Forskare har nyligen utvecklat en ljusstyrd nano-switch för att lägga grunden för utveckling av atomenheter inom nanoteknik. De konstruerade switcharna på nanoskala i ett första steg mot fullt integrerad elektronisk miniatyrisering. Den tvärvetenskapliga forskningen genomfördes av Weiqiang Zhang och medarbetare, och ett internationellt team av samarbetspartners. Resultaten av studien publiceras nu i Ljus:Vetenskap och applikationer .

I metoden som utvecklats av Zhang et al. ljus kan användas för att styra elektrisk konduktans vid korsningen mellan guldnano-elektroder genom att värma elektroner vid elektrodytan, i en teknik som kallas 'plasmonisk uppvärmning'. De validerade de experimentella mekanismerna med hjälp av simuleringar. Forskargruppen utökade elektroder via plasmonisk uppvärmning för att stänga gapet och slå på strömbrytaren, banar väg för att bygga enmolekylära transistorer och nanoporbaserade biosensorer i nanoskala.

Molekylära korsningar undersöktes tidigare som ett sätt att bygga nanoswitches genom att använda fotokromiska (ljuskänsliga) molekyler som växlade mellan två olika isoformer. Det nuvarande arbetet av Zhang et al. kontrasterande demonstrerat konduktansomkopplare endast med en metallisk kontakt, under ljusbelysning, utan några molekyler. De demonstrerade konduktansen hos nakna metalliska kvantkontakter som reversibla omkopplare över åtta storleksordningar för att väsentligt överstiga prestandan för de tidigare molekylära omkopplarna. Forskarna kunde justera gapstorleken mellan de två elektroderna efter omkopplingsprocessen med sub-ångström noggrannhet, genom att styra ljusintensiteten eller polarisationen.

Tekniska elektroniska enheter som använder funktionella byggstenar i atomskala är en viktig drivkraft inom nanoteknik för att bilda viktiga element i elektroniska kretsar, som tidigare miniatyriserades med hjälp av mekanisk tunnel, förspänning/strömdrift och elektrokemi. Tidigare studier gjorde inte, dock, ta upp konceptet atomomkopplare som styrs av plasmonisk uppvärmning. Ytplasmoner är koherenta delokaliserade elektronoscillationer vid gränssnittet mellan två material som bildar metalliska nanostrukturer, som kan koncentreras till subvåglängdspalterna mellan materialen. I princip, när resonansfrekvensen för ytplasmoner matchar frekvensen för det infallande ljuset, plasmonresonansen är upphetsad för att ge stark ljusabsorption och betydande plasmonisk uppvärmning.

I föreliggande studie, Zhang et al. använde denna princip för att visa hur en metallisk, atomskala kan användas på ett tillförlitligt sätt som en konduktansomkopplare genom kontrollerad belysning av ljus. För att konstruera metallkontakten i atomskala sträckte de exakt en metallnanotråd med den mekaniskt styrbara brytkorsningen. När de reducerade metalltrådens tvärsnitt till några nanometer eller några atomer, diametern blev jämförbar med elektronernas Fermi -våglängd, tillåta kvantmekaniska effekter att starkt påverka egenskaperna för elektrontransport. Med hjälp av dessa principer, Zhang et al. visade hur konduktansen hos en atomguldkontakt kunde bytas från några kvantiteter konduktans till hundratals kvanter, och vice versa med ljusbelysning. Forskarna kunde växla de metalliska kvantkontakterna mellan det öppna och stängda läget genom att styra ljusintensiteten. De skapade en nanogap mellan de kvantkontakter inom vilka koherent tunneldragning styrde elektrontransporten.

Medan det var avgörande att skapa en nanogap för att tillverka enkelmolekylbaserade enheter, konstruera en justerbar atomskala gap har förblivit en betydande utmaning. Även om fasta gapstorlekar inte kunde justeras efter tillverkningen, gapstorleken kan enkelt och kontinuerligt justeras genom plasmonisk uppvärmning vid sub-ångström upplösning, som visas av Zhang och forskargruppen.

