Cồn cát nano với chùm ion: Phương pháp mới cho cấu trúc nano tự tổ chức

Nhiều thiết bị bán dẫn trong công nghệ hiện đại – từ mạch tích hợp đến pin mặt trời và đèn LED – đều dựa trên cấu trúc nano. Việc sản xuất các mảng cấu trúc nano thông thường thường đòi hỏi nỗ lực đáng kể. Nếu chúng được tự tổ chức, việc sản xuất các thiết bị như vậy sẽ nhanh hơn đáng kể và do đó chi phí sẽ giảm xuống. Tiến sĩ Stefan Facsko từ Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) và Tiến sĩ Xin Ou từ Viện Vi hệ thống và Công nghệ thông tin Thượng Hải (SIMMIT), Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, hiện đã trình diễn một phương pháp tự tổ chức các mảng cấu trúc nano thông qua chiếu xạ chùm ion rộng. Kết quả đã được công bố trên tạp chí khoa học quy mô nano.

Trong phương pháp đáng kinh ngạc của họ, các nhà nghiên cứu sử dụng chùm ion, là những nguyên tử tích điện nhanh. Chúng chiếu một chùm ion khí hiếm vào một gali arsenua wafer, ví dụ, được sử dụng trong sản xuất bóng bán dẫn tốc độ cao và tần số cao, tế bào quang điện hoặc điốt phát sáng. “Người ta có thể so sánh việc bắn phá ion với việc phun cát. Điều này có nghĩa là các ion bị tách ra khỏi bề mặt của mục tiêu. Ở đó, mong muốn cấu trúc nano đều do chính họ tạo ra,” Tiến sĩ Facsko giải thích. Cấu trúc đều đặn và được chạm khắc tinh xảo gợi nhớ đến những cồn cát, những cấu trúc tự nhiên được tạo ra bởi gió. Tuy nhiên, tất cả đều xảy ra trong một thế giới nano, với khoảng cách chỉ 50 nanomet giữa hai cồn cát – sợi tóc của con người dày hơn hai nghìn lần.

Bắn phá ion ở nhiệt độ cao

Tuy nhiên, ở nhiệt độ phòng, chùm ion phá hủy cấu trúc tinh thể của gali arsenide và do đó phá hủy tính chất bán dẫn của nó. Do đó, nhóm của Tiến sĩ Facsko tại Trung tâm Tia ion của HZDR tận dụng cơ hội làm nóng mẫu trong quá trình bắn phá ion. Ở nhiệt độ khoảng bốn trăm độ C, các công trình bị phá hủy sẽ phục hồi nhanh chóng.

Một hiệu ứng nữa đảm bảo rằng các cồn nano trên bề mặt chất bán dẫn phát triển. Các ion va chạm không chỉ làm dịch chuyển các nguyên tử mà chúng va chạm mà còn đánh bật hoàn toàn các nguyên tử riêng lẻ ra khỏi môi trường. cấu trúc tinh thể. Vì asen dễ bay hơi không còn liên kết trên bề mặt nên bề mặt sớm chỉ bao gồm các nguyên tử gali. Để bù đắp cho các liên kết nguyên tử asen bị thiếu, các cặp nguyên tử gali hình thành, chúng tự sắp xếp thành hàng dài. Nếu chùm ion đánh bật các nguyên tử tiếp theo bên cạnh chúng, các cặp gali không thể trượt xuống bậc đã được tạo ra vì nhiệt độ quá thấp để điều này xảy ra. Đây là cách các hàng dài các cặp gali tạo thành các đụn nano sau một thời gian, trong đó một số cặp dây dài nằm cạnh nhau.

Cần có nhiều thí nghiệm ở các nhiệt độ khác nhau và tính toán toàn diện để vừa bảo toàn trạng thái tinh thể của vật liệu bán dẫn vừa tạo ra các cấu trúc được xác định rõ ở cấp độ nano. Tiến sĩ Facsko từ HZDR cho biết, “Phương pháp epit Wax nghịch đảo hoạt động với nhiều loại vật liệu khác nhau nhưng vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu cơ bản. Bởi vì chúng tôi sử dụng các ion năng lượng đặc biệt thấp – dưới 1 kilovolt – có thể được tạo ra bằng các phương pháp đơn giản nên chúng tôi hy vọng rằng chúng tôi có thể chỉ đường cho việc triển khai công nghiệp. Việc sản xuất các cấu trúc tương tự với các phương pháp hiện đại cần nhiều nỗ lực hơn.”