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工程師可制造精確到原子級的超晶格材料！

2017-09-30 10:12:25 作者：本網整理來源：材料科技在線分享至：

這位藝術家所呈現的是用一個電子束（紫色）創建的由原子級尺度精度放置的量子點構成的二維超晶格。圖片來源：Peter Allen

對長期致力于尋找最完美材料的材料專家們而言，控制微小粒子一直都是個挑戰，包括如何正確處理這些粒子以產生正確的電性和合適的活性來滿足給定的應用要求。

調整半導體活性所面臨的一個重要挑戰是要控制其能帶隙。當一種材料被外界能量所激發時，例如光脈沖，它的帶隙越寬，其發出的光的波長就越短；帶隙越窄，波長越長。

隨著電子產品如智能手機、筆記本電腦等變得越來越小，為它們供電的半導體晶體管已經縮小得不比原子大多少了，而現在已經不能再小了。為了克服這個限制，研究人員正在尋求利用納米尺度原子簇陣列（稱為量子點超晶格）的獨特特征，構建下一代電子設備，如大規模量子信息系統。而在量子領域里，精度就顯得尤為重要。

加州大學圣巴巴拉分校（UCSB）的電氣和計算機工程系進行的新的研究揭示了精密超晶格材料的一個重大進展。這是Kaustav Banerjee教授的研究結果，他的博士生謝學軍、康佳皓和曹魏以及博士后研究員Jae Hwan Chu和萊斯大學的合作者將研究結果出版在《自然科學報告》雜志上。

他們團隊在研究過程中使用聚焦電子束來制造大規模的量子點超晶格，其中每個量子點在原子級薄度的二維半導體上都有精確定位的特定尺寸的二硫化鉬（MoS2）。當聚焦電子束與二硫化鉬單層膜相互作用時，它將直徑為納米級的區域從半導體轉變為金屬。量子點的間隔可以小于4納米，從而使其成為人造晶體，其本質上是一種新的二維材料，其中帶隙可以控制在1.8至1.4電子伏特（eV）。

“這是科學家第一次在有序的網格中創建一個如此大面積的二維超晶格（有序納米原子簇），而且在一個原子級薄度的材料上，量子點的大小和位置都能被精確地控制。這一過程不僅創造了幾個量子點，而且還可以直接應用于二維量子點超晶格的大規模制造。在這樣的條件下，我們可以改變二維晶體的整體特性。” Banerjee說。

每個量子點都是一個量子阱，當電子空穴活動發生時，晶格中的所有點彼此足夠接近，以確保相互作用。研究人員可以改變點的間距和尺寸以改變帶隙，這決定了其發射的光的波長。

“使用這種技術，我們可以設計帶隙以匹配應用程序，”Banerjee說。量子點超晶格已被廣泛研究，用于創建具有可調帶隙的材料，但都是使用“自下而上”方法制造的，其中原子自然地并且自發地組合以形成宏觀對象。但是，這些方法使其難以根據需要設計晶格結構，從而實現最佳性能。

例如，根據條件，碳原子以3D形式結合的形式下只產生兩個結果：石墨或鉆石。這無法“轉換”，在兩者之間無法操作。但當原子可以精確定位時，材料可以被設計成具有所需的特性。

“我們的方法克服了隨機性和鄰近性的問題，能夠控制帶隙和你希望材料能具有的其他任何特性，具有很高的精度，這是一種制造材料的新方法，它將有許多用途，特別是在量子計算和通信應用中。超晶格上的量子點相互接近，電子是耦合的，是量子計算的一個重要要求。”謝先生說。

在理論上，量子點是一個人造的“原子”。開發的這項技術通過實現大規模人造原子的尺寸和位置的自頂向下的控制，使得設計和“調節”原子級結構成為可能。

為了證明所達到的控制水平，作者制作了一個在量子點網格中拼出的“UCSB”的圖像。通過使用不同劑量的電子束，他們能夠使大寫的首字母的不同區域在不同的波長上發光。

“當改變電子束的劑量時，你可以改變局部區域的量子點的大小，一旦這樣做，就可以控制二維材料的帶隙，” Banerjee解釋說。“如果你說你想要1.6ev的帶隙，我可以給你。如果你想要1.5ev，我也可以這樣做，而且使用同樣的材料。”

這種可調節的直接帶隙的演示可以為光子學應用帶來一種新的發光器件。

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責任編輯：殷鵬飛

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