วิธีสร้างลวดนาโนที่มีความกว้างเพียง 3 อะตอมด้วยลำอิเล็กตรอน

Junhao Lin ปริญญาเอกมหาวิทยาลัย Vanderbilt นักศึกษาและนักวิทยาศาสตร์รับเชิญที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติโอ๊คริดจ์ (ORNL) ได้ค้นพบวิธีใช้ลำอิเล็กตรอนที่มีโฟกัสอย่างประณีตเพื่อสร้างสายไฟที่เล็กที่สุดเท่าที่เคยมีมา ลวดโลหะที่มีความยืดหยุ่นมีความกว้างเพียงสามอะตอม: หนึ่งในพันของความกว้างของลวดกล้องจุลทรรศน์ที่ใช้เชื่อมต่อทรานซิสเตอร์ในวงจรรวมในปัจจุบัน

ความสำเร็จของ Lin ได้รับการอธิบายไว้ในบทความที่ตีพิมพ์ออนไลน์เมื่อวันที่ 28 เมษายนโดยวารสาร นาโนเทคโนโลยีธรรมชาติ. ตามที่ที่ปรึกษาของเขา Sokrates Pantelides ศาสตราจารย์พิเศษด้านฟิสิกส์และวิศวกรรมศาสตร์ของมหาวิทยาลัย Vanderbilt University และผู้ร่วมงานของเขาที่ ORNL เทคนิคนี้ถือเป็นวิธีใหม่ที่น่าตื่นเต้นในการจัดการกับสสารในระดับนาโน และควรส่งเสริมความพยายามในการสร้างวงจรอิเล็กทรอนิกส์จาก อะตอมโมโนเลเยอร์ ซึ่งเป็นฟอร์มแฟคเตอร์ที่บางที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้สำหรับวัตถุที่เป็นของแข็ง

“Junhao รับโปรเจ็กต์นี้และดำเนินการตามนั้นจริงๆ” Pantelides กล่าว

Lin สร้างสายไฟเล็กๆ จากตระกูลวัสดุเซมิคอนดักเตอร์พิเศษที่ก่อตัวเป็นชั้นเดียวตามธรรมชาติ วัสดุเหล่านี้เรียกว่าไดแชลโคเจนไนด์ของโลหะทรานซิชัน (TMDC) สร้างขึ้นโดยการรวมโมลิบดีนัมหรือทังสเตนของโลหะเข้ากับซัลเฟอร์หรือซีลีเนียม สมาชิกที่รู้จักกันดีที่สุดในตระกูลคือโมลิบดีนัมไดซัลไฟด์ ซึ่งเป็นแร่ธาตุทั่วไปที่ใช้เป็นสารหล่อลื่นที่เป็นของแข็ง

ชั้นเดียวของอะตอมเป็นเป้าหมายที่น่าสนใจทางวิทยาศาสตร์ในปัจจุบัน เนื่องจากมีแนวโน้มว่าจะมีคุณสมบัติที่โดดเด่นหลายประการ เช่น ความแข็งแกร่งและความยืดหยุ่นเป็นพิเศษ ความโปร่งใส และการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในระดับสูง ความสนใจนี้จุดประกายในปี 2547 โดยการค้นพบวิธีง่ายๆ ในการสร้างกราฟีน ซึ่งเป็นโครงตาข่ายรังผึ้งขนาดอะตอมของอะตอมคาร์บอน ซึ่งได้แสดงคุณสมบัติที่ทำลายสถิติหลายประการ รวมถึงความแข็งแรง ไฟฟ้า และการนำความร้อน แม้ว่ากราฟีนจะมีคุณสมบัติขั้นสูงสุด แต่ผู้เชี่ยวชาญก็ประสบปัญหาในการแปลงกราฟีนให้เป็นอุปกรณ์ที่มีประโยชน์ นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุกระบวนการเรียกว่าฟังก์ชันการทำงาน ดังนั้นนักวิจัยจึงหันมาใช้วัสดุชั้นเดียวอื่นๆ เช่น TMDC

กลุ่มวิจัยอื่นๆ ได้สร้างทรานซิสเตอร์ที่ใช้งานได้และประตูหน่วยความจำแฟลชจากวัสดุ TMDC แล้ว ดังนั้นการค้นพบวิธีสร้างสายไฟจึงเป็นวิธีในการเชื่อมต่อองค์ประกอบพื้นฐานเหล่านี้เข้าด้วยกัน ถัดจากทรานซิสเตอร์ การเดินสายไฟถือเป็นส่วนที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งของวงจรรวม แม้ว่าวันนี้ วงจรรวม (ชิป) คือขนาดของภาพย่อ โดยประกอบด้วยสายไฟทองแดงยาวกว่า 20 ไมล์

"นี่น่าจะกระตุ้นให้เกิดความสนใจในการวิจัยอย่างมากเกี่ยวกับการออกแบบวงจรแบบ monolayer" Lin กล่าว “เนื่องจากเทคนิคนี้ใช้การฉายรังสีอิเล็กตรอน โดยหลักการแล้วจึงสามารถใช้ได้กับเครื่องมือที่ใช้อิเล็กตรอนทุกประเภท เช่น การพิมพ์หินลำแสงอิเล็กตรอน”

คุณสมบัติที่น่าสนใจอย่างหนึ่งของวงจรชั้นเดียวคือความเหนียวและความยืดหยุ่น ยังเร็วเกินไปที่จะคาดเดาว่าแอปพลิเคชันประเภทใดจะผลิตออกมา แต่ “หากคุณปล่อยให้จินตนาการของคุณหลุดลอยไป คุณสามารถจินตนาการถึงแท็บเล็ตและจอโทรทัศน์ที่บางเท่ากับกระดาษแผ่นหนึ่งที่คุณสามารถม้วนขึ้นและใส่สิ่งของในกระเป๋าเสื้อหรือในกระเป๋าของคุณ กระเป๋าเงิน” Pantelides แสดงความคิดเห็น

นอกจากนี้ Lin ยังมองเห็นว่าเทคนิคใหม่นี้สามารถสร้างวงจรสามมิติได้โดยการซ้อนชั้นเดียว "เหมือนบล็อกเลโก้" และใช้คานอิเล็กตรอนเพื่อสร้างสายไฟที่เชื่อมต่อกับชั้นที่ซ้อนกัน

การผลิตเส้นลวดนาโนได้ดำเนินการที่ ORNL ในกลุ่มกล้องจุลทรรศน์ซึ่ง Stephen J. Pennycook เป็นผู้นำจนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการทำงานร่วมกันของ Vanderbilt-ORNL ที่กำลังดำเนินอยู่ซึ่งผสมผสานกล้องจุลทรรศน์และทฤษฎีเพื่อศึกษาระบบวัสดุที่ซับซ้อน Junhao เป็นนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาที่แสวงหาทั้งทฤษฎีและกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนในการวิจัยระดับปริญญาเอกของเขา ที่ปรึกษาหลักด้านกล้องจุลทรรศน์ของเขาคือ ORNL Wigner Fellow Wu Zhou

“จุนห่าวใช้การสแกน กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน โจวกล่าว