Nanofire
1. Fabricarea de nanofire la suprafetelor
Scopul acestui proiect este de design din materiale artificiale care constau din fire ultrafine sau matrice liniară de puncte, zece la sută de ori mai fine decât cele produse cu tehnicile de fabricaţie comercial micro-structura. De fapt, am mers tot drumul până la lanţurile de atom, care poate fi privit ca nanofire final (defilaţi în partea de jos pentru acele). Aceste modele sunt formate prin auto-asamblare, în cazul în care atomii se aranja in mod natural la suprafata de siliciu trepte.
Un aspect important în nanofire fabricatie este capacitatea de a pregăti fire de un material orice pe orice substrat cu orice grosime. În special, folosind plachete de siliciu ca substrat este foarte de dorit. Pentru a atinge acest scop vă sugerăm următorul text "universal" proces. În primul rând, un substrat de siliciu cu o gama regulat de măsuri este pregătit (A). Apoi, dungi (B) sau puncte (C) a unui material de pasivare sunt anexate la marginile pas. Această parte este analog pentru a crea o masca de fotorezist în litografie tradiţionale. Ca material vom folosi masca de fluorură de calciu, care este zăbrele cu potrivire la siliciu şi chimic inert. În cele din urmă, materialul dorit este depus pe siliciu rămase, de exemplu prin substrat selectiv depunerea chimică din vapori (CVD) sau galvanizare. Alternativ, fluorură de calciu ar putea deveni utilă ca o mască de etch pentru producerea tranşee în siliciu care pot fi umplute cu materiale noi pentru a realiza o structură plane.
Figura de mai jos prezinta prepararea de măşti fluorură de calciu în formă schematică (sus), împreună cu datele reale (de jos).
Pentru a porni de-a lungul această cale, vom stabili condiţiile de obţinere a foarte-regulat structurile pas pe siliciu. Imaginile de mai jos demonstrează gama de matrice de pas care pot fi formate pe suprafeţe siliciu de auto-asamblare. De obicei, spaţierea pas este comparabilă cu dimensiunea de un virus. Aceste imagini sunt luate cu un microscop tunel de scanare (STM). Ele arată derivat de înălţimea vârfului. Care dă impresia unei suprafeţe iluminate din stânga, cu paşii de umbre întunecate la dreapta.
Tablouri în special f. pas ar putea fi atins pe Si (111) 7x7 de suprafaţă. Structura 7x7 Cauzele paşi de-a lungul [011]-direcţie pentru a deveni extrem de simple, deoarece fiecare încurca necesită generatoare de 14 rânduri noi de atomi de siliciu (7 rânduri, două straturi de adâncime). Marginile sunt pas atomic-drepte, cu o distanţă încurca nivel cât mai scăzut ca un nod unic la 20.000 atomi, aşa cum se vede în imaginea de mai jos. Acestea sunt luate cu un microscop tunel de scanare (STM). X-derivat al topografiei este afişat, ceea ce face paşi apar ca linii intunecate. Imaginea de pe zoom-uri în dreapta, pe terasă între două etape (linii groase închis). Modelul atomic al structurii structura 7x7 este rezolvată, care a construit în şanţuri fine, care rula paralel cu marginile pas. Aceste canale sunt 2.3 nm în afară şi de a determina locatia de marginile posibil pas. Ele pot fi privite ca blocurile LEGO a aspiră nano-inginer.
Fabricarea de trepte drepte: J. Viernow et al,. Appl. Fiz. Lit 72, 948 (1998). ;
Măsuri unice şi măsurile torsadate: J.-L. Lin et al,. J. Appl. Phys 84,. 255 (1998).
Paşi atomic-f. bine: A. Kirakosian et al,. Appl. Fiz. Lett 79,. 1608 (2001).
Nostru "proces universal", pot fi realizate în continuare prin prezentarea unei măşti de fluorură de calciu, aşa cum se arată în imaginea de mai jos. O suprafata de siliciu pasit este acoperit cu un strat de CaF1 şi CaF2 dungi sunt formate pe partea de sus de acel strat. Aceste dungi sunt sunt continue şi nu se ating unii pe alţii, pentru că dungi adiacente nu puteţi lega la fiecare alte. Lăţimea banda de 7 nm realizate aici este cu mult sub o rezoluţie de 180 nm realizate în litografie comerciale pentru fabricarea cip.
