Sistema di illuminazione con diverse frequenze. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-019-0144-z
Gli scienziati hanno recentemente sviluppato un nanointerruttore controllato dalla luce per gettare le basi per lo sviluppo di dispositivi atomici nella nanotecnologia. Hanno progettato gli interruttori su scala nanometrica in un primo passo verso la miniaturizzazione dei dispositivi elettronici completamente integrata. La ricerca multidisciplinare è stata condotta da Weiqiang Zhang e collaboratori, e un team internazionale di collaboratori. I risultati dello studio sono ora pubblicati in Luce:scienza e applicazioni .
Nel metodo sviluppato da Zhang et al. la luce può essere utilizzata per controllare la conduttanza elettrica alla giunzione tra i nanoelettrodi d'oro riscaldando gli elettroni sulla superficie dell'elettrodo, in una tecnica nota come "riscaldamento plasmonico". Hanno convalidato i meccanismi sperimentali utilizzando simulazioni. Il team di ricerca ha espanso gli elettrodi tramite riscaldamento plasmonico per chiudere il divario e accendere l'interruttore, aprendo la strada alla costruzione di transistor a molecola singola e biosensori basati su nanopori su scala nanometrica.
Le giunzioni molecolari sono state precedentemente studiate come approccio per costruire nanointerruttori impiegando molecole fotocromatiche (sensibili alla luce) che commutano tra due isoforme distinte. Il presente lavoro di Zhang et al. comportamento dell'interruttore di conduttanza dimostrato in contrasto solo con un contatto metallico nudo, sotto una leggera illuminazione, senza molecole Hanno dimostrato la conduttanza dei contatti quantistici metallici nudi come interruttori reversibili su otto ordini di grandezza per superare sostanzialmente le prestazioni dei precedenti interruttori molecolari. Gli scienziati sono stati in grado di regolare la dimensione dello spazio tra i due elettrodi dopo il processo di commutazione con una precisione sub-angstrom, controllando l'intensità della luce o la polarizzazione.
A SINISTRA:a) Un filo metallico con una tacca nel mezzo è fissato sul substrato. La tacca può essere allungata fino a quando non si rompe definitivamente a causa della flessione del supporto, che produce due elettrodi separati. b Immagini SEM del microfilo dentellato durante il processo di stiramento. Barra della scala:50μm. c Misura in tempo reale della corrente con la luce accesa/spenta ogni 50 s–60 s. Immagine ingrandita:la conduttanza diminuisce in passi quantici a multipli di G0 (=2e2/h) al diminuire dell'intensità della luce. d Schema della disposizione atomica, che corrisponde a quattro stati di conduttanza all'illuminazione della luce. Stato 1:i due elettrodi sono separati da alcuni angstrom (G ≪ 1 G0). Stato 2:i due elettrodi vengono ricollegati all'accensione della luce (G ~ 80 G0). Stato 3:i due elettrodi sono allungati, e una catena di atomi d'oro si forma prima che il nanocontatto si rompa quando l'intensità della luce viene ridotta (G ~ 1 G0). Stato 4:i due elettrodi vengono nuovamente separati per la dissipazione del calore in quanto la luce è completamente spenta (G ≪ 1 G0). A DESTRA:Fabbricazione di un nanocontatto. a) Predisposizione per tagliare in tondo il filo metallico. Il filo metallico è stato inserito tra la lama di un coltello e una piattaforma di supporto. La piattaforma può muoversi nelle direzioni verticale (Z) e parallela (X) con una risoluzione di ~5 μm. b) Immagine SEM del nanogap dopo la rottura del nanocontatto. Barra della scala:5 μm. c) Micrografia ottica del filo metallico con una tacca nel mezzo. Barra della scala:immagine SEM di 50 μm (d) del filo metallico. Barra della scala:20 μm. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-019-0144-z.
L'ingegneria dei dispositivi elettronici utilizzando blocchi funzionali su scala atomica è una delle principali forze trainanti nella nanotecnologia per formare elementi chiave nei circuiti elettronici, precedentemente miniaturizzati mediante tunneling meccanico, funzionamento di polarizzazione tensione/corrente ed elettrochimica. Gli studi precedenti non però, affrontare il concetto di interruttori atomici controllati dal riscaldamento plasmonico. I plasmoni di superficie sono oscillazioni di elettroni delocalizzati coerenti all'interfaccia tra due materiali che formano nanostrutture metalliche, che può essere concentrato negli spazi di lunghezza d'onda tra i materiali. In linea di principio, quando la frequenza di risonanza dei plasmoni di superficie corrisponde alla frequenza della luce incidente, la risonanza plasmonica è eccitata per produrre un forte assorbimento della luce e un sostanziale riscaldamento plasmonico.
