Insinyur menciptakan material superlattice yang sangat tipis dengan presisi

Anonim

Kontrol adalah tantangan konstan bagi para ilmuwan material, yang selalu mencari bahan yang sempurna — dan cara sempurna untuk mengobatinya — untuk menginduksi secara tepat aktivitas elektronik atau optik yang tepat yang diperlukan untuk aplikasi tertentu.

Salah satu tantangan utama untuk memodulasi aktivitas dalam semikonduktor adalah mengendalikan celah pitanya. Ketika suatu materi bersemangat dengan energi, katakanlah, denyut cahaya, semakin lebar celah pitanya, semakin pendek panjang gelombang cahaya yang dipancarkannya. Semakin sempit celah pita, semakin panjang panjang gelombangnya.

Karena perangkat elektronik dan perangkat yang memadukannya — ponsel pintar, laptop, dan sejenisnya — menjadi semakin kecil, transistor semikonduktor yang menggerakkan mereka telah menyusut hingga tidak jauh lebih besar daripada atom. Mereka tidak bisa jauh lebih kecil. Untuk mengatasi keterbatasan ini, para peneliti mencari cara untuk memanfaatkan karakteristik unik susunan cluster atom skala nano - yang dikenal sebagai superlattices dot kuantum - untuk membangun elektronika generasi berikutnya seperti sistem informasi kuantum berskala besar. Di alam kuantum, ketepatan bahkan lebih penting.

Penelitian baru yang dilakukan oleh Departemen Teknik Listrik dan Komputer UC Santa Barbara mengungkapkan kemajuan besar dalam bahan superlattices presisi. Temuan oleh Profesor Kaustav Banerjee, gelar Ph.D. siswa Xuejun Xie, Jiahao Kang dan Wei Cao, rekan postdoctoral Jae Hwan Chu dan kolaborator di Universitas Rice muncul di jurnal Nature Scientific Reports.

Penelitian tim mereka menggunakan sinar elektron terfokus untuk membuat skala besar dot kuantum superlattice di mana setiap quantum dot memiliki ukuran tertentu yang ditentukan sebelumnya diposisikan pada lokasi yang tepat pada lembaran tipis atomik dua dimensi (2-D) semikonduktor molibdenum disulphide (MoS2). Ketika sinar elektron terfokus berinteraksi dengan monolayer MoS2, ia mengubah area tersebut — yang berada pada urutan diameter nanometer — dari semikonduktor menjadi logam. Titik-titik kuantum dapat ditempatkan kurang dari empat nanometer terpisah, sehingga mereka menjadi kristal buatan — pada dasarnya material 2-D baru di mana celah pita dapat ditentukan untuk memesan, dari 1, 8 hingga 1, 4 elektron volt (eV).

Ini adalah pertama kalinya para ilmuwan menciptakan superlattice 2-D area besar — ​​gugus atom berskala nano dalam kotak yang teratur — pada material tipis atomik yang mana baik ukuran dan lokasi titik-titik kuantum dikontrol dengan tepat. Proses ini tidak hanya menciptakan beberapa titik-titik kuantum, tetapi juga dapat diterapkan secara langsung ke fabrikasi berskala besar 2-D quantum dot superlattices. "Oleh karena itu, kita dapat mengubah keseluruhan sifat kristal 2-D, " kata Banerjee.

Setiap titik kuantum bertindak sebagai sumur kuantum, di mana aktivitas elektron-lubang terjadi, dan semua titik di grid cukup dekat satu sama lain untuk memastikan interaksi. Para peneliti dapat memvariasikan jarak dan ukuran titik untuk memvariasikan celah pita, yang menentukan panjang gelombang cahaya yang dipancarkan.

"Dengan menggunakan teknik ini, kami dapat merekayasa celah pita untuk mencocokkan aplikasi, " kata Banerjee. Quantum dot superlattices telah banyak diteliti untuk membuat material dengan celah pita yang dapat di atur tetapi semuanya dibuat menggunakan metode "bottom-up" di mana atom secara alami dan spontan bergabung untuk membentuk objek makro. Tetapi metode-metode tersebut secara inheren sulit untuk mendesain struktur kisi yang diinginkan dan, dengan demikian, untuk mencapai kinerja optimal.

Sebagai contoh, tergantung pada kondisi, menggabungkan atom karbon hanya menghasilkan dua hasil dalam bentuk curah (atau 3-D): grafit atau berlian. Ini tidak bisa 'disetel' sehingga tidak bisa membuat apa pun di antaranya. Tetapi ketika atom dapat diposisikan secara tepat, material dapat dirancang dengan karakteristik yang diinginkan.

"Pendekatan kami mengatasi masalah keacakan dan kedekatan, memungkinkan kontrol dari celah pita dan semua karakteristik lain yang mungkin Anda inginkan untuk dimiliki material-dengan tingkat presisi yang tinggi, " kata Xie. "Ini adalah cara baru untuk membuat bahan, dan itu akan memiliki banyak kegunaan, terutama dalam komputasi kuantum dan aplikasi komunikasi. Titik-titik pada superlattice sangat dekat satu sama lain sehingga elektron digabungkan, sebuah persyaratan penting untuk komputasi kuantum."

Titik kuantum secara teoritis adalah "atom" buatan. Teknik yang dikembangkan membuat desain dan "tuning" yang mungkin dengan memungkinkan kontrol atas-bawah ukuran dan posisi atom buatan dalam skala besar.

Untuk menunjukkan tingkat kontrol yang dicapai, penulis menghasilkan gambar "UCSB" yang dijabarkan dalam grid titik-titik kuantum. Dengan menggunakan dosis yang berbeda dari berkas elektron, mereka mampu menyebabkan berbagai bidang inisial universitas untuk menyala pada panjang gelombang yang berbeda.

"Ketika Anda mengubah dosis berkas elektron, Anda dapat mengubah ukuran titik kuantum di wilayah setempat, dan setelah Anda melakukannya, Anda dapat mengontrol celah pita dari materi 2-D, " Banerjee menjelaskan. "Jika Anda mengatakan Anda ingin celah pita 1, 6 eV, saya bisa memberikannya kepada Anda. Jika Anda ingin 1, 5 eV, saya bisa melakukannya juga, dimulai dengan bahan yang sama."

Demonstrasi celah pita langsung merdu ini dapat mengantar generasi baru perangkat pemancar cahaya untuk aplikasi fotonik.

menu
menu