J. Viernow et al,. Appl. Fiz. Lett 74,. 2125 (1999).
Al treilea pas din "proces universal" implică depunerea selectivă sau decapare între suprafeţele mascate. Imaginea de mai jos arată că moleculele pot fi depozitate în selectiveley CaF1 scobituri între CaF2 dungi.
H. Rauscher, et al,. Chem. Fiz. Lit. 303, 363 (1999).
Folosind molecule organometalica, cum ar fi ferocenului, este posibil sa fabricam fire de fier 3 nanometri larg.
J.-L. Lin et al,. Appl. Fiz. Lett 78,. 829 (2001).
Imagini (derivat al topografiei, "iluminate din partea")
Si (111) 7x7 closeup, prezentând găuri colţ şi scobiturile celula 7x7.
Matrice pas pe siliciu, cu doar un singur nod în atomi marginea 20.000.
Etapele şi îndoit pe siliciu
Gama larga de CaF2 dungi
3 fire de cupru nm pe molibden, sa făcut vizibil prin contrast de stat imagine.
2. Lanturi Atom, nanofire Ultimate
Auto-asamblare se poate ajunge de precizie atomică pentru structuri foarte mici (până la 10 nm în mărime). Este posibil să mergi tot drumul la limita final pentru nanofire, chainse adică de atomi de unică, cu un set unic de orbitali conectarea acestora. Astfel de fire atomice sunt obţinute prin depunerea de o fracţiune de monostrat de atomii de metal pe o suprafata de siliciu trepte. Un exemplu este Si (557)-Au suprafaţă de mai jos. Acesta conţine un pas la fiecare cinci rânduri de siliciu atom şi un rând de atomi de aur, în mijlocul terasei. Imaginea de mai jos prezinta STM două rânduri de puncte alb, fin, care sunt amplificate în introducere. Ele corespund atomi de siliciu cu dangling obligaţiuni.
Electronii: R. Losio et al,. Fiz. Rev Lett 86,. 4632 (2001).
Structura: IK Robinson et al,. Fiz. Rev Lett 88,. 096104 (2002).
Opinie: I. Barke et al,. Appl. Surf. Sci. 254, 4 (2007).
Fiind capabil să fabrice fire atomice deschide posibilitatea de a studia unidimensionale electronii se deplasează de-a lungul lanţurilor de atom. Proprietăţile de electroni devin mai si mai exotice atunci când progresează din lume tri-dimensională în dimensiuni mai mici. Într-un gaz de electroni bidimensional se observă fenomene surprinzătoare deja, cum ar fi taxa fracţionată şi statistici cu efect de fracţionare Hall cuantic. Predictii pentru unidimensională electronii sunt chiar mai departe afară. Conceptul unui singur electron, deoarece electronii nu pătrunde în mod constant reciproc atunci când se deplasează de-a lungul aceeaşi linie de unidimensionale. Ele îşi pierd identitatea lor şi separate în două quasiparticles, un spinon care desfăşoară de spin fără taxă, şi un holon care poarta sarcina pozitiva de o gaură fără rotire sale. Aceasta este de predicţie teoretică, şi Hunt este dacă un astfel de comportament ciudat pot fi observate experimental.
Setul complet de numere cuantice pentru electronilor în solid este revelat de fotoemisie unghi-rezolvate cu acordabile radiatii sincrotron. Cele două numere cuantic principal de energie şi impuls sunt combinate într-un complot structura bandă, la fel ca în imaginea de mai jos. Dark reprezintă regiuni cu intensitate mare fotoemisie. Cu tehnicile multitedection pentru energie si unghiul de acum este posibil pentru a vedea structura de banda direct pe un ecran de televizor.
Unele dintre fire atomice se dovedesc a fi metalic (sus stânga). Comportamentul metalic este dedus din observaţia că benzile extind tot drumul până la nivelul Fermi pentru EF Si (557)-Au, ca într-un metal. Prin contrast, Si plat (111)-Au suprafaţă în panoul din dreapta arata o trupa care nu ajunge la EF. Chiar dacă atomii de metal sunt puternic cuplate la substrat, electronii din metal nu interacţionează cu substratul de siliciu, deoarece energia lor se află în banda de siliciu.
