Wetenschappers gebruiken elektronen om lichtbronnen en bedrading rechtstreeks op kristallen te patroon

Rice University -onderzoekers gebruikten een gerichte elektronenstraal naar patroonapparaatfuncties met submicron -precisie rechtstreeks in een ultrathinekristal. De benadering produceerde sporen smaller dan de breedte van een DNA-helix die gloeit met helderblauw licht en elektriciteit te geleiden, waaruit blijkt dat het zou kunnen worden gebruikt om compacte on-chip bedrading en ingebouwde lichtbronnen te produceren.

“De elektronenstraal werkt in wezen als een potlood op nanoschaal” een studie over het onderzoek gepubliceerd in Nano letters. “Dit is een eenstaps manier om lichtbronnen en draden te tekenen op schalen waar controle moeilijk te bereiken is met behulp van traditionele technieken zoals lithografie.”

Het team werkte met molybdeenoxide, een kristal gemaakt van gestapelde ultrathinebladen bij elkaar gehouden door zwakke bindingen van aantrekkingskracht bekend als van der Waals -krachten. In tegenstelling tot chemische bindingen die atomen samen houden in bulk driedimensionale structuren, werken van der Waals krachten tussen atoomdikke lagen. Dit maakt materialen beheerst door deze krachten zeer instelbaar-een kwaliteitsmateriaal dat wetenschappers hopen te benutten voor apparaten van de volgende generatie.

Voorbeelden van Van der Waals -krachten aan het werk in het dagelijks leven zijn het grafiet in een potlood, dat zijn lagen werpt wanneer het tegen papier wordt gedrukt; en de talloze kleine plooien in de voeten van Geckos, die afhankelijk zijn van van der Waals -krachten om muren en plafonds te grijpen.

“Het beheersen van materiaaleigenschappen is de sleutel in engineering, en van der Waals -materialen zijn het perfecte testbed om nieuwe manieren te vinden om dit te doen,” zei Lee. “Dit werk laat zien dat we optische en elektrische eigenschappen zeer nauwkeurig kunnen regelen om subcards -functies op het patroon op materialen van van der Waals te regelen zonder meerdere, gecompliceerde stappen die betrokken zijn bij traditionele technieken zoals lithografie.”

De onderzoekers testten het idee dat elektronen met hoge energie als kleine hamers konden werken, waardoor zuurstofatomen uit het molybdeenoxide-rooster worden uitgeschakeld. Die ontbrekende atomen – bekend als zuurstofdefecten – waardoor het kristal zowel helderder schitterde en gemakkelijker stroomt.

“Waar de elektronenstraal ‘schreef’, groeide de blauwe emissie snel en bleef helder,” zei Yifeng Liu, een postdoctorale onderzoeker die een hoofdauteur is in de studie. “Deze patronen worden ook honderden keren geleidender en vormen scherpe ingebouwde draden.”

Omdat de vlek van de elektronenstraal zo goed is, bereikten de patronen schalen van slechts enkele honderden nanometers over. Die precisie maakt het mogelijk om mogelijk gloeiende sporen en nanoschaalbedrading rechtstreeks in chips, sensoren en andere apparaten te integreren.

Het werk was gebaseerd op een nieuw cathodoluminescentiespectroscopiesysteem bij Rice’s Shared Equipment Authority, een faciliteit die onderzoekstools en expertise van wereldklasse biedt aan onderzoekers van Rice en daarbuiten, waardoor geavanceerde experimenten betaalbaar en toegankelijk zijn voor wetenschap en engineering.

De onderzoekers gebruikten het instrument om beide de zuurstofdefecten in molybdeenoxidekristallen te creëren als om het in het proces uitgezonden licht vast te leggen, kathodoluminescentie genoemd. Hierdoor konden ze de wijzigingen in Crystal Lattice in realtime volgen en de opkomende eigenschappen karakteriseren.

“We hebben ook de opkomst van zuurstofdefecten bevestigd door complementaire karakteriseringstechnieken,” zei Liu. “Over het algemeen is wat opwindend is aan dit werk, al deze materiaaleffecten tegelijkertijd bereiken. We doen geen afzonderlijke stappen voor optica en elektronica. We schrijven beide tegelijk, in één materiaal, met echt hoge precisie.”

De onderzoekers zeggen dat de methode verder zou kunnen gaan dan molybdeenoxide tot andere van der Waals-oxiden en een nieuwe toolkit bieden voor het ontwerpen van opto-elektronische apparaten van de volgende generatie.