, der sender lysimpulser, der koder for informationerne online, er fremstillet af heterostrukturer, ligesom fotodetektorer, der måler disse lysimpulser og afkoder informationen.

Der er begrænsninger, imidlertid. Atomstørrelsen, afstand og indretning af disse heterostrukturer kan ikke være for ulige mellem lag uden at der opstår defekter. Dette begrænser de mulige materialekombinationer og potentialet til frit at konstruere de elektroniske og optiske egenskaber.

Også, krystaller består naturligt af atomer, der danner bindinger i alle tre retninger. Det betyder, at der altid er utilfredse atomer med "dinglende" bindinger i kanterne. Udenlandske urenheder søger disse obligationer og skaber defekter, der kan ødelægge andre ejendomme. Dette bliver især vigtigt med mindre krystaller, forhindrer dem i fuldt omfang at blive integreret i moderne transistorer, lasere og så videre.

Indtast 2-D krystaller

Det ultimative inden for ultratynde materialer er et enkelt lag atomer. Heldigvis, naturen udtænkte sådanne "todimensionale krystaller". Den mest berømte er grafen, som bare er carbonatomer arrangeret i et sekskantet mønster.

Grafen er stærkere end stål og leder elektricitet bedre end kobber. Den har mange unikke og til tider eksotiske elektroniske, optiske og mekaniske egenskaber - som anerkendt af Nobelprisen i fysik for dens opdagelse i 2010.

I en perfekt grafenkrystal, alle atomer er fuldstændigt bundet til hinanden, og der er ingen dinglende bindinger. Det er berømt muligt at producere grafen ved at skrælle lag af grafit fra hinanden ved hjælp af tape:grafit er faktisk mange lag af grafen, der alle holdes sammen af ​​Van der Waals kræfter, som er langt svagere end bindingerne i hvert bestanddel af grafen.

Udover grafen, der er mange andre 2-D krystaller, hver med unikke egenskaber. Flere forekommer naturligt som perler i jorden, såsom molybdnimum disulfid, et vigtigt industrielt smøremiddel. Andre kan fremstilles ved molekylær stråle epitaxy, såsom isolatoren bornitrid, og krystaller i den samme familie af overgangsmetaldichalcogenider som molybdnimum disulfid.

Ligesom grafen er at grafit, forskere "skræl" (eller eksfolierer) enkelte 2-D-plader fra større mængder af disse forbindelser. Den iboende tyndhed af disse ark betyder, at de kan opføre sig helt anderledes end de tidligere beskrevne heterostrukturer. Forskellige atom tynde materialer kan være isolerende, halvledende, metallisk, magnetisk eller endda superledende.

Forskere er også i stand til at vælge, placere og kombinere disse materialer efter eget ønske for at danne nye heterostrukturer, kendt som Van der Waals heterostrukturer, med forskellige egenskaber til 2-D-arkene. Vigtigt, disse har ikke de samme begrænsninger som deres fætre lavet af molekylær stråle -epitaxy. De kan omfatte lag af meget forskellige atomkrystaller, muliggør hidtil usete og ubegrænsede muligheder for at kombinere forskellige materialer.

For eksempel, du kan kombinere magnetiske lag med halvledere og isolatorer uden at tiltrække forurenende stoffer som fugt eller oxider mellem lagene - umuligt med epitaksielle heterostrukturer. Dette kan bruges til at oprette enheder, der styrer magnetisme ved hjælp af elektricitet, som er grundlaget for magnetisk hukommelse i harddiske.

Du kan også stable to identiske atomlag sammen med et vendt i en vinkel. Dette skaber et gitter kaldet et moiré -mønster, hvilket giver en ny grad af frihed til at konstruere de elektroniske og optiske egenskaber. De billeder, vi bruger til at demonstrere dette på den nuværende Royal Society Summer Exhibition i London, giver en smag af, hvordan dette fungerer:

Mens Van der Waals heterostrukturer stadig er i deres vorden, imponerende ny fysik og kapacitet dukker allerede op. Disse omfatter mindre, lettere, mere fleksible og mere effektive versioner af solceller, Lysdioder, transistorer og magnetisk hukommelse.

I fremtiden, vi kan forvente overraskelser, man ikke tidligere har drømt om. Et tidligt eksempel er den nylige opdagelse, at når man vrider to lag grafen i en "magisk vinkel" i forhold til hinanden, elektronerne bliver superledende. Dette gennembrud, ikke klart forstået endnu, kunne låse op for 30-årige mysterier om, hvordan elektroner kan navigere i superledere uden at miste energi. Det vil muligvis give os mulighed for at bruge superledere ved stuetemperatur, med potentielle fordele for alt fra medicinsk billeddannelse og kvantecomputere til overførsel af elektricitet over lange afstande.

Det er ikke let at forudsige teknologiske resultater, imidlertid. Som Herbert Kroemer, som delte Nobelprisen i 2000 for at udvikle halvleder-heterostrukturer, der bruges i højhastigheds- og opto-elektronik, sagde ofte:"De vigtigste anvendelser af enhver tilstrækkelig ny og innovativ teknologi har altid været og vil fortsat være applikationer skabt af denne teknologi."

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.