Wetenschap
Het nieuwe instrument, ontwikkeld in Brookhaven en in gebruik bij Yale, combineert atomaire krachtmicroscopie (AFM) en scanning near-field optische microscopie om ongekend inzicht te verschaffen in deze complexe nanomaterialen. Krediet:Adrian Gozar
Enkele van de meest veelbelovende en raadselachtige verschijnselen in de natuurkunde spelen zich af op nanoschaal, waar een verschuiving van een miljardste van een meter perfecte elektrische geleidbaarheid kan maken of breken.
Nutsvoorzieningen, wetenschappers hebben een nieuwe methode ontwikkeld om driedimensionale, ingewikkeldheden op atomaire schaal en chemische samenstellingen met ongekende precisie. De doorbraaktechniek - beschreven op 6 februari in het tijdschrift Nano-letters -combineert atoomkrachtmicroscopie met nabije-veldspectroscopie om de verrassende schade bloot te leggen die wordt aangericht door zelfs de meest subtiele krachten.
"Dit is alsof je blinden kunt zien, "Zei hoofdauteur Adrian Gozar van Yale University. "We kunnen eindelijk de allerbelangrijkste variaties zien die functionaliteit op deze schaal dicteren en zowel geavanceerde elektronica als fundamentele vragen die al tientallen jaren bestaan, beter onderzoeken."
Wetenschappers van de Yale University, Harvard universiteit, en het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie ontwikkelden de techniek om te bepalen waarom een bepaalde fabricagetechniek voor apparaten - helium-ionbundellithografie - er niet in slaagde om de schaalbare, goed presterende supergeleidende nanodraden voorspeld door zowel theorie als simulatie.
In eerder werk, zware ionenbundels werden gebruikt om 10 nm brede kanalen te kerven - zo'n 10, 000 keer dunner dan een mensenhaar - door op maat gemaakte materialen. Echter, de nieuwe studie onthulde door de bundel veroorzaakte schade die meer dan 50 keer die afstand kabbelde. Op deze schaal, dat verschil was zowel onmerkbaar als functioneel catastrofaal.
"Dit pakt direct de uitdaging van kwantumcomputing aan, bijvoorbeeld, waar bedrijven zoals IBM en Google supergeleidende nanodraden onderzoeken, maar betrouwbare synthese en karakterisering nodig hebben, " zei co-auteur van de studie en Brookhaven Lab-fysicus Ivan Bozovic.
Schrijven met ionen
Een veelbelovend ontwerp voor supergeleidende apparaten voor hoge temperaturen zijn afwisselende supergeleider-isolator-supergeleider (SIS) -interfaces - of zogenaamde Josephson-overgangen. Deze zijn in theorie eenvoudig te fabriceren door direct straalschrijven, ervan uitgaande dat voldoende nauwkeurigheid kan worden bereikt.
Helium-ionenbundellithografie (HIB) was een perfecte kandidaat, recentelijk bewezen in vergelijkbare materialen en zeer geschikt voor snelle en schaalbare productie van supergeleidende nanodraden en Josephson-juncties.
"HIB stelt ons in staat de deeltjesbundel te focussen tot minder dan een enkele nanometer en effectief patronen te 'schrijven' om supergeleidende interfaces te creëren, " zei Nicholas Litombe, die het HIB-werk leidde onder leiding van professor Jenny Hoffman van Harvard, een co-auteur van deze studie. "We wilden die techniek verschuiven naar een andere klasse materialen:LSCO dunne films."
De samenwerking begon met de nauwgezette assemblage van perfecte dunne LSCO-films - zo genoemd naar hun gebruik van lanthaan, strontium, koper, en zuurstof. Bozovic's groep in Brookhaven gebruikte een techniek genaamd atomaire laag-voor-laag moleculaire bundel epitaxie, die atomair perfecte supergeleidende films en heterostructuren kunnen creëren.
"Ik heb een langdurige interesse en specialisatie in het gebruik van interfasefysica om supergeleiding bij hoge temperaturen te induceren en te begrijpen, " zei Bozovic. "HIB geeft ons een geheel nieuwe manier om deze materialen op nanoschaal te onderzoeken."