In questo studio, Zhang et al. usato questo principio per mostrare come un metallo, il contatto su scala atomica potrebbe essere gestito in modo affidabile come interruttore di conduttanza attraverso l'illuminazione controllata della luce. Per progettare il contatto metallico su scala atomica, hanno allungato con precisione un nanofilo metallico utilizzando la giunzione di rottura controllabile meccanicamente. Quando hanno ridotto la sezione del filo metallico a pochi nanometri o a pochi atomi, il diametro divenne paragonabile alla lunghezza d'onda di Fermi degli elettroni, consentendo agli effetti quantomeccanici di influenzare fortemente le proprietà del trasporto degli elettroni. Utilizzando questi principi, Zhang et al. ha mostrato come la conduttanza di un contatto atomico in oro potesse essere commutata da pochi quanti di conduttanza a centinaia di quanti, e viceversa con illuminazione leggera. Gli scienziati sono stati in grado di commutare in modo reversibile i contatti quantistici metallici tra lo stato aperto e chiuso controllando l'intensità della luce. Hanno creato un nanogap tra i contatti quantistici all'interno del quale il tunneling coerente regolava il trasporto degli elettroni.
Corrente modulata dall'illuminazione della luce. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-019-0144-z.
Sebbene la generazione di un nanogap fosse fondamentale per fabbricare dispositivi basati su singole molecole, progettare un divario regolabile su scala atomica è rimasta una sfida significativa. Sebbene le dimensioni degli spazi fissi non possano essere regolate dopo la fabbricazione, la dimensione del gap potrebbe essere prontamente e continuamente regolata attraverso il riscaldamento plasmonico a risoluzione sub-angstrom, come mostrato da Zhang e dal gruppo di ricerca.
Per questo, hanno usato una lampada commerciale a diodi a emissione di luce (LED) come fonte di luce negli esperimenti con un adattatore CA per controllare continuamente l'intensità della luce. La configurazione sperimentale non ha richiesto hardware ottico speciale o sorgenti laser ad alta potenza. Hanno usato un filo d'oro disponibile in commercio con una costrizione nel mezzo su un substrato di acciaio per molle per costruire i nanocontatti. Quindi, utilizzando una "giunzione di interruzione controllabile meccanicamente" (MCBJ), gli scienziati hanno allungato la costrizione piegando il substrato, e lo osservò con immagini di microscopia elettronica a scansione (SEM). Successivamente, gli scienziati hanno ridotto la sezione trasversale della costrizione per formare due elettrodi separati. Quando hanno acceso la luce, la conduttanza aumentava e diminuiva allo spegnimento della luce; la grande conduttanza risultante dall'illuminazione luminosa ricollegava fortemente i due elettrodi separati.
Gli scienziati hanno analizzato il fenomeno a livello di disposizione atomica, alla luce dell'illuminazione. Hanno dimostrato che i nanogap hanno un forte assorbimento della luce nelle regioni del visibile e del vicino infrarosso a causa delle risonanze plasmoniche superficiali localizzate (LSPR). Quando la frequenza della luce LED corrispondeva alla frequenza di oscillazione degli elettroni liberi e al campo elettromagnetico sulla punta degli elettrodi, l'LSPR intorno al divario era eccitato. La luce assorbita viene poi convertita in energia termica provocando l'espansione dei nanoelettrodi e la loro riconnessione. La conduttanza ha raggiunto il suo valore massimo quando il sistema era in equilibrio termico. Quando la luce è stata spenta, gli elettroni si separarono ancora una volta.
Dipendenza della conduttanza dalla luce incidente. a) Misura in tempo reale della conduttanza sulle illuminazioni a LED in regime di tunneling. Vbias = 1 mV. b) Schema della variazione della dimensione del gap all'illuminazione della luce. Le linee tratteggiate indicano la nuova posizione dei nanoelettrodi dopo l'illuminazione a LED. c) La conduttanza del tunneling gap dipendente dalla polarizzazione laser. Quando viene impiegato un laser p-polarizzato (rosa), la conduttanza è circa due volte maggiore della conduttanza quando viene impiegato un laser S-polarizzato (arancione). La lunghezza d'onda centrale del laser è 640 nm con una larghezza di banda di 5,7 nm, e la densità di potenza massima del laser è 0,5 mW/mm2. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-019-0144-z.
