纳米材料加工的突破性方法预示着量子计算与纳米技术的进步

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约翰霍普金斯大学的研究人员已经开发出一种新的方法来生产原子级薄的半导体晶体,有一天可能使功能更强大,更紧凑的电子设备成为现实。

通过使用经过特殊处理的硅表面来调整晶体的尺寸和形状,研究人员发现了一种潜在的更快,更便宜的方式来生产用于微芯片的下一代半导体晶体。以这种方式生产的晶体材料反过来又可以实现新的科学发现,并加速量子计算,消费电子产品以及更高效率的太阳能电池和电池的技术发展。

这些发现在今天发表在《自然纳米技术》上的一篇论文中进行了描述。

约翰·霍普金斯大学的化学教授托马斯·肯帕说:“有了一种精确,快速地雕刻纳米级晶体的方法,而无需传统的自上而下的工艺,这为纳米材料在技术应用中的广泛应用提供了主要优势。”指导研究的大学。

肯帕(Kempa)的团队首先用磷化氢气体浸渍了硅衬底-在工业环境中广泛用于将半导体加工成器件的支撑物。当人们哄骗晶体在经过磷化处理的硅载体上生长时,他们发现它们长成了比通过传统方法制备的晶体更小,质量更高的结构。

研究人员发现,膦与硅载体的反应导致形成新的“设计表面”。与通常生产的平面和三角形薄片相反,该表面促使晶体以水平“丝带”的形式生长。此外,这些色带的均匀肤色和干净边缘的结构可与通过行业标准的图案化和蚀刻工艺制备的纳米晶体相媲美,纳米晶体的加工通常费力,费时且昂贵,Kempa说。

在这项研究中制备的纳米晶体被称为“过渡金属二卤化物”或TMDs。像石墨烯一样,TMD由于拥有强大的性能而受到广泛关注,这是其“二维”规模的独特结果。但是,传统的加工方法难以以适合新发现和性能更好的技术发展的方式轻易改变TMD的质地。

值得注意的是,Kempa和他的团队能够创建的TMD版本很小,以至于他们将它们称为“一维”,以区别于大多数研究人员所熟悉的普通二维图纸。

材料加工的限制是近年来摩尔定律放慢的原因之一。由IBM联合创始人Gordon E. Moore于1965年提出的规则指出,在密集集成电路中,晶体管的数量及其性能大约每两年就会翻一番。在过去的几十年中,消费电子产品越来越小,越来越快,越来越智能,这是将如此多的微米级晶体管封装到微芯片或集成电路中的原因。

但是,半导体行业现在正努力保持这一步伐。

肯帕及其团队准备的晶体的显着特征包括:

1.它们的原子结构和质量非常均匀,是由于它们是合成的,而不是通过传统的图案化和蚀刻方法制造的。这些晶体的优雅品质可以使它们更有效地传导和转换太阳能电池或催化剂中的能量。

2.研究人员能够通过更改磷化氢的量直接将晶体生长到其精确规格。

3.“设计基板”是“模块化的”,这意味着学术和工业实验室可以结合使用该技术和其他现有的晶体生长工艺来制造新材料。

4.“设计基板”也可重复使用,从而节省了金钱和时间。

5.产生的带状一维晶体发出的光的颜色可以通过调整带状宽度来调整,这表明它们在量子信息应用中的潜在前景。

肯帕说:“我们正在为合理控制纳米级材料的形状和尺寸做出根本性的贡献。”

他补充说,这种方法可以“以前所未有的方式雕刻纳米级晶体”。“在这些长度尺度上对晶体尺寸进行如此精确的合成控制是前所未有的。”

他说:“我们的方法可以节省大量的处理时间和金钱。” “我们随意控制这些晶体的能力将使它在能量存储,量子计算和量子密码学中的应用成为可能。”


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