Wie man mit einem Elektronenstrahl Nanodrähte mit einer Breite von nur drei Atomen erzeugt

Junhao Lin, ein Ph.D. der Vanderbilt University. Student und Gastwissenschaftler am Oak Ridge National Laboratory (ORNL), hat einen Weg gefunden, einen fein fokussierten Elektronenstrahl zu verwenden, um einige der kleinsten Drähte herzustellen, die jemals hergestellt wurden. Die flexiblen Metalldrähte sind nur drei Atome breit: ein Tausendstel der Breite der mikroskopisch kleinen Drähte, die zur Verbindung der Transistoren in heutigen integrierten Schaltkreisen verwendet werden.

Lins Leistung wird in einem Artikel beschrieben, der am 28. April online in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Natur-Nanotechnologie. Laut seinem Berater Sokrates Pantelides, University Distinguished Professor of Physics and Engineering an der Vanderbilt University, und seinen Mitarbeitern am ORNL stellt die Technik eine aufregende neue Möglichkeit zur Manipulation von Materie im Nanomaßstab dar und dürfte den Bemühungen, daraus elektronische Schaltkreise zu schaffen, Auftrieb geben Atommonoschichten, der dünnstmögliche Formfaktor für feste Objekte.

„Junhao hat dieses Projekt angenommen und es wirklich umgesetzt“, sagte Pantelides.

Lin stellte die winzigen Drähte aus einer speziellen Familie halbleitender Materialien her, die auf natürliche Weise Monoschichten bilden. Diese als Übergangsmetalldichalkogenide (TMDCs) bezeichneten Materialien werden durch die Kombination der Metalle Molybdän oder Wolfram mit Schwefel oder Selen hergestellt. Das bekannteste Mitglied der Familie ist Molybdändisulfid, ein weit verbreitetes Mineral, das als Festschmierstoff verwendet wird.

Atomare Monoschichten sind heutzutage Gegenstand erheblichen wissenschaftlichen Interesses, da sie in der Regel eine Reihe bemerkenswerter Eigenschaften aufweisen, wie beispielsweise außergewöhnliche Festigkeit und Flexibilität, Transparenz und hohe Elektronenmobilität. Dieses Interesse wurde 2004 durch die Entdeckung einer einfachen Möglichkeit zur Herstellung von Graphen geweckt, einem Wabengitter aus Kohlenstoffatomen im atomaren Maßstab, das eine Reihe rekordverdächtiger Eigenschaften aufweist, darunter Festigkeit, Elektrizität und Wärmeleitung. Trotz der überragenden Eigenschaften von Graphen hatten Experten Schwierigkeiten, es in nützliche Geräte umzuwandeln, ein Prozess, den Materialwissenschaftler als Funktionalisierung bezeichnen. Deshalb haben sich Forscher anderen Monoschichtmaterialien wie den TMDCs zugewandt.

Andere Forschungsgruppen haben bereits funktionierende Transistoren und Flash-Speicher-Gates aus TMDC-Materialien hergestellt. Die Entdeckung, wie man Drähte herstellt, liefert also die Möglichkeit, diese Grundelemente miteinander zu verbinden. Neben den Transistoren ist die Verkabelung einer der wichtigsten Teile einer integrierten Schaltung. Obwohl heute integrierte Schaltkreise (Chips) haben die Größe eines Daumennagels und enthalten mehr als 20 Meilen Kupferkabel.

„Dies wird wahrscheinlich ein großes Forschungsinteresse am Design von Monoschichtschaltungen wecken“, sagte Lin. „Da diese Technik Elektronenbestrahlung nutzt, kann sie prinzipiell auf jede Art von elektronenbasierten Instrumenten angewendet werden, beispielsweise auf die Elektronenstrahllithographie.“

Eine der faszinierenden Eigenschaften einschichtiger Schaltkreise ist ihre Robustheit und Flexibilität. Es ist noch zu früh, vorherzusagen, welche Arten von Anwendungen daraus hervorgehen werden, aber „Wenn Sie Ihrer Fantasie freien Lauf lassen, können Sie sich Tablets und Fernsehdisplays vorstellen, die so dünn sind wie ein Blatt Papier, das Sie zusammenrollen und in Ihre Tasche stecken können.“ Handtasche“, kommentierte Pantelides.

Darüber hinaus stellt sich Lin vor, dass die neue Technik es ermöglichen könnte, dreidimensionale Schaltkreise zu erzeugen, indem Monoschichten „wie Legosteine“ gestapelt und Elektronenstrahlen verwendet werden, um die Drähte herzustellen, die die gestapelten Schichten verbinden.

Die Herstellung von Nanodrähten wurde am ORNL in der Mikroskopiegruppe durchgeführt, die bis vor kurzem von Stephen J. Pennycook geleitet wurde, als Teil einer laufenden Vanderbilt-ORNL-Zusammenarbeit, die Mikroskopie und Theorie zur Untersuchung komplexer Materialsysteme kombiniert. Junhao ist ein Doktorand, der sich in seiner Doktorarbeit sowohl mit Theorie als auch mit Elektronenmikroskopie beschäftigt. Sein wichtigster Mikroskopie-Mentor war ORNL Wigner Fellow Wu Zhou.

„Junhao hat einen Scanvorgang durchgeführt Transmissionselektronenmikroskop (STEM), das in der Lage ist, einen Elektronenstrahl auf eine Breite von einem halben Angström (etwa halb so groß wie ein Atom) zu fokussieren und diesen Strahl mit außerordentlicher Präzision auszurichten“, sagte Zhou.