工程师可制造精确到原子级的超晶格材料！

2017-09-30 10:12:25 作者：本网整理来源：材料科技在线分享至：

这位艺术家所呈现的是用一个电子束（紫色）创建的由原子级尺度精度放置的量子点构成的二维超晶格。图片来源：Peter Allen

对长期致力于寻找最完美材料的材料专家们而言，控制微小粒子一直都是个挑战，包括如何正确处理这些粒子以产生正确的电性和合适的活性来满足给定的应用要求。

调整半导体活性所面临的一个重要挑战是要控制其能带隙。当一种材料被外界能量所激发时，例如光脉冲，它的带隙越宽，其发出的光的波长就越短；带隙越窄，波长越长。

随着电子产品如智能手机、笔记本电脑等变得越来越小，为它们供电的半导体晶体管已经缩小得不比原子大多少了，而现在已经不能再小了。为了克服这个限制，研究人员正在寻求利用纳米尺度原子簇阵列（称为量子点超晶格）的独特特征，构建下一代电子设备，如大规模量子信息系统。而在量子领域里，精度就显得尤为重要。

加州大学圣巴巴拉分校（UCSB）的电气和计算机工程系进行的新的研究揭示了精密超晶格材料的一个重大进展。这是Kaustav Banerjee教授的研究结果，他的博士生谢学军、康佳皓和曹魏以及博士后研究员Jae Hwan Chu和莱斯大学的合作者将研究结果出版在《自然科学报告》杂志上。

他们团队在研究过程中使用聚焦电子束来制造大规模的量子点超晶格，其中每个量子点在原子级薄度的二维半导体上都有精确定位的特定尺寸的二硫化钼（MoS2）。当聚焦电子束与二硫化钼单层膜相互作用时，它将直径为纳米级的区域从半导体转变为金属。量子点的间隔可以小于4纳米，从而使其成为人造晶体，其本质上是一种新的二维材料，其中带隙可以控制在1.8至1.4电子伏特（eV）。

“这是科学家第一次在有序的网格中创建一个如此大面积的二维超晶格（有序纳米原子簇），而且在一个原子级薄度的材料上，量子点的大小和位置都能被精确地控制。这一过程不仅创造了几个量子点，而且还可以直接应用于二维量子点超晶格的大规模制造。在这样的条件下，我们可以改变二维晶体的整体特性。” Banerjee说。

每个量子点都是一个量子阱，当电子空穴活动发生时，晶格中的所有点彼此足够接近，以确保相互作用。研究人员可以改变点的间距和尺寸以改变带隙，这决定了其发射的光的波长。

“使用这种技术，我们可以设计带隙以匹配应用程序，”Banerjee说。量子点超晶格已被广泛研究，用于创建具有可调带隙的材料，但都是使用“自下而上”方法制造的，其中原子自然地并且自发地组合以形成宏观对象。但是，这些方法使其难以根据需要设计晶格结构，从而实现最佳性能。

例如，根据条件，碳原子以3D形式结合的形式下只产生两个结果：石墨或钻石。这无法“转换”，在两者之间无法操作。但当原子可以精确定位时，材料可以被设计成具有所需的特性。

“我们的方法克服了随机性和邻近性的问题，能够控制带隙和你希望材料能具有的其他任何特性，具有很高的精度，这是一种制造材料的新方法，它将有许多用途，特别是在量子计算和通信应用中。超晶格上的量子点相互接近，电子是耦合的，是量子计算的一个重要要求。”谢先生说。

在理论上，量子点是一个人造的“原子”。开发的这项技术通过实现大规模人造原子的尺寸和位置的自顶向下的控制，使得设计和“调节”原子级结构成为可能。

为了证明所达到的控制水平，作者制作了一个在量子点网格中拼出的“UCSB”的图像。通过使用不同剂量的电子束，他们能够使大写的首字母的不同区域在不同的波长上发光。

“当改变电子束的剂量时，你可以改变局部区域的量子点的大小，一旦这样做，就可以控制二维材料的带隙，” Banerjee解释说。“如果你说你想要1.6ev的带隙，我可以给你。如果你想要1.5ev，我也可以这样做，而且使用同样的材料。”

这种可调节的直接带隙的演示可以为光子学应用带来一种新的发光器件。

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责任编辑：殷鹏飞

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