מהנדסים ליצור חומרים אטרקטיביים דק superlattice עם דיוק

Anonim

שליטה היא אתגר מתמיד עבור מדענים חומרים, אשר מחפשים תמיד את החומר המושלם - ואת הדרך המושלמת של טיפול בו - כדי לגרום בדיוק את הזכות אלקטרונית או פעילות אופטית הנדרשת עבור יישום נתון.

אחד האתגרים המרכזיים כדי לשנות את הפעילות של מוליכים למחצה הוא שליטה על הפער הלהקה שלה. כאשר חומר נרגש מהאנרגיה, נניח, דופק אור, פער הלהקה רחב יותר, אורך הגל הקצר יותר של האור שהוא פולט. צמצם את הפער הלהקה, את אורך הגל.

כמו האלקטרוניקה ואת המכשירים המשלבים אותם - טלפונים חכמים, מחשבים ניידים וכדומה - הפכו קטנים יותר ויותר, טרנזיסטורים מוליכים למחצה כי כוח אותם התכווצו עד כדי כך לא להיות הרבה יותר מאשר אטום. הם לא יכולים לקבל הרבה יותר קטן. כדי להתגבר על מגבלה זו, החוקרים מחפשים דרכים לרתום את המאפיינים הייחודיים של מערכי מצרר אטומיים ננו-הידועים כנקודות-על קוונטיות - לבניית האלקטרוניקה מהדור הבא, כגון מערכות מידע קוונטיות בקנה מידה גדול. בתחום הקוונטי, הדיוק הוא אפילו יותר חשוב.

מחקר חדש שנערך על ידי UC סנטה ברברה של המחלקה להנדסת חשמל ומחשבים מגלה התקדמות גדולה חומרים superlattices דיוק. ממצאיו של פרופ 'קאוסטב באנרג'י, Ph.D. סטודנטים Xuejun Xie, Jiahao קאנג וויי קאו, פוסט דוקטורט Jae Hwan צ 'ו ומשתפי פעולה באוניברסיטת רייס מופיעים בכתב העת Nature דוחות מדעיים.

המחקר של הצוות שלהם משתמש באלומת אלקטרונים ממוקדת כדי לפברק נקודה קוונטית בקנה מידה גדול superlattice שבו כל נקודה קוונטית יש גודל מסוים שנקבע מראש במיקום מדויק על גיליון דק אטומית של מוליבדן דו ממדי (2-D) מוליכים למחצה disulphide (MoS2). כאשר קרן אלקטרונים ממוקדת אינטראקציה עם monolayer MoS2, זה הופך את האזור - אשר על סדר של ננומטר בקוטר - מ מוליכים למחצה כדי מתכתי. נקודות הקוונטים ניתן להציב פחות מ 4 ננומטר זה מזה, כך שהם הופכים גביש מלאכותי, למעשה חומר חדש 2-D שבו הפער הלהקה יכול להיות מוגדר לסדר, מ 1.8-1.4 אלקטרונים וולט (eV).

זו הפעם הראשונה שהמדענים יצרו אשכולות אטומיים של ננו-אשוחיים, בקנה מידה גדול, על גבי חומר אטומי דק, שבו הגודל והמיקום של נקודות הקוונטים מבוקרים במדויק. התהליך לא רק יוצר כמה נקודות קוונטיות, אבל יכול להיות מיושם ישירות על ייצור בקנה מידה גדול של 2-D קוונטית נקודות סופר. "אנחנו יכולים, אם כן, לשנות את המאפיינים הכוללים של גביש 2-D, " אמר Banerjee.

כל נקודה קוונטית פועלת כבאר קוונטית, שבה מתרחשת פעילות של חורי אלקטרון, וכל הנקודות ברשת מקובלות זו לזו על מנת להבטיח אינטראקציות. החוקרים יכולים לשנות את המרווח ואת גודל הנקודות כדי לשנות את הפער הלהקה, אשר קובע את אורך הגל של האור הוא פולט.

"באמצעות טכניקה זו, אנו יכולים להנדס את הפער הלהקה כדי להתאים את היישום", אמר Banerjee. נקודות קוונטיות נחקרו בצורה נרחבת ליצירת חומרים עם פערים של הלהקה מתכווננת, אך כולם נעשו בשיטות "מלמטה למעלה", שבהן אטומים באופן טבעי וספונטני משתלבים כדי ליצור אובייקט מאקרו. אבל שיטות אלה לעשות את זה קשה מטבעו לעצב את מבנה הסריג כרצונך, ובכך, כדי להשיג ביצועים אופטימליים.

כדוגמה, בהתאם לתנאים, שילוב אטומי פחמן מניב רק שתי תוצאות בצורת (3 או D) בתפזורת: גרפיט או יהלומים. אלה לא יכולים להיות 'מכוון' ולכן לא יכול לעשות שום דבר בין לבין. אבל כאשר אטומים ניתן למקם בדיוק, החומר יכול להיות מתוכנן עם המאפיינים הרצוי.

"הגישה שלנו מתגברת על בעיות האקראיות והקרבה, ומאפשרת שליטה על פער הלהקה ועל כל המאפיינים האחרים שתרצה שהחומר יהיה בעל רמה גבוהה של דיוק", אמר שיה. "זוהי דרך חדשה לייצר חומרים, והיא תהיה בעלת שימושים רבים, במיוחד ביישומי מחשוב ותקשורת קוונטיים, הנקודות על הסופרלטיצה כל כך קרובות זו לזו, כי האלקטרונים מצמידים, דרישה חשובה למחשוב קוונטי".

הנקודה הקוונטית היא תיאורטית "אטום" מלאכותי. הטכניקה שפותחה עושה עיצוב כזה "כוונון" אפשרי על ידי הפעלת שליטה מלמעלה למטה של ​​הגודל ואת המיקום של האטומים המלאכותיים בקנה מידה גדול.

כדי להדגים את רמת השליטה שהושגה, המחברים הפיקו תמונה של "UCSB" המופיעה ברשת של נקודות קוונטיות. באמצעות מינונים שונים מקרן האלקטרונים, הם הצליחו לגרום אזורים שונים של ראשי התיבות של האוניברסיטה להאיר באורכי גל שונים.

"כאשר אתה משנה את המינון של קרן האלקטרונים, אתה יכול לשנות את הגודל של נקודה קוונטית באזור המקומי, וברגע שאתה עושה את זה, אתה יכול לשלוט על הפער הלהקה של חומר 2-D, " הסביר Banerjee. "אם אתה אומר שאתה רוצה פער הלהקה של 1.6 eV, אני יכול לתת לך את זה, אם אתה רוצה 1.5 eV, אני יכול לעשות את זה, גם, החל מאותו חומר."

הדגמה זו של הפער הלהקה ישיר מתכוונן יכול להוביל דור חדש של התקנים פולטים אור עבור יישומים photonics.

menu
menu