Electronii la nivelul Fermi sunt deosebit de interesante, deoarece acestea se aduna în faze exotice în dimensiuni reduse. Aceste electronii sunt cel mai bine caracterizate de suprafaţa Fermi, care descrie distribuţia lor impuls. Astfel de suprafeţe Fermi sunt prezentate mai jos cu două şi unu-dimensionale electroni la suprafata de siliciu cu atomii de metal in plus (de obicei, o monostrat pentru o structura 2D şi 1 / 5 din o monostrat pentru o structura 1D) bidimensională suprafeţele Fermi de obicei. Constau în cercuri (sus), care pot forma modele complicate prin replicarea la o superlattice (mijloc). One-dimensional suprafeţele Fermi sunt linii drepte, care devin modulate de către INSPECTORUL GADGET mici în cazul în care o slabă bidimensional de cuplare este prezentă între lanţurile de atom (jos).
În prezent, suntem explorarea suprafeţe siliciu cu o varietate de distanţe pas. Aceasta face posibilă să varieze între dimensionalitatea 2D şi 1D. De exemplu, raportul de cuplare în paralel / perpendicular la lanţurile poate fi variat de la 10:01 la> 70:1. În plus, cu structuri de umplere fracţionate pot fi produse, cum ar fi suprafaţa unidimensionale Fermi arătat mai sus. Umplere fracţionată se realizează prin încorporarea lanţuri într-o superlattice 2D în cazul în care atomi de siliciu acţioneze ca dopants, la fel ca în modularea dopajului de semiconductori. Aceasta ridică întrebări interesant despre un analog la efectul Hall cuantic fracţionată într-un gaz de electroni unidimensională. Lanturi poate fi format nu numai cu atomi de aur, dar, de asemenea, cu o mare varietate de atomi de alt metal. Acestea includ atomi magnetice, cum ar fi D-zeu şi de pământuri rare, alte, care deschid noi posibilitati de fabricatie lanţuri de spin. De fapt, chiar si non-magnetice lanţuri de aur sub formă de spin-split Fermi suprafeţe, ca în exemplul de mai sus. Aceasta este datorită interacţiunii spin-orbită în simetria redus de o suprafaţă. O alta structura lanţului spontan se descompune în segmente metalice şi semiconductoare, care pot fi privite ca un analog-dimensional de dungi, care au fost un subiect fierbinte în contextul supraconductibilitate la temperaturi ridicate. Toate aceste structuri atomice lanţ forma un loc de joaca ideal pentru a căuta noi si interesante pentru fazele de materie într-o singură dimensiune.
2D suprafete Fermi: JN Crain et al,. Fiz. Rev B 66, 205302 (2002).
Suprafeţe 1D Fermi: JN Crain et al,. Fiz. Rev Lett 90,. 176805 (2003).
Lanţuri gd: A. Kirakosian et al,. Surf. Sci 498, L109 (2002)..
Divizare Spin: I. Barke et al,. Fiz. Rev Lett 97,. 226405 (2006).
Opinie:. I. Barke et al, Solidului Commun 142, 617 (2007)..
3. Lanturi pentru Spin Spin Electronics single
Ultima limită pentru efectuarea circuite electronice mai mici şi mai mici, este atins atunci când un bit de date este redus la un singur electron, care transportă o singură rotire şi aşezat pe un singur atom. Suntem încă departe de această limită, dar de lucru teoretice cu privire la dispunerea de fire atomice de la marginile pas de siliciu oferă o prima privire (a se vedea imaginea de mai jos). Auto-asamblare de atomi de siliciu şi de aur produce o structura foarte neobisnuita de la marginea pas. Atomii de siliciu forma o banda de silicon grafitice de la marginea pas (verde), iar atomii de aur (galben) formularul două rânduri, în mijlocul terasei obligaţiuni Fragmentat la marginea pas conţine un singur electron fiecare,. Şi cu vine o singură învârtire (săgeată sus sau jos). Aceste rotatii nepereche apar exact la fiecare atom marginea treia, în timp ce între doi atomi în pereche la spini lor şi sunt non-magnetice. Aceasta triplare a perioadei este într-adevăr observat experimental. Recent, aceasta a devenit posibil pentru a detecta rotiri unică la suprafeţe cu microscopia de scanare tunel. Aceasta stabileşte scena pentru memorie de spin la scara atomica si logica.
Steven C. Erwin şi Himpsel in dinti, magnetismul intrinsec la suprafeţe de siliciu, Natura Comunicatiilor 01:58 (2010).