2019-04-12 06:22:01
迈向新型二维半导体的黄金之路

二维(2-D)半导体有望用于量子计算和未来的电子产品。现在,研究人员可以将金属金转化为半导体,并在氮化硼纳米管上逐个原子地定制材料。

金是一种已广泛用作电子器件中互连的导电材料。随着电子产品变得越来越小,功能越来越强大,所涉及的半导体材料也缩小了。然而,计算机已经达到了现有设计的最小尺寸 - 打破了障碍,研究人员深入研究量子计算的物理基础以及金在量子力学中的不寻常行为。

研究人员可以将金转换为由单层原子构成的半导体量子点。它们的能隙或带隙是由量子限制形成的 - 量子效应当材料表现得像原子一样,因为它们的尺寸接近分子尺度。这些2-D金量子点可用于具有可原子可调的带隙的电子器件。

用单层原子制作点是棘手的,更大的挑战是定制它们的属性。当布局在氮化硼纳米管上时,密歇根理工大学的研究人员发现他们可以获得金量子点来做近乎不可能的事。获得金点以逐个原子聚集的机制是他们最近在ACS Nano上发表的新论文的焦点。

密歇根理工大学物理学教授Yoke Khin Yap领导了这项研究。他解释说,他的团队观察到的行为 - 金量子点的原子级操纵 - 可以用扫描透射电子显微镜(STEM)看到。 STEM的高功率电子束使Yap等研究人员能够实时观察原子运动,并且该视图揭示了金原子如何与氮化硼纳米管表面相互作用。基本上,金原子沿着纳米管的表面滑动,并且它们在氮化硼纳米管的六边形蜂窝的正上方稳定。

原子滑动和停止与所谓的能量选择性沉积有关。在实验室中,研究小组采用了一系列氮化硼纳米管,并在其上方运行含金的薄雾;雾中的金原子或者作为多层纳米粒子粘附或者从纳米管反弹,但是一些更有能量的原子沿着纳米管的圆周滑动并稳定,然后开始聚集成单层的金量子点。该团队表明,黄金优先沉积在已经稳定的其他金颗粒之后。

“氮化硼纳米管的表面是原子级光滑的,表面没有缺陷,它是一个整齐排列的蜂窝状物,”Yap说,并补充说纳米管是化学惰性的,纳米管和金原子之间没有物理结合。 “这很像滑雪:你不能在没有雪的崎岖不平的山坡上滑雪,理想的条件会让它变得更好。纳米管的光滑表面就像新鲜的粉末。”

寻找未来电子和量子计算的新材料已经使研究人员走上了许多道路。 Yap希望通过展示黄金的有效性,其他研究人员将受到启发,在分子尺度上关注其他金属单层膜。

“这是一个梦想的纳米技术,”Yap说。 “这是一种可通过原子调谐的分子级技术,在可见光谱中具有理想的带隙。电子和光学设备有很多前景。”

该团队的下一步工作包括进一步表征和整合器件制造以展示全金属电子产品。潜在地,单层金属原子可以构成未来电子产品的全部,这将节省大量的制造能源和材料。

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