Atomic engineering kan selectief specifieke dynamiek induceren op enkele atomen, gevolgd door gecombineerde stappen om daarna grootschalige assemblages te vormen. In een nieuwe studie die nu is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , Cong Su en een internationale, interdisciplinair team van wetenschappers in de afdelingen Materiaalkunde, Elektronica, Natuurkunde, Nanowetenschap en opto-elektronische technologie; onderzocht eerst de eenstapsdynamiek van grafeendoteringsmiddelen. Vervolgens ontwikkelden ze een theorie om de waarschijnlijkheid van configuratie-uitkomsten te beschrijven op basis van het momentum van een primair knock-on-atoom na een botsing in een experimentele opstelling. Su et al. toonde aan dat de voorspelde vertakkingsverhouding van configuratietransformatie goed overeenkwam met de experimenten met één atoom. De resultaten suggereren een manier om de dynamiek van één atoom te beïnvloeden tot een resultaat van belang en zullen de weg effenen voor het ontwerpen en opschalen van atomaire engineering met behulp van elektronenbestraling.

Het beheersen van de exacte atomaire structuur van materialen is een ultieme vorm van atomaire engineering. Atoommanipulatie en atoom-voor-atoom-assemblage kunnen functionele structuren creëren die synthetisch moeilijk te realiseren zijn door de atomaire doteermiddelen precies te positioneren om de eigenschappen van koolstofnanobuizen en grafeen te wijzigen. Bijvoorbeeld, in kwantuminformatica, stikstof (N) of fosfor (P) doteermiddelen kunnen worden opgenomen vanwege hun niet-nul kernspin. Om met succes experimentele atomaire engineering uit te voeren, wetenschappers moeten (1) begrijpen hoe wenselijke lokale configuratieveranderingen kunnen worden geïnduceerd om de snelheid en het succespercentage van controle te verhogen, en (2) de basiseenheidsprocessen opschalen tot haalbare structurele assemblages met 1 tot 1000 atomen om de gewenste functionaliteit te produceren.

Onderzoekers hadden eerder scanning tunneling microscopie gebruikt om goede, stapsgewijze controle van afzonderlijke atomen om fysisch-chemische inzichten en technische vooruitgang te verkrijgen. Echter, de schaalbaarheid en doorvoer van de techniek werd ernstig beperkt door mechanische sondebewegingen en daarom introduceerden onderzoekers aberratie-gecorrigeerde scanning transmissie-elektronenmicroscopie (STEM) als een veelzijdig hulpmiddel om de precieze atomaire structuur van materialen te karakteriseren. Hoewel nog in een vroeg stadium van ontwikkeling, de techniek toont een grotere belofte om materialen op het niveau van atomen te beheersen. In tweedimensionaal (2-D) grafeen, bijvoorbeeld, siliciumdoteermiddelen konden stapsgewijs worden geregeld om basisstappen te herhalen die de beweging over lange afstand met hoge doorvoer mogelijk maakten. Vergelijkbare resultaten werden ook waargenomen in een 3D-siliciumkristal.

Met op STEM gebaseerde atomaire engineering willen de wetenschappers de elektronenbundel gebruiken en een gewenste configuratieverandering bereiken. Nadelen van de methode zijn onder meer een onnauwkeurig begrip van relativistische elektron-kernbotsingen, elektronische opwinding en ontspanning, dynamische ionentrajecten en toegevoegde onzekerheden.

In het huidige werk, Su et al. gebruikte STEM om de beweging van atomen in individuele fosfor (P) doteermiddelen in grafeen aan te sturen en te identificeren. Gevolgd door het construeren van een theoretisch schema om de relatieve waarschijnlijkheden van de doteermiddelen te testen, vergeleken met elektronenenergie en momentumdetectie. Ze categoriseerden de dynamiek in vier groepen:

1. Directe atomaire uitwisseling
2. Steen-Wales overgang die de atomen in stand hield (waardoor belangrijke chemische, veranderingen in elektrische en mechanische eigenschappen als gevolg van atomaire herschikking.)
3. Knock-out van een koolstof C-buur, en
4. Vervanging van het doteringsatoom door koolstof C, waardoor de lokale samenstelling van het materiaal niet behouden bleef.

De wetenschappers gebruikten een elektronenbundel van 60 eV en maximaliseerden de snelheden van directe uitwisseling en SW-overgang tijdens elektron-atoombotsing. Su et al. gebruikte koolstof als het primaire knock-on-atoom (PKA) in de experimenten en handhaafde een post-elektronbotsingsenergie van de PKA in de orde van 10 eV. In de experimenten, ze richtten de elektronenstraal niet direct op de doteringsstof zelf, in plaats daarvan gericht op de koolstofbuur van de doteerstof.

