Tvådimensionella (2-D) halvledare är lovande för kvantberäkningar och framtida elektronik. Nu, forskare kan omvandla metalliskt guld till halvledare och anpassa materialet atom för atom på bornitrid nanorör.

Guld är ett ledande material som redan används i stor utsträckning som sammankopplingar i elektroniska enheter. I takt med att elektroniken har blivit mindre och kraftfullare, de inblandade halvledande materialen har också krympt. Dock, datorer har blivit så små som de kan med befintliga konstruktioner – för att bryta barriären, forskare dyker in i fysiken bakom kvantberäkningar och guldets ovanliga beteende inom kvantmekaniken.

Forskare kan omvandla guld till halvledande kvantprickar gjorda av ett enda lager av atomer. Deras energigap, eller bandgap, bildas av kvantinneslutningen - en kvanteffekt när material beter sig som atomer när deras storlekar blir så små när de närmar sig den molekylära skalan. Dessa 2D-guld kvantprickar kan användas för elektronik med ett bandgap som är inställbart atom för atom.

Att göra prickarna med monolager av atomer är knepigt och den större utmaningen är att anpassa deras egenskaper. När den läggs ut på bornitrid nanorör, forskare från Michigan Technological University har funnit att de kan få guldkvantprickar för att göra det nästan omöjliga. Mekanismerna bakom att få guldprickar att klumpa sig atom för atom är fokus för deras nya papper, nyligen publicerad i ACS Nano .

Ok Khin Yap, professor i fysik vid Michigan Tech, ledde studien. Han förklarar att beteendet som hans team observerade - manipulation på atomnivå av guldkvantprickar - kan ses med ett sveptransmissionselektronmikroskop (STEM). STEM:s kraftfulla elektronstråle gör det möjligt för forskare som Yap att se atomrörelser i realtid och vyn avslöjar hur guldatomer interagerar med ytan på bornitrid-nanorör. I grund och botten, guldatomerna glider längs ytan av nanorören och, de stabiliseras i en svävning strax ovanför den sexkantiga bikakan i bornitridnanorören.

Atomåkningen och stoppningen är relaterad till den så kallade energiselektiva depositionen. I labbet, teamet tar en rad bornitridnanorör och kör en guldfylld dimma förbi den; guldatomerna i dimman fastnar antingen som flerskiktiga nanopartiklar eller studsar av nanoröret, men några av de mer energiska glider längs nanorörets omkrets och stabiliserar sig, börja sedan klumpa ihop sig till monolager av guldkvantprickar. Teamet visar att guld företrädesvis avsätter sig bakom andra guldpartiklar som har stabiliserats.

"Ytan på bornitrid nanorör är atomärt slät, det finns inga defekter på ytan, det är en snyggt arrangerad vaxkaka, "Japp sa, tillägger att nanorören är kemiskt inerta och att det inte finns någon fysisk bindning mellan nanorören och guldatomerna. "Det är ungefär som att åka skidor:Du kan inte åka skidor på en gropig och klibbig backe utan snö, idealiska förhållanden gör det mycket bättre. Den släta ytan på nanorören är som färskt pulver."

Sökandet efter nya material för framtidens elektronik och kvantberäkningar har lett forskare på många vägar. Yap hoppas att genom att demonstrera effektiviteten av guld, andra forskare kommer att inspireras att uppmärksamma andra metallmonoskikt i molekylär skala.

"Det här är en dröm nanoteknik, " sade Yap. "Det är en teknologi i molekylär skala som kan avstämmas av atom med ett idealiskt bandgap i det synliga ljusspektra. Det finns mycket lovande i elektroniska och optiska enheter."

Teamets nästa steg inkluderar ytterligare karaktärisering och inkorporering av enhetstillverkning för att demonstrera helmetallelektronik. Potentiellt, monolager av metallatomer kan utgöra hela framtidens elektronik, vilket kommer att spara mycket tillverkningsenergi och material.