Forskare från National University of Singapore (NUS) visade ett konceptuellt genombrott genom att tillverka atomärt exakta kvantmotgifter (QAD) med hjälp av självmonterade enkla vakanser (SV) i en tvådimensionell (2D) övergångsmetalldikalkogenid (TMD).
Kvantprickar begränsar elektroner på nanoskalanivå. Däremot hänvisar en motgift till en region som kännetecknas av en potentiell kulle som stöter bort elektroner. Genom att strategiskt introducera antidot-mönster ("tomrum") i noggrant utformade antidot-gitter, uppstår spännande konstgjorda strukturer.
Dessa strukturer uppvisar periodisk potentialmodulering för att ändra 2D-elektronbeteende, vilket leder till nya transportegenskaper och unika kvantfenomen. När trenden mot miniatyriserade enheter fortsätter är det viktigt att noggrant kontrollera storleken och avståndet mellan varje motgift på atomnivå. Denna kontroll tillsammans med motståndskraft mot miljöstörningar är avgörande för att hantera tekniska utmaningar inom nanoelektronik.
En forskargrupp ledd av docent Jiong Lu från NUS Department of Chemistry och NUS Institute for Functional Intelligent Materials introducerade en metod för att tillverka en serie QADs i atomär skala med elegant konstruerade kvanthålstillstånd i en 2D tre-atom-lager TMD .
QADs kan fungera som en lovande ny generationskandidat som kan användas för tillämpningar som kvantinformationsteknik. Detta åstadkoms genom att SV:arna satte ihop sig själv till ett regelbundet mönster. Den atomära och elektroniska strukturen hos QAD:erna analyseras med både scanning tunnelmikroskopi och beröringsfri atomkraftsmikroskopi.
Studien publicerades i tidskriften Nature Nanotechnology .
En defekt platinaditellurid (PtTe2 ) prov innehållande många tellur (Te) SVs odlades avsiktligt för denna studie. Efter termisk glödgning beter sig Te SVs som ett "atomiskt Lego", självmonterande till högordnade vakansbaserade QADs. Dessa SVs inuti QADs är åtskilda av en enda Te-atom, vilket representerar det minsta möjliga avståndet i konventionella motgiftsgitter.
När antalet SV i QAD ökar, stärker det den kumulativa repulsiva potentialen. Detta leder till ökad interferens av kvasipartiklarna i QAD:erna. Detta resulterar i sin tur i skapandet av kvanthålstillstånd på flera nivåer, med ett justerbart energigap som sträcker sig från telekommunikationsområdet till långt infrarött område.
På grund av deras geometriskyddade egenskaper överlevde dessa exakt konstruerade kvanthålstillstånd i strukturen även när lediga platser i QADs upptas av syre efter exponering för luft. Denna exceptionella robusthet mot miljöpåverkan är en extra fördel med denna metod.
Assoc Prof Lu sa:"Den konceptuella demonstrationen av tillverkningen av dessa QAD öppnar dörren för skapandet av en ny klass av artificiella nanostrukturer i 2D-material med diskreta kvanthålstillstånd. Dessa strukturer ger en utmärkt plattform för att möjliggöra utforskning av nya kvantum. fenomen och dynamiken hos heta elektroner i tidigare otillgängliga regimer."
"Ytterligare förfining av dessa QADs genom att introducera spin-polariserade atomer för att tillverka magnetiska QADs och antiferromagnetiska Ising-system på ett triangulärt gitter skulle kunna ge värdefulla atomära insikter om exotiska kvantfaser. Dessa insikter har potential för att främja en mängd olika materialteknologier," tillade Assoc Prof Lu.
Mer information: Hanyan Fang et al, Atomiskt exakta vakansmonterade kvantmotgifter, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01495-z
Journalinformation: Nanoteknik i naturen
Tillhandahålls av National University of Singapore
