Wetenschappers van de National University of Singapore (NUS) hebben een conceptuele doorbraak aangetoond door atomair nauwkeurige kwantum-antidots (QAD) te fabriceren met behulp van zelf-geassembleerde enkele vacatures (SV's) in een tweedimensionaal (2D) overgangsmetaaldichalcogenide (TMD).

Quantum dots beperken elektronen op nanoschaalniveau. Een tegengif verwijst daarentegen naar een gebied dat wordt gekenmerkt door een potentiële heuvel die elektronen afstoot. Door op strategische wijze antistippatronen ("leegtes") in zorgvuldig ontworpen antistiproosters te introduceren, ontstaan ​​er intrigerende kunstmatige structuren.

Deze structuren vertonen periodieke potentiële modulatie om het 2D-elektronengedrag te veranderen, wat leidt tot nieuwe transporteigenschappen en unieke kwantumfenomenen. Naarmate de trend naar geminiaturiseerde apparaten zich voortzet, is het belangrijk om de grootte en de afstand van elk tegengif op atomair niveau nauwkeurig te controleren. Deze controle, samen met de veerkracht tegen verstoringen in het milieu, is van cruciaal belang om de technologische uitdagingen op het gebied van de nano-elektronica aan te pakken.

Een onderzoeksteam onder leiding van universitair hoofddocent Jiong Lu van het NUS Department of Chemistry en het NUS Institute for Functional Intelligent Materials introduceerde een methode om een ​​reeks QAD's op atomaire schaal te fabriceren met elegant ontworpen kwantumgattoestanden in een 2D drie-atoomlaag TMD .

QAD's kunnen dienen als een veelbelovende kandidaat van de nieuwe generatie die kan worden gebruikt voor toepassingen zoals kwantuminformatietechnologieën. Dit werd bereikt door de zelfassemblage van de SV's in een regelmatig patroon. De atomaire en elektronische structuur van de QAD's wordt geanalyseerd met behulp van zowel scanning tunneling microscopie als contactloze atomic force microscopie.

De studie werd gepubliceerd in het tijdschrift Nature Nanotechnology .

Een defect platinaditelluride (PtTe₂ ) monster dat talrijke tellurium (Te) SV's bevatte, werd opzettelijk voor dit onderzoek gekweekt. Na thermisch uitgloeien gedragen de Te SV's zich als een 'atomaire Lego', die zichzelf assembleert tot zeer geordende, op vacatures gebaseerde QAD's. Deze SV's binnen QAD's zijn op afstand van elkaar gelegen door een enkel Te-atoom, wat de minimaal mogelijke afstand vertegenwoordigt die mogelijk is in conventionele antidot-roosters.

Wanneer het aantal SV's in QAD's toeneemt, versterkt dit het cumulatieve afstotende potentieel. Dit leidt tot verhoogde interferentie van de quasideeltjes binnen de QAD's. Dit resulteert op zijn beurt in de creatie van kwantumgattoestanden op meerdere niveaus, met een aanpasbare energiekloof die zich uitstrekt van de telecommunicatie tot het verre infraroodbereik.

Vanwege hun geometrie-beschermde eigenschappen overleefden deze nauwkeurig ontworpen kwantumgattoestanden in de structuur, zelfs wanneer vacatures in QAD's worden ingenomen door zuurstof na blootstelling aan lucht. Deze uitzonderlijke robuustheid tegen omgevingsinvloeden is een bijkomend voordeel van deze methode.

Assoc Prof Lu zei:"De conceptuele demonstratie van de fabricage van deze QAD's opent de deur voor de creatie van een nieuwe klasse van kunstmatige nanostructuren in 2D-materialen met discrete kwantumgattoestanden. Deze structuren bieden een uitstekend platform om de verkenning van nieuwe kwantumatomen mogelijk te maken. fenomenen en de dynamiek van hete elektronen in voorheen ontoegankelijke regimes."

"Verdere verfijning van deze QAD's door het introduceren van spin-gepolariseerde atomen om magnetische QAD's en antiferromagnetische Ising-systemen op een driehoekig rooster te fabriceren, zou waardevolle atomaire inzichten in exotische kwantumfasen kunnen opleveren. Deze inzichten bieden potentieel voor het bevorderen van een breed scala aan materiaaltechnologieën", aldus Assoc. Prof Lu.

Meer informatie: Hanyan Fang et al, Atomisch nauwkeurige, in vacatures geassembleerde kwantum-antidots, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01495-z

Journaalinformatie: Natuurnanotechnologie

Aangeboden door de Nationale Universiteit van Singapore