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工程師可制造精確到原子級的超晶格材料！

2017-09-30 10:12:25 作者：本網(wǎng)整理來源：材料科技在線分享至：

這位藝術(shù)家所呈現(xiàn)的是用一個電子束（紫色）創(chuàng)建的由原子級尺度精度放置的量子點(diǎn)構(gòu)成的二維超晶格。圖片來源：Peter Allen

對長期致力于尋找最完美材料的材料專家們而言，控制微小粒子一直都是個挑戰(zhàn)，包括如何正確處理這些粒子以產(chǎn)生正確的電性和合適的活性來滿足給定的應(yīng)用要求。

調(diào)整半導(dǎo)體活性所面臨的一個重要挑戰(zhàn)是要控制其能帶隙。當(dāng)一種材料被外界能量所激發(fā)時，例如光脈沖，它的帶隙越寬，其發(fā)出的光的波長就越短；帶隙越窄，波長越長。

隨著電子產(chǎn)品如智能手機(jī)、筆記本電腦等變得越來越小，為它們供電的半導(dǎo)體晶體管已經(jīng)縮小得不比原子大多少了，而現(xiàn)在已經(jīng)不能再小了。為了克服這個限制，研究人員正在尋求利用納米尺度原子簇陣列（稱為量子點(diǎn)超晶格）的獨(dú)特特征，構(gòu)建下一代電子設(shè)備，如大規(guī)模量子信息系統(tǒng)。而在量子領(lǐng)域里，精度就顯得尤為重要。

加州大學(xué)圣巴巴拉分校（UCSB）的電氣和計算機(jī)工程系進(jìn)行的新的研究揭示了精密超晶格材料的一個重大進(jìn)展。這是Kaustav Banerjee教授的研究結(jié)果，他的博士生謝學(xué)軍、康佳皓和曹魏以及博士后研究員Jae Hwan Chu和萊斯大學(xué)的合作者將研究結(jié)果出版在《自然科學(xué)報告》雜志上。

他們團(tuán)隊在研究過程中使用聚焦電子束來制造大規(guī)模的量子點(diǎn)超晶格，其中每個量子點(diǎn)在原子級薄度的二維半導(dǎo)體上都有精確定位的特定尺寸的二硫化鉬（MoS2）。當(dāng)聚焦電子束與二硫化鉬單層膜相互作用時，它將直徑為納米級的區(qū)域從半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘?。量子點(diǎn)的間隔可以小于4納米，從而使其成為人造晶體，其本質(zhì)上是一種新的二維材料，其中帶隙可以控制在1.8至1.4電子伏特（eV）。

“這是科學(xué)家第一次在有序的網(wǎng)格中創(chuàng)建一個如此大面積的二維超晶格（有序納米原子簇），而且在一個原子級薄度的材料上，量子點(diǎn)的大小和位置都能被精確地控制。這一過程不僅創(chuàng)造了幾個量子點(diǎn)，而且還可以直接應(yīng)用于二維量子點(diǎn)超晶格的大規(guī)模制造。在這樣的條件下，我們可以改變二維晶體的整體特性。” Banerjee說。

每個量子點(diǎn)都是一個量子阱，當(dāng)電子空穴活動發(fā)生時，晶格中的所有點(diǎn)彼此足夠接近，以確保相互作用。研究人員可以改變點(diǎn)的間距和尺寸以改變帶隙，這決定了其發(fā)射的光的波長。

“使用這種技術(shù)，我們可以設(shè)計帶隙以匹配應(yīng)用程序，”Banerjee說。量子點(diǎn)超晶格已被廣泛研究，用于創(chuàng)建具有可調(diào)帶隙的材料，但都是使用“自下而上”方法制造的，其中原子自然地并且自發(fā)地組合以形成宏觀對象。但是，這些方法使其難以根據(jù)需要設(shè)計晶格結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)最佳性能。

例如，根據(jù)條件，碳原子以3D形式結(jié)合的形式下只產(chǎn)生兩個結(jié)果：石墨或鉆石。這無法“轉(zhuǎn)換”，在兩者之間無法操作。但當(dāng)原子可以精確定位時，材料可以被設(shè)計成具有所需的特性。

“我們的方法克服了隨機(jī)性和鄰近性的問題，能夠控制帶隙和你希望材料能具有的其他任何特性，具有很高的精度，這是一種制造材料的新方法，它將有許多用途，特別是在量子計算和通信應(yīng)用中。超晶格上的量子點(diǎn)相互接近，電子是耦合的，是量子計算的一個重要要求。”謝先生說。

在理論上，量子點(diǎn)是一個人造的“原子”。開發(fā)的這項技術(shù)通過實(shí)現(xiàn)大規(guī)模人造原子的尺寸和位置的自頂向下的控制，使得設(shè)計和“調(diào)節(jié)”原子級結(jié)構(gòu)成為可能。

為了證明所達(dá)到的控制水平，作者制作了一個在量子點(diǎn)網(wǎng)格中拼出的“UCSB”的圖像。通過使用不同劑量的電子束，他們能夠使大寫的首字母的不同區(qū)域在不同的波長上發(fā)光。

“當(dāng)改變電子束的劑量時，你可以改變局部區(qū)域的量子點(diǎn)的大小，一旦這樣做，就可以控制二維材料的帶隙，” Banerjee解釋說。“如果你說你想要1.6ev的帶隙，我可以給你。如果你想要1.5ev，我也可以這樣做，而且使用同樣的材料。”

這種可調(diào)節(jié)的直接帶隙的演示可以為光子學(xué)應(yīng)用帶來一種新的發(fā)光器件。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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