Выращивание ультратонких кристаллов висмута внутри формы VdW. а – в, Схема поперечного сечения процесса формования VdW с соответствующими оптическими изображениями висмута. а — чешуйки висмута, инкапсулированные в hBN на нижней подложке из Si/SiO.2 прежде чем сжимать. б — Одноосное сжатие (вертикальная красная стрелка) применяется к стопке с помощью жесткой верхней подложки (стекла или сапфира) при нагреве предметного столика. Когда висмут достигает точки плавления, он быстро сжимается и расширяется вбок. в) Висмут охлаждают ниже точки плавления, а затем снимают давление, в результате чего образуется ультратонкий кристалл висмута. На вставке показано атомное строение. г — оптическое изображение капсулированного висмута, полученного методом VdW (образец М30); черные треугольники указывают местоположение следа линии АСМ (вверху) висмута, полученного после удаления верхней чешуйки hBN. Толщина этого висмута варьируется от 10 до 20 нм. д — топография висмута, полученного методом VdW, после удаления верхнего слоя hBN с помощью АСМ, демонстрирующая широкие плоские террасы. Черные треугольники показывают расположение трассировки линии (вверху). Средняя высота ступени составляет 3,9 ± 0,4 Å. На вставке диаграммы в заштрихованной области показана кристаллическая структура. Кредит: Природные материалы (2024). DOI: 10.1038/s41563-024-01894-0
В исследовании, опубликованном в Природные материалыУченые из Калифорнийского университета в Ирвайне описывают новый метод изготовления очень тонких кристаллов элемента висмута — процесс, который может помочь производству дешевой гибкой электроники стать повседневной реальностью.
«Висмут очаровывает ученых уже более ста лет благодаря своей низкой температуре плавления и уникальным электронным свойствам», — сказал Хавьер Санчес-Ямагиши, доцент кафедры физики и астрономии Калифорнийского университета в Ирвайне и соавтор исследования. «Мы разработали новый метод изготовления очень тонких кристаллов таких материалов, как висмут, и в процессе выявляем скрытое электронное поведение поверхностей металла».
Листы висмута, изготовленные командой, имеют толщину всего несколько нанометров. Санчес-Ямагиши объяснил, как теоретики предсказали, что висмут содержит особые электронные состояния, позволяющие ему становиться магнитным, когда через него проходит электричество — что важно для квантовых электронных устройств, основанных на магнитном вращении электронов.
Одно из скрытых явлений, наблюдаемых командой, — это так называемые квантовые колебания, исходящие от поверхностей кристаллов.
«Квантовые колебания возникают в результате движения электрона в магнитном поле», — сказала Лайси Чен, доктор философии. кандидат физики и астрономии Калифорнийского университета в Ирвайне и один из ведущих авторов статьи. «Если электрон сможет совершить полный оборот вокруг магнитного поля, он сможет проявлять эффекты, важные для работы электроники. Квантовые колебания были впервые обнаружены в висмуте в 1930-х годах, но никогда не наблюдались в кристаллах висмута нанометровой толщины. «
Эми Ву, доктор философии. кандидат физики из лаборатории Санчес-Ямагиши сравнил новый метод команды с прессом для тортильи. Чтобы сделать ультратонкие листы висмута, объяснил Ву, им пришлось сжать висмут между двумя горячими пластинами. Чтобы сделать листы настолько плоскими, что они есть, им пришлось использовать формовочные пластины, которые идеально гладки на атомном уровне, то есть на поверхности нет микроскопических выемок или других дефектов.
«Затем мы приготовили что-то вроде кесадильи или панини, где висмут — это сырная начинка, а лепешки — атомарно плоские поверхности», — сказал Ву.
«Был нервный момент, когда мы потратили больше года на создание этих красивых тонких кристаллов, но понятия не имели, будут ли их электрические свойства чем-то экстраординарным», — сказал Санчес-Ямагиши. «Но когда мы охладили устройство в нашей лаборатории, мы были поражены, наблюдая квантовые колебания, которые ранее не наблюдались в тонких пленках висмута».
«Сжатие — это очень распространенная технология производства, используемая для изготовления обычных бытовых материалов, таких как алюминиевая фольга, но она обычно не используется для изготовления электронных материалов, подобных тем, которые используются в ваших компьютерах», — добавил Санчес-Ямагиши. «Мы считаем, что наш метод можно будет распространить на другие материалы, такие как олово, селен, теллур и родственные сплавы с низкими температурами плавления, и его может быть интересно изучить для будущих гибких электронных схем».
Далее команда хочет изучить другие способы использования методов сжатия и литья под давлением для изготовления следующих компьютерных чипов для телефонов или планшетов.
«Наши новые члены команды привносят в этот проект захватывающие идеи, и мы работаем над новыми методами, которые позволят получить дополнительный контроль над формой и толщиной выращенных кристаллов висмута», — сказал Чен. «Это упростит процесс изготовления устройств и приблизит его к массовому производству».
В исследовательскую группу входили сотрудники из Калифорнийского университета в Ирвине, Национальной лаборатории Лос-Аламоса и Национального института материаловедения в Японии.
Больше информации:
Лаиси Чен и др., Исключительный электронный транспорт и квантовые колебания в тонких кристаллах висмута, выращенных внутри материалов Ван-дер-Ваальса, Природные материалы (2024). DOI: 10.1038/s41563-024-01894-0
Предоставлено Калифорнийским университетом в Ирвайне.
Цитирование: Новый метод производства кристаллов может улучшить квантовые компьютеры и электронику (21 мая 2024 г.), получено 22 мая 2024 г. с https://phys.org/news/2024-05-crystal-production-method-quantum-electronics.html.
Этот документ защищен авторским правом. За исключением любых добросовестных сделок в целях частного изучения или исследования, никакая часть не может быть воспроизведена без письменного разрешения. Содержимое предоставлено исключительно в информационных целях.
