Vật liệu lượng tử cắt gần hơn bao giờ hết cho điện tử nhanh hơn, tiết kiệm năng lượng hơn

Một phương pháp mới thiết kế vật liệu nano với độ chính xác nhỏ hơn 10 nanomet. Nó có thể mở đường cho các thiết bị điện tử nhanh hơn, tiết kiệm năng lượng hơn.

Các nhà nghiên cứu của DTU và Graphene Flagship đã đưa nghệ thuật tạo mẫu vật liệu nano lên một tầm cao mới. Tạo mẫu chính xác cho vật liệu 2D là một lộ trình để tính toán và lưu trữ bằng vật liệu 2D, có thể mang lại hiệu suất tốt hơn và tiêu thụ điện năng thấp hơn nhiều so với công nghệ ngày nay.

Một trong những khám phá quan trọng nhất gần đây trong vật lý và công nghệ vật liệu là vật liệu hai chiều như graphene . Graphene mạnh hơn, mịn hơn, nhẹ hơn và dẫn nhiệt và điện tốt hơn bất kỳ vật liệu nào khác.

Tính năng độc đáo nhất của chúng có lẽ là khả năng lập trình. Bằng cách tạo ra các hoa văn tinh tế trong những vật liệu này, chúng ta có thể thay đổi đặc tính của chúng một cách đáng kể và có thể tạo ra chính xác những gì chúng ta cần.

Tại DTU, các nhà khoa học đã nghiên cứu cải tiến hiện đại hơn một thập kỷ trong việc tạo hoa văn trên vật liệu 2D, sử dụng máy in thạch bản tinh vi trong cơ sở phòng sạch rộng 1500 m2. Công việc của họ dựa trên Trung tâm Graphene có cấu trúc nano của DTU, được hỗ trợ bởi Quỹ Nghiên cứu Quốc gia Đan Mạch và một phần của The Graphene Flagship.

Hệ thống in thạch bản chùm điện tử trong DTU Nanolab có thể ghi chi tiết xuống 10 nanomet. Các phép tính của máy tính có thể dự đoán chính xác hình dạng và kích thước của các mẫu trong graphene để tạo ra các loại thiết bị điện tử mới. Chúng có thể khai thác điện tích của các đặc tính lượng tử và điện tử như spin hoặc bậc tự do, dẫn đến các phép tính tốc độ cao với mức tiêu thụ điện năng ít hơn nhiều. Tuy nhiên, những tính toán này đòi hỏi độ phân giải cao hơn cả những hệ thống in thạch bản tốt nhất có thể cung cấp: độ phân giải nguyên tử.

Giáo sư kiêm trưởng nhóm tại DTU Physics, Peter Bøggild, cho biết: “Nếu chúng ta thực sự muốn mở khóa rương kho báu cho các thiết bị điện tử lượng tử trong tương lai, chúng ta cần phải xuống dưới 10 nanomet và tiếp cận với quy mô nguyên tử.

Và đó là điều mà các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc khai quật.

“Chúng tôi đã chứng minh vào năm 2019 rằng các lỗ tròn được đặt với khoảng cách chỉ 12 nanomet biến graphene bán kim loại thành chất bán dẫn. Bây giờ chúng ta biết cách tạo các lỗ tròn và các hình dạng khác như hình tam giác, với các góc nhọn nanomet. Các mẫu như vậy có thể sắp xếp các electron dựa trên spin của chúng và tạo ra các thành phần thiết yếu cho spintronics hoặc Valleytronics. Kỹ thuật này cũng hoạt động trên các vật liệu 2D khác. Với những cấu trúc siêu nhỏ này, chúng tôi có thể tạo ra những thấu kính rất nhỏ gọn và có thể điều chỉnh được bằng điện để sử dụng trong công nghệ sinh học và truyền thông tốc độ cao, ”Peter Bøggild giải thích.

