Wetenschappers scheren ‘haren’ van nanokristallen om hun elektronische eigenschappen te verbeteren

Je kunt tegenwoordig een hele computer op zak hebben, omdat de technologische bouwstenen sinds de jaren vijftig steeds kleiner worden. Maar om toekomstige generaties elektronica te creëren – zoals krachtigere telefoons, efficiëntere zonnecellen of zelfs kwantumcomputers – zullen wetenschappers op de kleinste schaal met geheel nieuwe technologie moeten komen.

Een aandachtsgebied zijn nanokristallen. Deze kleine kristallen kunnen zichzelf in vele configuraties assembleren, maar wetenschappers hebben moeite gehad om uit te zoeken hoe ze met elkaar kunnen praten.

Een nieuwe studie introduceert een doorbraak in het elektronisch laten samenwerken van nanokristallen. Gepubliceerd op 25 maart in Wetenschap, het onderzoek kan de deuren openen naar toekomstige apparaten met nieuwe mogelijkheden.

“We noemen deze superatomaire bouwstenen, omdat ze nieuwe mogelijkheden kunnen bieden, bijvoorbeeld door camera’s in het infraroodbereik te laten zien”, zegt professor Dmitri Talapin van de University of Chicago, de corresponderende auteur van het artikel. “Maar tot nu toe was het erg moeilijk om ze allebei in structuren te assembleren en laat ze met elkaar praten. Voor het eerst hoeven we niet te kiezen. Dit is een transformatieve verbetering.”

In hun paper leggen de wetenschappers ontwerpregels uit die de creatie van veel verschillende soorten materialen mogelijk moeten maken, zei Josh Portner, een Ph.D. student scheikunde en een van de eerste auteurs van de studie.

Een klein probleempje

Wetenschappers kunnen nanokristallen kweken uit veel verschillende materialen: metalen, halfgeleiders en magneten zullen elk verschillende eigenschappen opleveren. Maar het probleem was dat wanneer ze probeerden deze nanokristallen samen te voegen tot arrays, de nieuwe superkristallen zouden groeien met lange “haren” om hen heen.

Deze haren maakten het voor elektronen moeilijk om van het ene nanokristal naar het andere te springen. Elektronen zijn de boodschappers van elektronische communicatie; hun vermogen om gemakkelijk mee te bewegen is een belangrijk onderdeel van elk elektronisch apparaat.

De onderzoekers hadden een methode nodig om de haren rond elk nanokristal te verkleinen, zodat ze ze steviger konden inpakken en de gaten ertussen konden verkleinen. “Als deze gaten slechts een factor drie kleiner zijn, is de kans dat elektronen er overheen springen ongeveer een miljard keer groter”, zegt Talapin, de Ernest DeWitt Burton Distinguished Service Professor of Chemistry and Molecular Engineering aan UChicago en een senior wetenschapper bij Argonne Nationaal Laboratorium. “Het verandert heel sterk met de afstand.”

Om de haren af ​​te scheren, probeerden ze te begrijpen wat er op atomair niveau aan de hand was. Hiervoor hadden ze de hulp nodig van krachtige röntgenstralen in het Center for Nanoscale Materials in Argonne en de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource bij SLAC National Accelerator Laboratory, evenals krachtige simulaties en modellen van de chemie en fysica in het spel. Dit alles stelde hen in staat te begrijpen wat er aan de oppervlakte gebeurde – en de sleutel te vinden om hun productie te benutten.

Een deel van het proces om superkristallen te laten groeien gebeurt in oplossing, dat wil zeggen in vloeistof. Het blijkt dat als de kristallen groeien, ze een ongewone transformatie ondergaan waarin gas, vloeibare en vaste fasen naast elkaar bestaan. Door de chemie van dat stadium precies te beheersen, konden ze kristallen creëren met hardere, slankere buitenkanten die veel dichter bij elkaar konden worden gepakt. “Het begrijpen van hun fasegedrag was een enorme sprong voorwaarts voor ons”, zei Portner.

Het volledige scala aan toepassingen blijft onduidelijk, maar de wetenschappers kunnen meerdere gebieden bedenken waar de techniek toe zou kunnen leiden. “Misschien zou elk kristal een qubit in een kwantumcomputer kunnen zijn; het koppelen van qubits aan arrays is op dit moment een van de fundamentele uitdagingen van de kwantumtechnologie”, zei Talapin.

Portner is ook geïnteresseerd in het onderzoeken van de ongebruikelijke tussentoestand van materie die wordt waargenomen tijdens de groei van superkristallen: “Driefasige coëxistentie zoals deze is zeldzaam genoeg dat het intrigerend is om na te denken over hoe je voordeel kunt halen uit deze chemie en nieuwe materialen kunt bouwen.”

De studie omvatte wetenschappers van de Universiteit van Chicago, Technische Universität Dresden, Northwestern University, Arizona State University, SLAC, Lawrence Berkeley National Laboratory en de University of California, Berkeley.