Entwicklung selbstintegrierter atomarer Quantendrähte zur Bildung von Nanonetzwerken

Quantenfortschritte beruhen auf der Herstellung von Drähten im Nanomaßstab, die auf mehreren hochmodernen nanolithografischen Technologien basieren, um Drähte zu entwickeln Bottom-up-Synthese. Eine kritische Herausforderung besteht jedoch darin, einheitliche atomare kristalline Drähte zu züchten und Netzwerkstrukturen zu konstruieren, um Nanoschaltkreise aufzubauen.

In einem neuen Bericht in Wissenschaftliche FortschritteTomoya Asaba und ein Team aus Physik- und Materialwissenschaftlern der Kyoto University, der University of Tokyo in Japan und dem Institut für Theoretische Physik in Deutschland, entdeckten eine einfache Methode zur Entwicklung atomarer Drähte in Form von Nano- Ringe, Streifen und X-/Y-Übergänge.

Verwenden Pulsed-Laser-Depositionbauten die Physiker und Materialwissenschaftler einkristalline, atomare Drähte aus a Mott-Isolator, die eine mit Halbleitern mit großer Lücke vergleichbare Bandlücke beibehielten. Solche Drähte waren eine Einheitszelle dick und wenige Mikrometer lang. Die Forscher beobachteten die atomare Musterbildung durch Nichtgleichgewichtsreaktions-Diffusionsprozesse, um eine bisher unbekannte Perspektive auf die Phänomene der Selbstorganisation auf atomarer Ebene zu bieten und Einblicke in die Bildung der Quantenarchitektur in Nanonetzwerken zu gewinnen.

Neue Methoden zur Konstruktion von Nanodrähten im atomaren Maßstab

Die Grundeigenschaften der meisten technischen Geräte ändern sich, wenn ihre Abmessungen reduziert werden. Wenn ein Gerät auf die Nanoskala reduziert wird, werden die Herstellung und Integration von eindimensionalen Drahtmustern immer komplexer. Entwicklung von Top-Down-Ansätzen mit Großgeräten wie Elektronenstrahl und fokussierte Ionenstrahllithographie Nanodrähte mit einer Dicke und Breite von weniger als 10 Nanometern einzuschließen, ist eine andere technische Herausforderung.

Ebenso Bottom-up-Technologien, die verwenden Selbstmontageprozesse kann auch die Gleichmäßigkeit der Drähte nicht effektiv bestimmen. Beim Bottom-up-Engineering hängt die Integration von Nanodraht-Arrays von zwei komplizierten Schritten ab, bei denen zuerst zufällig orientierte Nanodrähte wachsen und sie dann zu einem Array ausgerichtet werden; Daher erfordert dies einen neuen Ansatz zur Herstellung einheitlicher Drähte im atomaren Maßstab und zur Konstruktion von Nanomustern.

In dieser Arbeit konstruierten Asaba und Kollegen gleichmäßige und lange, einkristalline Drähte aus Rutheniumtrichlorid (RuCl3) auf atomarer Ebene über ein einfaches Abscheidungsverfahren. Sie stellten mehrere charakteristische Muster her, die zur Realisierung von Quanten-Nanoschaltkreisen erforderlich sind, einschließlich atomar glatter Übergänge und Nanoringe. Das Rutheniumtrichlorid-Material ist als interessant ein Mott-Isolator wo Elektron-Elektron-Wechselwirkungen eine Energielücke öffnen. Das Team bildete und integrierte die Nanodrahtmuster als Teil eines Dünnschichtwachstumsprozesses und wich damit von der herkömmlichen Methode hinter Drahtmustern im atomaren Maßstab ab, um stattdessen die Selbstorganisation zu fördern.