Per capire come la conduttanza dipendesse dall'intensità della luce, gli scienziati hanno eseguito esperimenti in cui l'intensità della luce massima all'interno di ciascun cerchio illuminato è aumentata gradualmente. Zhang et al. ha mostrato che la conduttanza massima in ciascun cerchio aumentava approssimativamente in modo lineare con l'intensità della luce. Hanno ottenuto dati ripetibili della corrente in funzione dell'intensità della luce e hanno mostrato come la conduttanza del contatto quantistico, potrebbe essere regolato dall'intensità della luce.
Caratterizzazione di dispositivi MCBJ e simulazione della distribuzione di espansione degli elettrodi in caso di illuminazione. a) Sistema per la misura della spettroscopia ottica. b) Spettri di diffusione del campo oscuro misurati dall'area del gap che impiega tre diversi campioni. La dimensione del gap è ~2 nm nel campione A e ~0.2 nm nel campione B. Gli elettrodi sono stati fortemente ricollegati, e non si osserva nanogap nel campione C. Le risonanze plasmoniche sono indicate dalle frecce. c) Modello utilizzato nella simulazione. Sono state considerate parti del filo metallico di grandi dimensioni vicino alle nanopunte. La dimensione del gap tra due nanopunte è inizialmente impostata su 2 nm. La polarizzazione della luce incidente è parallela all'asse x. d) Distribuzione dell'espansione (in componente X) quando è stata stabilita la temperatura di equilibrio. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-019-0144-z.
Zhang et al. ha anche osservato come la dimensione del nanogap potrebbe essere modulata con precisione dalla luce mostrando che la conduttanza potrebbe essere modificata nella regione di tunneling, tra la distanza dei due elettrodi, controllando la luce LED. Quando l'intensità della luce è stata fissata, potrebbero mantenere la corrente di tunneling costante più a lungo. Gli scienziati hanno stimato la distanza tra i due elettrodi utilizzando l'equazione di Simmons; utilizzato per descrivere la relazione tra la corrente di tunneling e la dimensione del gap di tunneling. Potrebbero quindi controllare con precisione la distanza tra i due elettrodi separati con una precisione sub-angstrom utilizzando l'intensità della luce.
Per confermare che l'origine del comportamento di commutazione era il riscaldamento indotto da plasmoni nei sistemi plasmonici su scala nanometrica, gli scienziati hanno studiato lo spettro di dispersione dei campioni MCBJ per rivelare la frequenza della risonanza plasmonica. I risultati hanno indicato che la variazione di conduttanza è correlata all'espansione degli elettrodi dovuta al riscaldamento plasmonico. Zhang et al. ha anche eseguito simulazioni con il metodo degli elementi finiti per stimare l'espansione degli elettrodi e risolto la distribuzione del campo elettrico, distribuzione della temperatura ed espansione termica sull'illuminazione della luce, utilizzando il pacchetto di programmi COMSOL Multiphysics. La simulazione ha calcolato lo spostamento massimo degli elettrodi di circa 0,4 nm. Zhang et al. sono stati in grado di ottimizzare ulteriormente la frequenza di commutazione ottimizzando le dimensioni caratteristiche per il trasferimento di calore. In questo modo, gli scienziati hanno dimostrato sperimentalmente che gli interruttori atomici possono essere azionati rapidamente tramite il riscaldamento plasmonico.
Sistema di illuminazione con diverse frequenze. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-019-0144-z
Il lavoro ha dimostrato la geometria atomica dei contatti quantistici metallici che potrebbero essere modulati con la luce e la capacità di invertire l'interruttore (acceso/spento, viceversa) la loro conduttanza mediante riscaldamento plasmonico. Mentre la separazione atomo per atomo degli elettrodi è stata chiaramente osservata, potrebbero anche regolare la dimensione del gap, tra gli elettrodi a risoluzione sub-angstrom controllando l'intensità della luce. Zhang et al. ha mostrato che il plasmone può potenzialmente superare il limite di diffrazione della luce per realizzare la nanofocalizzazione, trasferire l'interruttore atomico controllato da plasmoni per realizzare nanodispositivi altamente integrati; aprendo un nuovo percorso per progettare dispositivi nanoelettronici.
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