Как создать нанопроволоки шириной всего в три атома с помощью электронного луча

Джунхао Линь, доктор философии Университета Вандербильта. Студент и приглашенный ученый из Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) нашел способ использовать тонко сфокусированный пучок электронов для создания самых маленьких проводов, когда-либо созданных. Гибкие металлические провода имеют ширину всего три атома: одну тысячную ширины микроскопических проводов, используемых для соединения транзисторов в современных интегральных схемах.

Достижение Линя описано в статье, опубликованной в Интернете 28 апреля журналом. Природные нанотехнологии. По словам его советника Сократеса Пантелидеса, заслуженного профессора физики и инженерии Университета Вандербильта, и его сотрудников из ORNL, этот метод представляет собой новый захватывающий способ манипулирования материей на наноуровне и должен дать толчок усилиям по созданию электронных схем из атомные монослои — самый тонкий форм-фактор твердых объектов.

«Джунхао взялся за этот проект и действительно его реализовал», — сказал Пантелидес.

Лин сделал крошечные провода из специального семейства полупроводниковых материалов, которые естественным образом образуют монослои. Эти материалы, называемые дихалькогенидами переходных металлов (TMDC), производятся путем соединения металлов молибдена или вольфрама с серой или селеном. Самый известный член семейства — дисульфид молибдена, распространенный минерал, который используется в качестве твердой смазки.

Атомные монослои в наши дни являются объектом значительного научного интереса, поскольку они обладают рядом замечательных качеств, таких как исключительная прочность и гибкость, прозрачность и высокая подвижность электронов. Этот интерес был вызван в 2004 году открытием простого способа создания графена — сотовой решетки атомов углерода атомного масштаба, которая продемонстрировала ряд рекордных свойств, включая прочность, электропроводность и теплопроводность. Несмотря на превосходные свойства графена, экспертам не удалось превратить его в полезные устройства — процесс, который ученые-материаловеды называют функционализацией. Поэтому исследователи обратились к другим монослойным материалам, таким как TMDC.

Другие исследовательские группы уже создали работающие транзисторы и вентили флэш-памяти из материалов TMDC. Таким образом, открытие того, как делать провода, дает возможность соединить эти основные элементы между собой. После транзисторов проводка является одной из наиболее важных частей интегральной схемы. Хотя сегодняшний интегральные схемы (чипы) размером с ноготь, в них содержится более 20 миль медной проводки.

«Это, вероятно, будет стимулировать огромный исследовательский интерес к проектированию однослойных схем», — сказал Лин. «Поскольку этот метод использует электронное облучение, он в принципе может быть применим к любому виду электронного инструмента, например, к электронно-лучевой литографии».

Одним из интригующих свойств однослойной схемы является ее прочность и гибкость. Пока слишком рано предсказывать, какие приложения он будет создавать, но «если дать волю своему воображению, вы можете представить себе планшеты и телевизионные дисплеи, тонкие, как лист бумаги, который можно свернуть и положить в карман или кошелек», — прокомментировал Пантелидес.

Кроме того, Лин предполагает, что новая технология позволит создавать трехмерные схемы путем укладки монослоев «как кубики Лего» и использования электронных лучей для изготовления проводов, соединяющих сложенные слои.

Изготовление нанопроволок осуществлялось в ORNL в группе микроскопии, которую до недавнего времени возглавлял Стивен Дж. Пенникук, в рамках продолжающегося сотрудничества Вандербильта и ORNL, которое сочетает микроскопию и теорию для изучения сложных систем материалов. Цзюньхао — аспирант, который в своих докторских исследованиях занимается как теорией, так и электронной микроскопией. Его основным наставником по микроскопии был научный сотрудник ORNL Wigner У Чжоу.

«Джунхао использовал сканирование просвечивающий электронный микроскоп (STEM), который способен фокусировать пучок электронов шириной до половины ангстрема (около половины размера атома) и направлять этот луч с исключительной точностью», — сказал Чжоу.