Su et al. ontwikkelde vervolgens een theoretisch schema in de studie die bekend staat als een "primaire knock-on-space" (PKS) om de relatieve verstrooiingsdoorsneden van verschillende door elektronen geïnduceerde dynamica te schatten. De resultaten kunnen worden gevarieerd vanwege de kanteling van het monster of de elektronenstraal om selectief het gewenste resultaat te activeren. De wetenschappers zorgden voor aanvullende experimentele verificatie van de berekeningen, nieuwe wegen openen voor atomaire engineering met gerichte elektronenbestraling.

In praktijk, wetenschappers willen atomen en hun elektronische of nucleaire toestanden nauwkeurig controleren voor toepassingen in atoomklokken en atomaire geheugenapparaten. De langetermijnvisie van atomaire engineering is om individuele atomen nauwkeurig in de gewenste interne toestanden te positioneren, inclusief nucleaire spin, beeld en controleer vervolgens de atoomassemblages van 1 tot 1000 atomen.

Su et al. realiseerde verschillende atomaire dynamica in het huidige werk, die ze categoriseerden als atoombesparende dynamiek (gewenst) of atoom niet-conserverende dynamiek (niet gewenst). Voor atoombesparende dynamiek, ze omvatten (A) de directe uitwisseling tussen fosfor (doteringsstof) en koolstof. (B) SW-overgang met 90 graden rotatie van een PC-binding, waar de atoombesparende dynamiek een koolstof-knock-out omvatte. Dan voor atoom niet-conserverende dynamiek, de wetenschappers omvatten (C) knock-out van PKA met behulp van een elektronenstraal en (D) vervanging van het doteringsatoom.

Om de atomaire processen uit te leggen, de wetenschappers voerden uitgebreide ab-initio moleculaire dynamica (abMD) simulaties en klimmen-beeld nudged elastische band (cNEB) berekeningen uit. Ze visualiseerden de verdeling van een verscheidenheid aan P-doteringsdynamiek in overeenstemming met de initiële kinetische energieën na de botsing van de PKA in grafeen. De wetenschappers veroorzaakten een reeks botsingen met gefocuste elektronen via simulatie, verwacht experimenteel te komen tot een vooraf ontworpen configuratie door de elektronenbundels te regelen voor atomaire configuratie-evolutie, met relatief gemak.

In de studie, de wetenschappers begonnen met een initiële configuratietoestand I _initieel dat precies werd afgebeeld in zijn gewenste traject van tussenconfiguraties om uiteindelijk te komen tot I _laatste ; net als een Rubiks kubus, maar met waarschijnlijkheden. Su et al. balanceerde het "risico" en "snelheid" bij het spelen van het spel, aangezien het atomaire systeem valtoestanden zou kunnen bevatten (I _val ) om de aankomst van atomaire configuratie naar I . ernstig te vertragen _laatste of de verwezenlijking ervan onwaarschijnlijk maken. De wetenschappers vergeleken ook de probabilistische aard van het proces met een potje voetbal; waar ze de computationele voorspelling en de absolute overgangssnelheid gebruikten om het totale risico / snelheidsverlies in het experiment optimaal te construeren.

Aangezien het proces van het voorspellen en vergelijken van de verstrooiingsdwarsdoorsneden van dynamische processen essentieel is voor atomaire engineering, Su et al. ontwikkelde een PKS (primary knock-on-space) formalisme. Op basis hiervan, de wetenschappers toonden aan dat de momentumverdeling van PKA een eivormig profiel had na een elektronenbotsing, waar de vorm veranderde ten opzichte van de energie en richting van een inkomend elektron en als gevolg van pre-collision momentum van het atoom. De wetenschappers stellen het gebruik van machine learning en kunstmatige intelligentie voor, om de unit- en montageprocessen in de toekomst te begrijpen. In het huidige werk, de wetenschappers gebruikten een beslisboom om de mogelijke paden van evolutie te voorspellen tijdens atomaire engineering, waarbij het hoofdknooppunt de initiële structuur aangaf en onderliggende knooppunten de volgende mogelijke uitkomsten afleidden.

Op deze manier, Su et al. onthulde de fysica van atomaire engineering en gebruikte een computationeel / analytisch raamwerk als basis om verdere technieken te ontwikkelen om de dynamiek van één atoom in 3D-materialen te regelen. De wetenschappers streven ernaar om uiteindelijk meerdere atomen op te schalen, beginnend bij het enkele atoom om 1-1000 atomen in een gewenste configuratie te assembleren met hoge snelheid en efficiëntie.

© 2019 Wetenschap X Netwerk