Onderzoekers van de Faculteit der Natuurkunde van de Universiteit van Wenen hebben in samenwerking met collega's van het Oak Ridge National Laboratory in de VS een niet-destructief mechanisme ontdekt om donoronzuiverheden in silicium te manipuleren met behulp van gerichte elektronenbestraling. In dit nieuwe indirecte uitwisselingsproces zijn niet één maar twee naburige siliciumatomen betrokken bij een gecoördineerde atomaire "wals, ", wat een pad kan openen voor de fabricage van solid-state qubits. De resultaten zijn gepubliceerd in de Journal of Physical Chemistry .

Technische materialen op atomaire schaal is een ultiem doel van nanotechnologie. Bekende voorbeelden van atoommanipulatie met scanning tunneling microscopie variëren van de constructie van kwantumkoralen tot herschrijfbare atoomgeheugens. Echter, terwijl gevestigde scanning-sondetechnieken capabele hulpmiddelen zijn voor de manipulatie van oppervlakte-atomen, ze kunnen het grootste deel van het materiaal niet bereiken vanwege de noodzaak om een ​​fysieke punt in contact te brengen met het monster en vereisen gewoonlijk bediening en opslag bij cryogene temperaturen.

Recente ontwikkelingen in scanning-transmissie-elektronenmicroscopie (STEM) hebben de belangstelling gewekt voor het gebruik van een elektronenbundel voor atoommanipulatie, en Wenen is wereldwijd uitgegroeid tot een van de leidende knooppunten van dit onderzoek. "De unieke kracht van deze techniek is het vermogen om niet alleen toegang te krijgen tot oppervlakte-atomen, maar ook tot onzuiverheden in dunne bulkkristallen. Dit is niet alleen een theoretische mogelijkheid:de eerste proof-of-principle-manipulatie van bismut-doteermiddelen in silicium werd onlangs aangetoond door onze Amerikaanse medewerkers, " legt Toma Susi uit.

Het nieuwe gezamenlijke werk is een systematische modelleringsstudie naar de elektronenbundelmanipulatie van groep V-doteringselementen in silicium. Cruciaal, het Weense team ontdekte een nieuw soort mechanisme dat ze indirecte uitwisseling noemen, waar niet één maar twee naburige siliciumatomen betrokken zijn bij een gecoördineerde atomaire "wals, " wat verklaart hoe elektroneninslagen deze onzuiverheden binnen het grootste deel van het siliciumrooster kunnen verplaatsen. "Hoewel dit mechanisme alleen werkt voor de twee zwaardere donorelementen, bismut en antimoon, het was cruciaal om te ontdekken dat het niet-destructief is, omdat er geen atomen uit het rooster verwijderd hoeven te worden, "Alexander Markevich voegt eraan toe.

Als een verdere experimentele vooruitgang, het team was voor het eerst in staat om de mogelijkheid aan te tonen om antimoononzuiverheden in silicium te manipuleren met behulp van STEM. De precieze positionering van doteringsatomen in kristalroosters zou nieuwe toepassingen mogelijk kunnen maken op gebieden zoals solid-state sensing en kwantumberekening. Dit kan opwindende gevolgen hebben, zoals Susi concludeert:"Heel recent, antimoondoteringsmiddelen in silicium werden gesuggereerd als veelbelovende kandidaten voor vaste-stof-spinqubits, en ons werk kan een pad openen voor hun deterministische fabricage."