Vad kan vi göra med skiktade strukturer med precis rätt lager? Vad skulle materialets egenskaper ha om vi verkligen kunde ordna atomerna som vi vill ha dem?

Den nyfikne amerikanske fysikern Richard Feynman ställde dessa frågor i sin landmärke från 1959, Det finns gott om plats längst ner. Det myllrade av djupa idéer om "manipulera och kontrollera saker på atomskala", med hjälp av kvantmekanik.

Långsökt på den tiden, nu manipulerar lagren av atomer ett stort forskningsområde. För att förverkliga Feynmans vision, forskare vid IBM och Bell Labs i USA var tvungna att utforma ett nytt tillvägagångssätt för att konstruera material lager för lager:molekylär stråle -epitaxy eller MBE.

Detta kan liknas vid spraymålning med atomer. Du börjar med att förånga ultrarena källmaterial som gallium, aluminium eller indium, och kombinera dem med arsenik eller fosfor. De förångade atomerna flyger genom en vakuumkammare mot ett baslager av liknande material. Atomerna håller fast vid det och bygger långsamt upp ett kristall ett atomskikt åt gången. Det ultrahöga vakuumet säkerställer att orenheterna är minimala.

Atomarkitekter

Även om processen är relativt långsam - vanligtvis bara några få atomlager per minut - är precisionen anmärkningsvärd. Det tillåter tekniker att stapla olika halvledarmaterial ovanpå varandra för att skapa kristaller som kallas heterostrukturer, som kan ha extremt användbara egenskaper. Genom att växelvis stapla lager av aluminiumarsenid och galliumarsenid, till exempel, du kan producera ett material som är extremt bra på att lagra el.

När denna teknik väl hade fulländats under 1990- och 2000 -talen, forskare kunde kontrollera antalet elektroner och deras energier i en viss kristall. Och eftersom ljus då interagerar med dessa elektroner, att ha mer kontroll över elektronbeteende innebär att du också får mer kontroll över hur de stimuleras av ljus.

Heterostrukturer har lett till många nya upptäckter, särskilt när det gäller kvantbeteendet hos partiklar som elektroner i dem. Nobelpris i fysik har delats ut fem separata gånger (1973, 1985, 1998, 2000, och 2014), och de resulterande materialen har revolutionerat civilisationen.

Halvledar heterostrukturer möjliggör solceller, Lysdioder, lasrar och supersnabba transistorer. Även internet skulle annars vara omöjligt:​​lasrarna som skickar ljuspulserna som kodar bitarna av information online är gjorda av heterostrukturer, liksom fotodetektorerna som mäter dessa ljuspulser och avkodar informationen.

Det finns begränsningar, dock. Atomstorleken, avståndet och arrangemanget av dessa heterostrukturer kan inte vara alltför olika mellan skikten utan att det uppstår defekter. Detta begränsar de möjliga materialkombinationerna och möjligheten att fritt konstruera de elektroniska och optiska egenskaperna.

Också, kristaller består naturligtvis av atomer som bildar bindningar i alla tre riktningarna. Det betyder att det alltid finns missnöjda atomer med "dinglande" bindningar vid kanterna. Utländska föroreningar söker dessa bindningar och skapar defekter som kan förstöra andra egenskaper. Detta blir särskilt viktigt med mindre kristaller, förhindra att de integreras i sin fulla omfattning i moderna transistorer, lasrar och så vidare.

Ange 2-D-kristaller

Det ultimata i ultratunna materialark är ett enda lager av atomer. Lyckligtvis, naturen tänkte ut sådana "tvådimensionella kristaller". Den mest kända är grafen, som bara är kolatomer arrangerade i ett sexkantigt mönster.

Grafen är starkare än stål och leder elektricitet bättre än koppar. Den har många unika och ibland exotiska elektroniska, optiska och mekaniska egenskaper - enligt Nobelpriset i fysik för upptäckten 2010.

I en perfekt grafenkristall, alla atomer är helt bundna till varandra och det finns inga dinglande bindningar. Det är känt att producera grafen genom att skala isär lager av grafit med hjälp av tejp:grafit är faktiskt många lager av grafen som alla hålls samman av Van der Waals krafter, som är mycket svagare än bindningarna i varje bestående blad av grafen.

Förutom grafen, det finns många andra 2-D-kristaller, alla med unika egenskaper. Flera förekommer naturligt som pärlor i marken, såsom molybdnimum disulfid, ett viktigt industriellt smörjmedel. Andra kan göras av molekylär stråleepitaxi, såsom isolatorn bornitrid, och kristaller i samma familj av övergångsmetalldikalkogenider som molybdnimumdisulfid.

Som grafen är att grafit, forskare "avlägsnar" (eller exfolierar) enkla 2-D-ark från större mängder av dessa föreningar. Den inneboende tunnheten hos dessa ark innebär att de kan bete sig ganska annorlunda än de heterostrukturer som beskrivits tidigare. Olika atomtunna material kan vara isolerande, halvledande, metallisk, magnetisk eller till och med supraledande.

Forskare kan också välja, placera och kombinera dessa material efter behag för att bilda nya heterostrukturer, känd som Van der Waals heterostrukturer, med olika egenskaper än 2-D-arken. Avgörande, dessa har inte samma begränsningar som deras kusiner gjorda av molekylär stråleepitaxi. De kan bestå av lager av mycket olika atomkristaller, möjliggör oöverträffade och obegränsade möjligheter att kombinera olika material.

Till exempel, du kan kombinera magnetiska lager med halvledare och isolatorer utan att locka till sig föroreningar som fukt eller oxider mellan lagren - omöjligt med epitaxiella heterostrukturer. Detta kan användas för att skapa enheter som styr magnetism med hjälp av elektricitet, som är grunden för magnetiskt minne i hårddiskar.

Du kan också stapla ihop två identiska atomlager med ett vridet i vinkel. Detta skapar ett galler som kallas ett moirémönster, vilket ger en ny grad av frihet att konstruera de elektroniska och optiska egenskaperna. Bilderna vi använder för att demonstrera detta på den nuvarande Royal Society Summer Exhibition i London ger en smak av hur detta fungerar:

Medan Van der Waals heterostrukturer fortfarande är i sin linda, imponerande ny fysik och kapacitet växer redan fram. Dessa inkluderar mindre, lättare, mer flexibla och effektivare versioner av solceller, Lysdioder, transistorer och magnetminne.

I framtiden, vi kan förvänta oss överraskningar som man inte tidigare drömt om. Ett tidigt exempel är den senaste upptäckten att när man vrider två lager grafen i en "magisk vinkel" i förhållande till varandra, elektronerna blir supraledande. Detta genombrott, ännu inte klart förstått, kunde låsa upp 30-åriga mysterier om hur elektroner kan navigera i superledare utan att förlora någon energi. Det kan tillåta oss att använda superledare vid rumstemperatur, med potentiella fördelar för allt från medicinsk bildbehandling och kvantdatorer till överföring av el över långa avstånd.

Att förutsäga tekniska resultat är inte lätt, dock. Som Herbert Kroemer, som delade Nobelpriset år 2000 för att utveckla halvledar heterostrukturer som används i höghastighets- och opto-elektronik, sa ofta:"De huvudsakliga tillämpningarna av någon tillräckligt ny och innovativ teknik har alltid varit och kommer att vara applikationer som skapats av den tekniken."

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.