Hình tam giác sắc như dao cạo

Nghiên cứu được dẫn đầu bởi postdoc Lene Gammelgaard, một sinh viên tốt nghiệp kỹ sư của DTU vào năm 2013, người đã đóng một vai trò quan trọng trong việc khám phá thử nghiệm vật liệu 2D tại DTU:

“Bí quyết là đặt boron-nitride hình lục giác vật liệu nano lên trên vật liệu bạn muốn tạo hình. Sau đó, bạn khoan lỗ bằng một công thức khắc cụ thể, ”Lene Gammelgaard nói và tiếp tục:

“Quá trình khắc mà chúng tôi đã phát triển trong những năm qua đã giảm kích thước các mẫu xuống dưới giới hạn không thể phá vỡ của hệ thống in thạch bản chùm tia điện tử của chúng tôi là khoảng 10 nanomet. Giả sử chúng ta tạo một lỗ tròn có đường kính 20 nanomet; lỗ trên graphene sau đó có thể được giảm kích thước xuống còn 10 nanomet. Trong khi nếu chúng ta tạo một lỗ hình tam giác, với các lỗ tròn đến từ hệ thống in thạch bản, việc giảm kích thước sẽ tạo ra một hình tam giác nhỏ hơn với các góc tự mài. Thông thường, các mẫu trở nên không hoàn hảo hơn khi bạn làm cho chúng nhỏ hơn. Điều này ngược lại, và điều này cho phép chúng tôi tạo lại cấu trúc mà các dự đoán lý thuyết cho chúng tôi biết là tối ưu ”.

Ví dụ, người ta có thể sản xuất thấu kính meta điện tử phẳng – một loại thấu kính quang học siêu nhỏ gọn có thể được điều khiển bằng điện ở tần số rất cao, và theo Lene Gammelgaard, nó có thể trở thành thành phần thiết yếu cho công nghệ truyền thông và công nghệ sinh học trong tương lai.

Đẩy các giới hạn

Người chủ chốt còn lại là một sinh viên trẻ, Dorte Danielsen. Cô đã quan tâm đến nanophysics sau 9 ^tháng thực tập -grade vào năm 2012, giành được một chỗ trong trận chung kết của một cuộc thi khoa học quốc gia cho học sinh trung học vào năm 2014, và theo đuổi các nghiên cứu về Vật lý và Công nghệ nano theo chương trình danh dự DTU cho sinh viên ưu tú.

Cô giải thích rằng cơ chế đằng sau cấu trúc “siêu phân giải” vẫn chưa được hiểu rõ:

“Chúng tôi có một số cách giải thích khả thi cho hành vi khắc ngoài mong đợi này, nhưng vẫn còn nhiều điều chúng tôi chưa hiểu. Tuy nhiên, đó là một kỹ thuật thú vị và rất hữu ích cho chúng tôi. Đồng thời, đây là tin tốt cho hàng nghìn nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đang đẩy lùi các giới hạn đối với điện tử nano 2D và quang âm nano ”.

Được hỗ trợ bởi Quỹ Nghiên cứu Độc lập Đan Mạch, trong khuôn khổ dự án METATUNE, Dorte Danielsen sẽ tiếp tục công việc của mình về các cấu trúc nano cực kỳ sắc nét. Tại đây, công nghệ mà cô ấy đã giúp phát triển, sẽ được sử dụng để tạo ra và khám phá các thấu kính quang học có thể được điều chỉnh bằng điện.

Tham khảo: “Hình ảnh Nanolithography siêu phân giải của vật liệu hai chiều bằng phương pháp khắc dị hướng” của Dorte R. Danielsen, Anton Lyksborg-Andersen, Kirstine ES Nielsen, Bjarke S. Jessen, Timothy J. Booth, Manh-Ha Doan, Yingqiu Zhou, Peter Bøggild và Lene Gammelgaard, ngày 25 tháng 8 năm 2021, Vật liệu & Giao diện Ứng dụng ACS .
DOI: 10.1021 / acsami.1c09923

Theo Scitechdaily