Одной из ключевых проблем модуляции активности в полупроводнике является управление его запрещенной зоной. Когда материал возбуждается энергией, например световым импульсом, чем шире его запрещенная зона, тем короче длина волны излучаемого света. Чем уже ширина запрещенной зоны, тем длиннее длина волны.
По мере того, как электроника и устройства, в которые она входит — смартфоны, ноутбуки и тому подобное, — становятся все меньше и меньше, полупроводниковые транзисторы, питающие их, сузились до такой степени, что они не намного больше атома. Они не могут быть намного меньше. Чтобы преодолеть это ограничение, исследователи ищут способы использовать уникальные характеристики наноразмерных массивов атомных кластеров — известных как сверхрешетки квантовых точек — для создания электроники следующего поколения, такой как крупномасштабные квантовые информационные системы. В квантовой сфере точность еще более важна.
Новое исследование, проведенное Департаментом электротехники и вычислительной техники Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, свидетельствует о значительном прогрессе в области прецизионных сверхрешеток. Выводы профессора Каустава Банерджи, его доктора философии. студенты Сюэцзюнь Се, Цзяхао Кан и Вэй Цао, научный сотрудник Чжэ Хван Чу и сотрудники Университета Райса публикуются в журнале Nature Scientific Reports.В исследовании их команды используется сфокусированный электронный пучок для изготовления крупномасштабной сверхрешетки с квантовыми точками, на которой каждая квантовая точка имеет определенный заранее определенный размер и расположена в точном месте на атомарно тонком листе двумерного (2-D) полупроводникового молибдена. дисульфид (MoS2). Когда сфокусированный электронный пучок взаимодействует с монослоем MoS2, он превращает эту область — диаметром порядка нанометра — из полупроводниковой в металлическую.
Квантовые точки могут быть размещены на расстоянии менее четырех нанометров друг от друга, так что они становятся искусственным кристаллом — по сути, новым двумерным материалом, в котором ширина запрещенной зоны может быть задана на заказ от 1,8 до 1,4 электрон-вольт (эВ).Это первый случай, когда ученые создали двумерную сверхрешетку большой площади — наноразмерные атомные кластеры в упорядоченной сетке — на атомарно тонком материале, на котором точно контролируются размер и расположение квантовых точек. Этот процесс не только создает несколько квантовых точек, но также может применяться непосредственно для крупномасштабного изготовления двумерных сверхрешеток квантовых точек. «Таким образом, мы можем изменить общие свойства двумерного кристалла», — сказал Банерджи.Каждая квантовая точка действует как квантовая яма, где происходит электронно-дырочная активность, и все точки в сетке расположены достаточно близко друг к другу, чтобы гарантировать взаимодействие.
Исследователи могут варьировать расстояние и размер точек, чтобы изменять ширину запрещенной зоны, которая определяет длину волны излучаемого света.«Используя эту технику, мы можем спроектировать ширину запрещенной зоны в соответствии с приложением», — сказал Банерджи.
Сверхрешетки на квантовых точках широко исследовались для создания материалов с настраиваемой шириной запрещенной зоны, но все они были созданы с использованием методов «снизу вверх», в которых атомы естественным образом и спонтанно объединяются в макрообъект. Но эти методы существенно затрудняют создание желаемой структуры решетки и, таким образом, достижение оптимальных характеристик.Например, в зависимости от условий объединение атомов углерода дает только два результата в объемной (или трехмерной) форме: графит или алмаз. Они не могут быть «настроены», и поэтому не могут делать ничего промежуточного.
Но когда атомы могут быть точно расположены, можно создать материал с желаемыми характеристиками.«Наш подход преодолевает проблемы случайности и близости, позволяя контролировать ширину запрещенной зоны и все другие характеристики, которые могут быть у материала, — с высокой степенью точности», — сказал Се. «Это новый способ изготовления материалов, и он будет иметь множество применений, особенно в приложениях для квантовых вычислений и связи. Точки на сверхрешетке расположены так близко друг к другу, что электроны связаны между собой, что является важным требованием для квантовых вычислений».Квантовая точка теоретически является искусственным «атомом».
Разработанный метод делает такую ??конструкцию и "настройку" возможной, давая возможность сверху вниз контролировать размер и положение искусственных атомов в крупном масштабе.Чтобы продемонстрировать достигнутый уровень контроля, авторы создали изображение «UCSB», записанное в виде сетки квантовых точек. Используя разные дозы электронного луча, они смогли заставить разные области университетских инициалов загораться на разных длинах волн.«Когда вы изменяете дозу электронного луча, вы можете изменить размер квантовой точки в локальной области, и как только вы это сделаете, вы сможете контролировать ширину запрещенной зоны двухмерного материала», — пояснил Банерджи. «Если вы говорите, что вам нужна ширина запрещенной зоны 1,6 эВ, я могу вам ее дать.
Если вы хотите 1,5 эВ, я могу сделать это тоже, начиная с того же материала».Эта демонстрация регулируемой прямой запрещенной зоны может открыть новое поколение светоизлучающих устройств для фотоники.