Forskere barberer hår af nanokrystaller for at forbedre deres elektroniske egenskaber

Du kan have en hel computer med i lommen i dag, fordi de teknologiske byggeklodser er blevet mindre og mindre siden 1950'erne. Men for at skabe fremtidige generationer af elektronik – såsom kraftigere telefoner, mere effektive solceller eller endda kvantecomputere – bliver forskere nødt til at komme med helt ny teknologi i de mindste skalaer.

Et område af interesse er nanokrystaller. Disse små krystaller kan samle sig selv i mange konfigurationer, men forskere har haft problemer med at finde ud af, hvordan de kan få dem til at tale med hinanden.

En ny undersøgelse introducerer et gennembrud i at få nanokrystaller til at fungere sammen elektronisk. Udgivet 25. marts i Science,  forskningen kan åbne dørene til fremtidige enheder med nye evner.

"Vi kalder disse superatomare byggeklodser, fordi de kan give nye evner - for eksempel ved at lade kameraer se i det infrarøde område," sagde professor Dmitri Talapin ved University of Chicago, den tilsvarende forfatter til papiret. "Men indtil nu har det været meget svært både at samle dem til strukturer og  få dem til at tale med hinanden. Nu for første gang behøver vi ikke vælge. Dette er en transformativ forbedring."  

I deres papir opstiller forskerne designregler, som skal give mulighed for at skabe mange forskellige typer materialer, sagde Josh Portner, en Ph.D. studerende i kemi og en af ​​undersøgelsens første forfattere.

Et lille problem

Forskere kan dyrke nanokrystaller ud af mange forskellige materialer:metaller, halvledere og magneter vil hver især give forskellige egenskaber. Men problemet var, at når de forsøgte at samle disse nanokrystaller sammen til arrays, ville de nye superkrystaller vokse med lange "hår" omkring dem.

Disse hår gjorde det svært for elektroner at springe fra en nanokrystal til en anden. Elektroner er budbringere for elektronisk kommunikation; deres evne til at bevæge sig let er en vigtig del af enhver elektronisk enhed.

Forskerne havde brug for en metode til at reducere hårene omkring hver nanokrystal, så de kunne pakke dem tættere ind og reducere hullerne imellem. "Når disse huller er mindre med kun en faktor på tre, er sandsynligheden for, at elektroner springer over, omkring en milliard gange højere," sagde Talapin, Ernest DeWitt Burton Distinguished Service Professor i kemi og molekylær teknik ved UChicago og seniorforsker ved Argonne National Laboratory. "Det ændrer sig meget kraftigt med afstanden."

For at barbere hårene af søgte de at forstå, hvad der foregik på atomniveau. Til dette havde de brug for hjælp fra kraftige røntgenstråler ved Center for Nanoscale Materials i Argonne og Stanford Synchrotron Radiation Lightsource ved SLAC National Accelerator Laboratory, såvel som kraftfulde simuleringer og modeller af kemi og fysik i spil. Alle disse gav dem mulighed for at forstå, hvad der skete ved overfladen – og finde nøglen til at udnytte deres produktion.

En del af processen til at dyrke superkrystaller foregår i opløsning - det vil sige i væske. Det viser sig, at efterhånden som krystallerne vokser, gennemgår de en usædvanlig transformation, hvor gas, flydende og faste faser alle sameksisterer. Ved præcist at kontrollere kemien på det tidspunkt kunne de skabe krystaller med hårdere, slankere ydre, som kunne pakkes meget tættere sammen. "At forstå deres faseadfærd var et stort spring fremad for os," sagde Portner.

Hele rækken af ​​applikationer er stadig uklar, men forskerne kan tænke på flere områder, hvor teknikken kan føre. "For eksempel kunne hver krystal måske være en qubit i en kvantecomputer; at koble qubits til arrays er en af ​​de grundlæggende udfordringer ved kvanteteknologi lige nu," sagde Talapin.

Portner er også interesseret i at udforske den usædvanlige mellemtilstand af stof, der ses under superkrystalvækst:"Tredobbelt fase sameksistens som denne er sjælden nok til, at det er spændende at tænke på, hvordan man kan udnytte denne kemi og bygge nye materialer."

Undersøgelsen omfattede forskere fra University of Chicago, Technische Universität Dresden, Northwestern University, Arizona State University, SLAC, Lawrence Berkeley National Laboratory og University of California, Berkeley. + Udforsk yderligere

Nanokrystalforbindelser kan føre til bedre elektronik, siger videnskabsmænd