Wetenschappers hebben onlangs een lichtgestuurde nanoschakelaar ontwikkeld om de basis te leggen voor de ontwikkeling van atomaire apparaten in nanotechnologie. Ze ontwikkelden de schakelaars op nanoschaal in een eerste stap naar volledig geïntegreerde miniaturisatie van elektronische apparaten. Het multidisciplinaire onderzoek werd uitgevoerd door Weiqiang Zhang en medewerkers, en een internationaal team van medewerkers. De resultaten van het onderzoek zijn nu gepubliceerd in Licht:wetenschap en toepassingen .

In de methode ontwikkeld door Zhang et al. licht kan worden gebruikt om de elektrische geleiding op de kruising tussen gouden nano-elektroden te regelen door elektronen op het elektrode-oppervlak te verwarmen, in een techniek die bekend staat als 'plasmonische verwarming'. Ze valideerden de experimentele mechanismen met behulp van simulaties. Het onderzoeksteam breidde elektroden uit via plasmonische verwarming om de opening te dichten en de schakelaar aan te zetten, de weg vrijmaken om op nanoschaal transistors met één molecuul en op nanoporiën gebaseerde biosensoren te bouwen.

Moleculaire knooppunten werden eerder onderzocht als een benadering om nanoschakelaars te bouwen door gebruik te maken van fotochrome (lichtgevoelige) moleculen die schakelden tussen twee verschillende isovormen. Het huidige werk van Zhang et al. contrasterend gedemonstreerd gedrag van geleidbaarheidsschakelaars alleen met een blank metalen contact, onder lichte verlichting, zonder moleculen. Ze demonstreerden de geleiding van kale metalen kwantumcontacten als omkeerbare schakelaars over acht ordes van grootte om de prestaties van de vorige moleculaire schakelaars aanzienlijk te overtreffen. De wetenschappers waren in staat om de spleetgrootte tussen de twee elektroden na het schakelproces met sub-angstrom-nauwkeurigheid aan te passen, door de lichtintensiteit of polarisatie te regelen.

Het ontwerpen van elektronische apparaten met behulp van functionele bouwstenen op atomaire schaal is een belangrijke drijvende kracht in nanotechnologie om sleutelelementen in elektronische circuits te vormen, die voorheen werden geminiaturiseerd met behulp van mechanische tunneling, bias spanning/stroom werking en elektrochemie. Eerdere studies deden dat niet, echter, het concept van atomaire schakelaars die worden bestuurd door plasmonische verwarming aan de orde stellen. Oppervlakteplasmonen zijn coherente gedelokaliseerde elektronenoscillaties op het grensvlak tussen twee materialen die metalen nanostructuren vormen, die kan worden geconcentreerd in de subgolflengte-openingen tussen de materialen. In principe, wanneer de resonantiefrequentie van oppervlakteplasmonen overeenkomt met de frequentie van het invallende licht, de plasmonresonantie wordt geëxciteerd om sterke lichtabsorptie en aanzienlijke plasmonische verwarming te produceren.

In de huidige studie, Zhang et al. gebruikte dit principe om te laten zien hoe een metalen, contact op atomaire schaal kan betrouwbaar worden bediend als een geleidbaarheidsschakelaar door gecontroleerde verlichting van licht. Om het metalen contact op atomaire schaal te ontwikkelen, hebben ze een metalen nanodraad nauwkeurig uitgerekt met behulp van de mechanisch regelbare breekjunctie. Toen ze de doorsnede van de metaaldraad reduceerden tot enkele nanometers of enkele atomen, de diameter werd vergelijkbaar met de Fermi-golflengte van de elektronen, waardoor kwantummechanische effecten de eigenschappen van elektronentransport sterk kunnen beïnvloeden. Met behulp van deze principes, Zhang et al. liet zien hoe de geleiding van een atomair goudcontact kon worden omgeschakeld van een paar quanta van geleiding naar honderden quanta, en vice versa met lichte verlichting. De wetenschappers waren in staat om de metalen kwantumcontacten omkeerbaar te schakelen tussen de open en gesloten toestand door de lichtintensiteit te regelen. Ze creëerden een nanogap tussen de kwantumcontacten waarbinnen coherente tunneling het elektronentransport regelde.

Hoewel het genereren van een nanogap cruciaal was om apparaten op basis van één molecuul te fabriceren, het ontwerpen van een aanpasbare spleet op atomaire schaal is een grote uitdaging gebleven. Hoewel vaste spleetmaten na de fabricage niet konden worden aangepast, de spleetgrootte kan gemakkelijk en continu worden aangepast door plasmonische verwarming met een resolutie van sub-angstrom, zoals aangetoond door Zhang en het onderzoeksteam.

