Neue Methode zur Kristallherstellung könnte Quantencomputer und Elektronik verbessern

In einer Studie veröffentlicht In NaturmaterialienWissenschaftler der University of California in Irvine beschreiben eine neue Methode zur Herstellung sehr dünner Kristalle des Elements Wismut – ein Prozess, der die Herstellung billiger flexibler Elektronik zur alltäglichen Realität machen könnte.

„Wismut fasziniert Wissenschaftler seit über hundert Jahren aufgrund seines niedrigen Schmelzpunkts und seiner einzigartigen elektronischen Eigenschaften“, sagte Javier Sanchez-Yamagishi, Assistenzprofessor für Physik und Astronomie an der UC Irvine und Mitautor der Studie. „Wir haben eine neue Methode entwickelt, um sehr dünne Kristalle aus Materialien wie Wismut herzustellen und dabei verborgene elektronische Verhaltensweisen der Metalloberflächen aufzudecken.“

Die vom Team hergestellten Wismutplatten sind nur wenige Nanometer dick. Sanchez-Yamagishi erklärte, wie Theoretiker vorhergesagt haben, dass Wismut spezielle elektronische Zustände enthält, die es ihm ermöglichen, magnetisch zu werden, wenn Strom durch es fließt – etwas Wesentliches für quantenelektronische Geräte, die auf dem magnetischen Spin von Elektronen basieren.

Eines der verborgenen Verhaltensweisen, die das Team beobachtete, sind sogenannte Quantenoszillationen, die von den Oberflächen der Kristalle ausgehen.

„Quantenoszillationen entstehen durch die Bewegung eines Elektrons in einem Magnetfeld“, sagte Laisi Chen, ein Ph.D. Kandidat für Physik und Astronomie an der UC Irvine und einer der Hauptautoren der Arbeit. „Wenn das Elektron eine vollständige Umlaufbahn um ein Magnetfeld absolvieren kann, kann es Effekte zeigen, die für die Leistungsfähigkeit der Elektronik wichtig sind.“ Quantenoszillationen wurden erstmals in den 1930er Jahren in Wismut entdeckt, wurden jedoch noch nie in nanometerdünnen Wismutkristallen beobachtet. „

Amy Wu, Ph.D. Der Physikkandidat in Sanchez-Yamagishis Labor verglich die neue Methode des Teams mit einer Tortillapresse. Um die ultradünnen Wismutschichten herzustellen, erklärt Wu, mussten sie Wismut zwischen zwei heißen Platten zerdrücken. Um die Platten so flach zu machen, wie sie sind, mussten Formplatten verwendet werden, die auf atomarer Ebene vollkommen glatt sind, was bedeutet, dass es keine mikroskopischen Vertiefungen oder andere Unvollkommenheiten auf der Oberfläche gibt.

„Wir haben dann eine Art Quesadilla oder Panini gemacht, bei dem das Wismut die Käsefüllung und die Tortillas die atomar flachen Oberflächen sind“, sagte Wu.

„Es gab diesen nervösen Moment, in dem wir über ein Jahr damit verbracht hatten, diese wunderschönen dünnen Kristalle herzustellen, aber wir hatten keine Ahnung, ob ihre elektrischen Eigenschaften etwas Außergewöhnliches sein würden“, sagte Sanchez-Yamagishi. „Aber als wir das Gerät in unserem Labor abkühlten, waren wir erstaunt, Quantenoszillationen zu beobachten, die bisher in dünnen Wismutfilmen nicht beobachtet wurden.“

„Komprimierung ist eine weitverbreitete Herstellungstechnik, die für die Herstellung gewöhnlicher Haushaltsmaterialien wie Aluminiumfolie verwendet wird, wird jedoch üblicherweise nicht für die Herstellung elektronischer Materialien wie denen in Ihren Computern verwendet“, fügte Sanchez-Yamagishi hinzu. „Wir glauben, dass sich unsere Methode auf andere Materialien wie Zinn, Selen, Tellur und verwandte Legierungen mit niedrigen Schmelzpunkten übertragen lässt, und es könnte interessant sein, sie für zukünftige flexible elektronische Schaltkreise zu erforschen.“

Als nächstes möchte das Team andere Möglichkeiten erkunden, wie Kompressions- und Spritzgussverfahren zur Herstellung der nächsten Computerchips für Telefone oder Tablets eingesetzt werden können.

„Unsere neuen Teammitglieder bringen spannende Ideen in dieses Projekt ein und wir arbeiten an neuen Techniken, um eine bessere Kontrolle über die Form und Dicke der gewachsenen Bismutkristalle zu erlangen“, sagte Chen. „Dies wird die Art und Weise, wie wir Geräte herstellen, vereinfachen und der Massenproduktion einen Schritt näher kommen.“

Zum Forschungsteam gehörten Mitarbeiter der UC Irvine, des Los Alamos National Laboratory und des National Institute for Materials Science in Japan.