Controle is een constante uitdaging voor materiaalwetenschappers, die altijd op zoek zijn naar het perfecte materiaal - en de perfecte manier om het te behandelen - om precies de juiste elektronische of optische activiteit op te wekken die nodig is voor een bepaalde toepassing.

Een belangrijke uitdaging voor het moduleren van de activiteit in een halfgeleider is het beheersen van de band gap. Wanneer een materiaal wordt geëxciteerd met energie, zeggen, een lichtpuls, hoe groter de band gap, hoe korter de golflengte van het licht dat het uitzendt. Hoe kleiner de bandgap, hoe langer de golflengte.

Omdat elektronica en de apparaten die ze bevatten – smartphones, laptops en dergelijke - zijn steeds kleiner geworden, de halfgeleidertransistors die ze aandrijven zijn zo gekrompen dat ze niet veel groter zijn dan een atoom. Veel kleiner kunnen ze niet worden. Om deze beperking te overwinnen, onderzoekers zoeken naar manieren om gebruik te maken van de unieke kenmerken van atomaire clusterarrays op nanoschaal - bekend als kwantumdot-superroosters - voor het bouwen van elektronica van de volgende generatie, zoals grootschalige kwantuminformatiesystemen. In het kwantumrijk, precisie is nog belangrijker.

Nieuw onderzoek uitgevoerd door UC Santa Barbara's Department of Electrical and Computer Engineering onthult een grote vooruitgang in precisie-superroostermaterialen. De bevindingen van professor Kaustav Banerjee, zijn doctoraat studenten Xuejun Xie, Jiahao Kang en Wei Cao, postdoctoraal onderzoeker Jae Hwan Chu en medewerkers van Rice University verschijnen in het tijdschrift Natuurwetenschappelijke rapporten .

Het onderzoek van hun team maakt gebruik van een gefocusseerde elektronenstraal om een ​​grootschalig kwantumdot-superrooster te fabriceren waarop elke kwantumdot een specifieke, vooraf bepaalde grootte heeft, gepositioneerd op een precieze locatie op een atomair dunne plaat van tweedimensionaal (2-D) halfgeleidermolybdeen disulfide (MoS2). Wanneer de gefocusseerde elektronenbundel interageert met de MoS2-monolaag, het verandert dat gebied - dat in de orde van grootte van een nanometer is - van halfgeleidend in metaal. De kwantumdots kunnen minder dan vier nanometer uit elkaar worden geplaatst, zodat ze een kunstmatig kristal worden - in wezen een nieuw 2D-materiaal waar de bandgap op bestelling kan worden gespecificeerd, van 1,8 tot 1,4 elektronvolt (eV).

Dit is de eerste keer dat wetenschappers een 2D-superrooster met een groot oppervlak hebben gemaakt - atomaire clusters op nanoschaal in een geordend raster - op een atomair dun materiaal waarop zowel de grootte als de locatie van kwantumstippen nauwkeurig worden gecontroleerd. Het proces creëert niet alleen verschillende kwantumstippen, maar kan ook rechtstreeks worden toegepast op grootschalige fabricage van 2D-quantumdot-superroosters. "Wij kunnen, daarom, de algemene eigenschappen van het 2D-kristal veranderen, ' zei Banerjee.

Elke kwantumstip fungeert als een kwantumbron, waar elektron-gat-activiteit plaatsvindt, en alle punten in het raster zijn dicht genoeg bij elkaar om interactie te garanderen. De onderzoekers kunnen de afstand en grootte van de stippen variëren om de bandafstand te variëren, dat bepaalt de golflengte van het licht dat het uitzendt.

"Door deze techniek te gebruiken, we kunnen de band gap aanpassen aan de toepassing, " Banerjee zei. Quantum dot superroosters zijn op grote schaal onderzocht voor het maken van materialen met afstembare bandafstanden, maar ze zijn allemaal gemaakt met behulp van "bottom-up" -methoden waarbij atomen van nature en spontaan combineren om een ​​macro-object te vormen. Maar die methoden maken het inherent moeilijk om de roosterstructuur naar wens te ontwerpen en, dus, om optimale prestaties te bereiken.

Als voorbeeld, afhankelijk van de omstandigheden, het combineren van koolstofatomen levert slechts twee resultaten op in de bulk (of 3-D) vorm:grafiet of diamant. Deze zijn niet te 'tunen' en kunnen er dus ook niets tussen maken. Maar als atomen precies kunnen worden gepositioneerd, het materiaal kan worden ontworpen met de gewenste eigenschappen.

"Onze aanpak overwint de problemen van willekeur en nabijheid, controle over de band gap en alle andere kenmerken die u van het materiaal wilt hebben - met een hoge mate van precisie, " zei Xie. "Dit is een nieuwe manier om materialen te maken, en het zal vele toepassingen hebben, vooral in kwantumcomputer- en communicatietoepassingen. De stippen op het superrooster liggen zo dicht bij elkaar dat de elektronen gekoppeld zijn, een belangrijke vereiste voor quantum computing."

De kwantumstip is theoretisch een kunstmatig 'atoom'. De ontwikkelde techniek maakt een dergelijk ontwerp en "tuning" mogelijk door top-down controle over de grootte en de positie van de kunstmatige atomen op grote schaal mogelijk te maken.

Om het bereikte controleniveau aan te tonen, de auteurs produceerden een afbeelding van "UCSB" gespeld in een raster van kwantumstippen. Door verschillende doses van de elektronenstraal te gebruiken, ze waren in staat om verschillende delen van de initialen van de universiteit op verschillende golflengten te laten oplichten.

"Als je de dosis van de elektronenstraal verandert, je kunt de grootte van de kwantumstip in de lokale regio wijzigen, en als je dat eenmaal doet, u kunt de bandafstand van het 2D-materiaal regelen, Banerjee legde uit. "Als je zegt dat je een band gap van 1,6 eV wilt, Ik kan het je geven. Als je 1,5 eV wilt, Ik kan dat doen, te, beginnend met hetzelfde materiaal."

Deze demonstratie van afstembare directe bandgap zou een nieuwe generatie lichtgevende apparaten voor fotonica-toepassingen kunnen inluiden.