Wissenschaftler rasieren „Haare“ von Nanokristallen, um ihre elektronischen Eigenschaften zu verbessern

Einen ganzen Computer kann man heute in der Tasche tragen, weil die technologischen Bausteine ​​seit den 1950er Jahren immer kleiner werden. Aber um künftige Generationen von Elektronik zu entwickeln – wie leistungsstärkere Telefone, effizientere Solarzellen oder sogar Quantencomputer – müssen Wissenschaftler völlig neue Technologien im kleinsten Maßstab entwickeln.

Ein Interessengebiet sind Nanokristalle. Diese winzigen Kristalle können sich zu vielen Konfigurationen zusammensetzen, aber Wissenschaftler hatten Schwierigkeiten herauszufinden, wie sie sie dazu bringen können, miteinander zu sprechen.

Eine neue Studie stellt einen Durchbruch bei der elektronischen Zusammenschaltung von Nanokristallen vor. Veröffentlicht am 25. März in Wissenschaft, Die Forschung kann die Türen zu zukünftigen Geräten mit neuen Fähigkeiten öffnen.

„Wir nennen diese superatomaren Bausteine, weil sie neue Fähigkeiten verleihen können – zum Beispiel Kameras im Infrarotbereich sehen lassen“, sagte Prof. Dmitri Talapin von der University of Chicago, der korrespondierende Autor der Veröffentlichung. „Aber bisher war es sehr schwierig, sie beide zu Strukturen zusammenzubauen und lass sie miteinander reden. Jetzt müssen wir uns zum ersten Mal nicht entscheiden. Dies ist eine transformative Verbesserung.“

In ihrem Papier legen die Wissenschaftler Designregeln fest, die die Herstellung vieler verschiedener Arten von Materialien ermöglichen sollten, sagte Josh Portner, ein Ph.D. Student der Chemie und einer der Erstautoren der Studie.

Ein kleines Problem

Wissenschaftler können Nanokristalle aus vielen verschiedenen Materialien züchten: Metalle, Halbleiter und Magnete weisen jeweils unterschiedliche Eigenschaften auf. Aber das Problem war, dass jedes Mal, wenn sie versuchten, diese Nanokristalle zu Arrays zusammenzubauen, die neuen Superkristalle mit langen „Haaren“ um sie herum wuchsen.

Diese Haare machten es den Elektronen schwer, von einem Nanokristall zum anderen zu springen. Elektronen sind die Boten der elektronischen Kommunikation; Ihre Fähigkeit, sich leicht fortzubewegen, ist ein wichtiger Bestandteil jedes elektronischen Geräts.

Die Forscher benötigten eine Methode, um die Haare um jeden Nanokristall herum zu reduzieren, damit sie sie dichter packen und die Lücken dazwischen verringern konnten. „Wenn diese Lücken nur um den Faktor drei kleiner sind, ist die Wahrscheinlichkeit, dass Elektronen darüber springen, etwa eine Milliarde Mal höher“, sagte Talapin, Ernest DeWitt Burton Distinguished Service Professor für Chemie und Molekulartechnik an der UChicago und leitender Wissenschaftler bei Argonne National Laboratory. „Es ändert sich sehr stark mit der Entfernung.“

Um die Haare abzurasieren, versuchten sie zu verstehen, was auf atomarer Ebene vor sich ging. Dafür benötigten sie die Hilfe von leistungsstarken Röntgenstrahlen am Center for Nanoscale Materials in Argonne und der Stanford Synchrotron Radiation Lightsource am SLAC National Accelerator Laboratory sowie leistungsstarke Simulationen und Modelle der Chemie und Physik im Spiel. All dies ermöglichte es ihnen zu verstehen, was an der Oberfläche vor sich ging – und den Schlüssel zu finden, um ihre Produktion nutzbar zu machen.

Ein Teil des Prozesses zur Züchtung von Superkristallen erfolgt in Lösung – also in Flüssigkeit. Es stellt sich heraus, dass die Kristalle beim Wachsen eine ungewöhnliche Umwandlung durchlaufen, bei der gasförmige, flüssige und feste Phasen nebeneinander existieren. Indem sie die Chemie in diesem Stadium genau kontrollierten, konnten sie Kristalle mit härteren, schlankeren Äußeren herstellen, die viel dichter zusammengepackt werden konnten. „Das Verständnis ihres Phasenverhaltens war für uns ein gewaltiger Sprung nach vorne“, sagte Portner.

Das gesamte Anwendungsspektrum bleibt unklar, aber die Wissenschaftler können sich mehrere Bereiche vorstellen, in die die Technik führen könnte. „Zum Beispiel könnte vielleicht jeder Kristall ein Qubit in einem Quantencomputer sein; die Kopplung von Qubits in Arrays ist derzeit eine der grundlegenden Herausforderungen der Quantentechnologie“, sagte Talapin.

Portner interessiert sich auch für die Erforschung des ungewöhnlichen Zwischenzustands der Materie, der beim Wachstum von Superkristallen beobachtet wird: „Eine Dreiphasen-Koexistenz wie diese ist selten genug, dass es faszinierend ist, darüber nachzudenken, wie man diese Chemie nutzen und neue Materialien bauen kann.“

An der Studie nahmen Wissenschaftler der University of Chicago, der Technischen Universität Dresden, der Northwestern University, der Arizona State University, des SLAC, des Lawrence Berkeley National Laboratory und der University of California, Berkeley, teil.