Исследователи из Университета Райса использовали сфокусированный электронный пучок для точного формирования функций устройств с субмикронной точностью непосредственно в ультратонком кристалле. Этот подход позволил создать трассы, более узкие, чем ширина спирали ДНК, которые светятся ярко-синим светом и проводят электричество. Это показывает, что метод может быть использован для производства компактной встроенной проводки и световых источников на чипах.
«Электронный пучок работает как наноразмерный карандаш», — говорит Хэ Ён Ли, доцент кафедры материаловедения и наноинженерии, один из авторов исследования, опубликованного в Nano Letters. «Это одношаговый способ создания источников света и проводов в масштабах, где сложно достичь контроля с помощью традиционных методов, таких как литография».
Команда работала с оксидом молибдена — кристаллом, состоящим из сложенных ультратонких слоёв, скреплённых слабыми силами притяжения, известными как силы Ван-дер-Ваальса. В отличие от химических связей, которые удерживают атомы вместе в объёмных трёхмерных структурах, силы Ван-дер-Ваальса действуют между слоями толщиной в атом. Это делает материалы, управляемые этими силами, высоко настраиваемыми — качество, которое учёные-материаловеды надеются использовать в устройствах следующего поколения.
Примеры действия сил Ван-дер-Ваальса в повседневной жизни включают графит в карандаше, который сбрасывает свои слои при нажатии на бумагу; и бесчисленные крошечные складки на лапках гекконов, которые полагаются на силы Ван-дер-Ваальса, чтобы цепляться за стены и потолки.
«Управление свойствами материалов является ключевым в инженерии, и материалы Ван-дер-Ваальса — это идеальный испытательный стенд для поиска новых способов сделать это», — говорит Ли. «Эта работа показывает, что мы можем очень точно контролировать оптические и электрические свойства для создания субволновых элементов на материалах Ван-дер-Ваальса без необходимости в многочисленных сложных шагах, связанных с традиционными методами, такими как литография».
Исследователи проверили идею о том, что высокоэнергетические электроны могут действовать как крошечные молотки, выбивая атомы кислорода из решётки оксида молибдена. Эти отсутствующие атомы — известные как кислородные дефекты — заставили кристалл сиять ярче и легче проводить ток.
«Там, где „писал“ электронный пучок, быстро появлялось и оставалось ярким синее излучение», — сказал Ифэн Лю, постдокторский исследователь Райса, ведущий автор исследования. «Эти узоры также становятся в сотни раз более проводящими, образуя острые встроенные провода».
Поскольку пятно электронного пучка настолько мало, размеры узоров достигают всего нескольких сотен нанометров. Такая точность позволяет потенциально интегрировать светящиеся следы и наноразмерную проводку непосредственно в чипы, датчики и другие устройства.
Работа опиралась на новую систему катодолюминесцентной спектроскопии в Центре совместного использования оборудования Университета Райса — учреждении, которое предоставляет исследовательские инструменты и экспертные знания исследователям в Райсе и за его пределами, делая передовые эксперименты доступными и доступными в области науки и техники.
Исследователи использовали прибор как для создания кислородных дефектов в кристаллах оксида молибдена, так и для записи излучаемого света, называемого катодолюминесценцией. Это позволило им отслеживать изменения в кристаллической решётке в режиме реального времени и характеризовать возникающие свойства.
«Мы также подтвердили появление кислородных дефектов с помощью дополнительных методов характеризации», — сказал Лю. «В целом, что интересно в этой работе, так это достижение всех этих материальных эффектов одновременно. Мы не выполняем отдельные шаги для оптики и электроники. Мы пишем одновременно, в одном материале, с действительно высокой точностью».
Исследователи говорят, что метод может быть применён не только к оксиду молибдена, но и к другим оксидам Ван-дер-Ваальса, предлагая новый инструментарий для проектирования оптоэлектронных устройств следующего поколения.
Предоставлено Университетом Райса.