För detta, de använde en kommersiell ljusdiodlampa (LED) som en ljuskälla i experimenten med en nätadapter för att kontinuerligt kontrollera ljusets intensitet. Den experimentella installationen krävde inte speciell optisk hårdvara eller laserkällor med hög effekt. De använde en kommersiellt tillgänglig guldtråd med en sammandragning i mitten på ett fjäderstålsubstrat för att konstruera nanokontakterna. Använd sedan en 'mekaniskt kontrollerbar brytkorsning' (MCBJ), forskarna sträckte förträngningen genom att böja substratet, och observerade det med skanningelektronmikroskopi (SEM) bilder. Därefter, forskarna minskade tvärsnittet av förträngningen till två separata elektroder. När de tända lampan, konduktansen ökade och minskade när ljuset släcktes; den stora konduktansen som följd av ljusbelysning återkopplade de två separerade elektroderna starkt.

Forskarna analyserade fenomenet på nivån av atomarrangemang, vid ljusbelysning. De visade att nanogapsarna hade stark absorption av ljus i de synliga och nära infraröda områdena på grund av lokaliserade ytplasmonresonanser (LSPR). När LED -ljusets frekvens matchade oscillationsfrekvensen för de fria elektronerna och det elektromagnetiska fältet vid spetsen av elektroderna, LSPR runt gapet var upphetsad. Det absorberade ljuset omvandlades sedan till termisk energi som orsakade nanoelektrodexpansion och deras återanslutning. Konduktansen nådde sitt maximala värde när systemet var i termisk jämvikt. När ljuset stängdes, elektronerna separerade en gång till.

För att förstå hur konduktans beror på ljusintensiteten, forskarna utförde experiment där den maximala ljusintensiteten inom varje upplyst cirkel gradvis ökade. Zhang et al. visade att den maximala konduktansen i varje cirkel ökade ungefär linjärt med ljusets intensitet. De fick repeterbara data om strömmen som en funktion av ljusintensiteten och visade hur konduktansen för kvantkontakt, kan regleras av ljusets intensitet.

Zhang et al. observerade också hur nanogapstorleken exakt kunde moduleras av ljus genom att visa att konduktansen kunde modifieras i tunnelregionen, mellan gapet mellan de två elektroderna, genom att styra LED -ljuset. När ljusintensiteten var fast, de kan hålla tunnelströmmen konstant längre. Forskarna uppskattade avståndet mellan de två elektroderna med hjälp av Simmons ekvation; används för att beskriva sambandet mellan tunnelströmmen och tunnelspaltens storlek. De kunde därigenom exakt styra avståndet mellan de två separerade elektroderna med sub-ångström noggrannhet med hjälp av ljusintensiteten.

För att bekräfta att ursprunget till kopplingsbeteendet var plasmoninducerad uppvärmning i de nanoskala plasmoniska systemen, forskarna undersökte spridningsspektrumet av MCBJ -proverna för att avslöja frekvensen av plasmonisk resonans. Resultaten indikerade att konduktansförändringen relaterade till expansionen av elektroderna på grund av plasmonisk uppvärmning. Zhang et al. utförde också finit element metod simuleringar för att uppskatta expansionen av elektroderna och löste den elektriska fältfördelningen, temperaturfördelning och termisk expansion vid ljusbelysning, med programpaketet COMSOL Multiphysics. Simuleringen beräknade den maximala förskjutningen av elektroderna till ungefär 0,4 nm. Zhang et al. kunde optimera omkopplingsfrekvensen ytterligare genom att optimera de karakteristiska dimensionerna för värmeöverföring. På det här sättet, forskarna visade experimentellt att atomväxlar snabbt kunde drivas via plasmonisk uppvärmning.

Arbetet visade atomgeometrin hos metalliska kvantkontakter som kan moduleras med ljus och möjligheten att backa omkopplare (på/av, vice versa) deras konduktans med hjälp av plasmonisk uppvärmning. Medan atom-atom-separationen av elektroder tydligt observerades, de kan också justera gapstorleken, mellan elektroderna vid sub-ångström upplösning genom att styra ljusintensiteten. Zhang et al. visade att plasmon potentiellt kan bryta igenom ljusets diffraktionsgräns för att realisera nanofokusering, för att överföra den plasmonstyrda atomomkopplaren för att realisera högintegrerade nanodatorer; öppnar en ny väg för att konstruera nanoelektroniska enheter.

© 2019 Science X Network