Kontroll är en ständig utmaning för materialforskare, som alltid letar efter det perfekta materialet – och det perfekta sättet att behandla det – för att framkalla exakt rätt elektronisk eller optisk aktivitet som krävs för en given applikation.

En viktig utmaning för att modulera aktivitet i en halvledare är att kontrollera dess bandgap. När ett material exciteras med energi, säga, en lätt puls, desto större bandgap, desto kortare är våglängden på ljuset det avger. Ju mindre bandgapet är, ju längre våglängd.

Som elektronik och de enheter som innehåller dem - smartphones, bärbara datorer och liknande — har blivit mindre och mindre, halvledartransistorerna som driver dem har krympt till den grad att de inte är mycket större än en atom. De kan inte bli mycket mindre. För att övervinna denna begränsning, forskare letar efter sätt att utnyttja de unika egenskaperna hos atomkluster i nanoskala – kända som kvantpunktssupergitter – för att bygga nästa generations elektronik som storskaliga kvantinformationssystem. I kvantvärlden, precision är ännu viktigare.

Ny forskning utförd av UC Santa Barbaras avdelning för el- och datorteknik avslöjar ett stort framsteg inom precisionsmaterial för supergitter. Resultaten av professor Kaustav Banerjee, hans doktorsexamen studenter Xuejun Xie, Jiahao Kang och Wei Cao, postdoktor Jae Hwan Chu och medarbetare vid Rice University visas i tidskriften Naturvetenskapliga rapporter .

Deras teams forskning använder en fokuserad elektronstråle för att tillverka ett storskaligt kvantpunktssupergitter där varje kvantpunkt har en specifik förutbestämd storlek placerad på en exakt plats på ett atomärt tunt ark av tvådimensionell (2-D) halvledarmolybden disulfid (MoS2). När den fokuserade elektronstrålen interagerar med MoS2-monoskiktet, det förvandlar området – som är i storleksordningen en nanometer i diameter – från halvledande till metalliskt. Kvantprickarna kan placeras mindre än fyra nanometer från varandra, så att de blir en konstgjord kristall - i huvudsak ett nytt 2D-material där bandgapet kan specificeras på beställning, från 1,8 till 1,4 elektronvolt (eV).

Detta är första gången som forskare har skapat ett 2D-supergitter med stor yta - atomkluster i nanoskala i ett ordnat rutnät - på ett atomärt tunt material där både storleken och placeringen av kvantprickar är exakt kontrollerade. Processen skapar inte bara flera kvantprickar, men kan också appliceras direkt på storskalig tillverkning av 2-D quantum dot superlattices. "Vi kan, därför, ändra de övergripande egenskaperna för 2D-kristallen, " sa Banerjee.

Varje kvantprick fungerar som en kvantbrunn, där elektronhålsaktivitet förekommer, och alla punkter i rutnätet är tillräckligt nära varandra för att säkerställa interaktioner. Forskarna kan variera avståndet och storleken på prickarna för att variera bandgapet, som bestämmer våglängden på ljuset det avger.

"Med den här tekniken, vi kan konstruera bandgapet för att matcha applikationen, " sa Banerjee. Quantum dot supergitter har undersökts brett för att skapa material med avstämbara bandgap, men alla gjordes med "bottom-up"-metoder där atomer naturligt och spontant kombineras för att bilda ett makroobjekt. Men dessa metoder gör det i sig svårt att utforma gallerstrukturen som önskat och, Således, för att uppnå optimal prestanda.

Som ett exempel, beroende på förhållanden, att kombinera kolatomer ger bara två resultat i bulkformen (eller 3-D):grafit eller diamant. Dessa kan inte "tunas" och kan därför inte göra någonting däremellan. Men när atomer kan positioneras exakt, materialet kan utformas med önskade egenskaper.

"Vårt tillvägagångssätt övervinner problemen med slumpmässighet och närhet, möjliggör kontroll av bandgapet och alla andra egenskaper du kanske vill att materialet ska ha – med hög precision, " sa Xie. "Det här är ett nytt sätt att tillverka material, och det kommer att ha många användningsområden, särskilt i kvantberäkningar och kommunikationstillämpningar. Prickarna på supergittret är så nära varandra att elektronerna är kopplade, ett viktigt krav för kvantberäkning."

Kvantpunkten är teoretiskt sett en artificiell "atom". Den utvecklade tekniken gör sådan design och "justering" möjlig genom att möjliggöra toppstyrd kontroll av storleken och positionen för de artificiella atomerna i stor skala.

För att visa vilken kontrollnivå som uppnåtts, författarna producerade en bild av "UCSB" stavad i ett rutnät av kvantprickar. Genom att använda olika doser från elektronstrålen, de kunde få olika områden av universitetets initialer att lysa upp med olika våglängder.

"När du ändrar dosen av elektronstrålen, du kan ändra storleken på kvantpunkten i den lokala regionen, och när du väl gör det, du kan kontrollera bandgapet i 2D-materialet, " förklarade Banerjee. "Om du säger att du vill ha ett bandgap på 1,6 eV, Jag kan ge dig den. Om du vill ha 1,5 eV, Jag kan göra det, för, börjar med samma material."

Denna demonstration av avstämningsbart direktbandgap skulle kunna inleda en ny generation av ljusemitterande enheter för fotoniktillämpningar.