Voor deze, ze gebruikten een commerciële light-emitting diode (LED) lamp als lichtbron in de experimenten met een AC-adapter om de intensiteit van het licht continu te regelen. De experimentele opstelling vereiste geen speciale optische hardware of krachtige laserbronnen. Ze gebruikten een in de handel verkrijgbare gouddraad met een vernauwing in het midden op een verenstalen substraat om de nanocontacten te construeren. Gebruik vervolgens een 'mechanisch regelbare breekjunctie' (MCBJ), de wetenschappers rekten de vernauwing uit door het substraat te buigen, en observeerde het met scanning elektronenmicroscopie (SEM) beelden. Daarna, de wetenschappers verkleinden de dwarsdoorsnede van de vernauwing om twee afzonderlijke elektroden te vormen. Toen ze het licht aan deden, de geleiding nam toe en af ​​wanneer het licht werd uitgeschakeld; de grote geleidbaarheid als gevolg van lichte verlichting verbond de twee gescheiden elektroden sterk opnieuw.

De wetenschappers analyseerden het fenomeen op het niveau van atomaire rangschikking, bij lichte verlichting. Ze toonden aan dat de nanogaps een sterke absorptie van licht hadden in de zichtbare en nabij-infraroodgebieden als gevolg van gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonanties (LSPR). Toen de frequentie van het LED-licht overeenkwam met de oscillatiefrequentie van de vrije elektronen en het elektromagnetische veld aan de punt van de elektroden, de LSPR rond het gat was opgewonden. Het geabsorbeerde licht werd vervolgens omgezet in thermische energie, wat de uitzetting van de nano-elektrode en hun herverbinding veroorzaakte. De conductantie bereikte zijn maximale waarde toen het systeem in thermisch evenwicht was. Toen het licht uitging, de elektronen scheidden zich weer af.

Om te begrijpen hoe geleiding afhing van de lichtintensiteit, de wetenschappers voerden experimenten uit waarbij de maximale lichtintensiteit binnen elke verlichte cirkel geleidelijk toenam. Zhang et al. toonde aan dat de maximale geleiding in elke cirkel ongeveer lineair toenam met de intensiteit van het licht. Ze verkregen herhaalbare gegevens van de stroom als functie van de lichtintensiteit en lieten zien hoe de geleidbaarheid van kwantumcontact, kan worden geregeld door de intensiteit van het licht.

Zhang et al. heeft ook waargenomen hoe de nanogap-grootte precies door licht kan worden gemoduleerd door aan te tonen dat de geleiding in het tunnelgebied kan worden gewijzigd, tussen de opening van de twee elektroden, door het LED-licht te regelen. Toen de lichtintensiteit was vastgesteld, ze konden de tunnelstroom langer constant houden. De wetenschappers schatten de afstand tussen de twee elektroden met behulp van de Simmons-vergelijking; gebruikt om de relatie tussen de tunnelstroom en de grootte van de tunnelspleet te beschrijven. Ze konden daardoor de afstand tussen de twee gescheiden elektroden nauwkeurig regelen met sub-angstrom-nauwkeurigheid met behulp van de lichtintensiteit.

Om te bevestigen dat de oorsprong van het schakelgedrag plasmon-geïnduceerde verwarming in de plasmonische systemen op nanoschaal was, de wetenschappers onderzochten het verstrooiingsspectrum van de MCBJ-monsters om de frequentie van plasmonische resonantie te onthullen. De resultaten gaven aan dat de geleidingsverandering verband hield met de uitzetting van de elektroden als gevolg van plasmonische verwarming. Zhang et al. voerde ook eindige-elementenmethode-simulaties uit om de uitzetting van de elektroden te schatten en de verdeling van het elektrisch veld op te lossen, temperatuurverdeling en thermische uitzetting bij lichtverlichting, met behulp van het COMSOL Multiphysics programmapakket. De simulatie berekende de maximale verplaatsing van de elektroden als ongeveer 0,4 nm. Zhang et al. konden de schakelfrequentie verder optimaliseren door de karakteristieke afmetingen voor warmteoverdracht te optimaliseren. Op deze manier, de wetenschappers hebben experimenteel bewezen dat atomaire schakelaars snel kunnen worden bediend via plasmonische verwarming.

Het werk demonstreerde de atomaire geometrie van metalen kwantumcontacten die konden worden gemoduleerd met licht en het vermogen om de schakelaar om te keren (aan/uit, vice versa) hun geleiding met behulp van plasmonische verwarming. Terwijl de atoom-voor-atoom scheiding van elektroden duidelijk werd waargenomen, ze kunnen ook de grootte van de opening aanpassen, tussen de elektroden bij sub-angstrom resolutie door de intensiteit van het licht te regelen. Zhang et al. toonde aan dat het plasmon mogelijk de diffractielimiet van licht kan doorbreken om nanofocusing te realiseren, om de plasmon-gecontroleerde atomaire schakelaar over te dragen om sterk geïntegreerde nanodevices te realiseren; een nieuwe weg openen om nano-elektronische apparaten te ontwikkelen.

© 2019 Wetenschap X Netwerk