Il controllo è una sfida costante per gli scienziati dei materiali, che sono sempre alla ricerca del materiale perfetto, e del modo perfetto di trattarlo, per indurre esattamente la giusta attività elettronica o ottica richiesta per una determinata applicazione.

Una sfida chiave per la modulazione dell'attività in un semiconduttore è il controllo del suo gap di banda. Quando un materiale è eccitato con energia, dire, un leggero impulso, più ampia è la sua banda proibita, minore è la lunghezza d'onda della luce che emette. Più stretto è il gap di banda, più lunga è la lunghezza d'onda.

Poiché l'elettronica e i dispositivi che li incorporano, smartphone, laptop e simili, sono diventati sempre più piccoli, i transistor a semiconduttore che li alimentano si sono ridotti al punto da essere non molto più grandi di un atomo. Non possono diventare molto più piccoli. Per superare questo limite, i ricercatori stanno cercando modi per sfruttare le caratteristiche uniche degli array di cluster atomici su scala nanometrica, noti come superreticoli di punti quantici, per costruire l'elettronica di prossima generazione come i sistemi di informazione quantistica su larga scala. Nel regno quantistico, la precisione è ancora più importante.

Una nuova ricerca condotta dal Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica della UC Santa Barbara rivela un importante progresso nei materiali dei superreticoli di precisione. I risultati del professor Kaustav Banerjee, il suo dottorato di ricerca studenti Xuejun Xie, Jiahao Kang e Wei Cao, Il borsista postdottorato Jae Hwan Chu e i collaboratori della Rice University appaiono sulla rivista Rapporti scientifici sulla natura .

La ricerca del loro team utilizza un raggio di elettroni focalizzato per fabbricare un superreticolo di punti quantici su larga scala su cui ogni punto quantico ha una dimensione predeterminata specifica posizionata in una posizione precisa su un foglio atomicamente sottile di molibdeno semiconduttore bidimensionale (2-D). disolfuro (MoS2). Quando il fascio di elettroni focalizzato interagisce con il monostrato MoS2, trasforma quell'area, che è dell'ordine di un nanometro di diametro, da semiconduttrice a metallica. I punti quantici possono essere posizionati a meno di quattro nanometri di distanza, in modo che diventino un cristallo artificiale, essenzialmente un nuovo materiale 2-D in cui è possibile specificare l'intervallo di banda per ordinare, da 1,8 a 1,4 elettronvolt (eV).

Questa è la prima volta che gli scienziati hanno creato un superreticolo 2-D di grandi dimensioni - cluster atomici su nanoscala in una griglia ordinata - su un materiale atomicamente sottile su cui sia la dimensione che la posizione dei punti quantici sono controllate con precisione. Il processo non solo crea diversi punti quantici, ma può anche essere applicato direttamente alla fabbricazione su larga scala di superreticoli a punti quantici 2-D. "Noi possiamo, perciò, modificare le proprietà complessive del cristallo 2-D, " ha detto Banerjee.

Ogni punto quantico agisce come un pozzo quantico, dove si verifica l'attività elettrone-lacuna, e tutti i punti nella griglia sono abbastanza vicini l'uno all'altro da garantire interazioni. I ricercatori possono variare la spaziatura e la dimensione dei punti per variare il gap di banda, che determina la lunghezza d'onda della luce emessa.

"Utilizzando questa tecnica, possiamo progettare il gap di banda in modo che corrisponda all'applicazione, " ha detto Banerjee. I superreticoli di punti quantici sono stati ampiamente studiati per la creazione di materiali con intervalli di banda sintonizzabili, ma tutti sono stati realizzati utilizzando metodi "dal basso verso l'alto" in cui gli atomi si combinano naturalmente e spontaneamente per formare un macrooggetto. Ma questi metodi lo rendono intrinsecamente difficile progettare la struttura reticolare come desiderato e, così, per ottenere prestazioni ottimali.

Come esempio, a seconda delle condizioni, la combinazione di atomi di carbonio produce solo due risultati nella forma bulk (o 3-D):grafite o diamante. Questi non possono essere "sintonizzati" e quindi non possono fare nulla nel mezzo. Ma quando gli atomi possono essere posizionati con precisione, il materiale può essere progettato con le caratteristiche desiderate.

"Il nostro approccio supera i problemi di casualità e prossimità, consentendo il controllo del band gap e tutte le altre caratteristiche che potresti desiderare che il materiale abbia, con un alto livello di precisione, " Xie ha detto. "Questo è un nuovo modo di fare materiali, e avrà molti usi, in particolare nell'informatica quantistica e nelle applicazioni di comunicazione. I punti sul superreticolo sono così vicini l'uno all'altro che gli elettroni sono accoppiati, un requisito importante per l'informatica quantistica".

Il punto quantico è teoricamente un "atomo" artificiale. La tecnica sviluppata rende possibile tale progettazione e "regolazione" consentendo il controllo dall'alto verso il basso delle dimensioni e della posizione degli atomi artificiali su larga scala.

Per dimostrare il livello di controllo raggiunto, gli autori hanno prodotto un'immagine di "UCSB" enunciata in una griglia di punti quantici. Utilizzando dosi diverse dal fascio di elettroni, sono stati in grado di far illuminare diverse aree delle iniziali dell'università a diverse lunghezze d'onda.

"Quando cambi la dose del fascio di elettroni, puoi cambiare la dimensione del punto quantico nella regione locale, e una volta che lo fai, puoi controllare il band gap del materiale 2-D, " Banerjee ha spiegato. "Se dici di volere un gap di banda di 1,6 eV, Te lo posso dare. Se vuoi 1,5 eV, Posso farlo, pure, a partire dallo stesso materiale."

Questa dimostrazione del band gap diretto sintonizzabile potrebbe inaugurare una nuova generazione di dispositivi a emissione di luce per applicazioni fotoniche.