Litombe sneed de ultraprecieze interfacekanalen in de dunne films van Bozovic. Maar de onmiddellijke resultaten waren ontmoedigend:de verwachte supergeleiding werd volledig onderdrukt toen stroom door draden liep die smaller waren dan een paar honderd nanometer.
De ruwe, heldere vlekken onthullen details van de nooit eerder geziene schade die is aangericht door de heliumionenstraal die wordt gebruikt om kanalen te kerven in een poging de voorwaarden voor supergeleiding te creëren. Krediet:Brookhaven National Laboratory
"Onze computermodellen en experimentele resultaten zagen er allemaal uitstekend uit, maar we wisten dat er verborgen krachten aan het werk waren, " zei Litombe. "We hadden een dieper inzicht nodig in de materiële structuur."
Cryogene bliksemafleider
Materiaalsamenstelling en elektronische eigenschappen kunnen worden bepaald door de manier waarop ze licht absorberen en uitstralen - een al lang bestaand veld dat spectroscopie wordt genoemd. In het geval van supergeleiding, dit kan onderscheid maken tussen het "glanzende" oppervlak van een geleidend metaal versus de saaiheid van een stroomonderbrekende isolator.
De wetenschappers wendden zich tot scanning near-field optische microscopie (SNOM) om de spectroscopische glans op de HIB-routes te onderzoeken. Maar deze techniek, die licht door een verguld glazen capillair leidt, heeft een resolutielimiet van ongeveer 100 nanometer - veel te groot om de supergeleidende interfaces op nanoschaal te onderzoeken.
Gelukkig, Gozar bouwde een gespecialiseerd instrument om de spectroscopische resolutie radicaal te verhogen. De machine, volledig gebouwd in Brookhaven Lab en nu gehuisvest in Yale, combineert SNOM met atomaire krachtmicroscopie (AFM). Als de naald van een platenspeler die geluid extraheert uit de textuur van vinyl, een AFM-naald reist over een materiaal en leest de atomaire topografie.
"Hier, de AFM-naald werkt als een bliksemafleider, het SNOM-licht kanaliseren tot slechts tientallen nanometers, "Zei Gozar. "We hebben gelijktijdige AFM-topografie en spectroscopische gegevens over de diepe chemische structuren."
Cruciaal, Het AFM-SNOM-systeem van Gozar werkt ook bij de cryogene temperaturen die nodig zijn om deze materialen te testen - een mogelijkheid die slechts in enkele laboratoria ter wereld wordt aangeboden.
Wijdverbreide ruïne
De nieuwe techniek onthulde de onverwachte en wijdverbreide schade die was achtergebleven in het kielzog van de heliumionen. Ondanks de 0,5 nanometer focus van de straal, de effecten deden atomen rammelen over een spreiding van 500 nanometer en veranderden de structuur voldoende om supergeleiding te voorkomen. Voor constructie van nanomaterialen, deze zogenaamde laterale straggle is volkomen onhoudbaar.
"Zelfs het kleinste duwtje op deze schaal vernietigt de krachtige fenomenen die we willen exploiteren, "Zei Litombe. "Supergeleiding bij hoge temperaturen kan een coherentieafstand hebben van slechts enkele atomen, dus dit laterale effect is verwoestend. We zijn, natuurlijk, nog steeds opgewonden om de nooit eerder vertoonde details te verkennen."
Bozovic toegevoegd, "In een zin, het hele resultaat was negatief. Ons aanvankelijke doel om supergeleidende draden van nanometer dik te maken, werd niet volledig bereikt. Maar uitzoeken waarom heeft een aantal echt opwindende deuren geopend."
De SNOM-AFM-techniek is goed toepasbaar op gebieden zoals plasmonics voor weergavetechnologie en de studie van het mechanisme achter supergeleiding bij hoge temperaturen.
"De resolutie op nanoschaal en de tomografische mogelijkheden van het instrument, ons op het punt staat nieuwe waarheden te ontdekken over fenomenen op nanoschaal en de technologie die het mogelijk maakt, ' zei Gozar.
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com