Een nieuwe kristalproductiemethode zou kwantumcomputers en elektronica kunnen verbeteren

In een onderzoek gepubliceerd in Natuur materialenbeschrijven wetenschappers van de Universiteit van Californië, Irvine, een nieuwe methode om zeer dunne kristallen van het element bismut te maken – een proces dat de productie van goedkope flexibele elektronica een dagelijkse realiteit kan maken.

“Bismuth fascineert wetenschappers al meer dan honderd jaar vanwege het lage smeltpunt en de unieke elektronische eigenschappen”, zegt Javier Sanchez-Yamagishi, assistent-professor natuurkunde en astronomie aan UC Irvine en co-auteur van het onderzoek. “We hebben een nieuwe methode ontwikkeld om zeer dunne kristallen van materialen zoals bismut te maken, en daarbij verborgen elektronisch gedrag van de metaaloppervlakken te onthullen.”

De bismutplaten die het team heeft gemaakt, zijn slechts enkele nanometers dik. Sanchez-Yamagishi legde uit hoe theoretici hebben voorspeld dat bismut speciale elektronische toestanden bevat waardoor het magnetisch kan worden wanneer er elektriciteit doorheen stroomt – iets essentieels voor kwantumelektronische apparaten die gebaseerd zijn op de magnetische spin van elektronen.

Een van de verborgen gedragingen die het team heeft waargenomen, zijn zogenaamde kwantumoscillaties die afkomstig zijn van de oppervlakken van de kristallen.

“Kwantumoscillaties ontstaan ​​door de beweging van een elektron in een magnetisch veld”, zegt Laisi Chen, een Ph.D. kandidaat in natuurkunde en astronomie aan UC Irvine en een van de hoofdauteurs van het artikel. ‘Als het elektron een volledige baan rond een magnetisch veld kan voltooien, kan het effecten vertonen die belangrijk zijn voor de prestaties van elektronica. Kwantumoscillaties werden voor het eerst ontdekt in bismut in de jaren dertig, maar zijn nog nooit waargenomen in nanometerdunne bismutkristallen. “

Amy Wu, een Ph.D. kandidaat natuurkunde in het laboratorium van Sanchez-Yamagishi vergeleek de nieuwe methode van het team met een tortillapers. Om de ultradunne vellen bismut te maken, legde Wu uit, moesten ze bismut tussen twee hete platen persen. Om de platen zo vlak te maken als ze zijn, moesten ze vormplaten gebruiken die op atomair niveau perfect glad zijn, wat betekent dat er geen microscopisch kleine divots of andere onvolkomenheden op het oppervlak aanwezig zijn.

“Vervolgens hebben we een soort quesadilla of panini gemaakt waarbij de bismut de kaasachtige vulling is en de tortilla’s de atomair vlakke oppervlakken zijn”, zei Wu.

“Er was een nerveus moment waarop we meer dan een jaar bezig waren geweest met het maken van deze prachtige dunne kristallen, maar we hadden geen idee of de elektrische eigenschappen iets buitengewoons zouden zijn”, zegt Sanchez-Yamagishi. “Maar toen we het apparaat in ons laboratorium afkoelden, waren we verbaasd toen we kwantumoscillaties waarnamen, die nog niet eerder in dunne bismutfilms waren waargenomen.”

“Compressie is een veel voorkomende productietechniek die wordt gebruikt voor het maken van gewone huishoudelijke materialen zoals aluminiumfolie, maar wordt niet vaak gebruikt voor het maken van elektronische materialen zoals die in computers”, voegde Sanchez-Yamagishi eraan toe. “Wij geloven dat onze methode zal generaliseren naar andere materialen, zoals tin, selenium, tellurium en aanverwante legeringen met lage smeltpunten, en het zou interessant kunnen zijn om toekomstige flexibele elektronische circuits te onderzoeken.”

Vervolgens wil het team andere manieren verkennen waarop compressie- en spuitgietmethoden kunnen worden gebruikt om de volgende computerchips voor telefoons of tablets te maken.

“Onze nieuwe teamleden brengen spannende ideeën met zich mee voor dit project, en we werken aan nieuwe technieken om meer controle te krijgen over de vorm en dikte van de gegroeide bismutkristallen”, aldus Chen. “Dit zal de manier waarop we apparaten fabriceren vereenvoudigen en een stap dichterbij massaproductie brengen.”

Het onderzoeksteam bestond uit medewerkers van UC Irvine, Los Alamos National Laboratory en het National Institute for Materials Science in Japan.