Tweedimensionale (2-D) halfgeleiders zijn veelbelovend voor kwantumcomputers en toekomstige elektronica. Nutsvoorzieningen, onderzoekers kunnen metallisch goud omzetten in halfgeleiders en het materiaal atoom voor atoom aanpassen op boornitride-nanobuisjes.

Goud is een geleidend materiaal dat al veel wordt gebruikt als verbindingen in elektronische apparaten. Omdat elektronica kleiner en krachtiger is geworden, de betrokken halfgeleidende materialen zijn ook gekrompen. Echter, computers zijn zo klein mogelijk geworden met bestaande ontwerpen - om de barrière te doorbreken, onderzoekers duiken in de fysica die ten grondslag ligt aan kwantumcomputers en het ongewone gedrag van goud in de kwantummechanica.

Onderzoekers kunnen goud omzetten in halfgeleidende kwantumstippen gemaakt van een enkele laag atomen. Hun energiekloof, of bandgap, wordt gevormd door de kwantumopsluiting - een kwantumeffect wanneer materialen zich als atomen gedragen omdat hun afmetingen zo klein worden en de moleculaire schaal naderen. Deze 2-D gouden quantum dots kunnen worden gebruikt voor elektronica met een bandgap die atoom-voor-atoom afstembaar is.

Het maken van de stippen met een monolaag van atomen is lastig en de grotere uitdaging is het aanpassen van hun eigenschappen. Wanneer neergelegd op boornitride nanobuisjes, onderzoekers van de Michigan Technological University hebben ontdekt dat ze gouden kwantumstippen kunnen krijgen om het bijna onmogelijke te doen. De mechanismen achter het krijgen van gouden stippen om atoom voor atoom samen te klonteren, is de focus van hun nieuwe paper, onlangs gepubliceerd in ACS Nano .

Yoke Khin Yap, hoogleraar natuurkunde aan Michigan Tech, leidde de studie. Hij legt uit dat het gedrag dat zijn team heeft waargenomen - manipulatie op atomair niveau van gouden kwantumstippen - kan worden gezien met een scanning transmissie-elektronenmicroscoop (STEM). De krachtige elektronenbundel van de STEM stelt onderzoekers zoals Yap in staat om atomaire bewegingen in realtime te bekijken en het zicht onthult hoe goudatomen interageren met het oppervlak van boornitride-nanobuizen. In principe, de goudatomen glijden langs het oppervlak van de nanobuisjes en, ze stabiliseren in een hover net boven de zeshoekige honingraat van de boornitride-nanobuisjes.

Het atomaire skiën en stoppen is gerelateerd aan de zogenaamde energieselectieve depositie. In het labortorium, het team neemt een reeks boornitride-nanobuisjes en laat er een met goud beladen mist langs lopen; de goudatomen in de mist blijven ofwel plakken als meerlagige nanodeeltjes of stuiteren op de nanobuis, maar sommige van de meer energetische exemplaren glijden langs de omtrek van de nanobuis en stabiliseren, dan beginnen te klonteren in monolagen van gouden kwantumstippen. Het team laat zien dat goud zich bij voorkeur afzet achter andere gouddeeltjes die zich hebben gestabiliseerd.

"Het oppervlak van boornitride-nanobuisjes is atomair glad, er zijn geen gebreken aan het oppervlak, het is een netjes gerangschikte honingraat, "Jaap zei, eraan toevoegend dat de nanobuisjes chemisch inert zijn en dat er geen fysieke binding is tussen de nanobuisjes en goudatomen. "Het lijkt veel op skiën:je kunt niet skiën op een hobbelige en plakkerige heuvel zonder sneeuw, ideale omstandigheden maken het veel beter. Het gladde oppervlak van de nanobuisjes is als vers poeder."

De zoektocht naar nieuwe materialen voor toekomstige elektronica en kwantumcomputers heeft onderzoekers op vele paden geleid. Yap hoopt dat door de effectiviteit van goud aan te tonen, andere onderzoekers zullen worden geïnspireerd om op moleculaire schaal aandacht te besteden aan andere metaalmonolagen.

"Dit is een droom nanotechnologie, " Zei Yap. "Het is een technologie op moleculaire schaal die kan worden afgesteld per atoom met een ideale bandgap in de zichtbare lichtspectra. Er is veel belofte in elektronische en optische apparaten."

De volgende stappen van het team omvatten verdere karakterisering en het integreren van de fabricage van apparaten om volledig metalen elektronica te demonstreren. Mogelijk, monolagen van metaalatomen zouden het geheel van toekomstige elektronica kunnen vormen, wat veel productie-energie en materialen zal besparen.