Entwicklung von Nanoschaltkreisen

Während der Experimente schmolz das Team das Rutheniumtrichlorid auf hochorientierten pyrolytischen Graphitoberflächen durch gepulste Laserabscheidung und beobachtete das Ergebnis mit Rastertunnelmikroskopie. Sie erhielten ein Bild mit atomarer Auflösung einer Probe, die bei hohen Abscheidungstemperaturen gewachsen war, um eine Oberfläche zu erkennen, die mit einem einzigartigen Drahtmuster bedeckt war. Während jeder Draht aus periodisch beabstandeten Atomen bestand, stellten sie eine einzelne kristalline Struktur fest. Die Materialwissenschaftler untersuchten dann das Material, aus dem die Drähte im atomaren Maßstab bestehen, indem sie die Abscheidungszeit verlängerten, um eine zweidimensionale Monoschicht und dickere Filme wachsen zu lassen, und verifizierten seine Zusammensetzung als kristallisiertes Rutheniumtrichlorid.

Die Atomdrähte behielten als einzigartiges und beispielloses Merkmal eine Länge von mehr als 3 Mikrometern bei. Sie enthielten auch zwei oder vier einkristalline Rutheniumtrichloridketten, die auf pyrolytischen Graphitoberflächen wuchsen. In ihrer Zusammensetzung bestanden die Drähte zunächst aus Quadrupolketten des Materials, die sich später bei sinkenden Temperaturen zu Doppelketten reduzierten, um atomar glatte Übergänge und Ringe ohne Defekte und Cluster zu bilden, um schließlich die Nanoschaltkreise zu konstruieren.

Charakterisierung der Nanoschaltkreise

Als nächstes untersuchten die Materialwissenschaftler die elektronische Struktur der Materialien, indem sie die unterschiedliche Tunnelleitfähigkeit maßen, und verglichen die Ergebnisse mit verschiedenen Formen des Materials und Oberflächen aus pyrolytischem Graphit. Sie stellten deutliche Energielücken in Rutheniumtrichlorid fest, die auf halbleitende oder isolierende elektronische Strukturen hinweisen.

Sie enthüllten den Ursprung der Energielücke durch systematische Bandberechnungen verschiedener Formen von Rutheniumtrichlorid-Materialien, einschließlich eines zweikettigen Drahts und seiner Monoschicht, und Massenformen, um Elektronenkorrelationen und Spin-Bahn-Wechselwirkungen zu beobachten. Das Material offenbarte schließlich eine offene Energielücke an der Fermi-Energie über alle experimentellen Konstrukte hinweg, die in der Studie verwendet wurden, um das Material als Mott-Isolator zu bestätigen.

Mechanismen der Musterbildung

Das Team führte die Bildung des Nanodraht-Arrays auf ein Dünnschichtwachstum zurück, das sich von allen anderen unterschied Verfahren bisher bekannt. Abgesehen von den während der Experimente beobachteten Streifenmustern diskutierte das Team die Mechanismen, die der Musterbildung zugrunde liegen, und die Entstehung mehrerer unterschiedlicher charakteristischer Merkmale. Den Mustern zufolge waren statische Wechselwirkungen nicht die treibende Kraft des Atomdraht-Arrays.

Stattdessen schrieben sie das Merkmal Nicht-Gleichgewichts-Reaktions-Diffusions-Prozessen zu. Da die Rastertunnelmikroskopie zu langsam war, um die dynamischen Prozesse des Dünnschichtwachstums zu erfassen, erwartet das Team, direkte Messungen des dynamischen Prozesses auf atomarer Ebene durchzuführen, um den Wachstumsmechanismus vollständig zu verstehen.

Ausblick

Auf diese Weise nahmen Tomoya Asaba und Kollegen Reaktions-Diffusions-Mechanismen an, um den Ursprung der Musterbildung in Atomdrähten zu stimulieren, was zur Manifestation von Streifenmustern führte Turing-Instabilität. Das Merkmal trug zur spontanen Entstehung räumlich periodischer Muster bei.

Die Nanodrähte und -übergänge haben die Integration elektronischer Schaltkreise dramatisch erhöht, um einen physikalischen Spielplatz zur Erforschung des Phänomens der auf atomarer Ebene basierenden Nicht-Gleichgewichts-Selbstorganisation zu schaffen, die für exotische elektronische Zustände und für Quantenfortschritte geeignet ist.

© 2023 Science X Netzwerk